专利名称：新型分散控制系统硬件架构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种分散控制系统的硬件架构。
背景技术：
随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅猛发展，现代工业技术对 工业自动化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、 人机界面的友好性、数据的可分析可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要 求。
目前，集散式控制系统已经广泛应用于各种流程控制行业。伴随着工业以
太网技术的不断发展和完善，集成了工业以太网技术的DCS (分散控制系统) 由于具有功能全、可靠性高、系统开放易扩展、采用了安全可靠的网络通讯技 术、具有综合性和专业性、人机对话功能强、管理能力强等优点而获得了越来 越多用户的青睐。但由于控制系统的要求、规模不断的发展，DCS在不同的应 用领域也面临着一些不同的要求和问题。
目前，集成工业以太网技术的DCS比较常见的系统架构是采用星型连接方 式。如图1所示，现有技术中分散控制系统硬件架构的一种星型连接方式，采 用工业以太网技术，三个通讯模块分别连接到交换机上，然后通过交换机再与 XCU (分布式控制单元)进行数据交互，从而实现了星型连接。
但是，当系统规模较大，需要扩展较多的通讯模块节点时，由于通讯模块 是分别直接连接到交换机上的，因此较多的通讯模块会使整个系统构架中交换 机的数量、交换机的端口数目以及网络连接电缆急剧膨胀。使用较多的交换机、 大量的网络连接电缆不仅会大幅度提高整个控制系统的成本，也给整个控制系 统的布线带来困难，而且还会使得整个系统的安全性大大降低。
实用新型内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种 易于扩展和伸縮、网络布线更简洁的新型分散控制系统硬件架构。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种新型分散控制系统硬件架构，包 括通过双机切换电路通讯连接的主控XCU和备用XCU;分别与所述主控XCU、
所述备用xcu通讯连接的主控交换机；分别与所述主控xcu、所述备用xcu通
讯连接的备用交换机；还包括多个并行的1/0模块，通过多个主控通讯模块与 所述主控交换机通讯连接并通过多个备用通讯模块与所述备用交换机通讯连 接；多个所述主控通讯模块之间、多个所述备用通讯模块之间均为串行通讯连接。
尤佳地，所述主控XCU分别连接第一主控交换机和第二主控交换机，多个 所述主控通讯模块中的首通讯模块与所述第一主控交换机串联，多个所述主控 通讯模块中的尾通讯模块与所述第二主控交换机串联从而构成一线型结构的 主控通讯环。同时，所述备用XCU分别连接第一备用交换机和第二备用交换机， 多个所述备用通讯模块中的首通讯模块与所述第一备用交换机串联，多个所述 备用通讯模块中的尾通讯模块与所述第二备用交换机串联从而构成一线型结 构的备用通讯环。
本实用新型中，XCU的主要作用是实现算法运算和数据存取。通讯模块的
作用是把各个I/O模块的数据通过交换机送到主控xcu和备用xcu，把主控xcu
要输出的数据分发到各个1/0模块。
通讯模块采用EtherCat工业以太网技术，所有通讯模块首尾连接组成线型 结构。主控XCU、交换机以及通讯模块顺序相连从而形成环形架构。两个环形 互为备用构成实时冗余环。
本实用新型集成了工业以太网技术，具有易于扩展和伸縮特性的DCS硬件 体系架构。该架构可以保证集散控制系统的规模膨胀时，不会增加交换机的数 量和交换机的端口数目，该系统架构还使得网络布线更简洁。
采用本实用新型的DCS系统硬件体系结构后，整个控制系统具有两个可靠 的冗余实时通讯环，每个实时通讯环不仅具有10函bit/s的超高速，而且具有 自诊断、自恢复功能。两个实时通讯环之间的可靠冗余，进一步增加了系统架 构的鲁棒性。高速实时通讯网络的环形结构使得系统具有很好的扩展性和伸縮 性，并且这种优越的扩展性和伸縮性不会使得交换机的数量、交换机的端口数 目随着通讯节点的增加而急剧膨胀。
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一 步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
图1是现有技术的分散控制系统中星型连接硬件架构示意图2是本实用新型的双环形冗余分散控制系统的硬件架构示意图3是实时通讯环上的通讯节点原理框图。
具体实施方式
本实用新型的新型分散控制系统硬件架构一具体实施如图2所示，包括两
个xcu (分布式控制单元)，主要用于算法运算和数据存取，实现与工程师站 或操作员站的网络通讯以及与1/0模块数据交换和执行控制策略等功能。在实 际运行时，其中一个处于主控制状态，为主控XCU。另一个处于跟踪的热备用 状态，为备用XCU。两设备的连接由硬件的双机切换电路完成。
本实施例中包括第一、第二两个主控交换机，分别与主控xcu、备用xcu 通讯连接。同时，还包括第一、第二两个备用交换机，分别与主控xcu、备用 xcu通讯连接。
多个I/O模块1/01、 1/02……I/On并联，通过主控通讯模块与主控交换 机通讯连接并且通过备用通讯模块与备用交换机通讯连接。
通讯模块采用EtherCat工业以太网技术。其作用是把各个I/O模块的数 据通过交换机送到主控XCU和备用XCU，把主控XCU要输出的数据分发到各个 V0模块。
本实用新型的特殊之处在于，主控通讯模块之间、备用通讯模块之间均为 串行连接，首尾连接组成线型结构。
具体说，串行连接的主控通讯模块中的首通讯模块与第一主控交换机串 联，尾通讯模块与第二主控交换机串联从而构成一由主控XCU、主控交换机以 及主控通讯模块顺序相连形成的环形架构的实时的主控环。
同时，本实用新型中，串行连接的备用通讯模块中的首通讯模块与第一备 用交换机串联，尾通讯模块与第二备用交换机串联从而构成一由备用XCU、备 用交换机以及备用通讯模块顺序相连形成的环形架构的备用环。
两个环形互为备用构成实时冗余环。
作为一种具体应用，本实用新型采用目前成熟的工业以太网EtherCat技 术，该技术不仅具有超高速特性，硬件上易于实现。而且，采用该技术易于形 成可靠的环形网络，从而增加本实用新型的DCS系统硬件架构的可靠性。
作为一种具体应用，本实用新型利用4个3端口的网络交换机，结合工业 以太网EtherCat技术实现了双环形可靠冗余结构。系统在正常工作状态时， 主控XCU通过主控环对所有通讯节点进行数据存取，当主控环不能够对某一个 或者几个节点进行数据存取时，备用环把该节点的数据备份到主控XCU，保证 主控XCU能够可靠的对所有节点的数据进行存取。
再结合图3所示，在一具体实施例中，采用TI公司的16位处理器 TMS320LF2407作为微处理器，采用Beckhoff公司的ESC20或者ET1100作为工 业以太网Ethercat协议通讯控制器。TMS320LF2407实现了 EtherCat协议的应 用层，可以通过16位并口对ESC20或者ETllOO内部的DPRAM进行数据存取。 ESC20和ETllOO都带有两个Mil接口 ，它们在硬件上实现了 EtherCat协议的
数据链路层，外扩的两个物理层芯片实现了工业以太网的的物理层。网络变压 器的作用是实现隔离和阻抗匹配。XCU通过实时环对每个通讯节点进行读写操
作，数据存取速率为10画bit/s。
采用本实用新型的DCS系统硬件体系结构后，整个控制系统具有两个可靠 的冗余实时通讯环，每个实时通讯环不仅具有10函bit/s的超高速，而且具有 自诊断、自恢复功能。两个实时通讯环之间的可靠冗余，进一步增加了系统架 构的鲁棒性。高速实时通讯网络的环形结构使得系统具有很好的扩展性和伸縮 性，并且这种优越的扩展性和伸縮性不会使得交换机的数量、交换机的端口数 目随着通讯节点的增加而急剧膨胀。
应该理解，在本实用新型的权利要求书、说明书中，所有"包括……"均 应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于"至少含有……"，而不应理解 为封闭式的含义，即其含义不应该理解为"仅包含……"。
综上所述，本说明书中所述的只是本实用新型的几种较佳具体实施例，以 上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。凡本技术领域中技术人 员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实 验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的权利要求保护范围之内。
权利要求1.一种新型分散控制系统硬件架构，包括通过双机切换电路通讯连接的主控XCU和备用XCU；分别与所述主控XCU、所述备用XCU通讯连接的主控交换机；分别与所述主控XCU、所述备用XCU通讯连接的备用交换机；其特征在于还包括多个并行的I/O模块，通过多个主控通讯模块与所述主控交换机通讯连接并通过多个备用通讯模块与所述备用交换机通讯连接；多个所述主控通讯模块之间、多个所述备用通讯模块之间均为串行通讯连接。
2、 如权利要求1所述的新型分散控制系统硬件架构，其特征在于所述主控xcu包括并行的第一主控交换机和第二主控交换机，串行的多个所述主控通讯模块中的首通讯模块与所述第一主控交换机串联，串行的 多个所述主控通讯模块中的尾通讯模块与所述第二主控交换机串联从 而构成一线型结构的主控通讯环。
3、 如权利要求1所述的新型分散控制系统硬件架构，其特征在于所述备用xcu包括第一备用交换机和第二备用交换机，串行的多个所述备用通讯模块中的首通讯模块与所述第一备用交换机串联，串行的多个所 述备用通讯模块中的尾通讯模块与所述第二备用交换机串联从而构成 一线型结构的备用通讯环。
专利摘要本实用新型公开了一种新型分散控制系统硬件架构，包括通过双机切换电路通讯连接的主控XCU和备用XCU；分别与所述主控XCU、所述备用XCU通讯连接的主控交换机；分别与所述主控XCU、所述备用XCU通讯连接的备用交换机；还包括多个并行的I/O模块，通过多个主控通讯模块与所述主控交换机通讯连接并通过多个备用通讯模块与所述备用交换机通讯连接；多个所述主控通讯模块之间、多个所述备用通讯模块之间均为串行连接。本实用新型由于采用了上述架构设计，具有易于扩展和伸缩的有益效果，还使得网络布线更简洁。
文档编号G05B19/418GK201196743SQ20082005861
公开日2009年2月18日 申请日期2008年5月19日 优先权日2008年5月19日
发明者李培植 申请人:上海新华控制技术(集团)有限公司