CN210895083U - 一种调速器液压系统双重电源和通讯的plc控制系统 - Google Patents

Abstract

一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，包括PLC主站A、PLC主站B、子站C。子站C的通讯模块通过双通道同轴电缆与PLC主站的通讯模块进行连接通信，并实时上送数据至主站的CPU模块。所述触摸屏HMI通过集线器以以太网作传输介质分别与PLC主站的CPU模块通讯连接，实现触摸屏HMI与PLC主站之间的实时数据交换。主站与PC机之间的冗余通讯。所述PLC主站A与PLC主站B之间通过光纤通讯连接。本实用新型系统采用冗余电源和通讯的双重PLC控制，使得系统在运行时不受局部单一故障的影响,可实现在线维护；同时,故障部件离线修理时也不影响系统正常运行,从而可达到提高系统可靠性和降低失效率的目的。

Description

一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统

技术领域

本实用新型涉及水轮机调速器液压系统控制技术领域，具体涉及一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统。

背景技术

水轮机调速器液压系统在机组运行过程中承担中非常重要的角色，既能接受远方的操作指令，包括启停液压系统，又能监视自身的运行参数，包括压力油罐液位和压力、回油箱液位、油泵和组合阀状态、管道压力及油泵出口压力等。因此对该控制系统的稳定性和可靠性提出了很高的要求。而现有技术中的现场控制系统存在以下弊端：

1：现场控制系统采用的通讯结构、PLC模块、CPU、电源问题都可能导致现场PLC对现场设备的控制中断，因此大大降低了PLC控制系统的可靠性。

2：现有控制系统的通讯模块采用单个同轴电缆与子站通讯，当同轴电缆故障通讯中断时，当前主用CPU系统报热备离线故障，同时断开与HMI触摸屏之间的数据通信，导致与PC机断开通讯链路，造成HMI不能及时更新数据。

3：现有的控制系统采用单一电源模块供电，不能进行冗余供电，当PLC控制系统的主站电源模块故障或者子站的电源模块故障时，整个主站或子站电源消失，相应的PLC系统失去控制作用，存在严重的设备隐患。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，具有可靠性高、成本低的特点。本实用新型系统采用冗余电源和通讯的双重PLC控制，使得系统在运行时不受局部单一故障的影响,可实现在线维护；同时,故障部件离线修理时也不影响系统正常运行,从而可达到提高系统可靠性和降低失效率的目的，将大大提高系统的可靠性；有效避免由于控制系统出现故障而引起的停机或设备损坏造成的经济损失。

本实用新型采取的技术方案为：

一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，包括第一PC机、第二PC机、PLC主站A、PLC主站B、子站C，第一集线器HUB1、第二集线器HUB2、触摸屏HMI。

所述PLC主站A包括电源模块A1、第一CPU模块、第一通讯模块A0、电源模块A2；

所述PLC主站B包括电源模块B1、第二CPU模块、第二通讯模块B0、电源模块B2；

所述子站C包括电源模块C1、第三通讯模块C0、多个数字量输入模块、多个数字量输出模块、至少一个模拟量输入模块、至少一个模拟量输出模块、电源模块C2；

通讯模块C分别通过第一双通道同轴电缆、第二双通道同轴电缆与PLC主站A的第一通讯模块A0、PLC主站B的第二通讯模块B0进行连接通信，并实时上送数据至主站的CPU模块；

所述触摸屏HMI分别通过第一集线器HUB1、第二集线器HUB2，以以太网作传输介质分别与PLC主站A的第一CPU模块、PLC主站B的第二CPU模块通讯连接，实现触摸屏HMI与PLC主站A、PLC主站B之间的实时数据交换。

所述PLC主站A的第一CPU模块通过以太网与第一PC机1通讯连接，PLC主站B的第二CPU模块通过以太网与第二PC机2通讯连接，实现了主站与PC机之间的冗余通讯；

所述PLC主站A与PLC主站B之间通过光纤a通讯连接。

所述PLC主站A的第一CPU模块和PLC主站B的第二CPU模块之间采用光纤a通讯，实现两个CPU模块的热备冗余控制，具有热备切换功能。

所述PLC主站A包括带有多个插槽口的第一机架，所述第一机架上设置电源模块A1、第一CPU模块、第一通讯模块A0、电源模块A2；

所述PLC主站B包括带有多个插槽口的第二机架，所述第二机架上设置电源模块B1、第二CPU模块、第二通讯模块B0、电源模块B2；

所述子站C包括带有多个插槽口的第三机架，所述第三机架上设置电源模块C1、第三通讯模块C0、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块；电源模块C2。

所述第一、二、三机架为十六插槽口带保护涂层的机架，提高系统性能，降低成本。

所述电源模块A1、电源模块A2、电源模块B1、电源模块B2、电源模块C1、电源模块C2为DC24V冗余工作模式的电源模块。且具有过电流过电压保护功能。采用施耐德产品的140-CPS-224-00模块。

所述第一CPU模块、第二CPU模块采用内置以太网协处理器，断电时后备电池供电模式的处理器，采用至少具有一个Modbus(RS232)端口、一个Modbus Plus（RS485）端口、一个USB端口、一个以太网端口（用作HSBY热备端口）的通讯端口，并且具有热备离线检查逻辑功能。第一CPU模块、第二CPU模块采用施耐德Quantum产品140CPU672 61模块。

所述的通讯模块采用具有两个RIO 同轴连接器的通道，加电时能够自动诊断双端口内存和LAN控制器，运行时能够自动诊断执行校验和RAM地址或数据。第一通讯模块A0、第二通讯模块B0具有远程 I/O 头双通道模块，与分别系统控制第一CPU 模块、第二CPU 模块安装在同一背板中，RIO 头用于在 CPU模块与 RIO 子站模块（安装在单独的背板中）之间双向传输数据，同轴电缆网络用于在 RIO 头模块与一个或多个 RIO 子站模块之间进行互连。

第三通讯模块C0采用远程 I/O 子站双通道模块，用于通过同轴电缆网络，在安装在同一RIO 子站背板的 I/O 模块与安装在 CPU 背板中的 RIO 头模块之间双向传输数据。

以施耐德Quantum产品，第一通讯模块A0、第二通讯模块B0为140CRP93X200模块，第三通讯模块C0为140CRA93200模块。

所述数字量输入模块采用具有32路DC24 V源极输入模块，将共享输入公共端连接到0V，并且具有故障检测功能。数字量输入模块采用施耐德Quantum产品140DDI35310数字量输入模块。

所述数字量输出模块采用具有32路 DC24V有源负载输出模块，并且具有防止短路和过载保护功能。数字量输出模块采用施耐德Quantum产品140DDO35300数字量输出模块。

所述模拟量输入模块用具有8通道差分输入模块，具有断线或欠电压故障检测功能。

模拟量输入模块采用施耐德Quantum产品140ACI13000模拟量输入模块。

所述模拟量输出模块采用一种8通道模拟量输出模块，用于控制和监视4-20mA、0-20 mA和0-25mA回路中的电流。

模拟量输出模块采用施耐德Quantum产品140ACO13000模拟量输出模块。

本实用新型一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，有益效果在于：

1：本实用新型采用冗余的CPU配置使得控制系统在运行时住CPU发生故障时，能够实现无扰动切换的功能，保证了系统的安全性。

2：通过采用冗余电源模块，使得某一路电源出现故障时不受局部单一故障的影响,可实现在线维护。

3：同时,故障部件离线修理时也不影响系统正常运行,从而可达到提高控制系统安全可靠性和降低失效率的目的，将大大提高自动化技术水平和生产效率,有效避免由于控制系统出现故障而引起的停机或设备损坏造成的经济损失。

4：通过采用冗余通讯模式，当某一链路通讯中断时能够及时更新数据，提高了数据响应的实时性，满足控制系统高可靠性的实际需求。

5：本实用新型一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，两套主站结构完全相同，实现PLC控制系统电源冗余、CPU控制器冗余和通讯冗余，确保控制系统的可靠性，保证HMI触摸屏数据更新及时，提高冗余控制系统故障时的实时响应速度。

附图说明

图1为发明控制系统的连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，包括第一PC机1、第二PC机2、PLC主站A、PLC主站B、子站C，第一集线器HUB1、第二集线器HUB2、触摸屏HMI，以及三个机架。

第一PC机1、第二PC机2能实时在线监测系统数据和在线修改程序，能够完成生产设备流程的控制。所述PLC主站A的第一CPU模块通过以太网与第一PC机1通讯连接，PLC主站B的第二CPU模块通过以太网与第二PC机2通讯连接。实现PC机与PLC主站系统之间的实时数据交换。

PLC主站A、PLC主站B具有热备切换功能和冗余供电模式，其硬件配置完全相同，包括一块十六插槽口带保护涂层的机架、两块电源模块、一块CPU模块和一块通讯模块，PLC主站A与PLC主站B之间采用高速异步接收和发送数据的方法来完成通信的功能，其数据传输介质系采用光纤a，当主CPU模块故障时，能够实现热备切换功能。

子站C具有热备冗余供电模式，包括一块十六插槽口带保护涂层的机架，两块电源模块：电源模块C1、C2，一块第三通讯模块C0，两块数字量输出模块C4.1 、C4.2，两块数字量输入模块C3.1 、C3.2（根据需要可增减）、一块模拟量输入模块C5（根据需要可增减）和一块模拟量输出模块C6（根据需要可增减）。子站C的第三通讯模块C0通过双通道同轴电缆与PLC主站A、PLC主站B的通讯模块进行连接通信，实时上送数据至PLC主站的CPU模块。

触摸屏HMI能够实时显示系统的采集数据、事件记录和故障报警，并能够完成控制设备的参数设置，其通过集线器HUB以以太网作传输介质，分别与PLC主站A、PLC主站B的CPU模块通讯建立连接，实现触摸屏HMI与主站PLC系统之间的实时数据交换。

本实用新型提供一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，两套主站结构完全相同，实现PLC控制系统电源冗余、CPU控制器冗余和通讯冗余，确保控制系统的可靠性，保证HMI触摸屏数据更新及时，提高冗余控制系统故障时的实时响应速度。

（一）冗余控制系统结构：

PLC主站A的第一CPU模块和PLC主站B的第二CPU模块之间采用光纤通讯，实现两个CPU控制器的热备冗余控制，具有热备切换功能；PLC主站A的第一通讯模块A0和PLC主站B的第一通讯模块B0通过双通道同轴电缆连接子站C的第三通讯模块C0，以实现共享子站所有模块的采集信息，实现对PLC控制系统的冗余控制。具体实施方式如下：

本实用新型的控制系统采用两套PLC控制系统，即PLC主站A与PLC主站B，其系统结构和硬件配置是完全相同的，PLC主站A配置有电源模块A1、电源模块A2、第一CPU模块和通讯模块A0，另外配置有一块十六插槽口带保护涂层的机架；PLC主站B配置有一块十六槽机架B、电源模块B1、电源模块B2、第二CPU模块和通讯模块B0。

子站C配置包括有十六插槽口带保护涂层的机架、电源模块C1、电源模块C2、一块通讯模块C0、数字量输出模块C4.1、C4.2、数字量输入模块C3.1、3.2，模拟量输入模块C5、模拟量输出模块C6。

它们各自的机架分别由PLC主站A电源模块A1、A2，PLC主站B的电源模块B1、B2，子站C的电源模块C1、C2供电。每个主站的机架上有多个模块插槽。PLC主站A的第一CPU模块和PLC主站B的第二CPU模块之间采用光纤a通讯，实现两个CPU控制器的冗余控制，具有热备切换功能；在控制时，冗余的两个CPU模块同时起相同的作用。

当PLC主站A先上电，且PLC主站A无故障时，PLC主站A为主控制器，后上电的PLC主站B为从控制器，从控制器PLC主站B加电以后，自动完成同步过程；同步后，PLC主站A的第一CPU模块中的全部内容实时的交叉加载到PLC主站B的第二CPU模块中，加载内容包括在线编程和在线修改数值等。在PLC控制系统中，当PLC主站A的第一CPU模块执行完相关流程后，会将所有输出指令的结果输出至PLC主站B的第二CPU模块。由于PLC主站A的通讯模块A0和PLC主站B的通讯模块B0通过双通道同轴电缆连接子站C的通讯模块C0，以实现共享子站所有模块的采集信息，从而实现从PLC主站B获得同样的权限，确保了PLC主站A和PLC主站B的第二CPU模块内部输入输出的一致性。如果在执行某个任务时，当PLC主站A的PLC系统检测到其主控制器CPU模块出现故障时，将该故障信号传递到正常运行的从控制器PLC主站B的PLC系统中，使HMI触摸屏、第一PC机1、第二PC机2及时收到主控制器PLC主站A的第一CPU模块报警信号，同时从控制器PLC主站B的第二CPU模块立即切换为主控制器，自动接替并承担主控制器的任务。由此实现了系统无扰切换，不会出现数据丢失或系统停止运行的情况。

（二）冗余供电模式：

每一个机架都配置有两块冗余电源模块供电，PLC主站A、PLC主站B和子站C分别配置有两个电源模块给PLC底板供电。控制系统在正常运行时，当某一个主站或子站的任何一块电源模块发生故障时，另一块电源模块持续为该机架的所有模块供电，实现了对控制系统每一个主站和子站的冗余供电模式。具体实施方式如下：

本实用新型的每一个机架都配置有两块冗余电源模块供电，PLC主站A配置有电源模块A1和电源模块A2，给PLC机架底板供电；PLC主站B配置有电源模块B1和电源模块B2，给PLC机架底板供电；子站C分别配置有电源模块C1、电源模块C2，给PLC机架底板同时供电。

控制系统在正常运行过程中，如果PLC主站A的电源模块A1出现故障时，将该故障信号传递到正常运行的主控制器PLC主站A和从控制器PLC主站B的PLC系统中，使触摸屏HMI、第一PC机1、第二PC机2及时收到主控制器PLC主站A的电源模块A1报警信号，同时另一块电源模块A2持续为PLC主站A机架及其所有模块供电，保证该机架上的所有模块正常供电。

现举一个PLC主站B的电源模块B2故障的实施例：如果控制系统在正常运行过程中，当PLC主站B的电源模块B2出现故障时，将该故障信号传递到正常运行的主控制器PLC主站A和从控制器PLC主站B的PLC系统中，使触摸屏HMI、第一PC机1、第二PC机2及时收到主控制器PLC主站B的电源模块B2报警信号，同时另一块电源模块B1持续为PLC主站B及其所有模块供电，保证该机架上的所有模块正常供电，实现了对控制系统每一个主站和子站的冗余供电模式。

同理，子站C完全可以实现对机架上所有模块的冗余供电，确保实现了控制系统每一个主站和子站的冗余供电模式。

（三）冗余通讯机制：

PLC主站A的第一通讯模块A0和PLC主站B的第二通讯模块B0通过双通道同轴电缆与子站C的第三通讯模块C0进行通信，实现了主站与子站之间的冗余通讯；

PLC主站A的第一CPU模块和PLC主站B的第二CPU模块采用以太网和MB（MB+）的混合通讯方式与触摸屏HMI通讯，实现了主站与触摸屏HMI之间的冗余通讯；

PLC主站A的第一CPU模块通过以太网与第一PC机1通讯，PLC主站B的第二CPU模块通过以太网与第二PC机2通讯，实现了主站与PC机之间的冗余通讯。

PLC主站A与PLC主站B之间通过光纤方式建立通信，实现热备控制功能。

具体实施方式如下：

本实用新型提供的每一个机架配置有一块通讯模块和CPU模块，通过其通讯端口实现PLC主站A、PLC主站B与子站C之间的通讯。所有的通讯模块都有两个独立的同轴电缆通道，通讯模块可连接两个独立的链路，从而实现介质冗余与CPU模块的冗余。

PLC主站A和PLC主站B的CPU模块具有相同的通讯端口，具有以太网端口、RS232/485串口和光纤通讯口。PLC主站A和PLC主站B的通讯模块具有两个独立的1#同轴电缆通讯口和2#同轴电缆通讯口。PLC主站A和PLC主站B通过双通道同轴电缆与子站C的通讯模块C0进行建立通信，实现了PLC主站A与子站C、PLC主站B与子站C之间的冗余通讯。

所述PLC主站A的通讯模块A0的1#同轴电缆通道和PLC主站B的通讯模块B0的1#同轴电缆通道，通过1#同轴电缆在分支器TAB1处进行分流，然后进入子站C的通讯模块,0的1#同轴电缆通道；PLC主站A的通讯模块A0的2#同轴电缆通道和PLC主站B的通讯模块B0的2#同轴电缆通道，通过2#同轴电缆在分支器TAB2处进行分流，然后进入子站C的通讯模块0的2#同轴电缆通道。

在正常通信时，两个链路同时起相同的作用。当1#同轴电缆通讯链路故障时，将该故障信号传递到运行的主控制器PLC主站A和从控制器PLC主站B的PLC系统中，使触摸屏HMI、PC1和PC2及时收到1#同轴电缆通讯链路故障信号，同时2#同轴电缆通讯链路仍然起通讯和控制作用。反之，当2#同轴电缆通讯链路故障时，1#同轴电缆通讯链路仍然起通讯和控制作用。

PLC主站A的CPU模块A和PLC主站BCPU模块B采用以太网和RS232/485串口混合网络通信方式与触摸屏HMI通讯，实现了主站与HMI之间的冗余通讯，满足实际应用需求。所述PLC主站ACPU模块A通过以太网端口进入集线器HUB1进行分路，PLC主站BCPU模块B通过以太网端口进入集线器HUB2进行分路，HUB1和HUB2的分别输出一路出线在分支器TAB4处分流，然后与HMI触摸屏的网口进行通讯。所述PLC主站A的CPU模块A、PLC主站B的CPU模块通过RS232/485串口通讯方式在TAB3处分流，然后与HMI触摸屏的串口进行通讯。在正常通信时，两个链路通讯同时起相同的作用。当以太网通讯链路故障时，将该故障信号传递到运行的主控制器PLC主站A和从控制器PLC主站B的PLC系统中，使HMI触摸屏、第一PC机1、第二PC机2及时收到以太网通讯链路故障信号，同时串口通讯链路仍然起通讯和控制作用。反之，当RS232/485串口通讯链路故障时，以太网通讯链路仍然起通讯和控制作用。

PLC主站A的第一CPU模块通过以太网与第一PC机1通讯，PLC主站B的第二CPU模块通过以太网与第二PC机2通讯，实现了主站与PC机之间的冗余通讯。PLC主站A的第一CPU模块通过光纤口与PLC主站B的第二CPU模块建立通信，实现PLC主站A与PLC主站B的热备通讯功能。

Claims (9)

1.一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，包括第一PC机（1）、第二PC机（2）、PLC主站A、PLC主站B、子站C，第一集线器（HUB1）、第二集线器（HUB2）、触摸屏HMI；其特征在于：所述PLC主站A包括电源模块A1、第一CPU模块、第一通讯模块A0、电源模块A2；

所述PLC主站B包括电源模块B1、第二CPU模块、第二通讯模块B0、电源模块B2；

所述子站C包括电源模块C1、第三通讯模块C0、多个数字量输入模块、多个数字量输出模块、至少一个模拟量输入模块、至少一个模拟量输出模块、电源模块C2；

通讯模块C分别通过第一双通道同轴电缆、第二双通道同轴电缆与PLC主站A的第一通讯模块A0、PLC主站B的第二通讯模块B0进行连接通信，并实时上送数据至主站的CPU模块；

所述触摸屏HMI分别通过第一集线器（HUB1）、第二集线器（HUB2），以以太网作传输介质分别与PLC主站A的第一CPU模块、PLC主站B的第二CPU模块通讯连接，实现触摸屏HMI与PLC主站A、PLC主站B之间的实时数据交换；

所述PLC主站A的第一CPU模块通过以太网与第一PC机（1）通讯连接，PLC主站B的第二CPU模块通过以太网与第二PC机（2）通讯连接，实现了主站与PC机之间的冗余通讯；

所述PLC主站A与PLC主站B之间通过光纤（a）通讯连接。

2.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：所述PLC主站A的第一CPU模块和PLC主站B的第二CPU模块之间采用光纤（a）通讯，实现两个CPU模块的热备冗余控制，具有热备切换功能。

3.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：所述PLC主站A包括带有多个插槽口的第一机架，所述第一机架上设置电源模块A1、第一CPU模块、第一通讯模块A0、电源模块A2。

4.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：所述PLC主站B包括带有多个插槽口的第二机架，所述第二机架上设置电源模块B1、第二CPU模块、第二通讯模块B0、电源模块B2。

5.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：所述子站C包括带有多个插槽口的第三机架，所述第三机架上设置电源模块C1、第三通讯模块C0、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块；电源模块C2。

6.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：所述第一CPU模块、第二CPU模块采用内置以太网协处理器，断电时后备电池供电模式的处理器，采用至少具有一个Modbus端口、一个Modbus Plus端口、一个USB端口、一个以太网端口的通讯端口，并且具有热备离线检查逻辑功能。

7.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：通讯模块采用具有两个RIO 同轴连接器的通道，加电时能够自动诊断双端口内存和LAN控制器，运行时能够自动诊断执行校验和RAM地址或数据；第一通讯模块A0、第二通讯模块B0具有远程 I/O 头双通道模块，与分别系统控制第一CPU 模块、第二CPU 模块安装在同一背板中，RIO 头用于在 CPU模块与 RIO 子站模块之间双向传输数据，同轴电缆网络用于在RIO 头模块与一个或多个 RIO 子站模块之间进行互连；

第三通讯模块C0采用远程 I/O 子站双通道模块，用于通过同轴电缆网络，在安装在同一RIO 子站背板的 I/O 模块与安装在 CPU 背板中的 RIO 头模块之间双向传输数据。

8.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：所述数字量输入模块采用具有32路DC24 V源极输入模块，将共享输入公共端连接到0V，并且具有故障检测功能；数字量输出模块采用具有32路 DC24V有源负载输出模块。

9.根据权利要求1所述一种调速器液压系统双重电源和通讯的PLC控制系统，其特征在于：所述模拟量输入模块用具有8通道差分输入模块；模拟量输出模块采用8通道模拟量输出模块，用于控制和监视4-20mA、0-20 mA和0-25mA回路中的电流。

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