控制系统冗余构架的构建方法.pdf

本发明提供的一种控制系统冗余构架的构建方法，控制系统至少包括控制器、通信模块、输入输出模块和电源模块，所述控制器通过以太网络与通信模块连接，所述通信模块与输入输出模块连接，冗余构架包括控制器冗余、通信模块冗余、输入输出模块冗余、电源模块冗余以及网络冗余；所述冗余构架中的主控制器与备用控制器、主用通信模块与备用通信模块、主用输入输出模块和备用输入输出模块，以及主用电源模块和备用电源分别采用相同的硬件结构；本发明原理简单、易于实现，充分考虑不同层级的数据流量和通信速率，实现了系统中不同层级的通信冗余，具有较高的时效性、可靠性和安全性，控制系统中各层级的冗余可以根据需要灵活配置，冗余和非冗余可以混合使用，减小系统整体设计的复杂性。

1.  一种控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：控制系统至少包括控制器、通信模块、输入输出模块和电源模块，所述控制器通过以太网络与通信模块连接，所述通信模块与输入输出模块连接，冗余构架包括控制器冗余、通信模块冗余、输入输出模块冗余、电源模块冗余以及网络冗余；
所述冗余构架中的主控制器与备用控制器、主用通信模块与备用通信模块、主用输入输出模块和备用输入输出模块，以及主用电源模块和备用电源分别采用相同的硬件结构。

2.  根据权利要求1所述的控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：所述主控制器和备用控制器分别与通信模块连接，所述主控制器与备用控制器通过光纤连接，并进行数据交互，所述主控制器和备用控制器同时接入与监控层通信的以太网，所述以太网包括主用以太网和备用以太网。

3.  根据权利要求2所述的控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：所述通信模块的冗余配置及主从状态根据控制器进行配置，若控制器配置为冗余，则需要为与所述控制器连接的通信模块配置相应的冗余通信模块，互为冗余的主控制器和备用控制器分别与通信模块及其冗余通信模块连接。

4.  根据权利要求3所述的控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：同一时段内只允许一个控制器与通信模块进行数据通信，与控制器进行数据通信的通信模块为主用通信模块，另一通信模块为备用通信模块，控制器实时获取备用通信模块的通信状态。

5.  根据权利要求2所述的控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：所述输入输出模块中，互为冗余的输入输出模块必须配置为相邻，所述互为冗余的输入输出模块之间通过心跳信号线连接。

6.  根据权利要求5所述的控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：所述输入输出模块正常运行时，主用模块处于工作状态，备用模块处于非工作状态，主用模块通过输出端口向备用模块发送心跳信号，备用模块通过输入端口 检测主用模块心跳信号，当备用模块检测不到主模块的心跳信号时，则判定主模块不存在或发生故障，并立即切换为工作状态接替主用模块进行工作。

7.  根据权利要求6所述的控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：通信模块与各输入输出模块之间采用双总线连接；若主通信模块通过一条总线与输入输出模块通信失败，则启用另一条总线与该模块进行通信。

8.  根据权利要求7所述的控制系统冗余构架的构建方法，其特征在于：所述输入输出模块与电源模块通过底座电路板连接，用于为各输入输出模块供电，所述底座电路板设有双电源连接线，分别与主用电源模块和备用电源模块连接，同一时间内只有一个电源模块处于工作状态，电源模块自动识别工作状态，并在主用电源模块发生故障时将备用电源模块切换为工作状态。

控制系统冗余构架的构建方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及控制系统冗余构架的构建方法。
背景技术
DCS是Distributed Control System的简称，国内一般称其为集散型控制系统或分布式控制系统，DCS系统采用多级分层结构，综合了常规仪表控制系统和计算机集中控制的优点，弥补了它们各自的不足，具备分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便等特点。因此，DCS系统不仅通用性高、易用性强，而且具有更高的开放性和可靠性。经过近40年的发展，集散型控制系统的功能日益丰富，性能不断提升，广泛地应用于各行各业，已经成为自动化控制领域的主流产品。
可靠性是DCS系统的关键指标，冗余技术是系统可靠性设计中常用的一种容灾方式，可以有效地提高系统的可靠性。系统的冗余设计虽然可以极大地提高系统的可靠性，但是也会增加了系统的复杂度、设计的难度和系统成本。因此，如何合理并有效地实现控制系统冗余功能，是DCS系统设计的关键。
DCS系统的冗余技术通过增加多余的设备，保证系统更加可靠、安全地工作。DCS系统冗余包括控制器冗余、模块冗余、网络冗余、电源冗余以及元件冗余等。各个行业和应用领域，对系统的安全性和可靠性级别需求不同，对系统的冗余程度要求也不尽相同。控制器是系统核心部件，因此控制器冗余的应用更为常见。一些特殊行业，要求系统实现各层级、部件的全面冗余。目前，市面上不同DCS系统的冗余位置、级别、程度和具体实现方式都有所不同。各种冗余构架设计都有自身的优缺点。有些系统做到元件级冗余，这将极大地增加系统的成本、设计难度和其它一些不确定性问题。常见的部件冗余是设计专 门的支持冗余功能的部件，这样会增加系统设计、应用和管理的复杂度和工作量。有些冗余系统是基于一些非通用技术实现，其开放新和扩展性又得不到保障。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种包括输入输出模块冗余、通信模块冗余、控制器冗余、电源冗余以及网络冗余的总体冗余架构和实现方式，该架构各部件的冗余与非冗余采用同样的硬件和结构设计，可以方便地实现冗余和非冗余混合使用。
本发明提供的一种控制系统冗余构架的构建方法，控制系统至少包括控制器、通信模块、输入输出模块和电源模块，所述控制器通过以太网络与通信模块连接，所述通信模块与输入输出模块连接，冗余构架包括控制器冗余、通信模块冗余、输入输出模块冗余、电源模块冗余以及网络冗余；
所述冗余构架中的主控制器与备用控制器、主用通信模块与备用通信模块、主用输入输出模块和备用输入输出模块，以及主用电源模块和备用电源分别采用相同的硬件结构。
进一步，所述主控制器和备用控制器分别与通信模块连接，所述主控制器和备用控制器分别与通信模块连接，所述主控制器与备用控制器通过光纤连接，并进行数据交互，所述主控制器和备用控制器同时接入与监控层通信的以太网，所述以太网包括主用以太网和备用以太网。
进一步，所述通信模块的冗余配置及主从状态根据控制器进行配置，若控制器配置为冗余，则需要为与所述控制器连接的通信模块配置相应的冗余通信模块，互为冗余的主控制器和备用控制器分别与通信模块及其冗余通信模块连接。
进一步，同一时段内只允许一个控制器与通信模块进行数据通信，与控制器进行数据通信的通信模块为主用通信模块，另一通信模块为备用通信模块控制器实时获取备用通信模块的通信状态。进一步，所述输入输出模块中，互为冗余的输入输出模块必须配置为相邻，所述互为冗余的输入输出模块之间通过 心跳信号线连接。
进一步，所述输入输出模块正常运行时，主用模块处于工作状态，备用模块处于非工作状态，主用模块通过输出端口向备用模块发送心跳信号，备用模块通过输入端口检测主用模块心跳信号，当备用模块检测不到主模块的心跳信号时，则判定主模块不存在或发生故障，并立即切换为工作状态接替主用模块进行工作。
进一步，通信模块与各输入输出模块之间采用双总线连接；若主通信模块通过一条总线与输入输出模块通信失败，则启用另一条总线与该模块进行通信。
进一步，所述输入输出模块与电源模块通过底座电路板连接，用于为各输入输出模块供电，所述底座电路板设有双电源连接线，分别与主用电源模块和备用电源模块连接，同一时间内只有一个电源模块处于工作状态，电源模块自动识别工作状态，并在主用电源模块发生故障时将备用电源模块切换为工作状态。
本发明的有益效果：
本发明原理简单、易于实现，充分考虑不同层级的数据流量和通信速率，采用普通以太网、光纤和RS485总线技术实现不同层级的通信冗余，具有较高的时效性、可靠性和安全性，控制系统中各层级的冗余可以根据需要灵活配置，冗余和非冗余可以混合使用，减小系统整体设计的复杂性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的控制系统结构示意图。
图2是本发明的控制器结构示意图。
图3是本发明的控制器冗余连接示意图。
图4是本发明的输入输出模块冗余心跳线连接示意图。
图5是本发明的模块组连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的控制系统结构示意图，图2是本发明的控制器结构示意图，图3是本发明的控制器冗余连接示意图，图4是本发明的输入输出模块冗余心跳线连接示意图，图5是本发明的模块组连接示意图。
本实施例中的控制系统冗余构架的构建方法，控制系统至少包括控制器、通信模块、输入输出模块和电源模块，所述控制器通过以太网络与通信模块连接，所述通信模块与输入输出模块连接，冗余构架包括控制器冗余、通信模块冗余、输入输出模块冗余、电源模块冗余以及网络冗余；
所述冗余构架中的主控制器与备用控制器、主用通信模块与备用通信模块、主用输入输出模块和备用输入输出模块，以及主用电源模块和备用电源分别采用相同的硬件结构。
在本实施例中，控制系统设计为3个层次：监控层、控制层和输入输出层，系统结构如图1所示。
监控层是运行于PC平台上的PAS-HM I监控软件、组态软件以及PAS-CONF I G等工具软件，用于系统监控、工程组态和调试。控制层的主要部件是控制器，主要功能是实现输入输出层中输入模块数据的采集，根据组态程序执行控制逻辑，并控制输入输出层中输出模块数据的输出。输入输出层由若干模块组构成，用于控制现场信号测量以及系统控制信号的输出。每个模块组包括1个(或对)通信模块和最多14个输入输出模块。输入输出模块的功能是现场信号测量和输出系统控制信号到现场设备，本实施例中的输入输出模块种类如表1所示。


表1 控制系统输入输出模块类型
通信模块是控制器实现与模块组数据通信“信息集散中心”，在IO输入过程中，通信模块实时读取组内各输入模块数据，并打成一个数据包发送给控制器；在IO输出过程中，通信模块解析来自控制器的输出控制指令，然后分别控制各输出模块的输出。
本实施例中的监控层与控制层间的通信网络是双100M/1000M以太网，采用通用Modbus/TCP或专用SicModbus-UDP通信协议，最大网络节点数为247。控制层与与输入输出层间的通信接口是10M/100M以太网，通信协议是Modbus/TCP或专用SicModbus-UDP通信协议，1台(组)控制器可以连接最多6个模块组。模块组内通信模块与输入输出模块通过基于双RS485总线的Modbus协议实现数据交互。
在本实施例中，控制系统的冗余构架是包括控制器冗余、通信模块冗余、输入输出模块冗余、电源冗余以及网络冗余的总体冗余体系。
本实施例中，控制器由4个部分构成：控制器专用电源模块、CPU模块、专用交换机模块和公共底座，如图2所示，电源模块、CPU模块和专用交换机模块通过接插件固定于公共底座，并通公共底座的底板实现互联。电源模块的作用是为控制器各个部件供电。CPU模块基于工业级X86核心板设计，是控制器的核心。CPU模块提供4个以太网接口，其中2个RJ45通信接口用于与监控层通信；1个光纤通信接口用于冗余控制器之间数据交互；另外一个通信接口与专用交换机连接。专用交换机提供6个RJ45接口，用于实现与通信模块的通信连接。控制器可以根据应用需求配置为冗余或者非冗余，控制器冗余的连接如图3所示。
在本实施例中，对监控层的2个RJ45通信接口分别接入以太网1的网络1和网络2，实现对控制层的网络冗余。主控制器和备用控制器分别与各IO机架的一对通信模块连接，实现对输入输出层的网络冗余。光纤具有稳定、快速等特点，因此采用光纤实现冗余控制器间主要数据的交互。
在本实施例中，通信模块的冗余配置及主从状态由控制器决定。若控制器配置为冗余，则需要配置冗余的通信模块。互为冗余的控制器分别与模块组的两个通信模块连接，如图4所示。同一时段内只容许一个控制器与模块组进行数据通信，与控制器进行数据通信的通信模块为主用，另一通信模块设置为备用。
在本实施例中，输入输出模块除PI5267和SOE5241不支持冗余外，其它输入输出模块均可配置为冗余或非冗余。互为冗余的输入输出模块必须相邻，并且地址编号除以2的商的整数部分相等。互为冗余的输入输出模块之间通过心跳信号线连接，如图4所示。心跳信号是确定模块主从状态的重要依据。主用模块正常运行时会通过O端口发送心跳信号给备用模块，备用模块通过I端口检测主用模块心跳信号。若备用模块检测不到主模块的心态信号，则判定主用模块不存在或者发生故障，并立即切换为主用状态。
在本实施例中，监控层与控制层之间的网络连接以及控制层与输入输出层的网络连接均可根据需要配置为冗余或非冗余。图3中以太网1为监控层与控 制层之间的冗余网络连接示意，图3中以太网2是控制层与输入输出层间的冗余网络连接示意。控制器提供对监控层的双以太网通信接口，要实现监控层和控制层之间的网络冗余需要给监控层各节点配置双网卡，并按照图3中以太网1所示方式连接和配置网络即可。其中一条网络默认作为主通信网络，另一条网络备用。若主网络出现故障，则启用备用网络。若某一节点与主网络通信接口出现故障，则该节点启用与备用网络通信接口。
图3中以太网2是控制层与输入输出层的通信网络。对于图3示例中，若控制器-1A为主，则控制器-1A与通信模块CP11A、……、CP1XA连接，称为主网络；控制器-1B与通信模块CP11B、……、CP1XB连接，称为备用网络。正常情况下主控制器通过主网络与各模块组进行数据通信；从控制器只检测与各模块组的通信连接状态。若控制器与某一模块组的主网络发生故障，则启用备用网络并由备用控制器与相应的模块组实现数据通信功能。
在本实施例中，通信模块与各个输入输出模块之间采用双RS485总线连接。假设两条总线分别为RS485总线1和RS485总线2，且1为主，则正常情况下，主通信模块通过RS485总线1与各输入输出模块通信；若主通信模块通过RS485总线1与某一输入输出模块通信失败，则启用RS485总线2与该模块通信。
在本实施例中，该系统实现控制器和模块电源组冗余功能。对于控制器来说，每台控制器独立供电且自备电源模块，如图2所示。一个模块组除1个(对)通信模块和最多14个输入输出模块外，还需配置1个或2个电源模块给模块组供电，各模块通过的底座互连，如图5所示。底座电路板布有双电源连接线，分别用于将电源1和电源2与各模块连接。电源的主从切换由硬件电路控制，保证同一时刻只有一个电源为各模块供电，该模块称为主模块。若主模块发生故障，则备用模块切换为主。模块电源冗余可根据应用需要配置，若需电源冗余，则在一个模块组的电源模块插槽插入2个电源模块，电源模块会自动识别主从并在主电源故障时候实现电源切换；若不需电源冗余，则只需插入1个电源模块即可。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。