專利名稱：基于epa網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種控制器，特別涉及一種基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器。
背景技術(shù)：
EPA分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的新一代分布式網(wǎng)絡(luò)控 制系統(tǒng)，該系統(tǒng)繼承現(xiàn)在控制系統(tǒng)DCS、 PLC等成功應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒 先進(jìn)現(xiàn)場總線技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成果，遵循"總體分散、局部集中" 的原則，將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)劃分為兩個(gè)層次，即過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)現(xiàn)場設(shè) 備層網(wǎng)絡(luò)。其中過程監(jiān)控層是系統(tǒng)的主干網(wǎng)，用于連接工程師站、操作員站、 數(shù)據(jù)服務(wù)器等控制室設(shè)備。工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)具體應(yīng)用實(shí)際劃分為 若干個(gè)控制區(qū)域。隨著EPA標(biāo)準(zhǔn)的推廣，越來越多的EPA相關(guān)產(chǎn)品開始進(jìn)入 了實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域。
工業(yè)控制系統(tǒng)多采用預(yù)訂者/發(fā)布者通信方式，廣播或多播發(fā)布過程測量 與控制數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，而以太網(wǎng)集線器/交換機(jī)不能控制由于廣播或多播方式發(fā) 送報(bào)文而引起的廣播風(fēng)暴，并由此帶來的網(wǎng)絡(luò)資源被長期占用。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型是針對EPA分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)缺乏局部集中控制，導(dǎo)致資 源利用率低的問題，提出一種基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器，在EPA現(xiàn)場控制 器中通過邏輯隔離式網(wǎng)橋的方法將現(xiàn)場設(shè)備層分隔為相對獨(dú)立的控制區(qū)域。 每個(gè)控制區(qū)域內(nèi)的各種變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)(或集線器) 等現(xiàn)場設(shè)備通過基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器與主干網(wǎng)連接，避免了廣播風(fēng)暴 的產(chǎn)生，同時(shí)對現(xiàn)場控制器轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文進(jìn)行調(diào)度，從而大大減少了各個(gè)控制區(qū)域內(nèi)報(bào)文碰撞的機(jī)率，保證了網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性的要求。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器，包括以太網(wǎng)
供電模塊、網(wǎng)絡(luò)控制器、掉電保護(hù)模塊、CPU微處理器模塊、雙口RAM數(shù)據(jù)交 互模塊、冗余通信接口模塊，以太網(wǎng)供電模塊將設(shè)備電源輸入為24V的電， 通過DC-DC轉(zhuǎn)換后為芯片電路提供5V、 3. 3V和1. 8V的工作電壓；CPU微處 理器模塊通過總線或IEEE802. 3u兼容的媒體獨(dú)立接口 Mil兩種連接方式實(shí)現(xiàn) 對以太網(wǎng)控制器的操作；掉電保護(hù)模塊6通過CPU微處理器模塊自帶的看門 狗模塊輸入到CPU微處理器模塊中，現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是通過雙口 RAM 交互模塊來實(shí)現(xiàn)的，CPU微處理器外接冗余通信接口模塊4。
所述CPU微處理器模塊采用AT91R40008芯片，內(nèi)部含有一個(gè)256K的SRAM， 外部含有完全可編程的外部總線接口，三個(gè)16位的定時(shí)/記數(shù)器模塊、兩個(gè) USART全雙工的通用同步/異步接收器模塊、32個(gè)32位可編程I/O模塊、看 門狗模塊和PS功耗管理模塊。
本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器， 通過邏輯隔離式網(wǎng)橋的方法將現(xiàn)場設(shè)備層分隔為相對獨(dú)立的控制區(qū)域，避免 了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，同時(shí)對現(xiàn)場控制器轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文進(jìn)行調(diào)度，從而大大減少 了各個(gè)控制區(qū)域內(nèi)報(bào)文碰撞的機(jī)率，保證了網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性的要求。

圖1是本實(shí)用新型基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器結(jié)構(gòu)框圖2是本實(shí)用新型基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊軟件流程圖3是本實(shí)用新型基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器報(bào)文調(diào)度軟件流程圖4是本實(shí)用新型基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器控制功能塊模塊軟件流程圖。
具體實(shí)施方式

如圖1所示基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器結(jié)構(gòu)框圖，包括以太網(wǎng)供電模塊1、 網(wǎng)絡(luò)控制器5、掉電保護(hù)模塊6、 CPU微處理器模塊2、雙口RAM數(shù)據(jù)交互模 塊3、冗余通信接口模塊4。以太網(wǎng)在傳送數(shù)據(jù)到基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器 的同時(shí)輸送電源，設(shè)備電源來自帶有UPS電源的EPA網(wǎng)絡(luò)，避免了出現(xiàn)系統(tǒng) 掉電的情況。由于供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸公用一根網(wǎng)線，現(xiàn)場控制器插上以太 網(wǎng)線時(shí)，系統(tǒng)就上電復(fù)位。以太網(wǎng)供電模塊1就是將設(shè)備電源輸入為24V的 電，通過DC-DC轉(zhuǎn)換為芯片電路提供5V、 3. 3V和1. 8V的工作電壓；以太網(wǎng) 控制器5所用型號為AX88796，其內(nèi)部集成有10/100 Mb/s自適應(yīng)的物理層收 發(fā)器和8KX16位的SMM，并且提供了 IEEE802.3u兼容的媒體獨(dú)立接口 Mil (Media Ind印endent Interface) ， CPU微處理器模塊2可以通過總線或 Mil兩種連接方式實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)控制器5的操作；RJ45網(wǎng)絡(luò)端口接收到的以 太網(wǎng)報(bào)文經(jīng)過濾波、抑制干擾和電路隔離后傳送給CPU微處理器模塊2; CPU 微處理器2采用AT91R40008芯片，內(nèi)部含有一個(gè)256K的SRAM， 一般低于256K 大小的程序可在其內(nèi)部的SRAM調(diào)試即可，不僅大大方便了程序的調(diào)試，還節(jié) 省了硬件的空間。外部含有完全可編程的外部總線接口，三個(gè)16位的定時(shí)/ 記數(shù)器模塊、兩個(gè)USART全雙工的通用同步/異步接收器模塊、32個(gè)32位可 編程1/0模塊(P0-P31)、看門狗模塊和PS (Power-saving)功耗管理模塊等； 掉電保護(hù)模塊6通過看門狗模塊輸入到CPU中，現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是通 過雙口 RAM交互模塊3來實(shí)現(xiàn)的，CPU微處理器2外接冗余通信接口模塊4。
如圖2所示在EPA分布式控制網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場控制器連接了主干網(wǎng)與各 個(gè)控制區(qū)域，由于主干網(wǎng)采用的是普通的以太網(wǎng)報(bào)文格式，控制區(qū)域內(nèi)為EPA報(bào)文格式，當(dāng)兩端網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需要發(fā)生數(shù)據(jù)交互的時(shí)候，需要有一種方法 有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和隔離?，F(xiàn)場控制器采用的網(wǎng)橋的方法。將網(wǎng)絡(luò)控制器 配置為混雜方式工作，它將接收與之相連網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)報(bào)文。當(dāng)數(shù)據(jù)包到
達(dá)時(shí)，CPU會對此數(shù)據(jù)包的目的MAC地址進(jìn)行解析，然后對比自己端口和另一 個(gè)端口的MAC地址學(xué)習(xí)庫，如果在兩個(gè)端口的MAC地址學(xué)習(xí)庫中都沒有找到 此目的MAC地址，則同時(shí)在兩個(gè)網(wǎng)段上廣播，同時(shí)將源MAC地址和該物理端 口記錄在MAC地址學(xué)習(xí)表中。經(jīng)過多次這樣的學(xué)習(xí)和記錄，現(xiàn)場控制器就會 將兩個(gè)端口所連接的所有MAC地址記錄下來了，從而建立起一個(gè)MAC地址學(xué) 習(xí)庫，庫中記錄了每一個(gè)可能的MAC地址以及相應(yīng)的物理端口。
當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)現(xiàn)場控制器時(shí)，處理器解析出此數(shù)據(jù)包的目的MAC地 址，如果在MAC地址學(xué)習(xí)庫中找到此MAC地址，則判斷庫中端口是否與接收 的端口相同，若相同，則證明擁有目的MAC的設(shè)備與源MAC在同一個(gè)物理網(wǎng) 段，則丟棄(不轉(zhuǎn)發(fā))此數(shù)據(jù)包。如果不同，則得出具有該地址的設(shè)備在另 一個(gè)物理網(wǎng)段上，則允許此數(shù)據(jù)包通過現(xiàn)場控制器。如果是發(fā)往控制區(qū)域的 報(bào)文，則將該報(bào)文的有效數(shù)據(jù)解析出來通過雙口 RAM交換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口 后打包成EPA報(bào)文，再經(jīng)過調(diào)度后發(fā)出。如發(fā)往主干網(wǎng)的報(bào)文則打包成普通 的以太網(wǎng)直接發(fā)送出去。
如圖3所示主干網(wǎng)中EPA主設(shè)備發(fā)出的對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫、控制 等命令報(bào)文是不確定的，到達(dá)控制區(qū)域?qū)⒋蟠笤黾悠鋬?nèi)報(bào)文碰撞的機(jī)率，為 了保證EPA網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性，必須在現(xiàn)場控制器中對該類報(bào)文進(jìn)行調(diào)度。每 個(gè)EPA現(xiàn)場設(shè)備在組態(tài)時(shí)被劃分為一個(gè)個(gè)通信宏周期，在每個(gè)宏周期內(nèi)，EPA 設(shè)備要完成周期報(bào)文和非周期報(bào)文的發(fā)送?；贓PA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器作為一種特殊的EPA現(xiàn)場設(shè)備，在周期報(bào)文發(fā)送時(shí)間內(nèi)需要完成設(shè)備聲明、時(shí)間 同步、控制區(qū)域內(nèi)設(shè)備檢測和報(bào)警等報(bào)文的發(fā)送。在非周期報(bào)文發(fā)送時(shí)間內(nèi) 需要完成其控制功能塊控制報(bào)文、主干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文的發(fā)送。對非周期報(bào)文 的發(fā)送通過非周期報(bào)文調(diào)度鏈表實(shí)現(xiàn)。
如圖4所示為了實(shí)現(xiàn)對控制區(qū)域的控制功能，實(shí)現(xiàn)了控制功能塊模塊，
并采用了 0PC接口，可面向通過的監(jiān)控組態(tài)平臺。實(shí)現(xiàn)了算術(shù)運(yùn)算模塊、邏 輯運(yùn)算模塊、混合運(yùn)算模塊、控制運(yùn)算模塊以及EPA AI功能塊和EPA A0功 能塊等?？刂乒δ軌K模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算(控制)，接受和處理操作員站 或者是工程師站下發(fā)的組態(tài)信息以及操作命令，并且將相關(guān)的信息發(fā)到監(jiān)控 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工作站報(bào)警、測量信息以及管理信息的更新。現(xiàn)場控制器上電初 始化控制功能塊后，進(jìn)入等待組態(tài)下載狀態(tài)，當(dāng)收到新的操作員站或者是工 程師站下發(fā)的組態(tài)信息以及操作命令后，存儲并應(yīng)用該組態(tài)信息及命令。當(dāng) 控制周期到時(shí)，通過雙口 RAM進(jìn)行EPA信息的采集，然后進(jìn)行控制策略的運(yùn) 算以及EPA信息和監(jiān)控信息的更新，更新后的EPA信息通過雙口 RAM的交互 通過EPA通信卡打包發(fā)送到控制區(qū)域中。
權(quán)利要求1、一種基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器，包括以太網(wǎng)供電模塊、網(wǎng)絡(luò)控制器、掉電保護(hù)模塊、CPU微處理器模塊、雙口RAM數(shù)據(jù)交互模塊、冗余通信接口模塊，其特征在于，以太網(wǎng)供電模塊將設(shè)備電源輸入為24V的電，通過DC-DC轉(zhuǎn)換后為芯片電路提供5V、3.3V和1.8V的工作電壓；CPU微處理器模塊通過總線或IEEE802.3u兼容的媒體獨(dú)立接口MII兩種連接方式實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)控制器的操作；掉電保護(hù)模塊6通過CPU微處理器模塊自帶的看門狗模塊輸入到CPU微處理器模塊中，現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是通過雙口RAM交互模塊來實(shí)現(xiàn)的，CPU微處理器外接冗余通信接口模塊4。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器，其特征在于，所述CPU 微處理器模塊采用AT91R40008芯片，內(nèi)部含有一個(gè)256K的SRAM，外部含有 完全可編程的外部總線接口，三個(gè)16位的定時(shí)/記數(shù)器模塊、兩個(gè)USART全 雙工的通用同步/異步接收器模塊、32個(gè)32位可編程I/O模塊、看門狗模塊 和PS功耗管理模塊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于EPA網(wǎng)橋的現(xiàn)場控制器，通過總線或IEEE802.3u兼容的媒體獨(dú)立接口MII兩種連接方式實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)控制器的操作；通過雙口RAM交互模塊來實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)通過邏輯隔離式網(wǎng)橋的方法將現(xiàn)場設(shè)備層分隔為相對獨(dú)立的控制區(qū)域，避免了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，同時(shí)對現(xiàn)場控制器轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文進(jìn)行調(diào)度，從而大大減少了各個(gè)控制區(qū)域內(nèi)報(bào)文碰撞的機(jī)率，保證了網(wǎng)絡(luò)的高實(shí)時(shí)性的要求。
文檔編號G05B19/418GK201322870SQ20082015783
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者包偉華, 張慶軍, 楊震斌, 陳小華 申請人:上海自動(dòng)化儀表股份有限公司