專利名稱：一種有線和無線熱備冗余多主通信方法與現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡通信，尤其 是工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡技術領域。
背景技術：
I)現(xiàn)場總線及其多主通信技術在工業(yè)應用領域，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS已經(jīng)成熟，逐漸取代原來的集散型控制系統(tǒng)DCS。FCS具有安裝簡單，數(shù)字化程度高，具有故障診斷和按缺省值保護運行等優(yōu)點。能為用戶節(jié)約成本，提高自動化水平和系統(tǒng)的智慧水平。現(xiàn)場總線的工作模式分成主從模式和多主模式。主從模式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中只有一個主機，其他均為從機，從機之間不能相互通信，從機只與主機通信。而多主模式下，現(xiàn)場總線中的任一網(wǎng)絡節(jié)點都可以成為主機與網(wǎng)絡中其他節(jié)點進行通信。由于現(xiàn)場總線多采用總線型結構，并常用菊花鏈式連接，所以，如果其中的一個節(jié)點從總線鏈路上脫離，就會產(chǎn)生節(jié)點通信故障或者斷線故障，造成通信可靠性風險較大的遺憾。所以有的現(xiàn)場總線采用環(huán)網(wǎng)結構，一個節(jié)點脫線，環(huán)網(wǎng)拓撲變成總線拓撲，主機可以繼續(xù)和非脫線的節(jié)點通信，這就是冗余環(huán)網(wǎng)技術。但是應用該技術需要環(huán)網(wǎng)管理模塊，增加了設備成本；并且頭尾要相接，增加了安裝成本。2)無線通信技術無線通信技術和無線網(wǎng)絡技術由于其移動性好、無需布線、功耗低、自適應組網(wǎng)等優(yōu)點得到工業(yè)界的廣泛關注，并逐漸走向成熟。從原來較多的無線傳感器網(wǎng)絡應用，到現(xiàn)在已經(jīng)開始應用于控制領域。如已經(jīng)出現(xiàn)了適用于工業(yè)無線模塊和無線測控網(wǎng)絡的改進PID算法。艾默生過程管理自動化部門研制的無線模塊已經(jīng)成功使用在化工、水泥等行業(yè)。無線通信網(wǎng)絡多采用多跳技術來提高通信的可靠性和環(huán)境適應性。很多還采用Mesh網(wǎng)絡模式進行多路由可靠通信。目前使用較多的無線通信技術有GPRS通信、WiFi通信和其他如ZigBee等無線局域網(wǎng)通信技術。但總的來說，目前應用在工業(yè)的無線通信技術在通信速率、安全性、抗干擾能力等方面與有線通信還是存在一定差距。在大型的尤其是新建的工業(yè)網(wǎng)絡中，大多還是優(yōu)先采用有線網(wǎng)絡，距離較遠時，采用光纖作為通信介質。無線網(wǎng)絡則常作為有線通信的一個備用通信網(wǎng)絡而存在。在廣域網(wǎng)中，有一種有線和無線相互備份的雙網(wǎng)冗余方案。主要作用是在一種網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，路由器自動切換到另一種網(wǎng)絡，從而達到提高通訊的穩(wěn)定性的作用。如MOXA的F4X33系列產(chǎn)品，其應用體系結構如圖I所示F4X33系列產(chǎn)品可支持無線移動網(wǎng)絡、普通PPPOE方式或靜態(tài)IP接入方式的有線網(wǎng)絡，并支持自動冗余備份功能。該方案的特點是I)屬于廣域網(wǎng)應用。
2)有路由器進行管理，即具有專門的冗余管理設備。3)運營成本較高。如果采用該方案為工業(yè)場站系統(tǒng)構建一個測控平臺，則場站中的每個節(jié)點都需要一個IP或者一個移動通信的SIM卡，否則就需要將許多個儀表信號連接到一個設備上，再將該設備連入網(wǎng)絡。這樣的話，從現(xiàn)場儀表點到連入網(wǎng)絡的設備間仍需要布線和安裝。如此，則支持冗余通信的設備就不是現(xiàn)場級的通信模塊。綜上所述，現(xiàn)有技術的缺點可概括為I)應用范圍多是廣域網(wǎng)應用，不適用于現(xiàn)場級的測控網(wǎng)絡2)應用在工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡中，則運營成本太高3)通信的冗余管理需要有專門的模塊，沒有和現(xiàn)場的儀表點直接連接


發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術的以上缺點，本發(fā)明的目的是，提供一種有線和無線熱備冗余的多主通信方法，用于搭建現(xiàn)場級的低成本冗余測控網(wǎng)絡，并使之具有安裝方便的優(yōu)點。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。一種有線和無線熱備冗余多主通信方法，在現(xiàn)場級的有線和無線相互備份的雙網(wǎng)測控網(wǎng)絡中控制相應的被控對象，獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)；網(wǎng)絡節(jié)點模塊的有線通信和無線通信在工作時均在線，通常網(wǎng)絡中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進行通信；并采用以下方法相互監(jiān)測和控制網(wǎng)絡節(jié)點模塊的工作狀態(tài)I)故障檢測定位與通信切換方法在有線通信方式下，當某節(jié)點模塊發(fā)送查詢/控制指令給另一節(jié)點模塊而無回復，或者回復內(nèi)容格式不正確時，重新發(fā)送查詢/控制指令；當有限次重復發(fā)送指令均得不到正確格式的回復或者根本無回復時，該節(jié)點模塊則分別向目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊發(fā)送診斷幀，根據(jù)對診斷幀的回復情況，對故障進行判斷和定位，具體如下A)當目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均無回復時，該節(jié)點模塊認為是自身掉線或者有故障，點亮自身的故障指示燈，并切換到無線方式與想要通信的目的節(jié)點進行通信，完成本次查詢/控制任務；同時無線方式與網(wǎng)關通信，告知網(wǎng)關自身有故障，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設置“節(jié)點故障標志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。B)當目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均有回復，且回復正確時，認為目的節(jié)點模塊有故障或者目的節(jié)點模塊從總線上掉線。發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告目的節(jié)點模塊有故障，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設置“節(jié)點故障標志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。C)當目的節(jié)點的左鄰節(jié)點正確回復而右鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的左邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其右鄰節(jié)點之間。則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成該段線路的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。D)當目的節(jié)點的右鄰節(jié)點正確回復而左鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的右邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其左鄰節(jié)點之間。則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成該區(qū)段線路的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。網(wǎng)關模塊接收到節(jié)點模塊故障和節(jié)點間線路斷線故障的報告后，會向全網(wǎng)通過無線通信方式發(fā)送“廣播幀”，將故障類型和位置告知網(wǎng)絡上的所有節(jié)點，以便網(wǎng)絡上的節(jié)點調(diào)整與故障點相關模塊的通信方式。網(wǎng)絡節(jié)點接收到該“廣播幀”后，分析故障類型和位置，并采取相應的措施保證以后的通信。具體如下 A)對節(jié)點掉線或節(jié)點自身有線通信有故障的，在其內(nèi)存和外存儲器的相應故障節(jié)點對應地址空間添加“節(jié)點故障記錄”，其后與該故障節(jié)點的通信均以無線方式進行。B)對節(jié)點間線路區(qū)段出現(xiàn)斷線故障的，在其內(nèi)存和外存儲器的相應線路故障區(qū)段對應地址空間添加“斷線故障記錄”，如果自身在故障點的左邊，則其后與該故障點右邊的節(jié)點均以無線方式進行通信；如果自身在故障點的右邊，則其后與該故障點左邊的節(jié)點均以無線方式進行通信。2)恢復有線通信的方法A)節(jié)點故障排除后恢復有線通信的方法具有有線通信故障的節(jié)點模塊持續(xù)監(jiān)測自己的“故障排除標志位”，當監(jiān)測到故障已經(jīng)排除時，則切換到有線通信方式，并發(fā)出可以重新進行有線通信的“報告幀”給網(wǎng)關模塊，網(wǎng)關收到該報告后，在內(nèi)存和存儲器中的從機地址映射空間添加“節(jié)點故障排除記錄”，并發(fā)送“廣播幀”到全部的網(wǎng)絡節(jié)點。其后該節(jié)點模塊就恢復到有線通信模式。B)斷線故障排除后恢復有線通信的方法當線路區(qū)段斷線故障排除后，與該區(qū)段相接的左右兩個網(wǎng)絡節(jié)點上的對應“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點就向網(wǎng)關模塊發(fā)送相應的“斷線故障排除信號”。網(wǎng)關模塊收到兩個節(jié)點的斷線故障排除信號后，將自己內(nèi)存和存儲器中的相應區(qū)段映射地址處的“斷線故障排除標志位”置位，同時網(wǎng)關發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡節(jié)點，網(wǎng)絡恢復到有線通信狀態(tài)。本發(fā)明的目的還在于，為上述有線和無線熱備冗余多主通信的方法提供予以實現(xiàn)的現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點模塊。采用如上的手段，本發(fā)明可方便地用于搭建現(xiàn)場級的低成本冗余測控網(wǎng)絡并實現(xiàn)測控現(xiàn)場的零成本通信運營，不需要專門的冗余管理模塊，現(xiàn)場的每個儀表點上的測控節(jié)點自身就具有冗余管理算法，在工業(yè)測控系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場就實現(xiàn)簡單布網(wǎng)，節(jié)約安裝調(diào)試成本。


圖I為現(xiàn)有技術廣域網(wǎng)中有線和無線相互備份的雙網(wǎng)冗余的方案圖。圖2為本發(fā)明多主通信模式的現(xiàn)場級測控網(wǎng)絡的示意圖。
圖3為本發(fā)明多主通信模式的網(wǎng)關模塊工作流程圖圖3a為網(wǎng)關模塊總的執(zhí)行流程圖；圖3b為網(wǎng)關模塊與節(jié)點模塊進行正常任務通信的工作流程圖。圖4為本發(fā)明多主通信模式的網(wǎng)絡節(jié)點模塊工作流程圖。圖5為本發(fā)明網(wǎng)絡節(jié)點模塊的結構示意圖。圖6為本發(fā)明CAN總線作有線通信方式的網(wǎng)絡節(jié)點模塊實現(xiàn)圖。圖7為本發(fā)明實施例封裝后的網(wǎng)絡節(jié)點模塊的對外關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施對本發(fā)明作進一步描述。在如圖2所示的采用多主通信模式的現(xiàn)場級測控網(wǎng)絡中，網(wǎng)關模塊通過網(wǎng)絡中的 節(jié)點模塊獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)，或者通過網(wǎng)絡節(jié)點模塊控制相應的被控對象。網(wǎng)關采用圖3工作流程，網(wǎng)絡節(jié)點采用圖4所描述有線與無線熱備通信的方法工作流程，實現(xiàn)現(xiàn)場級零成本多主冗余通信。I)故障檢測定位與通信切換方法在有線通信方式下，當某節(jié)點模塊發(fā)送查詢/控制指令給另一節(jié)點模塊而無回復，或者回復內(nèi)容格式不正確時，重新發(fā)送查詢/控制指令；當有限次重復發(fā)送指令均得不到正確格式的回復或者根本無回復時，該節(jié)點模塊則分別向目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊發(fā)送診斷幀，根據(jù)對診斷幀的回復情況，對故障進行判斷和定位，具體如下A)當目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均無回復時，該節(jié)點模塊認為是自身掉線或者有故障，點亮自身的故障指示燈，并切換到無線方式與想要通信的目的節(jié)點進行通信，完成本次查詢/控制任務；同時無線方式與網(wǎng)關通信，告知網(wǎng)關自身有故障，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設置“節(jié)點故障標志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。B)當目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均有回復，且回復正確時，認為目的節(jié)點模塊有故障或者目的節(jié)點模塊從總線上掉線。發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告目的節(jié)點模塊有故障，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設置“節(jié)點故障標志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。C)當目的節(jié)點的左鄰節(jié)點正確回復而右鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的左邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其右鄰節(jié)點之間。則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成該段線路的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。D)當目的節(jié)點的右鄰節(jié)點正確回復而左鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的右邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其左鄰節(jié)點之間。則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成該區(qū)段線路的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。網(wǎng)關模塊接收到節(jié)點模塊故障和節(jié)點間線路斷線故障的報告后，會向全網(wǎng)通過無線通信方式發(fā)送“廣播幀”，將故障類型和位置告知網(wǎng)絡上的所有節(jié)點，以便網(wǎng)絡上的節(jié)點調(diào)整與故障點相關模塊的通信方式。網(wǎng)絡節(jié)點接收到該“廣播幀”后，分析故障類型和位置，并采取相應的措施保證以后的通信。具體如下A)對節(jié)點掉線或節(jié)點自身有線通信有故障的，在其內(nèi)存和外存儲器的相應故障節(jié)點對應地址空間添加“節(jié)點故障記錄”，其后與該故障節(jié)點的通信均以無線方式進行。B)對節(jié)點間線路區(qū)段出現(xiàn)斷線故障的，在其內(nèi)存和外存儲器的相應線路故障區(qū)段 對應地址空間添加“斷線故障記錄”，如果自身在故障點的左邊，則其后與該故障點右邊的 節(jié)點均以無線方式進行通信；如果自身在故障點的右邊，則其后與該故障點左邊的節(jié)點均以無線方式進行通信。2)恢復有線通信的方法A)節(jié)點故障排除后恢復有線通信的方法具有有線通信故障的節(jié)點模塊持續(xù)監(jiān)測自己的“故障排除標志位”，當監(jiān)測到故障已經(jīng)排除時，則切換到有線通信方式，并發(fā)出可以重新進行有線通信的“報告幀”給網(wǎng)關模塊，網(wǎng)關收到該報告后，在內(nèi)存和存儲器中的從機地址映射空間添加“節(jié)點故障排除記錄”，并發(fā)送“廣播幀”到全部的網(wǎng)絡節(jié)點。其后該節(jié)點模塊就恢復到有線通信模式。B)斷線故障排除后恢復有線通信的方法當線路區(qū)段斷線故障排除后，與該區(qū)段相接的左右兩個網(wǎng)絡節(jié)點上的對應“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點就向網(wǎng)關模塊發(fā)送相應的“斷線故障排除信號”。網(wǎng)關模塊收到兩個節(jié)點的斷線故障排除信號后，將自己內(nèi)存和存儲器中的相應區(qū)段映射地址處的“斷線故障排除標志位”置位，同時網(wǎng)關發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡節(jié)點，網(wǎng)絡恢復到有線通信狀態(tài)。3)冗余通信的網(wǎng)絡節(jié)點模塊一個具有有線和無線冗余通信能力的網(wǎng)絡節(jié)點模塊可以采用多種嵌入式平臺，如采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機等作為微控制器，再配以外圍I/O及其處理接口和通信接口，就可以組建一個上述的網(wǎng)絡節(jié)點模塊。其中的有線通信單元采取某種工業(yè)現(xiàn)場總線，如CAN總線、PR0FIBUS總線等。無線通信單元可以采用ZigBee技術、nRF無線通信技術等。整個網(wǎng)絡節(jié)點模塊的結構可以用圖5示意。網(wǎng)絡節(jié)點模塊直接連接現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器。傳感器的模擬量信號和開關量信號通過從機的模擬量輸入接口、開關量輸入接口接入網(wǎng)絡節(jié)點模塊，分別經(jīng)模數(shù)轉換單元和隔離單元進入網(wǎng)絡節(jié)點模塊的微控制器進行處理。處理后的結果數(shù)據(jù)經(jīng)無線、有線冗余通信方式送入現(xiàn)場其他網(wǎng)絡節(jié)點或者網(wǎng)關模塊。同樣的，網(wǎng)絡節(jié)點模塊的微控制器需要輸出模擬量和開關量以控制現(xiàn)場的執(zhí)行器時，則要分別經(jīng)過數(shù)模轉換單元和隔離單元，然后到達現(xiàn)場執(zhí)行器，控制執(zhí)行器動作。整個網(wǎng)絡節(jié)點模塊的供電由供電單元提供，需要數(shù)據(jù)存儲的由網(wǎng)絡節(jié)點模塊的存儲器負責。其中以ZigBee做無線通信方式，以CAN總線做有線通信方式的網(wǎng)絡節(jié)點模塊實現(xiàn)如圖6。整個網(wǎng)絡節(jié)點模塊采用24VDC供電，原因是，現(xiàn)場的儀表或者執(zhí)行器一般采用24VDC供電方式，如壓力、溫度變送器和電磁閥等。同時，采用外供電與電池供電相備份的模式，當外供電掉線或其他情況不能供電時，啟用電池組供電。24VDC經(jīng)過穩(wěn)壓調(diào)壓后變成
3.3VDC給微控制器STM32ARM芯片供電，并實現(xiàn)ADC (模數(shù)轉換)、DAC (數(shù)模轉換)以及與ZigBee通信模塊的串行通信(USART)。 現(xiàn)場的模擬量信號經(jīng)過I/V (電流/電壓)轉換后進入ARM芯片的ADC模塊，ARM芯片的DAC模塊輸出的電壓信號經(jīng)過V/I轉換后，以標準工業(yè)模擬量r20mA輸出到現(xiàn)場的調(diào)流閥等模擬量執(zhí)行器。現(xiàn)場的開關量信號經(jīng)過光耦隔離后進入主控芯片的GPIO 口，同理，開關量輸出也經(jīng)過繼電器等隔離后輸出以控制電磁閥等開關執(zhí)行器。網(wǎng)絡節(jié)點模塊通過CAN接口和收發(fā)器與有線網(wǎng)絡CAN總線進行通信，通過ZigBee模塊與無線網(wǎng)絡交換數(shù)據(jù)。ZigBee通信模塊的數(shù)據(jù)通過USART接口與微控制器ARM芯片進 行串行通信。封裝后的網(wǎng)絡節(jié)點模塊的對外關系如圖7。本發(fā)明技術方案帶來的有益效果可概括如下I)冗余網(wǎng)絡節(jié)點模塊可以直接與儀表或者現(xiàn)場執(zhí)行器相連接，獲取儀表的狀態(tài)或者控制現(xiàn)場設備。同時其有線和無線通信單元可以采用上述的算法實現(xiàn)冗余通信，如此則可以構建一個現(xiàn)場級的雙網(wǎng)絡冗余多主通信的測控系統(tǒng)。提高了工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測與控制系統(tǒng)的可靠性。2)該網(wǎng)絡節(jié)點模塊和主機之間的通信采用的是工業(yè)總線和無線局域網(wǎng)技術，一次性硬件投資后，運營過程中不需要支付任何通信費用，所以是一個零成本通信運營的可靠現(xiàn)場測控網(wǎng)絡。3)網(wǎng)絡節(jié)點模塊運行上述的冗余通信管理算法，實現(xiàn)雙網(wǎng)絡冗余多主通信的特點。所以不需要額外的冗余管理設備，節(jié)約了成本，簡化了冗余通信網(wǎng)絡結構。4)構建的現(xiàn)場測控網(wǎng)絡中的有線通信采用是可靠工業(yè)現(xiàn)場總線，采用的是總線型結構，一般可以用菊花鏈連接方式將從機按照就近原則依次相連，最后連接到網(wǎng)關模塊上。所以整個系統(tǒng)就只有一條物理連接電纜就可以實現(xiàn)雙網(wǎng)絡冗余的可靠多主通信。因此系統(tǒng)的安裝特別簡單、快捷，所以安裝成本低、周期短。網(wǎng)絡節(jié)點模塊上的通信方式也不一定是CAN總線和ZigBee，也可能是其他總線或者無線網(wǎng)絡。這些與常規(guī)技術構成的可選擇的組配，都是本發(fā)明基本方案在實施中的具體體現(xiàn)。
權利要求
1.一種有線和無線熱備冗余多主通信方法，在現(xiàn)場級的有線和無線相互備份的雙網(wǎng)測控網(wǎng)絡中控制相應的被控對象，獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)；網(wǎng)絡節(jié)點模塊的有線通信和無線通信在工作時均在線，通常網(wǎng)絡中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進行通信；并采用包含以下的步驟相互監(jiān)測和控制網(wǎng)絡節(jié)點模塊的工作狀態(tài) I)故障檢測定位與通信切換方法 在有線通信方式下，當某節(jié)點模塊發(fā)送查詢/控制指令給另一節(jié)點模塊而無回復，或者回復內(nèi)容格式不正確時，重新發(fā)送查詢/控制指令；當有限次重復發(fā)送指令均得不到正確格式的回復或者根本無回復時，該節(jié)點模塊則分別向目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊發(fā)送診斷幀，根據(jù)對診斷幀的回復情況，對故障進行判斷和定位，具體如下 A)當目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均無回復時，該節(jié)點模塊認為是自身掉線或者有故障，點亮自身的故障指示燈，并切換到無線方式與想要通信的目的節(jié)點進行通信，完成本次查詢/控制任務；同時無線方式與網(wǎng)關通信，告知網(wǎng)關自身有故障，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設置“節(jié)點故障標志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面； B)當目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均有回復，且回復正確時，認為目的節(jié)點模塊有故障或者目的節(jié)點模塊從總線上掉線；發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務；同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告目的節(jié)點模塊有故障，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設置“節(jié)點故障標志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面； C)當目的節(jié)點的左鄰節(jié)點正確回復而右鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的左邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其右鄰節(jié)點之間；則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務；同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成該段線路的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面； D)當目的節(jié)點的右鄰節(jié)點正確回復而左鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的右邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其左鄰節(jié)點之間；則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務；同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成該區(qū)段線路的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面； 網(wǎng)關模塊接收到節(jié)點模塊故障和節(jié)點間線路斷線故障的報告后，向全網(wǎng)通過無線通信方式發(fā)送“廣播幀”，將故障類型和位置告知網(wǎng)絡上的所有節(jié)點，以便網(wǎng)絡上的節(jié)點調(diào)整與故障點相關模塊的通信方式。
網(wǎng)絡節(jié)點接收到該“廣播幀”后，分析故障類型和位置，并采取相應的措施保證以后的通信；具體如下 A)對節(jié)點掉線或節(jié)點自身有線通信有故障的，在其內(nèi)存和外存儲器的相應故障節(jié)點對應地址空間添加“節(jié)點故障記錄”，其后與該故障節(jié)點的通信均以無線方式進行； B)對節(jié)點間線路區(qū)段出現(xiàn)斷線故障的，在其內(nèi)存和外存儲器的相應線路故障區(qū)段對應地址空間添加“斷線故障記錄”，如果自身在故障點的左邊，則其后與該故障點右邊的節(jié)點均以無線方式進行通信；如果自身在故障點的右邊，則其后與該故障點左邊的節(jié)點均以無線方式進行通信； 2)恢復有線通信的方法 A)節(jié)點故障排除后恢復有線通信的方法 具有有線通信故障的節(jié)點模塊持續(xù)監(jiān)測自己的“故障排除標志位”，當監(jiān)測到故障已經(jīng)排除時，則切換到有線通信方式，并發(fā)出可以重新進行有線通信的“報告幀”給網(wǎng)關模塊，網(wǎng)關收到該報告后，在內(nèi)存和存儲器中的從機地址映射空間添加“節(jié)點故障排除記錄”，并發(fā)送“廣播幀”到全部的網(wǎng)絡節(jié)點；其后該節(jié)點模塊就恢復到有線通信模式； B)斷線故障排除后恢復有線通信的方法 當線路區(qū)段斷線故障排除后，與該區(qū)段相接的左右兩個網(wǎng)絡節(jié)點上的對應“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點就向網(wǎng)關模塊發(fā)送相應的“斷線故障排除信號”;網(wǎng)關模塊收到兩個節(jié)點的斷線故障排除信號后，將自己內(nèi)存和存儲器中的相應區(qū)段映射地址處的“斷線故障排除標志位”置位，同時網(wǎng)關發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡節(jié)點，網(wǎng)絡恢復到有線通信狀態(tài)；
2.根據(jù)權利要求I所述的一種有線和無線熱備冗余多主通信方法，其特征在于，所述網(wǎng)關模塊在其內(nèi)存和外存儲器中的網(wǎng)絡節(jié)點地址映射空間設置“節(jié)點故障標志”和“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成網(wǎng)絡節(jié)點和線路區(qū)段的故障記錄，并將故障記錄通知給全部的網(wǎng)絡節(jié)點以及報送給上位機系統(tǒng)或現(xiàn)場測控系統(tǒng)的人機交互界面。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種有線和無線熱備冗余多主通信方法，其特征在于，所述主機在其內(nèi)存和外存儲器中的該從機地址的映射空間設置“節(jié)點故障排除標志”和“斷線故障排除標志”，記錄故障排除時間。在“節(jié)點故障排除標志”和“斷線故障排除標志”置位時，通知全部網(wǎng)絡節(jié)點，系統(tǒng)恢復到原來的有線通信。
4.一種實現(xiàn)上述權利要求或I或2或3方法的有線和無線熱備冗余通信現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點模塊，其特征在于，包括網(wǎng)絡節(jié)點模塊具有微控制器和直接連接現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的模擬量輸入接口、模擬量輸出接口和開關量輸入接口、開關量輸出接口 ；模擬量輸入接口和微控制器之間具有模數(shù)轉換單元；模擬量輸出接口和微控制器之間具有數(shù)模轉換單元；開關量輸入接口和開關量輸出接口與微控制器之間具有隔離單元；同時還具有存儲器和供電單元以及將微處理器處理的結果數(shù)據(jù)送入現(xiàn)場級測控網(wǎng)絡的無線通信單元和有線通信單元。
5.根據(jù)權利要求4所述之實現(xiàn)有線和無線熱備冗余通信現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點模塊，其特征在于，所述無線通信單元可以采用ZigBee、nRF器件。
6.根據(jù)權利要求4所述之實現(xiàn)有線和無線熱備冗余通信現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點模塊，其特征在于，所述微控制器可采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有線和無線熱備冗余多主通信方法與現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點模塊，在現(xiàn)場級的有線和無線相互備份的雙網(wǎng)測控網(wǎng)絡中控制相應的被控對象，獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)；網(wǎng)絡節(jié)點模塊的有線通信和無線通信在工作時均在線，通常網(wǎng)絡中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進行通信；本發(fā)明的冗余網(wǎng)絡節(jié)點模塊可以直接與儀表或者現(xiàn)場執(zhí)行器相連接，獲取儀表的狀態(tài)或者控制現(xiàn)場設備。同時其有線和無線通信單元可以采用合適的算法實現(xiàn)冗余通信，以構建一個現(xiàn)場級的雙網(wǎng)絡冗余通信的測控系統(tǒng)，提高工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測與控制系統(tǒng)的可靠性，并具有零成本通信運營，不需要額外的冗余管理設備的特點。
文檔編號G05B19/418GK102799153SQ20121024400
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權日2012年7月13日
發(fā)明者孟祥印, 唐磊, 唐波, 車小偉 申請人:西南交通大學