專利名稱：一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控網(wǎng)關(guān)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控網(wǎng)關(guān)模塊。
背景技術(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。但是現(xiàn)場總線多采用總線型結(jié)構(gòu)，如果其中的一個節(jié)點脫線，有可能造成總線通信中斷，總線網(wǎng)絡(luò)中的主機將不能訪問中斷點之后的節(jié)點，造成通信可靠性風(fēng)險較大的遺憾。所以有的總線采用環(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?！o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nRF、zigbee等無線局域通信網(wǎng)絡(luò)。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)。而無線網(wǎng)絡(luò)作為有線通信的一個備用通信網(wǎng)絡(luò)。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。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，否則就需要將儀表點歸總到一個設(shè)備上，將該設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)。這樣的話，從儀表到連入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備間仍需要布線和安裝。則支持冗余通信的設(shè)備就不是現(xiàn)場級的通信模塊
實用新型內(nèi)容
[0011]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控網(wǎng)關(guān)模塊。本實用新型的技術(shù)方案如下一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控網(wǎng)關(guān)模塊，包括有線現(xiàn)場總線通信接口、有線通信管理單元、無線通信接口、無線通信管理單元、中央處理器、通信接口、供電單元和存儲器，有線現(xiàn)場總線通信接口連接有線通信管理單元，有線通信管理單元連接中央處理器，無線通信接口連接無線通信管理單元，無線通信管理單元連接中央處理器，中央處理器連接通信接口，通信接口用于上位機HMI設(shè)備；供電單元為網(wǎng)關(guān)模塊提供24V DC電源，存儲器用于存儲數(shù)據(jù)。本實用新型的有益效果為I)網(wǎng)關(guān)模塊在現(xiàn)場通過I/O模塊可以獲取儀表的狀態(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上述的算法實現(xiàn)冗余通信，如此則可以構(gòu)建一個現(xiàn)場級的雙 網(wǎng)絡(luò)冗余通信的測控系統(tǒng)。提高了工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測與控制系統(tǒng)的可靠性。2)網(wǎng)關(guān)模塊和IO模塊之間的通信采用的是工業(yè)總線和無線局域網(wǎng)技術(shù)，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(luò)。3)網(wǎng)關(guān)模塊和IO模塊的處理器/控制器中運行上述的冗余通信管理算法，就可以實現(xiàn)主從機通信的雙網(wǎng)絡(luò)冗余。所以不需要額外的冗余管理設(shè)備，節(jié)約了成本，簡化了冗余通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4)構(gòu)建的現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，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，最后連接到主機上。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(luò)冗余的可靠通信。因此系統(tǒng)的安裝特別簡單、快捷，所以安裝成本低、周期短。

圖I為本實用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型從機結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型主機結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為主機通信流程圖；圖5為從機通信流程圖；圖6為網(wǎng)關(guān)模塊的具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)；圖7為封裝后的網(wǎng)關(guān)模塊的對外關(guān)系圖。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例，對本實用新型進行詳細說明?；谟芯€和無線熱備冗余通信的現(xiàn)場級低成本冗余測控網(wǎng)絡(luò)(I)應(yīng)用場合一現(xiàn)場級測控網(wǎng)絡(luò)在如圖I所示的采用主從機通信模式的現(xiàn)場級測控網(wǎng)絡(luò)中，主機輪詢/輪控從機，獲取從機和從機監(jiān)測對象的狀態(tài)，或者通過從機控制相應(yīng)的被控對象。[0030](2)從機系統(tǒng)中的從機就是本實用新型的有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控I/O模塊。參考圖2，從機可以采用多種嵌入式平臺，如采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機等作為中央處理器/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從機。其中的有線通信單元采取某種工業(yè)現(xiàn)場總線，如Modbus總線、CAN總線、PROFIBUS總線等。無線通信單元可以采用nRF射頻技術(shù)、zigbee技術(shù)等。從機直接連接現(xiàn)場模擬量信號設(shè)備、現(xiàn)場開關(guān)量信號設(shè)備和模擬量執(zhí)行設(shè)備、開關(guān)量執(zhí)行設(shè)備。現(xiàn)場模擬量信號設(shè)備的模擬量信號和現(xiàn)場開關(guān)量信號設(shè)備的開關(guān)量信號通過從機的模擬量輸入接口、開關(guān)量I/o接口接入從機，再分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元和數(shù)字隔離單元進入從機的中央處理器(或稱控制器)進行處理。處理的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)無線、有線冗余通信方式送入主機。從機的處理器或者控制器需要輸出模擬量以控制現(xiàn)場的模擬量執(zhí)行設(shè)備時，則控制指令經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換單元和模擬量輸出接口到達模擬量執(zhí)行設(shè)備，控制模擬量執(zhí)行設(shè)備動作。數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的任務(wù)是將處理器或者控制器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬量，如連續(xù)的電壓信號；而模擬量輸出接口是將連續(xù)的模擬量調(diào)理為現(xiàn)場執(zhí)行器可以接收的信號，如通過接口將連續(xù)的電壓信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)標準4-20mA信號。當從機的處理器或者控制器需要輸出開關(guān)量以控制現(xiàn)場的開關(guān)量執(zhí)行設(shè)備時，則控制指令經(jīng)數(shù)字隔離單元和開關(guān)量I/o接口輸出到開關(guān)量執(zhí)行設(shè)備，控制開關(guān)量執(zhí)行設(shè)備動作。整個從機的供電由供電單元提供，需要數(shù)據(jù)存儲的由從機的存儲器負責(zé)。(3)主機系統(tǒng)中的主機就是一個有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控網(wǎng)關(guān)模塊。主機的實現(xiàn)也可以采用多種嵌入式平臺，如采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機等作為中央處理器/控制器，再配以外圍通信管理單元和通信接口。或者主機就是一個工控PC機，配以相應(yīng)的通信板卡。一般主機較從機有更高的運算速度和通信管理能力，擔(dān)負整個現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的調(diào)度功能。參考圖3，其中的有線通信單元采取某種工業(yè)現(xiàn)場總線，如Modbus總線、CAN總線、PROFIBUS總線等。無線通信單元可以采用nRF射頻技術(shù)Zigbee技術(shù)等。主機和從機交互數(shù)據(jù)的通信單元要與從機相匹配。主機和人機界面(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。主機是連接上位機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)從機和主機通信的冗余通信方式為Modbus總線(有線方式)和nRF射頻(無線方式)，與上位機HMI設(shè)備的通信方式是RS232串行通信。則圖3中主機的有線現(xiàn)場總線通信接口和有線通信管理單元分別為RS485接口和Modbus通信管理單元。而無線通信接口和無線通信管理單元就是nRF射頻天線和通信管理控制器。與上位機HMI的通信接口就是RS232通信接口電路。其工作過程為一般情況下，從機和主機通過Modbus總線進行通信，例如主機通過RS485接口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其收發(fā)的細節(jié)過程由Modbus通信管理單元控制，如通信檢錯等。當主機發(fā)送數(shù)據(jù)給從機而收不到從機的回復(fù)數(shù)據(jù)，或者發(fā)送數(shù)據(jù)總是出錯時，主機的處理器/控制器則做相應(yīng)故障設(shè)置，并切換到nRF射頻通信模式。啟動nRF射頻收發(fā)模式，通過射頻無線與從機繼續(xù)通信。主機系統(tǒng)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(zé)。如圖6網(wǎng)關(guān)模塊的具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)關(guān)模塊采用24VDC供電，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)與上位機的RS232通信和與nRF2401(nRF射頻通信模塊)的數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)關(guān)模塊通過RS485接口和Modbus通信管理單元與有線網(wǎng)絡(luò)Modbus總線進行通信，而nRF射頻通信模塊通過無線與無線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，并通過GPIO接口與主控ARM芯片進行串行通信。為了與上位HMI通信，網(wǎng)關(guān)模塊利用另一個USART接口，通過MAX232轉(zhuǎn)換成RS232接口。網(wǎng)關(guān)模塊利用該RS232接口與上位機HMI通信，封裝后的網(wǎng)關(guān)模塊的對外關(guān)系圖如圖I。(4)冗余通信方法系統(tǒng)可以采用如下描述的有線與無線熱備通信的方法，實現(xiàn)現(xiàn)場級零成本冗余通 目。I)故障檢測與通信方式切換方法主機和從機的有線通信和無線通信在工作時均在線，由主機選擇其中一種通信方式與從機通信，通常優(yōu)先選擇有線方式進行通信。當主機發(fā)送查詢/控制指令給從機而無回復(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。當多次重復(fù)發(fā)送(一般重復(fù)5次)指令均得不到正確格式的回復(fù)，或者根本無回復(fù)時，則認為與當前從機的有線通信出現(xiàn)故障。檢測到故障后，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“有線通信故障標志”，記錄故障時間，形成該從機的故障記錄，并報送給人機界面；同時，自動切換到無線通道與從機通信，完成本次查詢/控制任務(wù)，并告知從機點亮其“有線通道故障報警”信號燈。被告知具有有線通信故障的從機，點亮其對應(yīng)的故障報警信號燈。由于主機在每個輪詢/輪控周期內(nèi)與從機通信時，均查詢報警記錄，所以，可以自適應(yīng)地選擇有效地通信方式與從機通信。2)恢復(fù)有線通信的方法具有有線通信故障的從機持續(xù)監(jiān)測自己的“故障排除”輸入口，當手工排除了故障后，該位會被手工置高電平。當從機監(jiān)測到該位被置成了高電平，就認為故障已經(jīng)排除，則在隨后與主機的無線通信中告知主機可以重新進行有線通信。相應(yīng)地，主機收到該通知后，則在內(nèi)存和存儲器中的從機地址映射空間添加故障排除記錄，將“有線通信故障排除標志”置位，記錄故障排除時間，在隨后的與該從機的通信中均采用有線模式進行。3)冗余通信的主機和從機的工作流程對于主機，其通信流程如圖4 :要與從機進行通信的主機做好必要準備，如從機地址選擇等。然后查詢該地址的從機的故障情況映射空間，了解要通信的該從機的故障情況。如果該從機沒有有線通信故障，或者雖有但故障已經(jīng)排除，則采用有線方式與該從機通信。如果該從機有有線故障報警記錄且故障沒有排除，則采用無線方式進行通信。如果當前采用有線方式進行通信，則隨時檢查當前通信是否成功，如發(fā)送的指令是否有回復(fù)等。如果通信成功，則當前的通信正常結(jié)束。否則，則在該從機的映射空間添加故障記錄，并切換到無線模式與該從機通信，同時告知人機界面，以便用戶得知該故障情況對該從機進行故障處理。對于從機，其工作流程如圖5 :從機隨時準備接收主機的查詢和控制任務(wù)，與主機進行通信。當有線和無線通道都沒有收到主機指令時，認為目前沒有通信任務(wù)，繼續(xù)等待。當有線通道收到指令時，則進行有線通信，正確回復(fù)主機的查詢指令。當有線通道沒有收到指令，但無線通道收到了主機的數(shù)據(jù)，則認為主機已經(jīng)判斷到從機有線通信有故障。所以從機此時判斷主機是否發(fā)送了故障通知，如果收到了故障通知，則在完成任務(wù)通信后點亮自身的故障報警燈。如果主機沒有發(fā)送故障通知，說明從機的故障不是當前時間產(chǎn)生的，而是從前產(chǎn)生的故障，且故障排除情況沒有通知到主機。所以首先判斷從機的有線通信故障是否排除，如果已經(jīng)排除則在任務(wù)通信后通知主機，并熄滅故障報警燈；如果還沒有排除，則 只進行任務(wù)通信。應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本實用新型所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控網(wǎng)關(guān)模塊，其特征在于，包括有線現(xiàn)場總線通信接口、有線通信管理單元、無線通信接口、無線通信管理單元、中央處理器、通信接口、供電單元和存儲器，有線現(xiàn)場總線通信接口連接有線通信管理單元，有線通信管理單元連接中央處理器，無線通信接口連接無線通信管理單元，無線通信管理單元連接中央處理器，中央處理器連接通信接口，通信接口用于上位機HMI設(shè)備；供電單元為網(wǎng)關(guān)模塊提供24V DC電源，存儲器用于存儲數(shù)據(jù)。
專利摘要本實用新型公開了一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現(xiàn)場測控網(wǎng)關(guān)模塊，包括有線現(xiàn)場總線通信接口、有線通信管理單元、無線通信接口、無線通信管理單元、中央處理器、通信接口、供電單元和存儲器，有線現(xiàn)場總線通信接口連接有線通信管理單元，有線通信管理單元連接中央處理器，無線通信接口連接無線通信管理單元，無線通信管理單元連接中央處理器，中央處理器連接通信接口，通信接口用于上位機HMI設(shè)備。網(wǎng)關(guān)模塊在現(xiàn)場通過I/O模塊可以獲取儀表的狀態(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上述的算法實現(xiàn)冗余通信，如此則可以構(gòu)建一個現(xiàn)場級的雙網(wǎng)絡(luò)冗余通信的測控系統(tǒng)。提高了工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測與控制系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H04L1/22GK202737890SQ20122028398
公開日2013年2月13日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者孟祥印, 唐磊, 孟祥峰, 唐波, 車小偉 申請人:成都瑞特數(shù)字科技有限責(zé)任公司