CN211653490U - 一种基于火电厂集中控制的装置框架结构 - Google Patents

Abstract

一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，主要由集中计算处理主板、备用集中计算处理主板和底板构成；其中集中计算处理主板和备用集中计算处理主板分别搭载一个多核低压处理器，采用一用一备的热备方式处理实时数据；底板搭载的硬件看门狗和转发控制模块，在二者共同作用下保证集中计算处理主板和备用集中计算处理主板的数据一致性和毫秒级的无扰切换；底板搭载的四块四口万兆SFP网卡满足了大量现场设备数据安全可靠的实时通讯需要；本实用新型利用多核处理器强大的并发处理能力将原本分散控制装置整合到一体，提高了资源利用率降低了维护成本。

Description

一种基于火电厂集中控制的装置框架结构

技术领域

本实用新型涉及火电厂自动控制技术领域,具体涉及一种基于火电厂集中控制方法及装置框架结构。实用新型

背景技术

控制系统就像是火电厂的大脑，是保证其安全、稳定生产的关键，而运行控制系统软件的硬件又是保证控制系统安全稳定关键中的关键。火电厂目前采用的是每个控制柜分别控制一部分设备的分散控制方式，每个控制柜都配备两个互为热备的控制器、双路冗余供电模块、两套I/O通讯卡件等，如此这样内部全部双冗余的控制柜大型火电厂每机组会有多达30多面。近些年由于主辅一体化的进程，使得某些火电厂一台机组甚至用到多达40～50面的控制柜，这样的规模同时也带来如下几方面的问题：

1)随着处理器技术的发展，CPU所搭载的内核数越来越多，主频也越来越高，这使得计算能力的到了大幅度提升，然而目前分散控制方式下的控制器，要么继续采用旧款处理器，要么将替代型号的新处理器闭核、降频使用，造成硬件性能的极大浪费。

2)每面控制柜搭载一对控制器，采用一用一备方式，造成备用控制器数量庞大。这不仅对供电、散热、稳定性等都是一种严峻的考验，同时还不利于节能。

3)每面控制柜还配备了一对双路冗余供电模块，为低压控制器提供动态稳定的电源，这样高标准的电源模块也无法做到全部控制器间共享。

4)每面控制柜还存在大量双路冗余的硬接线或总线I/O设备，不仅有大量的线缆连接，而且这些I/O点只能被本控制器直接访问。只有本控制器把相应通讯点放到控制环网上后，其它控制器才能通过控制环网访问到，增加了网络负载也增大了数据包的延迟性。

5)火电的分散控制系统至今也发展了30多年了，在这30多年间各种不同型号版本的控制器遗留在各个电厂间，由于这些老旧硬件功能性的限制，导致机组控制系统升级和维护都变得非常的困难，在火电机组运行过程中的实时在线升级更是无法做到。

6)在火电机组运行慢慢达到硬件设计的使用寿命后，硬件老化导致的故障率也变得高起来。由于火电厂控制器数量的基数使得更换费用和时间成本的耗费都是巨大的，同时热工人员对于老机组控制系统硬件的维护工作量也大大增加。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提出一种基于火电厂集中控制装置框架结构，本实用新型解决了现有分散控制装置资源使用浪费、备品备件种类繁多、维护工作量大、通讯故障率高等问题，并且还能在满足原有控制功能不变的前提下，进一步有效提高稳定性和降低成本。实用新型

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，包括集中计算处理主板、备用集中计算处理主板以及与集中计算处理主板和备用集中计算处理主板通过自定义的288总线以金手指和高速插件的方式插接连接的底板；所述集中计算处理主板上包括第一多核低压处理器1，与第一多核低压处理器1连接对其稳定供电的第一24项供电模块3，与第一多核低压处理器1连接的第一内存2；所述备用集中计算处理主板上包括第二多核低压处理器4，与第二多核低压处理器4连接对其稳定供电的第二24项供电模块6，与第二多核低压处理器4连接的第二内存5；所述底板上包括共同作用实现高精度同步计算和毫秒级无扰切换的硬件看门狗10、转发控制模块11和高精度授时模块13，集中处理火电厂I/O通讯点并提高数据传输的响应性和降低数据传输时间的四块四口万兆SFP网卡9，用于供电的第一总电源7和第二总电源8，支持磁盘阵列镜像冗余和热插拔模块化的NVMe硬盘12。

所述自定义的288总线包括256位的数据传输位、24针电源供电位和8位CPU指令传输位。

所述集中计算处理主板和备用集中计算处理主板上还分别布置有一组故障报警指示灯，用于硬件的可视化报警。

所述第一多核低压处理器1和第二多核低压处理器4采用无风扇铜管铝鳍的大型散热片散热，用以保证多核低压处理器在满载的情况下稳定运行。

所述第一内存2和第二内存5为8个双通道，支持最大256GB的DDR4代ECC内存。

所述高精度授时模块13精度达到微秒级，支持通过BNC接口连接外部天线。

所述第一总电源7、第二总电源8、四块四口万兆SFP网卡9和NVMe硬盘12均采用热插拔接口。

硬件自检通过后由底板上的转发控制模块11开始分配硬件资源，首先将底板上的四块四口万兆SFP网卡9平分成冗余的两部分，分别对应火电厂控制网中的A网和B网，接下来转发控制模块11把NVMe硬盘12和高精度授时模块13通过共享总线模式共享给集中计算处理主板和备用集中计算处理主板，高精度授时模块13被成功初始化后，集中计算处理主板和备用集中计算处理主板分别开始周期性的微秒级硬对时；

首次的硬对时完毕后转发控制模块11调取NVMe硬盘12中的火电厂集中控制系统文件，分别发送给集中计算处理主板和备用集中计算处理主板并加载到各自的内存中，当集中计算处理主板和备用集中计算处理主板将文件全部加载到各自的内存后，分别开始在各自板内初始化火电厂集中控制系统，首先是初始化各自的火电厂集中控制系统中的RTOS内核，当各自的RTOS内核加载正常后，紧接着开始根据NVMe硬盘12中组态文件中的定义加载各个控制器，按控制器数量一对一的分成多个并行的进程，每个进程再根据控制器内容初始化每一个控制器，最后将每一个控制器分别绑定到多核低压处理器的一个空闲内核上，这样就能最大程度的利用多核低压处理器强大的并行计算能力，将一台火电机组的全部控制器同时运行在同一个设备上，自此一台火电机组的全部控制器就以双冗余的方式分别在集中计算处理主板和备用集中计算处理主板上运行了；

四块四口万兆SFP网卡9中的两块连接火电机组控制网中的A网，另外的两块连接火电机组控制网中的B网，火电机组控制网A网中的两块四口万兆SFP网卡设置故障切换和负载均衡，这就使得火电机组控制网A网中任意有一块四口万兆SFP网卡损坏还能通过另外一块正常通讯，火电机组控制网B网中的两块四口万兆SFP也同样设置故障切换和负载均衡，同样也使得B网中任意有一块四口万兆SFP损坏也还能通过另外一块正常通讯，实现火电机组控制网A网、B网分别都有两块四口万兆SFP网卡热备，正常情况下集中计算处理主板和备用集中计算处理主板都从A网中取得现场采集的实时监测数据，但当火电机组控制网A网整体故障后转发控制模块11自动切换到火电机组控制网B网的两块四口万兆SFP网卡上，同时每块四口万兆SFP网卡的四口也做了聚合，通过聚合后分别连接火电机组控制网A网、B网，聚合后保证了四口中的任意三口故障后还能坚持I/O通讯，集中计算处理主板和备用集中计算处理主板之间通过硬件看门狗10实现了集中计算处理单元的热备，通过硬件看门狗10检测到集中计算处理主板故障后，由转发控制模块11立即将控制权交给备用集中计算处理主板，这时就以拔插的方式更换集中计算处理主板，更换后控制模块11检测更换后的集中计算处理主板正常后开始从备用集中计算处理主板同步两块主板的内容，为把控制权能再次交到集中计算处理主板做好准备，将集中计算处理单元和I/O通讯单元做到了最大程度上的安全冗余、毫秒切换和负载均衡。

和现有技术相比较，本实用新型具备如下优点：

1.首次将火电厂采用的分散控制器的计算模式集中到一台装置上，通过多核低压处理器强大的并行处理能力，满足多个分散控制器集中在一台装置上运行，使集中式控制系统达到最快50ms的计算周期，将来随着集中计算处理主板和备用集中计算处理主板的硬件升级还可以满足更快、更多的功能要求。

2.为了满足火电机组长时间稳定运行的要求，将集中计算处理主板和备用集中计算处理主板设计为同步计算互为备用的两套计算处理单元，通过硬件看门狗和转发控制模块将二者紧密联系在一起，两套集中计算处理主板同时接收相同的输入数据并同时计算；正常情况下以集中计算处理主板作为主，所有下发的自动控制指令和对外展示的数据结果是基于这个主板对外I/O输出的，同时备用集中计算处理主板根据接收到的输入数据做同步计算但不I/O输出，使得两套集中计算处理主板的多核低压处理器缓存和内存完全同步，满足毫秒级的无扰切换要求。

3.为了满足火电厂I/O数据采集和指令下发的可靠性要求，本实用新型装置采用了多达四块独立的万兆SFP网卡，两两冗余热备分别下接A网和B网数据，每块万兆SFP网卡可提供四个SFP光口；选择万兆就是考虑到计算实时性和全厂设备数量的要求，基于万兆网卡百万级IOPs的处理能力，将大大提高数据传输的响应性和降低数据的传输时间。

4.本实用新型装置大量采用热插拔接口技术，满足电厂在生产过程中的实时在线更换硬件需求；例如可更换部件如下：集中计算处理主板和备用集中计算处理主板、第一总电源和第二总电源以及四块四口万兆SFP网卡和NVMe硬盘，但是目前更换这些部件还必须是同型号替换。

附图说明

图1为本实用新型基于火电厂集中控制的装置框架结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，集中计算处理主板和备用集中计算处理主板分别通过自身的自定义总线以金手指的方式与底板相连接，总线包括256位的数据传输位、24针电源供电位、8位CPU指令传输位；每块集中计算处理主板布置一个多核低压处理器(1、4)，每个多核低压处理器上分别安装无风扇的铜管铝鳍的大型散热片，用以保证多核处理器在满载的情况下依旧稳定运行；每个多核低压处理器周围还布置了24项供电模块(3、6)，保证多核低压处理器的稳定供电；每个24项供电模块外的两侧对称分布8通道的内存插槽，支持最大256GB的DDR4代ECC内存(2、5)；集中计算处理主板和备用集中计算处理主板上还分别布置有一组故障报警指示灯，用于硬件的可视化报警。

底板布置了两条自定义总线高速插件，分别应对连接集中计算处理主板和备用集中计算处理主板；两个模块化电源插槽，用以接入模块化的750W的第一总电源7、第二总电源8，这两个模块化总电源都遵循DPS规范并通过3C认证，为整套装置提供双路冗余供电，这两个模块化总电源也都支持热插拔；四个总线插槽，每个插槽接插一块遵循SFF-8472协议的四口万兆SFP网卡9，每块四口万兆SFP网卡同样配备无风扇的铜管铝鳍的大型散热片，这样的四条插槽共提供16口万兆SFP；板载一块硬件看门狗10主要监视集中计算处理主板和备用集中计算处理主板的实时状态；底板载有转发控制模块11，用于同步集中计算处理主板和备用集中计算处理主板中的第一多核低压处理器1和第二多核低压处理器4以及第一内存2和第二内存5的数据；两个NVMe的插槽，支持RAID1和热插拔模块化的NVMe硬盘12接入；一个硬件授时插槽，插入一块可接收北斗/GPS/GLONASS三模式遵循PTP协议的高精度授时模块13，精度达到微秒级，此授时模块支持通过BNC接口连接外部天线。

如图1所示，本实用新型加电后底板开始对第一总电源(7)和第二总电源8的状态自检，判定双路冗余总电源是否正常，第一总电源7和第二总电源8正常，绿色指示灯亮，否则由黄、橙、红三种颜色代表不同等级的总电源故障状态。

通电正常后整机的启动按键指示灯绿色显示，当启动按键按下后整机开始加电自检，自检的顺序为首先是底板自检；其次是集中计算处理主板和备用集中计算处理主板的自检；底板自检顺序是转发控制模块11、硬件看门狗10、NVMe硬盘12、高精度授时模块13；再由底板上的转发控制模块11加载并自检集中计算处理主板和备用集中计算处理主板，并通过各自板载指示灯显示状态，当集中计算处理主板和备用集中计算处理主板自检正常后开始周期性的喂硬件看门狗10，最后是四块四口万兆SFP网卡9自检，自此装置的上电自检过程完成。

硬件自检通过后由底板上的转发控制模块11开始分配硬件资源，首先将底板上的四块四口万兆SFP网卡9平分成冗余的两部分，分别对应火电厂控制网中的A网和B网，接下来转发控制模块11把NVMe硬盘12和高精度授时模块13通过共享总线模式共享给集中计算处理主板和备用集中计算处理主板，高精度授时模块13被成功初始化后，集中计算处理主板和备用集中计算处理主板分别开始周期性的微秒级硬对时。

首次的硬对时完毕后转发控制模块11调取NVMe硬盘12中的火电厂集中控制系统文件，分别发送给集中计算处理主板和备用集中计算处理主板并加载到各自的内存中，当集中计算处理主板和备用集中计算处理主板将文件全部加载到各自的内存后，分别开始在各自板内初始化火电厂集中控制系统，首先是初始化各自的火电厂集中控制系统中的RTOS内核，当各自的RTOS内核加载正常后，紧接着开始根据NVMe硬盘12中组态文件中的定义加载各个控制器，按控制器数量一对一的分成多个并行的进程，每个进程再根据控制器内容初始化每一个控制器，最后将每一个控制器分别绑定到多核低压处理器的一个空闲内核上，这样就能最大程度的利用多核低压处理器强大的并行计算能力，将一台火电机组的全部控制器同时运行在同一个设备上，自此一台火电机组的全部控制器就以双冗余的方式分别在集中计算处理主板和备用集中计算处理主板上运行了。

四块四口万兆SFP网卡9中的两块连接火电机组控制网中的A网，另外的两块连接火电机组控制网中的B网，火电机组控制网A网中的两块四口万兆SFP网卡设置故障切换和负载均衡，这就使得火电机组控制网A网中任意有一块四口万兆SFP网卡损坏还能通过另外一块正常通讯，火电机组控制网B网中的两块四口万兆SFP也同样设置故障切换和负载均衡，同样也可以使得B网中任意有一块四口万兆SFP损坏也还能通过另外一块正常通讯，实现火电机组控制网A网、B网分别都有两块四口万兆SFP网卡热备，正常情况下集中计算处理主板和备用集中计算处理主板都从A网中取得现场采集的实时监测数据，但当火电机组控制网A网整体故障比如由于网络风暴造成的整网络瘫痪后转发控制模块11自动切换到火电机组控制网B网的两块四口万兆SFP网卡上，同时每块四口万兆SFP网卡的四口也做了聚合，通过聚合后分别连接火电机组控制网A网、B网，聚合后保证了四口中的任意三口故障后还能坚持I/O通讯，集中计算处理主板和备用集中计算处理主板之间通过硬件看门狗10也实现了集中计算处理单元的热备，通过硬件看门狗10检测到集中计算处理主板故障后，由转发控制模块11立即将控制权交给备用集中计算处理主板，这时就可以拔插的方式更换集中计算处理主板，更换后控制模块11检测更换后的集中计算处理主板正常后开始从备用集中计算处理主板同步两块主板的内容，为把控制权能再次交到集中计算处理主板做好准备，通过以上方式本实用新型的设备将集中计算处理单元和I/O通讯单元做到了最大程度上的安全冗余、毫秒切换和负载均衡。

Claims (7)

1.一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，其特征在于：包括集中计算处理主板、备用集中计算处理主板以及与集中计算处理主板和备用集中计算处理主板通过自定义的288总线以金手指和高速插件的方式插接连接的底板；所述集中计算处理主板上包括第一多核低压处理器(1)，与第一多核低压处理器(1)连接对其稳定供电的第一24项供电模块(3)，与第一多核低压处理器(1)连接的第一内存(2)；所述备用集中计算处理主板上包括第二多核低压处理器(4)，与第二多核低压处理器(4)连接对其稳定供电的第二24项供电模块(6)，与第二多核低压处理器(4)连接的第二内存(5)；所述底板上包括共同作用实现高精度同步计算和毫秒级无扰切换的硬件看门狗(10)、转发控制模块(11)和高精度授时模块(13)，集中处理火电厂I/O通讯点并提高数据传输的响应性和降低数据传输时间的四块四口万兆SFP网卡(9)，用于供电的第一总电源(7)和第二总电源(8)，支持磁盘阵列镜像冗余和热插拔模块化的NVMe硬盘(12)。

2.根据权利要求1所述的一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，其特征在于：所述自定义的288总线包括256位的数据传输位、24针电源供电位和8位CPU指令传输位。

3.根据权利要求1所述的一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，其特征在于：所述集中计算处理主板和备用集中计算处理主板上还分别布置有一组故障报警指示灯，用于硬件的可视化报警。

4.根据权利要求1所述的一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，其特征在于：所述第一多核低压处理器(1)和第二多核低压处理器(4)采用无风扇铜管铝鳍的大型散热片散热。

5.根据权利要求1所述的一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，其特征在于：所述第一内存(2)和第二内存(5)为8个双通道，支持最大256GB的DDR4代ECC内存。

6.根据权利要求1所述的一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，其特征在于：所述高精度授时模块(13)精度达到微秒级，支持通过BNC接口连接外部天线。

7.根据权利要求1所述的一种基于火电厂集中控制的装置框架结构，其特征在于：所述第一总电源(7)、第二总电源(8)、四块四口万兆SFP网卡(9)和NVMe硬盘(12)均采用热插拔接口。

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