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)關(guān)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)通信，尤其是工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
I)現(xiàn)場總線及其多主通信技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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?，F(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(luò)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(luò)節(jié)點都可以成為主機與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點進行通信。由于現(xiàn)場總線多采用總線型結(jié)構(gòu)，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(fēng)險較大的遺憾。所以有的現(xiàn)場總線采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(shù)。但是應(yīng)用該技術(shù)需要環(huán)網(wǎng)管理模塊，增加了設(shè)備成本；并且頭尾要相接，增加了安裝成本。2)無線通信技術(shù)無線通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于其移動性好、無需布線、功耗低、自適應(yīng)組網(wǎng)等優(yōu)點得到工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并逐漸走向成熟。從原來較多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，到現(xiàn)在已經(jīng)開始應(yīng)用于控制領(lǐng)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(luò)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(luò)多采用多跳技術(shù)來提高通信的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。很多還采用Mesh網(wǎng)絡(luò)模式進行多路由可靠通信。目前使用較多的無線通信技術(shù)有GPRS通信、WiFi通信和其他如ZigBee等無線局域網(wǎng)通信技術(shù)。但總的來說，目前應(yīng)用在工業(yè)的無線通信技術(shù)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(luò)中，大多還是優(yōu)先采用有線網(wǎng)絡(luò)，距離較遠時，采用光纖作為通信介質(zhì)。無線網(wǎng)絡(luò)則常作為有線通信的一個備用通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)出現(xiàn)故障時，路由器自動切換到另一種網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)用體系結(jié)構(gòu)如圖I所示F4X33系列產(chǎn)品可支持無線移動網(wǎng)絡(luò)、普通PPPOE方式或靜態(tài)IP接入方式的有線網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)用。2)有路由器進行管理，即具有專門的冗余管理設(shè)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(gòu)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(shè)備上，再將該設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)。這樣的話，從現(xiàn)場儀表點到連入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備間仍需要布線和安裝。如此，則支持冗余通信的設(shè)備就不是現(xiàn)場級的通信模塊。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的缺點可概括為I)應(yīng)用范圍多是廣域網(wǎng)應(yīng)用，不適用于現(xiàn)場級的測控網(wǎng)絡(luò)2)應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)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4)這種冗余網(wǎng)絡(luò)還是不能避免測控現(xiàn)場的繁瑣的布線安裝等問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)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(luò)，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(luò)中控制相應(yīng)的被控對象，獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進行通信；并采用包括以下的步驟相互監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)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(fù)，或者回復(fù)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(fù)發(fā)送指令均得不到正確格式的回復(fù)或者根本無回復(fù)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(fù)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(fù)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(wù)；同時無線方式與網(wǎng)關(guān)通信，告知網(wǎng)關(guān)自身有故障，網(wǎng)關(guān)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(shè)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(fù)，且回復(fù)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(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告目的節(jié)點模塊有故障，網(wǎng)關(guān)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(shè)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(fù)而右鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)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(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)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(fù)而左鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)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(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)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(guān)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(luò)上的所有節(jié)點，以便網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點調(diào)整與故障點相關(guān)模塊的通信方式。網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)故障節(jié) 點對應(yīng)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(yīng)線路故障區(qū)段對應(yīng)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(fù)有線通信的方法A)節(jié)點故障排除后恢復(fù)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(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)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(luò)節(jié)點。其后該節(jié)點模塊就恢復(fù)到有線通信模式。B)斷線故障排除后恢復(fù)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(luò)節(jié)點上的對應(yīng)“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點就向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送相應(yīng)的“斷線故障排除信號”。網(wǎng)關(guān)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(yīng)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(guān)發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)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的多主通信方法提供予以實現(xiàn)的現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)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(luò)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(shù)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(luò)的示意圖。圖3為本發(fā)明多主通信模式的網(wǎng)關(guān)工作流程圖圖3a為網(wǎng)關(guān)模塊總的執(zhí)行流程；3b網(wǎng)關(guān)模塊與節(jié)點模塊進行正常任務(wù)通信的執(zhí)行流程圖。圖4為本發(fā)明多主通信模式的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作流程圖。圖5為本發(fā)明網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明CAN總線作有線通信方式的現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊實現(xiàn)圖。圖7為本發(fā)明實施例封裝后的現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊的對外關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)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(luò)中，網(wǎng)關(guān)模塊通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點模塊控制相應(yīng)的被控對象。網(wǎng)關(guān)采用圖3的流程圖，網(wǎng)絡(luò)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(fù)，或者回復(fù)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(fù)發(fā)送指令均得不到正確格式的回復(fù)或者根本無回復(fù)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(fù)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(fù)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(wù)；同時無線方式與網(wǎng)關(guān)通信，告知網(wǎng)關(guān)自身有故障，網(wǎng)關(guān)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(shè)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(fù)，且回復(fù)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(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告目的節(jié)點模塊有故障，網(wǎng)關(guān)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(shè)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(fù)而右鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)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(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)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(fù)而左鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)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(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)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(guān)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(luò)上的所有節(jié)點，以便網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點調(diào)整與故障點相關(guān)模塊的通信方式。網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)故障節(jié)點對應(yīng)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(yīng)線路故障區(qū)段對應(yīng)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(fù)有線通信的方法A)節(jié)點故障排除后恢復(fù)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(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)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(luò)節(jié)點。其后該節(jié)點模塊就恢復(fù)到有線通信模式。B)斷線故障排除后恢復(fù)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(luò)節(jié)點上的對應(yīng)“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點就向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送相應(yīng)的“斷線故障排除信號”。網(wǎng)關(guān)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(yīng)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(guān)發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到有線通信狀態(tài)。3)網(wǎng)關(guān)模塊系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)模塊就是一個能和人機交互界面通信的特殊節(jié)點模塊。網(wǎng)關(guān)模塊的實現(xiàn)可以采用多種嵌入式平臺，如采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機等作微控制器，再配以外圍通信管理單元和通信接口。或者網(wǎng)關(guān)就是一個工控PC機，配以相應(yīng)的通信板卡。一般網(wǎng)關(guān)模塊較現(xiàn)場其他節(jié)點模塊有更高的運算速度和更強的通信管理能力，擔負整個網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場測控系統(tǒng)和人機界面的數(shù)據(jù)交互功能。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。其中的無線通信單元可以采用ZigBee技術(shù)、nRF無線通信技術(shù)等。網(wǎng)關(guān)模塊的通信單元與其他節(jié)點匹配一致。網(wǎng)關(guān)模塊和人機界面(HMI)設(shè)備的通信可以有多種方法，如采用有線的RS232、RS485，或者某種現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)等，也可以采用無線通信技術(shù)，如GPRS、WiFi等。整個網(wǎng)關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)可以用圖5示意網(wǎng)關(guān)是連接上位機HMI設(shè)備和從機的中間設(shè)備。其結(jié)構(gòu)和工作過程舉例如下。假設(shè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)的多主通信方式為CAN總線(有線方式)和ZigBee (無線方式)熱備冗余，網(wǎng)關(guān)與上位機HMI設(shè)備的通信方式是RS485ModbuS。則圖中網(wǎng)關(guān)的有線總線通信接口和管理單元分別為CAN總線的收發(fā)器和控制器。而無線的接口和管理單元就是ZigBee的收發(fā)天線和通信管理控制器。與上位機HMI的通信接口就是RS485通信接口電路。
其工作過程為一般情況下現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊之間、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間均通過CAN總線進行通信，例如網(wǎng)關(guān)通過CAN收發(fā)器接受和發(fā)送數(shù)據(jù)，其收發(fā)的細節(jié)過程由其控制器控制，如通信檢錯等。當網(wǎng)關(guān)模塊根據(jù)前述“通信故障檢測和定位方法”獲知現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)中的某節(jié)點或線路中的某區(qū)段具有通信故障時，將該故障記錄到內(nèi)存和存儲器中，形成“通信故障記錄”；并利用“通信的冗余切換方法”系統(tǒng)切換到無線模式進行通信；故障記錄也將上報給上位機系統(tǒng)或者人機交互界面。當根據(jù)前述的“故障排除后通信恢復(fù)方法”獲知故障已經(jīng)排除時，網(wǎng)關(guān)模塊將該故障記錄到 內(nèi)存和存儲器中，形成“通信故障排除記錄”；系統(tǒng)恢復(fù)到有線通信狀態(tài)；并通知給上位機系統(tǒng)或者人機交互界面。網(wǎng)關(guān)模塊的供電由供電單元解決。需要數(shù)據(jù)存儲時，由存儲器負責。一種網(wǎng)關(guān)模塊的實現(xiàn)如圖6，具體描述如下整個網(wǎng)關(guān)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給主控的STM32ARM芯片供電，并實現(xiàn)RS485通信和與CC2530 (ZigBee通信模塊)的串行通信(USART)。網(wǎng)關(guān)模塊通過CAN接口和收發(fā)器與有線的CAN網(wǎng)絡(luò)進行通信，而ZigBee無線模塊通過天線和通信管理控制器與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，并通過USART接口與主控ARM芯片進行串行通信。網(wǎng)關(guān)模塊利用另一個USART接口，通過MAX485轉(zhuǎn)換成RS485接口與人機交互的HMI設(shè)備通信。封裝后的現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊的對外關(guān)系如圖7所示。本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果可概括如下I)與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊一起可以構(gòu)建一個現(xiàn)場級的雙網(wǎng)絡(luò)冗余多主通信的測控系統(tǒng)。提高了工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測與控制的可靠性。2)現(xiàn)場有線無線雙網(wǎng)絡(luò)冗余通信零成本運營。3)不需要額外的冗余通信管理設(shè)備，節(jié)約成本，簡化冗余通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4)有線通信采用可靠工業(yè)現(xiàn)場總線，一般總線型結(jié)構(gòu)，整個現(xiàn)場測控系統(tǒng)只有一條物理連接線纜。系統(tǒng)安裝簡單、快捷，安裝成本低、周期短。本發(fā)明的基本方案在實際實施中還可做出多種變化和等同的選擇，故障檢測的方法、冗余通信切換方法和故障恢復(fù)方法的具體實現(xiàn)細節(jié)有所不同。這些與常規(guī)技術(shù)構(gòu)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(quán)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(luò)中控制相應(yīng)的被控對象，獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊的有線通信和無線通信在工作時均在線，網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進行通信；并采用包括以下的步驟相互監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)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/控制指令給另ー節(jié)點模塊而無回復(fù)，或者回復(fù)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(fù)發(fā)送指令均得不到正確格式的回復(fù)或者根本無回復(fù)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(fù)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(fù)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(wù)；同時無線方式與網(wǎng)關(guān)通信，告知網(wǎng)關(guān)自身有故障，網(wǎng)關(guān)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(shè)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(fù)，且回復(fù)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(wù)；同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告目的節(jié)點模塊有故障，網(wǎng)關(guān)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(shè)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(fù)而右鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)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(wù)；同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)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(fù)而左鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)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(wù)；同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)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(guān)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(luò)上的所有節(jié)點，以便網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點調(diào)整與故障點相關(guān)模塊的通信方式； 網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)故障節(jié)點對應(yīng)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(yīng)線路故障區(qū)段對應(yīng)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(fù)有線通信的方法 A)節(jié)點故障排除后恢復(fù)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)排除吋，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(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)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(luò)節(jié)點；其后該節(jié)點模塊就恢復(fù)到有線通信模式； B)斷線故障排除后恢復(fù)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(luò)節(jié)點上的對應(yīng)“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點就向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送相應(yīng)的“斷線故障排除信號”。網(wǎng)關(guān)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(yīng)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(guān)發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到有線通信狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー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(guān)模塊在其內(nèi)存和外存儲器中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址映射空間設(shè)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(luò)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(luò)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(quán)利要求I所述的ー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(shè)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”置位吋，通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，系統(tǒng)恢復(fù)到原來的有線通信。
4.一種實現(xiàn)上述權(quán)利要求或I或2或3方法的有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊，其特征在于，網(wǎng)關(guān)模塊具有微控制器和與微控制器相接的有線總線通信接口和無線通信接ロ，而有線總線通信管理単元在有線總線通信接口和微控制器之間；無線通信管理單元連接在無線通信接ロ和微控制器之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述之有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊，其特征在干，所述微控制器可采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機之一；網(wǎng)關(guān)的有線總線通信接口和管理單元可以是CAN總線的收發(fā)器和控制器；無線的接口和管理単元可以是ZigBee通信天線和通信管理控制器；網(wǎng)關(guān)模塊還具有存儲器和供電單元。
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)關(guān)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(luò)中控制相應(yīng)的被控對象，獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進行通信；本發(fā)明的現(xiàn)場級網(wǎng)關(guān)模塊在測控現(xiàn)場通過節(jié)點模塊可以獲取現(xiàn)場儀表的狀態(tài)或者控制現(xiàn)場設(shè)備，同時其有線和無線通信單元可以采用合適算法實現(xiàn)冗余多主通信，以構(gòu)建一個現(xiàn)場級的雙網(wǎng)絡(luò)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，并具有零成本通信運營，不需要額外的冗余管理設(shè)備等特點。
文檔編號H04L12/66GK102739456SQ20121024338
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者唐波, 唐磊, 孟祥印, 車小偉 申請人:西南交通大學(xué)