Pas100控制系統(tǒng)的通信模塊冗余構(gòu)架的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實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)的通信模塊冗余構(gòu)架。
【背景技術(shù)】
[0002]PAS100控制系統(tǒng)是基于DCS構(gòu)架設(shè)計的過程自動化控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計思想和開放性的設(shè)計理念，使得該系統(tǒng)具備良好的開放性和擴展性，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?，F(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)和計算機集中控制的優(yōu)點，彌補了它們各自的不足，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，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、程度和具體實現(xiàn)方式都有所不同，常見的系統(tǒng)冗余實現(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)計實現(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)計和實現(xiàn)角度來說，也會增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、設(shè)計的難度和產(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。從經(jīng)濟角度考慮，過高的冗余度會大大增加系統(tǒng)的成本，甚至是一種浪費。因此目前急需開發(fā)一種設(shè)計合理的冗余架構(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)的通信模塊冗余構(gòu)架，該冗余構(gòu)架合理，綜合考慮PAS100控制系統(tǒng)的時效性、安全性、可靠性，且成本低，保證PAS100控制系統(tǒng)能正常運行。
[0004]本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]—種PAS100控制系統(tǒng)的通信模塊冗余構(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)有至少一臺控制器，所述控制器設(shè)有通信總線接口和通信網(wǎng)絡(luò)接口，所述控制器的通信網(wǎng)絡(luò)接口通過通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控層進行網(wǎng)絡(luò)通信，控制器的通信總線接口用于與輸入輸出層相連；所述輸入輸出層設(shè)有多個輸入輸出模塊組，所述各輸入輸出模塊組內(nèi)設(shè)有多個1模塊以及兩個互為冗余的主通信模塊和備用通信模塊，各輸入輸出模塊組的主通信模塊和備用通信模塊均通過通信總線與輸入輸出模塊組內(nèi)1模塊進行實時數(shù)據(jù)交互，各輸入輸出模塊組的主通信模塊和備用通信模塊分別通過通信總線與控制層的控制器進行數(shù)據(jù)交互。
[0006]所述控制層的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，CPU模塊的通信網(wǎng)絡(luò)接口用于與監(jiān)控層進行通信；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行數(shù)據(jù)交互。
[0007]所述控制器的CPU模塊的通信總線接口均為RS485總線接口，所述控制層的控制器分別通過RS485總線和Modbus通信協(xié)議與輸入輸出層的主通信模塊和備用通信模塊進行數(shù)據(jù)交互。
[0008]所述控制器的CPU模塊設(shè)有兩個通信網(wǎng)絡(luò)接口，所述控制層的控制器分別通過兩個互為冗余的主通信網(wǎng)絡(luò)和備用通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控層進行網(wǎng)絡(luò)通信。
[0009]所述兩個通信網(wǎng)絡(luò)接口為RJ45以太網(wǎng)接口，所述控制層的控制器分別通過兩個互為冗余的主以太網(wǎng)和備用以太網(wǎng)與監(jiān)控層進行網(wǎng)絡(luò)通信。
[0010]所述輸入輸出層設(shè)有最多八個輸入輸出模塊組，所述各輸入輸出模塊組內(nèi)均設(shè)有最多八個1模塊和兩個互為冗余的主通信模塊和備用通信模塊。
[0011]所述主通信模塊、備用通信模塊和1模塊均具備帶電插拔功能。
[0012]所述各輸入輸出模塊組內(nèi)的主通信模塊和備用通信模塊分別兩條互為冗余的通信總線與輸入輸出模塊組內(nèi)各1模塊的進行數(shù)據(jù)交互。
[0013]所述通信總線采用RS485總線。
[0014]本實用新型的有益效果:本實用新型輸入輸出層的各輸入輸出模塊組內(nèi)設(shè)有多個1模塊以及兩個互為冗余的主通信模塊和備用通信模塊，實現(xiàn)了通信模塊冗余，通信模塊實時讀取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主通信模塊和備用通信模塊分別通過通信總線與控制層的控制器進行數(shù)據(jù)交互，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)議進行通信，技術(shù)難度相對低，運行成本低。本實用新型基于全局考慮，控制器與輸入輸出層的1模塊通過通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互是最為耗時的一個工作任務(wù)，為了提高控制器工作效率，PAS100控制系統(tǒng)引入通信模塊以分擔(dān)控制器的與輸入輸出層的通信任務(wù)，兩個通信模塊保證了控制器與輸入輸出層的正常工作。因此本實用新型提出了一種通信模塊冗余的方案，且采用1:1冗余原理，有效且簡單、配置靈活，易于實現(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，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)計的復(fù)雜性，具有很好的一致性和實用性，使用方便、可靠性好、通用性高，符合較高的時效性、可靠性和安全性；且成本低。
[0015]所述控制層的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，CPU模塊的通信網(wǎng)絡(luò)接口用于與監(jiān)控層進行通信；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行數(shù)據(jù)交互。CPU模塊通過自身集成的通信總線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。
[0016]所述控制層的控制器分別通過RS485總線和Modbus通信協(xié)議與輸入輸出層的主通信模塊和備用通信模塊進行數(shù)據(jù)交互，采用冗余RS-485總線穩(wěn)定性高，易實現(xiàn)，成本相對低，且冗余配置更為靈活。
[0017]控制層的控制器采用兩條互為冗余的主通信網(wǎng)絡(luò)和備用通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控層進行網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)冗余，保證了網(wǎng)絡(luò)的暢通。
[0018]所述輸入輸出層設(shè)有最多八個輸入輸出模塊組，所述各輸入輸出模塊組內(nèi)均設(shè)有最多八個1模塊和兩個互為冗余的主通信模塊和備用通信模塊。實用于中小型控制系統(tǒng)，滿足一般和常見的冗余需求，滿足市場上用戶對控制系統(tǒng)的冗余要求，且成本低。
[0019]所述主通信模塊、備用通信模塊和1模塊均具備帶電插拔功能。插拔其中一個模塊不會影響其它模塊的運行，便于系統(tǒng)管理或維護。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型系統(tǒng)的原理框圖；
[0021]圖2是本實用新型控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本實用新型控制器的各通信接口的示意圖；
[0023]圖4是本實用新型通信模塊的通信接口示意圖；
[0024]圖5是1模塊與通信模塊的連接示意圖；
[0025]圖6是通信模塊冗余的連接示意圖；
[0026]圖7是監(jiān)控層與控制層之間的冗余網(wǎng)絡(luò)連接示意圖；
[0027]圖8是監(jiān)控層與控制層之間的網(wǎng)絡(luò)連接非冗余的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步地說明。
[0029]參見圖1至圖8所示，一種PAS100控制系統(tǒng)的通信模塊冗余構(gòu)架，PAS100控制系統(tǒng)按照DCS架構(gòu)設(shè)計，主要分為3個層次，包括監(jiān)控層、控制層和輸入輸出層。
[0030]所述控制層設(shè)有至少一個控制器，主要功能是實現(xiàn)輸入輸出層中輸入模塊數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)組態(tài)程序執(zhí)行控制邏輯，并控制輸入輸出層中輸出模塊數(shù)據(jù)的輸出?？刂破魇沁\行控制軟件、執(zhí)行控制邏輯，并通過一定的通信機制和策略實現(xiàn)與輸入輸出層各模塊以及監(jiān)控層各節(jié)點的數(shù)據(jù)信息的交互?？刂破魇强刂葡到y(tǒng)控制決策執(zhí)行的核心部件。控制層可以設(shè)置一個控制器，也可以設(shè)置多個控制器，本實施例中:控制層設(shè)有一個控制器。
[0031]參見圖2所示，控制器由電源模I塊、CPU模塊2和公共底座3構(gòu)成，電源模塊I和CPU模塊2通過接插件固定于公共底座上，并通公共底座3的底板實現(xiàn)互聯(lián)。電源模塊I為控制器供電，CPU模塊2基于工業(yè)級X86核心板設(shè)計，是控制器的核心。所述CPU模塊設(shè)有兩個通信網(wǎng)絡(luò)接口和一個通信總線接口，CPU模塊的兩個通信網(wǎng)絡(luò)接口用于與監(jiān)控層進行通信；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行數(shù)據(jù)交互。參見圖3所示，本實施例中:CPU模塊設(shè)有兩個RJ45以太網(wǎng)接口和一個RS485總線接口，兩個RJ45以太網(wǎng)接口分別是RJ45-l，RJ45-2，兩個RJ45以太網(wǎng)接口用于與監(jiān)控層通信，一個RS485總線接口用于實現(xiàn)與輸入輸出層各輸入輸出模塊組的通信和數(shù)據(jù)交互，為最佳實施例。
[0032]所述輸入輸出層用于控制現(xiàn)場信號測量以及PAS100控制系統(tǒng)控制信號的輸出，輸入輸出層由最多8個輸入輸出模塊組構(gòu)成，每個輸入輸出模塊組包括最多8個1模塊和兩個互為冗余的主通信模塊和備用通信模塊。主通信模塊和備用通信模塊與1模塊安裝在同一機架上組成一個輸入輸出模塊組，主通信模塊和備用通信模塊統(tǒng)一處理組內(nèi)1模塊的數(shù)據(jù)，并與控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。各1模塊的功能是現(xiàn)場信號測量和輸出系統(tǒng)控制信號到現(xiàn)場設(shè)備。主通信模塊和備用通信模塊是控制器實現(xiàn)與各輸入輸出模塊組內(nèi)數(shù)據(jù)通信的“信息集散中心”，在1模塊的輸入過程中，通信模塊實時讀取組內(nèi)各輸入模塊數(shù)據(jù)，并打成一個數(shù)據(jù)包發(fā)送給控制器；在1模