maxdna分散控制系统i／o模件冗余实现机制

第３７卷第４期华电技术
Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．４
　２０１５年４月
ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ａｐｒ．２０１５　
ｍａｘＤＮＡ
分散控制系统Ｉ／Ｏ模件冗余实现机制
王丹麟，吴胜华，马伟东
（南京国电南自美卓控制系统有限公司，南京　
２１００３２
）
摘　要：
介绍了在ｍａｘＤＮＡ分散控制系统中，通过应用冗余Ｉ／Ｏ模件技术来提高系统可靠性的方法。

针对不同的应用场合，ｍａｘＤＮＡ系统的Ｉ／Ｏ模件冗余配置有冗余Ｉ／Ｏ模件冗余和混合冗余两种方式，
在混合冗余配置方式中有两种混合Ｉ／Ｏ切换模件Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ和Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ，
为非冗余Ｉ／Ｏ模件提供了不同的总线接入方式。

使用中可根据现场的实际需求对ｍａｘＤＮＡ系统进行灵活的冗余配置，
有效提高系统运行可靠性。

关键词：
分散控制系统；冗余；Ｉ／Ｏ模件冗余中图分类号：
ＴＰ２７３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７４－１９５１（２０１５）０４－００２２－０３收稿日期：２０１４－０９－３０；修回日期：２０１５－０２－０９
０　
引言
高可靠性是分散控制系统的第一要求。

冗余技术是计算机系统可靠性设计中常采用的一种技术，是提高计算机系统可靠性最有效的方法之一。

为了达到高可靠性和低失效率相统一的目的，通常会在控制系统的设计和应用中采用冗余技术。

在各种形式的冗余中，１∶１的部件级热冗余是一种有效、相对简单且配置灵活的冗余技术实现方式，如Ｉ／Ｏ模件冗余、电源冗余、主控制器冗余等。

因此，目前国内外主流的过程控制系统中大多采用了这种方式。

ｍａｘＤＮＡ分散控制系统是一套面向全球电力工业和其他重要过程应用的、完全集成的控制系统，目前已在国内多个不同等级的电厂得到成功应用，并且已在江苏华电句容发电厂１０００ＭＷ超超临界火电机组稳定运行。

该系统支持灵活的部件级冗余方式，本文将针对此系统的冗余Ｉ／Ｏ模件实现机制进行分析。

１　
冗余配置架构
通常情况下，Ｉ／Ｏ模件冗余用于被测信号非常
关键的场合。

在ｍａｘＤＮＡ系统中，Ｉ／Ｏ模件冗余配
置有两种级别：Ｉ／Ｏ模件冗余、
混合冗余。

１．１　冗余Ｉ／Ｏ模件冗余方式
使用分散处理单元（ＤＰＵ）和Ｉ／Ｏ模件冗余的方式需要使用支持冗余功能的Ｉ／Ｏ模件。

在此方式
中，使用１对冗余ＤＰＵ和２组具有冗余功能的Ｉ／Ｏ模件，每对Ｉ／Ｏ冗余模件的通道测控设备的同一个
测控点，
２个ＤＰＵ均配置１组相同的冗余Ｉ／Ｏ模件。

激活状态的ＤＰＵ与其下所带Ｉ／Ｏ模件通信并处理数据，备用的ＤＰＵ通过冗余网线连接备份数据；
当ＤＰＵ切换控制权时，
备用ＤＰＵ激活，它将从自带的Ｉ／Ｏ模件中上传刷新数据后再进行控制操作，
原先激活状态的ＤＰＵ及其所带Ｉ／Ｏ模件转为备用。

如图１所示，在冗余Ｉ／Ｏ模件配置时，不同组ＤＰＵ和Ｉ／Ｏ模件间的Ｉ／Ｏ总线是独立的，并使用独立的机架和电源供电，以保证２组中某一组ＤＰＵ和Ｉ／Ｏ模件中一个部件的故障不会影响另一组的正常运行；２组Ｉ／Ｏ模件指定相同的Ｉ／Ｏ总线地址，相同
的组态配置；在２组Ｉ／Ｏ总线间，
使用Ｉ／Ｏ模件冗余电缆（Ｉ／Ｏｂａｃｋｕｐｃａｂｌｅ）连接，使模件对设备的测控切换更加迅速、
可靠。

图１　冗余Ｉ／Ｏ模件冗余方式系统架构 实现冗余Ｉ／Ｏ系统所需最简配置如下：（１）２个模件机架，每个带１组ＤＰＵ＋冗余Ｉ／Ｏ模件；
（２）１根Ｉ／Ｏ模件冗余电缆。

１．２　混合冗余方式
在工业控制现场，有时会出现部分设备测控点非常重要，必须使用冗余Ｉ／Ｏ模件配置，但部分控制设备无需冗余配置或无法冗余配置的情况，
此时，ｍａｘＤＮＡ分散控制系统可通过混合冗余方式构建控制系统。

混合冗余模式是在冗余Ｉ／Ｏ模件冗余方式
　第４期王丹麟，等：ｍａｘＤＮＡ分散控制系统Ｉ／Ｏ模件冗余实现机制·２３·　
基础上，同时可以支持非冗余Ｉ／Ｏ模件的接入。

使用１对冗余ＤＰＵ，一部分Ｉ／Ｏ模件是２组相同的具有冗余功能的Ｉ／Ｏ模件，另一部分是需共享的普通Ｉ／Ｏ模件。

使用混合冗余Ｉ／Ｏ切换模件将共享的
Ｉ／Ｏ总线连入激活的ＤＰＵ，备用ＤＰＵ仍通过冗余网线连接备份数据；当ＤＰＵ切换控制权时，备份ＤＰＵ
激活，混合冗余Ｉ／Ｏ切换模件将共享的Ｉ／Ｏ总线切换至激活的ＤＰＵ，而激活的ＰＤＵ将从自带的Ｉ／Ｏ模件中上传刷新数据后再进行控制操作。

混合冗余方式系统架构如图２
所示。

图２　混合冗余方式系统架构
实现混合冗余系统所需最简配置如下：（１）２个模件机架，每个带１组ＤＰＵ＋冗余Ｉ／Ｏ
模件；１根Ｉ／Ｏ冗余电缆；
（２）１个模件机架，带１组共享的普通Ｉ／Ｏ模件；
（３）１个混合冗余Ｉ／Ｏ切换模件（Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ或Ｉ－ＭＯＤＵＥ）。

ｍａｘＤＮＡ分散控制系统具备混合冗余的工作模式，既能满足重要场合对Ｉ／Ｏ模件冗余的要求，也可
兼容Ｉ／Ｏ模件无法冗余的场合，使系统既可以灵活配置，又能同时拥有较高的可靠性、稳定性和低失效率，可在系统的可靠性、复杂度、设计难度及系统成本中找到良好的平衡点。

２　混合冗余Ｉ／Ｏ切换模件
２．１　Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ与Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ
混合Ｉ／Ｏ切换模件用于冗余ＤＰＵ需共享普通
Ｉ／Ｏ模件情况下的总线切换。

它自动持续监控Ｉ／Ｏ总线，避免失效的共享Ｉ／Ｏ总线接入ＤＰＵ及其Ｉ／Ｏ
总线。

ｍａｘＤＮＡ分散控制系统有２种混合Ｉ／Ｏ切换模件：Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ和Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ。

从功能上看，Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ相当于一个单刀双掷开关，Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ相当于将Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ拆分成１对单刀单掷开关，如图３
所示。

图３　冗余切换模件示意
２．２　Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ切换模式
如图４所示：冗余Ｉ／Ｏ部分的每个单组ＤＰＵ、
Ｉ／Ｏ的接线与不冗余的系统相同；配置２组完全相同的系统，ＤＰＵ间连接冗余网线，需共享的普通Ｉ／Ｏ
Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ２
图４　Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ系统接线图
工作时，激活状态的ＤＰＵ通过Ｉ／Ｏ总线与自带的冗余Ｉ／Ｏ模件通信，Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ将共享的Ｉ／Ｏ
模件接入运行的Ｉ／Ｏ总线；当激活状态的ＤＰＵ故障时，备用ＤＰＵ激活，Ｙ－ＭＯＤＵＬＥ将共享的普通Ｉ／Ｏ模件切换至新的Ｉ／Ｏ总线。

但当普通Ｉ／Ｏ模件的部件故障导致其Ｉ／Ｏ总线或电源系统故障时，切换的同时也会将故障部分切换至新激活的ＤＰＵ及Ｉ／Ｏ总线，导致无法正常运行。

２．３　Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ切换模式
Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ具有总线侦测功能，可以避免上述情况，其逻辑如图５所示。

Ｉ－ＭＯＵＬＥ时刻检测冗
余Ｉ／Ｏ总线和普通Ｉ／Ｏ总线的状态，总线或电源故障时，Ｉ－ＭＯＤＵＥ不会将故障部分接入运行总线。

图５　Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ逻辑示意
·２４·华电技术第３７卷　
冗余Ｉ／Ｏ部分的每个单组ＤＰＵ、Ｉ／Ｏ的接线与不冗余的系统相同；配置２组完全相同的系统，ＤＰＵ间连接冗余网线，需共享的普通Ｉ／Ｏ模件通过Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ分别连入２组系统。

Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ系统冗
６
图６　
Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ
系统冗余切换示意
如图６ａ所示，工作时，激活状态的ＤＰＵ通过
Ｉ／Ｏ总线与自带的冗余Ｉ／Ｏ模件通信，Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ将共享的Ｉ／Ｏ模件接入运行的Ｉ／Ｏ总线。

如图６ｂ所示，当激活状态的ＤＰＵ故障时，备用ＤＰＵ激活，原本激活状态Ｉ／Ｏ总线上的Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ将共享的
Ｉ／Ｏ模件从总线上切除，而新激活Ｉ／Ｏ总线上的Ｉ－
ＭＯＤＵＬＥ检测共享Ｉ／Ｏ总线，如果仍有故障，共享Ｉ／Ｏ模件将不被接入新激活的冗余Ｉ／Ｏ总线，新激
活的ＤＰＵ仍会正常运行，但它只与自带的冗余Ｉ／Ｏ模件通信并交互数据。

２个Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ都会不停
地检测共享Ｉ／Ｏ总线，直到检测共享Ｉ／Ｏ总线处于正常的状态，新激活Ｉ／Ｏ总线上的Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ才会将共享Ｉ／Ｏ模件接入新激活的Ｉ／Ｏ总线。

如图
６ｃ所示，
共享Ｉ／Ｏ模件完成总线切换，由新激活的ＤＰＵ主导控制，
原先的ＤＰＵ为备用，系统正常运行。

Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ在使用中不可级联，
单独使用时也可用于适当地扩展Ｉ／Ｏ总线；被控端的Ｉ／Ｏ总线最多可配置４５个Ｉ／Ｏ模件；为提高总线负载能力，已内置终端电阻。

由于Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ的总线监测功能能更好地提高系统的可靠性，避免部件级故障对系统可靠性的影响，建议系统中使用Ｉ－ＭＯＤＵＬＥ作为冗余切换模件。

３　
结束语
本文对ｍａｘＤＮＡ分散控制系统冗余Ｉ／Ｏ模件的实现机制以及优缺点进行了详细分析，通过不同的冗余架构方式，可以满足各种工业控制现场的使用要求。

用户可以根据自身的需要并结合本文的介绍内容选择合适的冗余Ｉ／Ｏ模件配置方式。

（本文责编：刘芳）
作者简介：王丹麟（１９７９—）
，女，江西萍乡人，高级工程师，从事分布式控制系统的研发工作（Ｅ ｍａｉｌ：ｄａｎｌｉｎ＿ｗ＠１６３．ｃｏｍ）。

吴胜华（１９７７—），男，湖北荆门人，高级工程师，工学硕士，从事分布式控制系统的研发工作（Ｅ ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｇｈｕａ－ｗｕ
＠ｓａｃ－ｍｅｔｓｏ．ｃｏｍ）。

马伟东（
１９８４—），男，内蒙古赤峰人，工程师，从事分布式控制系统的研发工作（Ｅ ｍａｉｌ：ｍａｗｅｉｄｏｎｇｏｋ＠１２６．ｃｏｍ欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍）。

（上接第２１页）
［６］
兀鹏越，王团结，陈少华，等．利用一次电流检验电流互感器二次回路的方法［Ｊ］．电力建设，２０１１，３２（２）：１１５－１１７．
［７］ＤＬ／Ｔ９９５—２００６继电保护和电网安全自动装置检验规程［Ｓ］．［８］蔡耀红，缪仙荣．抗电流互感器饱和电流继电器的研究
与应用［Ｊ］．华东电力，２００１（２）：４７－４８．［９］秦苓，刁敏，孙钢虎，等．发变组二次回路调试基本方法
（下）［Ｊ］．电工技术，２０１３（７）：６８－６９．［１０］兀鹏超，卫娟萍，孙钢虎，等．电流二次回路调试的两种
实用方法［Ｊ］．电力科学与工程，２０１２，２８（９）：
２９－３０．（本文责编：刘芳）
作者简介：
王松（１９７２—）
，男，湖北武汉人，部门主任，工程师，从事发电厂电气设计及ＥＰＣ工程管理工作。

兀鹏越（
１９７６—），男，陕西蓝田人，调试总工程师，高级工程师，工学硕士，从事发电厂电气调试和机组启动调试技
术研究工作（Ｅ ｍａｉｌ：ｗｕｐｅｎｇｙｕｅ＠ｔｐｒｉ．ｃｏｍ．ｃｎ）。

孙钢虎（１９６４—），男，陕西西安人，副总工程师，高级工程师（教授级），从事电站启动调试及其相关技术研究工作。

王智高（１９８８—）
，男，辽宁沈阳人，工程师，工学硕士，从事发电厂电气调试和机组启动调试技术研究工作。

甘江华（１９７６—），男，江西高安人，高级工程师，工学硕士，从事电力系统电气设备研究开发工作。