CN204883339U - Pas100控制***的通信模块和总线冗余构架 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，控制层设有至少一个控制器，控制器通过通信网络与监控层进行网络通信；输入输出层设有多个输入输出模块组，各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均设有四个通信接口，其中两个通信接口用于实现对控制器的通信冗余，另外两个通信接口用于实现对输入输出模块组内IO模块的通信冗余，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块分别通过两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与控制层的控制器进行数据交互。本实用新型综合考虑PAS100控制***的时效性、安全性、可靠性，且成本低。

Description

PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架

技术领域

本实用新型涉及分布式控制***的冗余构架，具体涉及一种PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架。

背景技术

PAS100控制***是基于DCS构架设计的过程自动化控制***，采用模块化设计思想和开放性的设计理念，使得该***具备良好的开放性和扩展性，适用于石油、化工、冶金、轻工、能源和环保等行业的过程自动化控制。现有DCS***（即集散型控制***或分布式控制***）采用多级分层结构，综合了常规仪表控制***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，其可靠性是DCS***的关键指标。为了提高DCS***的可靠性，因此需对DCS***进行冗余设置。不同厂家的DCS***的冗余位置、程度和具体实现方式都有所不同，常见的***冗余实现方式是部件冗余。基于成本因素考虑和针对具体行业应用需求不同，不同厂家的部件冗余的实现级别和方式也有所不同，有的采用全部部件冗余，也有采用部分部件冗余的。从理论上来说，***的冗余设计实现冗余的位置越多、冗余的程度越高，***的安全性和可靠性就越好。但是从***的设计和实现角度来说，也会增加了***的复杂度、设计的难度和产品的成本，而高复杂度必然导致更多不可预见的问题，增加了一些潜在的风险。从经济角度考虑，过高的冗余度会大大增加***的成本，甚至是一种浪费。如：现有控制***的控制层与输入输出层间之间采用以太网和Modbus/TCP协议进行通信，技术难度相对大，成本高，并且控制器冗余必然通信模块冗余、网络冗余。因此目前急需开发一种设计合理的冗余架构，该冗余架构安全性和可靠性，且成本低。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，该冗余构架合理，综合考虑PAS100控制***的时效性、安全性、可靠性，且成本低，保证PAS100控制***能正常运行。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，包括PAS100控制***的监控层、控制层和输入输出层，其特征在于：所述控制层设有至少一个控制器，所述控制器设有两个通信总线接口和通信网络接口，所述控制器的通信网络接口通过通信网络与监控层进行网络通信，控制器的两个通信总线接口用于与输入输出层相连；所述输入输出层设有多个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均设有四个通信接口，其中两个通信接口用于实现对控制器的通信冗余，另外两个通信接口用于实现对输入输出模块组内IO模块的通信冗余，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块分别通过两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与控制层的控制器进行数据交互。

所述控制层的控制器均由电源模块、CPU模块和公共底座构成，所述电源模块和CPU模块通过接插件固定于公共底座上，通过公共底座的底板实现互联，所述CPU模块设有通信网络接口和通信总线接口，CPU模块的通信网络接口用于与监控层进行通信；CPU模块的通信总线接口用于与输入输出层各输入输出模块组的通信模块进行数据交互。

所述控制器的CPU模块设有两个通信接口，所述两个通信接口均为RS485总线接口，所述控制层的控制器分别通过两条互为冗余的RS485总线和Modbus通信协议与输入输出层的主通信模块和备用通信模块进行数据交互。

所述控制器的CPU模块设有两个通信网络接口，所述控制层的控制器分别通过两个互为冗余的主通信网络和备用通信网络与监控层进行网络通信。

所述通信网络接口为RJ45以太网接口，所述控制层的控制器分别通过两个互为冗余的主以太网和备用以太网与监控层进行网络通信。

所述输入输出层设有最多八个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内均设有最多八个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。

所述各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均通过两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与输入输出模块组内IO模块进行实时数据交互。

所述各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块分别通过两条互为冗余的RS485总线和Modbus协议与输入输出模块组内各IO模块的进行数据交互。

所述主通信模块、备用通信模块和IO模块均具备带电插拔功能。

本实用新型的有益效果：本实用新型控制层的输入输出层的各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，各通信模块实时读取IO模块的输入模块数据，并将数据打包发送给控制器，通信模块解包控制输出命令并分别发送到各IO模块的输出模块，通信模块分担控制器的与输入输出层的通信任务，提高了控制器的工作效率，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均设有四个通信接口，实现了通信模块冗余；各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块分别通过两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与控制层的控制器进行数据交互，实现了总线冗余。采用两个通信模块和两条总线，保障了输入输出层与控制层的正常通信。本实用新型基于全局考虑，提出了一种通信模块和总线冗余的方案，且采用1:1冗余原理，有效且简单、配置灵活，易于实现，充分考虑了不同层级的数据流量和通信速率，充分考虑了工控行业和集散型控制***的特点，符合该行业和本领域的应用需求；减小了***整体设计的复杂性，具有很好的一致性和实用性，使用方便、可靠性好、通用性高，符合较高的时效性、可靠性和安全性；且成本低。

所述控制层的控制器由电源模块、CPU模块和公共底座构成，电源模块和CPU模块通过接插件固定于公共底座上，通过公共底座的底板实现互联，硬件更简单，成本也相对较低。CPU模块设有通信网络接口和通信总线接口，CPU模块的通信网络接口用于与监控层进行通信；CPU模块的通信总线接口用于与输入输出层各输入输出模块组的通信模块进行数据交互。CPU模块通过自身集成的通信接口采用通信总线和Modbus协议与输入输出模块组的通信模块进行通信，技术难度相对低，成本低，是工控领域应用较为广泛的一种通信方式，具有高可靠性和稳定性。

所述控制层的控制器通过两条互为冗余的RS485总线和Modbus通信协议与输入输出层的主通信模块和备用通信模块进行数据交互，采用冗余RS-485总线稳定性高，易实现，成本相对低，且冗余配置更为灵活。

控制器采用两条互为冗余的主通信网络和备用通信网络与监控层进行网络通信，实现了网络冗余，保证了网络的畅通。

所述输入输出层设有最多八个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内均设有最多八个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。实用于中小型控制***，满足一般和常见的冗余需求，满足市场上用户对控制***的冗余要求，且成本低。

所述主通信模块、备用通信模块和IO模块均具备带电插拔功能。插拔其中一个模块不会影响其它模块的运行，便于***管理或维护。

附图说明

图1是本实用新型***的原理框图；

图2是本实用新型控制器的结构示意图；

图3是本实用新型控制器的通信接口示意图；

图4是本实用新型通信模块的通信接口示意图；

图5是IO模块与通信模块的连接示意图；

图6是通信模块和总线冗余的连接示意图；

图7是监控层与控制层之间的冗余网络连接示意图。

图8是监控层与控制层之间的网络连接非冗余示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步地说明。

参见图1至图8所示，一种PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，PAS100控制***按照DCS架构设计，主要分为3个层次，包括监控层、控制层和输入输出层。

所述控制层的主要部件是控制器，控制层至少一个控制器，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。控制器是运行控制软件、执行控制逻辑，并通过一定的通信机制和策略实现与输入输出层各模块以及监控层各节点的数据信息的交互。所述控制层可以设置一个或多个控制器，本实施例中控制层设有一个控制器。

参见2所示,所述控制器由电源模块1、CPU模块2和公共底座3构成，电源模块1和CPU模块2通过接插件固定于公共底座3上，并通公共底座3的底板实现互联。电源模块1为控制器供电，CPU模块2基于工业级X86核心板设计，是控制器的核心。所述CPU模块2设有两个通信网络接口和两个通信总线接口，CPU模块的两个通信网络接口用于与监控层进行通信；CPU模块的两个通信总线接口用于与输入输出层各输入输出模块组的通信模块进行数据交互。参见图3所示，本实施例中：CPU模块设有两个RJ45以太网接口和两个RS485总线接口，两个RJ45以太网接口分别是RJ45-1，RJ45-2，两个RS485总线接口分别是RS485-1，RS485-2，两个RJ45以太网接口用于与监控层通信，两个RS485总线接口用于实现与输入输出层各输入输出模块组的通信和数据交互，为最佳实施例。

在控制器所有的工作任务中，与输入输出层的IO模块通过通信实现数据交互是最为耗时的一个工作任务。为了提高控制器工作效率，PAS100控制***引入通信模块以分担控制器的与输入输出层的通信任务。

所述输入输出层用于控制现场信号测量以及PAS100控制***控制信号的输出，输入输出层由最多8个输入输出模块组构成，每个输入输出模块组包括最多8个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。主通信模块和备用通信模块与IO模块安装在同一机架上组成一个输入输出模块组，各IO模块的功能是现场信号测量和输出***控制信号到现场设备。主通信模块和备用通信模块是控制器实现与各输入输出模块组内数据通信的“信息集散中心”，在IO模块的输入过程中，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模块的输出过程中，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：输入输出层设有八个输入输出模块组，分别是第一、第二、第三、第四……第八输入输出模块组。每个输入输出模块组均包括八个IO模块IOX1、IOX2、IOX3、IOX4、IOX5、IOX6、IOX7、IOX8和两个互为冗余的主通信模块CPXA和备用通信模块CPXB。第一输入输出模块组由八个IO模块分别为IO11、IO12、IO13、IO14、IO15、IO16、IO17、IO18，以及主通信模块CP1A和备用通信模块CP1B,八个IO模块和两通信模块位于同一IO机架。第二输入输出模块组由八个IO模块分别为IO21、IO22、IO23、IO24、IO25、IO26、IO27、IO28，以及主通信模块CP2A和备用通信模块CP2B,八个IO模块和两通信模块位于同一IO机架。其余几个输入输出模块组的结构设置均相同。主通信模块和备用通信模块均通过两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与输入输出模块组内IO模块进行实时数据交互。

冗余通信模块的主从状态由控制器决定，即控制器与哪个通信模块进行数据通信则那个通信模块为主通信模块，另一个为备用通信模块。正常情况下，控制器与通信模块CPXA进行数据通信，此时，通信模块CPXA为主通信模块，通信模块CPXB为备用通信模块。此种情况下，主通信模块实现与控制器数据和输入输出模块组内各个IO模块的数据通信；备用通信模块实时监测主通信模块的数据和运行状态。若控制层的控制器检测到主通信模块出现异常，则控制器给出与主通信模块通信故障信息并将数据通信切换到备用通信模块。此时，备用通信模块切换为主状态,主通信模块切换为备用状态。

所述主通信模块和备用通信模块相互独立，若其中任一一个通信模块出现故障，另外个不受影响，***仍然能正常运行。又因为通信模块具备带电插拔功能，所以***管理或维护工作人员根据***的错误提示信息，可以在不影响***运行的情况下对故障通信模块实现在线更换。

参见图4所示：各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均设有两个用于连接控制器的RS485通信接口和两个用于连接IO模块的RS485通信接口，两个用于连接控制器的RS485通信接口分别是RS485-U1和RS485-U2，两个用于连接IO模块的RS485通信接口分别是RS485-D1和RS485-D2，两个用于连接控制器的RS485通信接口实现对控制器的通信冗余，两个用于连接IO模块的RS485通信接口实现对输入输出模块组内IO模块的通信冗余。

参见图5所示，各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块通过两个RS485通信接口、两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线依次与各IO模块连接，所述主通信总线和备用通信总线均采用RS485总线，通信协议采用Modbus通信协议，输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块与输入输出模块组内各IO模块基于RS485总线的Modbus协议实现数据交互。

控制层的控制器与输入输出层的主通信模块和备用通信模块之间均通过两条RS485总线连接。如果两条RS485总线分别为RS485-A和RS485-B，正常情况下，RS485-A为主通信总线，RS485-B为备用通信总线，各控制器通过主通信总线RS485-A与各通信模块通信。若控制器通过主通信总线RS485-A与某一通信模块通信失败，则启用备用通信总线RS485-B与该通信模块通信；若控制器通过主通信总线RS485-A与通信模块失败个数超过n(该值可设置，默认为4)，则备用通信总线RS485-B切换为主通信总线。由于主通信总线RS485-A和备用通信总线RS485-B相互独立，若其中任一一条通信总线发生故障或异常，或者主通信总线的某一节点发生故障或异常，备用通信总线不受影响，***可以正常运行和工作。

主通信模块和备用通信模块与八个IO模块之间通过内置于IO机架底板的两条RS485总线实现连接。主通信模块通过RS485总线读写组内IO模块数据，备用通信模块通过监听该总线获取相应数据。如果两条RS485总线分别为RS485-1和RS485-2。正常情况下，RS485-1为主通信总线，RS485-2为备用通信总线，主通信模块和备用通信模块均通过主通信总线RS485-1与各IO模块通信。主通信模块通过主通信总线RS485-1读写IO模块数据，则备用通信模块监听该主通信总线RS485-1获取相应数据；主通信模块通过备用通信总线RS485-2读写IO数据，则备用通信模块监听备用通信总线RS485-2获取相应数据。即主通信模块的通信总线切换了，备用通信模块的通信总线也进行相应切换。若主通信模块和备用通信模块通过主通信总线RS485-1与某一IO模块通信失败，则启用备用通信总线RS485-2与该IO模块通信；若主通信模块和备用通信模块通过主通信总线RS485-1与输入输出模块组内各IO模块通信失败个数超过n(该值可设置，默认为4)，则备用通信总线RS485-2切换为主通信总线。由于RS485-1和RS485-2相互独立，若RS485-1和RS485-2其中任一一条通信总线发生故障或异常，或者主通信总线的某一节点发生故障或异常，备用通信总线不受影响，***可以正常运行和工作。

参见图6所示，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块分别通过两个RS485通信接口、两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与控制层的控制器进行数据交互，主通信总线和备用通信总线均采用RS485总线，通信协议采用Modbus通信协议，输入输出层的两通信模块与控制层的控制器之间基于RS485总线的Modbus协议实现数据交互。相对于以太网通信，该总线通信硬件更简单，实施技术难度更低，成本也相对于较低，且具有高可靠性和稳定性。

控制层的控制器与输入输出层的主通信模块和备用通信模块之间均通过两条RS485总线连接，如果两条RS485总线分别为RS485-A和RS485-B，正常情况下，RS485-A为主通信总线，RS485-B为备用通信总线，各控制器通过主通信总线RS485-A与各通信模块通信。若控制器通过主通信总线RS485-A与某一通信模块通信失败，则启用备用通信总线RS485-B与该通信模块通信；若控制器通过主通信总线RS485-A与通信模块失败个数超过n(该值可设置，默认为4)，则备用通信总线RS485-B切换为主通信总线。由于RS485-A和RS485-B相互独立，若其中任一一条通信总线发生故障或异常，或者主通信总线的某一节点发生故障或异常，备用通信总线不受影响，***可以正常运行和工作。

控制层与输入输出层之间的通信总线冗余和各输入输出模块组内两通信模块与IO模块之间的通信总线冗余，构成PAS100控制***的总线冗余，总线冗余保证了控制层与输入输出层之间及各输入输出模块组内两通信模块与IO模块之间的正常通信。

所述监控层是运行于PC平台上的PAS-HMI监控软件、组态软件以及PAS-CONFIG等工具软件，用于***监控、工程组态和调试。监控层设有服务器、多个操作站（1……n个操作站）和工程师站。

参见图7所示，该PAS100控制***中，监控层与控制层之间的网络连接配置为冗余。控制层的控制器均提供了对监控层的两个RJ45以太网接口，通过这两个RJ45以太网接口控制器可以分别接入两条互为冗余的主通信网络和备用通信网络，主通信网络和备用通信网络均采用100M/1000M以太网，通用Modbus/TCP或专用SicModbus-UDP通信协议，最大网络节点数为247，实现了监控层与控制层之间的通信网络冗余。在网络冗余的***中，其中一条网络默认作为主通信网络，另一条网络为备用通信网络，若主通信网络出现故障，则启用备用通信网络；若某一节点与主通信网络接口出现故障，则该节点启用与备用通信网络接口。

参见图8所示，所述监控层与控制层之间的网络连接也可以配置为非冗余网络。

Claims (9)

1.一种PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，包括PAS100控制***的监控层、控制层和输入输出层，其特征在于：所述控制层设有至少一个控制器，所述控制器设有两个通信总线接口和通信网络接口，所述控制器的通信网络接口通过通信网络与监控层进行网络通信，所述控制器的两个通信总线接口用于与输入输出层相连；所述输入输出层设有多个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内设有多个IO模块以及两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均设有四个通信接口，其中两个通信接口用于实现对控制器的通信冗余，另外两个通信接口用于实现对输入输出模块组内IO模块的通信冗余，各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块分别通过两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与控制层的控制器进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述控制层的控制器均由电源模块、CPU模块和公共底座构成，所述电源模块和CPU模块通过接插件固定于公共底座上，通过公共底座的底板实现互联，所述CPU模块设有通信网络接口和通信总线接口，CPU模块的通信网络接口用于与监控层进行通信；CPU模块的通信总线接口用于与输入输出层各输入输出模块组的通信模块进行数据交互。

3.根据权利要求1或2所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述控制器的CPU模块设有两个通信接口，所述两个通信接口均为RS485总线接口，所述控制层的控制器分别通过两条互为冗余的RS485总线和Modbus通信协议与输入输出层的主通信模块和备用通信模块进行数据交互。

4.根据权利要求1或2所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述控制器的CPU模块设有两个通信网络接口，所述控制层的控制器分别通过两个互为冗余的主通信网络和备用通信网络与监控层进行网络通信。

5.根据权利要求4所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述通信网络接口为RJ45以太网接口，所述控制层的控制器分别通过两个互为冗余的主以太网和备用以太网与监控层进行网络通信。

6.根据权利要求1所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述输入输出层设有最多八个输入输出模块组，所述各输入输出模块组内均设有最多八个IO模块和两个互为冗余的主通信模块和备用通信模块。

7.根据权利要求1或6所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述各输入输出模块组的主通信模块和备用通信模块均通过两条互为冗余的主通信总线和备用通信总线与输入输出模块组内IO模块进行实时数据交互。

8.根据权利要求1或6所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述各输入输出模块组内的主通信模块和备用通信模块分别通过两条互为冗余的RS485总线和Modbus协议与输入输出模块组内各IO模块的进行数据交互。

9.根据权利要求1或6所述的PAS100控制***的通信模块和总线冗余构架，其特征在于：所述主通信模块、备用通信模块和IO模块均具备带电插拔功能。