CN207752313U - 一种基于实时以太网技术的城镇综合管廊异地冗余控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于实时以太网技术的城镇综合管廊异地冗余控制器，其特征在于，包括IO层设备、网络层设备、远程现场控制器层设备及SCADA层设备，其中：IO层设备包括主IO层设备及辅IO层设备，网络层设备包括主以太网设备、主交换机、辅以太网设备、辅交换机，远程现场控制器层设备包括主用远程现场控制器及备用远程现场控制器，SCADA层设备包括主SCADA层设备及辅SCADA层设备。本实用新型不仅提高了综合管廊监控与报警系统的稳定性和可靠性，同时也提高了整个综合管廊项目开发和后期维护的效率。

Description

一种基于实时以太网技术的城镇综合管廊异地冗余控制器

技术领域

本实用新型一种基于实时以太网技术的综合管廊冗余控制器，当主设备出现故障时，冗余设备是可以立刻使用的替代设备，从而保证整个综合管廊监控与报警系统能够继续正常工作。

背景技术

综合管廊，就是地下城市管道综合走廊。即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通讯，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

综合管廊的设计使用寿命长达百年，是城市建设的百年大计。管廊内各种管线密布、职能各异，而地下空间狭窄、环境复杂，这就对城镇综合管廊监控与报警系统的稳定性提出了极高的要求。在工业控制的某些重要场所，控制设备的可靠性和安全性要求非常高。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种满足综合管廊监控与报警系统的可靠性、安全性和实时性的控制器。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种基于实时以太网技术的城镇综合管廊异地冗余控制器，其特征在于，包括IO层设备、网络层设备、远程现场控制器层设备及SCADA层设备，其中：IO层设备包括主IO层设备及辅IO层设备，网络层设备包括主以太网设备、主交换机、辅以太网设备、辅交换机，远程现场控制器层设备包括主用远程现场控制器及备用远程现场控制器，SCADA层设备包括主SCADA层设备及辅SCADA层设备；

主IO层设备及辅IO层设备分别经由主以太网设备及辅以太网设备接入工业实时以太网；主用远程现场控制器及备用远程现场控制器分别经由主交换机及辅交换机接入工业实时以太网，主用远程现场控制器与备用远程现场控制器通过冗余接口相互连接，相互之间作为对方的IO控制器和IO设备；主SCADA层设备与主用远程现场控制器及备用远程现场控制器均建立连接，辅SCADA层设备与主用远程现场控制器及备用远程现场控制器均建立连接，主SCADA层设备与辅SCADA层设备之间相互同步连接。

城镇综合管廊监控与报警系统是一个系统性工程，构成复杂，数据采集量大，控制站点多，设备分布分散，而且综合管廊环境恶劣，因此监控系统最主要考虑的是安全、可靠和稳定。本实用新型不仅提高了综合管廊监控与报警系统的稳定性和可靠性，同时也提高了整个综合管廊项目开发和后期维护的效率。

附图说明

图1为基于实时以太网技术的综合管廊冗余控制器的网络拓扑图；

图2为IO装置冗余通信结构图。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

在许多重要的工业通信现场，控制设备的可靠性和安全性要求非常高，通常都需要考虑冗余设计。冗余控制器涉及到的相关技术包括控制软件、控制器硬件、现场总线及IO设备等。近年来，具有实时性的工业以太网系统开始成为工业控制领域的热点，并开始在工厂自动化的一些行业推广应用。主流的工业以太网系统包括Ethernet IP、PROFINET、Modbus TCP、EtherCAT、POWERLINK等。基于现场总线或专用通信协议的冗余控制器在市场上应用比较多，技术比较成熟。本实用新型专利与传统的冗余方案有较大的不同，是基于工业实时以太网的冗余控制器，是采用超远距离的实时同步冗余控制技术。

异地冗余控制技术以面向未来的工业实时以太网为核心，为综合管廊提供全方位技术支持及软硬件解决方案。包括异地冗余的远程现场控制器、远程IO、工业实时网络交换机、电源、软件等，确保综合管廊的设备监控系统安全、稳定运行。

根据综合管廊地下结构特点和管网的形状，控制系统基于实时以太网的环网冗余分布式控制技术，采用多个千兆网络环网进行独自组环，然后由环网的两端同时上传至主监控中心或副监控中心的核心交换机，再次形成嵌套环网，确保整个系统的网络控制多重稳定与可靠。

综合管廊冗余控制器的核心为高可用性远程现场控制器。异地冗余功能的远程现场控制器成对使用，最远可相距80km，通过自动同步技术形成“一主一备”，主控制器负责监控整个管廊现场控制器以及对应的设备，同时通过千兆光纤将数据传送到备用控制器。如果主控制器发生故障而停机，备用控制器立即切换为主控制器，确保整个管廊的监控不受影响。

两个远程现场控制器分别安装在主监控中心和远端配电房中，并借助综合管廊的同步光纤接口形成互联，这样既保证了控制器的高性能，同时可最大程度降低管廊监控系统发生故障的风险。

针对综合管廊长距离对控制系统提出的特殊要求，系统采用全新的工业实时以太网技术，让控制数据跟视频数据完美结合，同时将控制网络与视频网络合二为一，不仅节省了成本，同时也确保系统的安全和可靠。基于工业实时以太网技术的网络架构更加简单，性能更加优越，系统故障节点减少，实现工业控制信号和视频信号的同一媒介网络互不干扰的平行传输。

所谓冗余技术就是在整个系统的架构中，存在一个主用系统设备和一个备用系统设备。主用系统设备和备用系统设备之间保持数据同步，一旦主系统设备出现故障，备用系统设备马上投入使用；当主用系统设备的故障被排除后，可自动切换到主系统设备继续进行控制。如果在主用系统设备和备用系统设备中都存在故障，那么整个系统将会停机。冗余控制器对硬件设备、软件设计和切换时间等都有比较特别的要求。

基于实时以太网技术的综合管廊异地冗余技术可以实现从IO层、网络层、远程现场控制器层到SCADA层的全部冗余通信功能。该技术的特点是，每个功能组都建立了两次。例如，远程现场控制器、交换机、HMI等既有主系统设备也有相同的备用系统设备。其优点是主系统和备用系统不同设备同时出现故障时，整个系统不会受到影响而能够继续工作。当然，可以根据综合管廊监控与报警系统自身应用的需求，只选择其中一部分的功能，例如只需要远程现场控制器冗余。

图1为基于实时以太网技术的综合管廊冗余控制器的网络拓扑图示例。在这个系统中，采用专用的支持工业实时以太网的冗余控制器。该控制器集成了专用的冗余接口；集成2～4个RJ45以太网接口，100M全双工。在工业实时以太网的网络中，它既属于IO控制器，同时也可作为IO设备。另外，它又是现场总线的主站。

配置2台冗余远程现场控制器进行双机热备，一台为主用远程现场控制器(Primary controller)，另一台作备用远程现场控制器(Backup controller)。2台远程现场控制器之间既通过交换机和以太网网线来连接，又通过冗余接口相互连接，相互之间作为对方的IO控制器和IO设备。

主用远程现场控制器和备用远程现场控制器之间通过以太网或者冗余接口相互交换状态信号和冗余数据，实现数据同步。从工程的层次看，通信连接总是建立在具有“主”任务的远程现场控制器上。2台远程现场控制器都建立到IO设备的工业实时以太网连接，但只有主用远程现场控制器的数据是有效的。

2台控制器运行相同的远程现场控制器程序。远程现场控制器程序是采用配置软件来编写的，该软件集成了总线配置、编程和诊断功能为一体。控制器冗余设置和切换条件在配置软件中通过硬件配置即可完成，无需通过专用的冗余功能块来实现。

主用远程现场控制器与备用远程现场控制器之间包含以下不同类型的数据通信：

基础同步：启动时远程现场控制器之间的配置协商。

完整同步：提供给备用远程现场控制器所有有效的实时数据(项目，初始值，保持数据等)。

链接监视：监控2台远程现场控制器的同步连接。

系统变量：提供另一台远程现场控制器的系统信息。

数据同步：实时运行时远程现场控制器之间的数据传输协议(IO，中间变量，状态数据等)。

IO设备冗余可以实现以太网IO设备与2个IO控制器的通信，或者实现IO设备的冗余。

IO设备冗余的通信结构见图2所示。以太网IO设备同时和2台远程现场控制器进行通信。主用远程现场控制器和备用远程现场控制器各自建立与本地IO设备的应用关系。支持冗余功能的以太网IO设备复制其子模块，一个子模块为主用IO控制器所使用，另一个子模块被备用IO控制器所使用。主用子模块的索引为A。备用子模块紧随主用子模块之后，其索引为B。

输入信号周期性地同时发送给2台远程现场控制器，而输出数据则同时有2台远程现场控制器周期性地传送给以太网IO设备。但只有1个输出值可以送给物理输出，所以以太网IO设备需要知道哪台远程现场控制器接管控制权，哪台远程现场控制器处于备用状态。这通过报文的状态信息来识别。主用远程现场控制器发送的输出数据的状态标记为有效，备用远程现场控制器发送来的输出数据的状态标记为无效，标记为有效的报文才会被以太网IO设备所接收。

IO设备的冗余，可以保证其中1个站点出故障时，远程现场控制器可以从备用IO设备站点读取正确的过程数据。这意味着在硬件上IO站点需要配置2次。

远程现场控制器同时读取2个IO设备站点的输入过程数据。这2个站点分别称为“主用IO站点”和“备用IO站点”。在控制程序中，根据判断逻辑通信的连接状态，通过一个选择功能来决定选择哪个子站的输入数据。对于输出过程数据来说，则比较简单，输出数据总是同时写给两个IO子站。以太网IO设备的状态变量周期性地发送给远程现场控制器。远程现场控制器通过状态变量可以知道IO设备的工作状态。

工业实时以太网采用交换机进行设备的联网。为了保证整个网络的可靠性，需选用支持相关冗余功能的管理型交换机。

网络冗余涉及到相关的以太网冗余协议，包括快速生成树(RSTP)和快速环路检测(Fast Ring Detection)，MRP(Media RedundancyProtocol)以及HSR(High AvailabilitySeamlessRedundancy)等。采用RSTP和快速环路检测协议，可以构建多个环，从而保证存在多个冗余路径，增加了系统的可用性。当某个传输路径出现故障时，数据传输会自动切换到备用路径，切换时间为100～500ms。其缺点是切换时间不固定。

工业冗余网络使用环型结构来实现，通常采用MRP协议(IEC62439/2)，切换时间确定。MRP只允许一个环路。MRP基本机制包括：基于环型拓扑，阻塞和转发报文，维护MAC地址表。其主站称为Media Redundancy Master(MRM)，所有其它的交换机(从站)称为MediaRedundancyClients(MRC)。环路最大允许50台交换机。MRP环路切换时间小于200ms。

IEC62439-3 Clause5定义的HSR协议，HSR的含义是高可用性无缝环网(HighavailabilitySeamless Ring)，支持双环拓扑和并行配置，提供了没有任何切换损失的无冲突冗余。在设备故障时，HSR提供了零时间的故障切换，因此适用于非常高的可靠性和极短响应时间的应用。HSR的拓扑不仅仅限制在一个单环，可建立具有多种结构的环型系统；可以形成比较复杂的拓扑结构，例如多环网络、三层环型网络、网状环网等；可以将2个HSR环耦合在一起。

人机界面(HMI)软件与远程现场控制器的数据交换采用OPC通信方式。OPC是以OLE/COM/DCOM机制作为应用程序的通讯标准。OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户端都以统一的方式去访问，从而保证冗余控制器采用通信协议的公开性、标准化和透明化。

OPC服务器(OPCServer)用于分布式总线网络或实时以太网网络和应用程序之间的数据交换。采用OPC技术提供了自动化标准数据接口，控制软件与应用之间不需要专用的软件实现连接。综合管廊监控与报警系统(综合管廊SCADA系统)的OPC服务器为计算机应用程序的读写访问提供了控制系统的全部过程数据和中间变量。

OPC服务器(OPCServer)全方位支持冗余远程现场控制器的冗余处理机制，这意味着应用程序的数据点以透明的方式呈现，而无需关注数据来自于哪台远程现场控制器。因此，对于SCADA系统而言，不需要专用的冗余驱动，不需要在客户端进行附加的配置。

在OPC服务器配置软件中，只需配置主用远程现场控制器的IP地址。OPC Server将自动推算出备用远程现场控制器的IP地址。OPCServer内部将使用2个资源。每个资源将从其对应的远程现场控制器获取所需的数据。OPC Server通过推算2台远程现场控制器的状态信息，来识别哪台远程现场控制器处于主用状态，该远程现场控制器的数据将提供给上位的SCADA软件。写数据只对主用远程现场控制器有效，并通过数据同步的方式传给备用远程现场控制器。

为了取得快速的切换时间，2个资源的数据都同时在OPC Server中进行缓存。来自于主用远程现场控制器的数据传送给OPCClient，而来自备用远程现场控制器的数据则被丢弃。当切换发生时，OPC Server根据远程现场控制器的状态信息立即切换到备用资源，该备用资源也变为主资源。OPC Client无需再重新连接到OPC数据点。切换时间只是取决于所定义的数据更新时间和客户端当前使用的数据量。

由于OPC本身支持冗余切换，任何一款具有OPC DA接口的SCADA软件，均可集成进该冗余控制器。因此对于SCADA冗余来说，配置2台运行HMI软件的上位机，其中1台为主用HMI服务器，另1台为备用HMI服务器。每台上位机上各运行1套OPCServer，2个OPCServer同时和2台远程现场控制器进行通信连接。OPC Server负责处理所有的连接建立、监控和故障时冗余切换。

Claims (1)

1.一种基于实时以太网技术的城镇综合管廊异地冗余控制器，其特征在于，包括IO层设备、网络层设备、远程现场控制器层设备及SCADA层设备，其中：IO层设备包括主IO层设备及辅IO层设备，网络层设备包括主以太网设备、主交换机、辅以太网设备、辅交换机，远程现场控制器层设备包括主用远程现场控制器及备用远程现场控制器，SCADA层设备包括主SCADA层设备及辅SCADA层设备；

主IO层设备及辅IO层设备分别经由主以太网设备及辅以太网设备接入工业实时以太网；主用远程现场控制器及备用远程现场控制器分别经由主交换机及辅交换机接入工业实时以太网，主用远程现场控制器与备用远程现场控制器通过冗余接口相互连接，相互之间作为对方的IO控制器和IO设备；主SCADA层设备与主用远程现场控制器及备用远程现场控制器均建立连接，辅SCADA层设备与主用远程现场控制器及备用远程现场控制器均建立连接，主SCADA层设备与辅SCADA层设备之间相互同步连接。