Pas100控制系統(tǒng)的控制器和總線冗余構(gòu)架的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及分布式控制系統(tǒng)的冗余構(gòu)架，具體涉及一種PAS100控制系統(tǒng)的控制器和總線冗余構(gòu)架。
【背景技術(shù)】
[0002]PAS100控制系統(tǒng)是基于DCS構(gòu)架設(shè)計(jì)的過程自動化控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想和開放性的設(shè)計(jì)理念，使得該系統(tǒng)具備良好的開放性和擴(kuò)展性，適用于石油、化工、冶金、輕工、能源和環(huán)保等行業(yè)的過程自動化控制。現(xiàn)有DCS系統(tǒng)(即集散型控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng))采用多級分層結(jié)構(gòu)，綜合了常規(guī)儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了它們各自的不足，具備分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便等特點(diǎn)，其可靠性是DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。為了提高DCS系統(tǒng)的可靠性，因此需對DCS系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)置。不同廠家的DCS系統(tǒng)的冗余位置、程度和具體實(shí)現(xiàn)方式都有所不同，常見的系統(tǒng)冗余實(shí)現(xiàn)方式是部件冗余?；诔杀疽蛩乜紤]和針對具體行業(yè)應(yīng)用需求不同，不同廠家的部件冗余的實(shí)現(xiàn)級別和方式也有所不同，有的采用全部部件冗余，也有采用部分部件冗余的。從理論上來說，系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)冗余的位置越多、冗余的程度越高，系統(tǒng)的安全性和可靠性就越好。但是從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)角度來說，也會增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、設(shè)計(jì)的難度和產(chǎn)品的成本，而高復(fù)雜度必然導(dǎo)致更多不可預(yù)見的問題，增加了一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，過高的冗余度會大大增加系統(tǒng)的成本，甚至是一種浪費(fèi)。如:目前控制系統(tǒng)的控制層與輸入輸出層間之間采用以太網(wǎng)和Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行通信，技術(shù)難度相對大，成本高。因此目前急需開發(fā)一種設(shè)計(jì)合理的冗余架構(gòu)，該冗余架構(gòu)安全性和可靠性，且成本低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種PAS100控制系統(tǒng)的控制器和總線冗余構(gòu)架，該冗余構(gòu)架合理，綜合考慮PAS100控制系統(tǒng)的時(shí)效性、安全性、可靠性，且成本低，保證PAS100控制系統(tǒng)能正常運(yùn)行。
[0004]本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]—種PAS100控制系統(tǒng)的控制器和總線冗余構(gòu)架，包括PAS100控制系統(tǒng)的監(jiān)控層、控制層和輸入輸出層，其特征在于:所述控制層設(shè)有至少一組互為冗余的主控制器和備用控制器，主控制器和備用控制器按1:1冗余，所述主控制器執(zhí)行控制決策，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控層和輸入輸出層的數(shù)據(jù)交互，所述備用控制器實(shí)時(shí)同步主控制器的程序和數(shù)據(jù)并監(jiān)控主控制器的運(yùn)行狀態(tài)，所述控制器的主控制器和備用控制器通過通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，所述各輸入輸出模塊組內(nèi)設(shè)有多個(gè)1模塊以及通信模塊，所述通信模塊設(shè)有四個(gè)通信接口，其中兩個(gè)通信接口用于實(shí)現(xiàn)對控制器的通信冗余，另外兩個(gè)通信接口用于實(shí)現(xiàn)對輸入輸出模塊組內(nèi)1模塊的通信冗余，輸入輸出模塊組的通信模塊通過兩條互為冗余的主通信總線和備用通信總線與控制層的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，形成總線冗余。
[0006]所述控制層的主控制器和備用控制器均由電源模塊、CPU模塊和公共底座構(gòu)成，所述電源模塊和CPU模塊通過接插件固定于公共底座上，通過公共底座的底板實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，所述CPU模塊設(shè)有通信網(wǎng)絡(luò)接口和通信總線接口，主控制器和備用控制器之間通過CPU模塊的通信網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，CPU模塊的通信網(wǎng)絡(luò)接口用于與監(jiān)控層進(jìn)行的通信；CPU模塊的通信總線接口用于與輸入輸出層各輸入輸出模塊組的通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
[0007]所述主控制器的電源模塊和CPU模塊與備用控制器的電源模塊和CPU模塊相互獨(dú)立。
[0008]所述主控制器和備用控制器的CPU模塊均設(shè)有兩個(gè)通信總線接口，兩個(gè)通信總線接口均為RS485總線接口，所述控制層的主控制器和備用控制器分別通過兩條互為冗余的RS485總線和Modbus通信協(xié)議與輸入輸出層的通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
[0009]所述主控制器和備用控制器的CPU模塊均設(shè)有兩個(gè)用于與監(jiān)控層連接的通信網(wǎng)絡(luò)接口，所述控制層的主控制器和備用控制器分別通過兩個(gè)互為冗余的主通信網(wǎng)絡(luò)和備用通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。
[0010]所述兩個(gè)用于與監(jiān)控層連接的通信網(wǎng)絡(luò)接口均為RJ45以太網(wǎng)接口，所述控制層的主控制器和備用控制器分別通過兩個(gè)互為冗余的主以太網(wǎng)和備用以太網(wǎng)與監(jiān)控層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。
[0011]所述主控制器與備用控制器之間采用光纖進(jìn)行連接，用于冗余控制器之間數(shù)據(jù)交互。
[0012]所述輸入輸出層設(shè)有最多八個(gè)輸入輸出模塊組，所述各輸入輸出模塊組內(nèi)均設(shè)有最多八個(gè)1模塊和通信模塊。
[0013]所述輸入輸出模塊組的通信模塊通過兩條互為冗余的主通信總線和備用通信總線與輸入輸出模塊組內(nèi)的1模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。
[0014]所述各輸入輸出模塊組內(nèi)的通信模塊通過兩條互為冗余的RS485總線和Modbus協(xié)議與輸入輸出模塊組內(nèi)各1模塊的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型的控制層按1:1冗余原理設(shè)置為至少一組互為冗余的主控制器和備用控制器，通過主控制器執(zhí)行控制決策，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控層和輸入輸出層的數(shù)據(jù)交互，通過備用控制器實(shí)時(shí)同步主控制器的程序和數(shù)據(jù)并監(jiān)控主控制器的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了控制層的控制器冗余，若主控制器出現(xiàn)異常，則主控制器切換為備用狀態(tài)。當(dāng)備用控制器未檢測到主控制器的存在或者監(jiān)測到主控制發(fā)生故障，則備用控制器切換為主狀態(tài)，保證了控制器的正常運(yùn)行。輸入輸出層的各輸入輸出模塊組內(nèi)設(shè)有多個(gè)1模塊以及通信模塊，通信模塊設(shè)有四個(gè)通信接口，通信模塊實(shí)時(shí)讀取1模塊的輸入模塊數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給控制器，通信模塊解包控制輸出命令并分別發(fā)送到各1模塊的輸出模塊，通信模塊分擔(dān)控制器的與輸入輸出層的通信任務(wù)，提高了控制器的工作效率。各輸入輸出模塊組的通信模塊分別通過兩條互為冗余的主通信總線和備用通信總線與控制層的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了總線冗余，通信模塊與控制器采用總線通信，相對于以太網(wǎng)和Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行通信，技術(shù)難度相對低，運(yùn)行成本低。采用兩條總線，保障了輸入輸出層與控制層的正常通信。本實(shí)用新型基于全局考慮，且采用1:1冗余原理，有效且簡單、配置靈活，易于實(shí)現(xiàn)，充分考慮了不同層級的數(shù)據(jù)流量和通信速率，采用以太網(wǎng)和RS485總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同層級的通信冗余；充分考慮了工控行業(yè)和集散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，符合該行業(yè)和本領(lǐng)域的應(yīng)用需求；減小了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，具有很好的一致性和實(shí)用性，使用方便、可靠性好、通用性高，符合較高的時(shí)效性、可靠性和安全性；且成本低。
[0016]所述控制層的主控制器和備用控制器均由電源模塊、CPU模塊和公共底座構(gòu)成，電源模塊和CPU模塊通過接插件固定于公共底座上，通過公共底座的底板實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，硬件更簡單，成本也相對較低。CPU模塊設(shè)有通信網(wǎng)絡(luò)接口和通信總線接口，主控制器和備用控制器之間通過CPU模塊的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，CPU模塊的通信網(wǎng)絡(luò)接口用于與監(jiān)控層進(jìn)行通信；CPU模塊的通信總線接口用于與輸入輸出層各輸入輸出模塊組的通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。CPU模塊通過自身集成的通信接口采用通信總線和Modbus協(xié)議與輸入輸出模塊組的通信模塊進(jìn)行通信，技術(shù)難度相對低，成本低，具有高可靠性和穩(wěn)定性。
[0017]所述主控制器的電源模塊和CPU模塊與備用控制器的電源模塊和CPU模塊相互獨(dú)立，若其中一臺控制器出現(xiàn)故障，另外一臺控制器不受影響，系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)管理或維護(hù)工作人員可以根據(jù)系統(tǒng)的錯(cuò)誤提示信息對故障控制器實(shí)現(xiàn)在線更換。
[0018]所述控制層的主控制器和備用控制器分別通過兩條互為冗余的RS485總線和Modbus通信協(xié)議與輸入輸出層的通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，采用冗余RS-485總線穩(wěn)定性高，易