一種有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控i/o模塊的製作方法

2023-08-04 05:20:06

專利名稱：一種有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控i/o模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控i/o模塊。
背景技術：
在工業應用領域，現場總線控制系統FCS已經成熟，逐漸取代原來的集散型控制系統DCS。FCS具有安裝簡單，數位化程度高，具有故障診斷和按預設值保護運行等優點。能為用戶節約成本，提高自動化水平和系統的智慧水平。但是現場總線多採用總線型結構，如果其中的一個節點脫線，有可能造成總線通 信中斷，總線網絡中的主機將不能訪問中斷點之後的節點，造成通信可靠性風險較大的遺憾。所以有的總線採用環網結構，一個節點脫線，環網拓撲變成總線拓撲，主機可以繼續和非脫線的節點通信。這就是冗餘環網技術。但是應用該技術需要環網管理模塊，增加了設備成本；並且頭尾要相接，增加了安裝成本。無線通信技術和無線網絡技術由於其移動性好、無需布線、功耗低、自適應組網等優點得到工業界的廣泛關注，並逐漸走向成熟。從原來較多的無線傳感器網絡應用，到現在已經開始應用於控制領域。如已經出現了適用於工業無線模塊和無線測控網絡的改進PID算法。艾默生過程管理自動化部門研製的無線模塊已經成功使用在化工、水泥等行業。無線通信網絡多採用多跳技術來提高通信的可靠性和環境適應性。很多還採用Mesh網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nRF、zigbee等無線局域通信網絡。但總的來說，目前應用在工業的無線通信技術在通信速率、安全性、抗幹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網絡中，大多還是優先採用有線網絡，距離較遠時，採用光纖作為通信介質。而無線網絡作為有線通信的一個備用通信網絡。在廣域網中，有一種有線和無線相互備份的雙網冗餘方案。主要作用是在一種網絡出現故障時，路由器自動切換到另一種網絡，從而達到提高通訊的穩定性的作用。如MOXA的F4X33系列產品。F4X33系列產品可支持無線行動網路、普通PPPOE方式或靜態IP接入方式的有線網絡，並支持自動冗餘備份功能。該方案的特點是I)屬於廣域網應用2)有路由器進行管理，即具有專門的冗餘管理設備3)運營成本較高，如果採用該方案為工業場站系統構建一個測控平臺，則場站中的每個節點都需要一個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備上，將該設備連入網絡。這樣的話，從儀表到連入網絡的設備間仍需要布線和安裝。則支持冗餘通信的設備就不是現場級的通信模塊
實用新型內容
[0011]本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術的不足提供一種有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/o模塊。本實用新型的技術方案如下一種有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/O模塊，包括模擬量輸入接口、開關量I/o接口、A/D轉換單元、數字隔離單元、中央處理器、有線通信單元、無線通信單元、D/A轉換單元、模擬量輸出接口，模擬量輸入接口用於接收現場模擬量信號設備的模擬量信號、開關量I/O接口用於接收現場開關量信號設備的開關量信號，A/D轉換單元用於對現場模擬量信號設備的模擬量信號進行A/D轉換後送入中央處理器；數字隔離單元用於對開關量I/O接口用於對現場開關量信號設備的開關量信號進行數字隔離後送入中央處理器進行處理；經中央處理器處理後的結果數據經無線通信單元或有線通信單元送入主機；控制現場的模擬量執行設備的控制指令經D/A轉換單元和模擬量輸出接口到達模擬量執行設備；控制現場的開關量執行設備的控制指令經數字隔離單元和開關量I/o接口輸出到開關量執行設備。所述的有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/O模塊，所述無線通信單元為nRF射頻,所述有線通信單元為Modbus總線。所述的有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/O模塊，所述中央處理器為ARM晶片。本實用新型的有益效果為從機具有I/O接口，可以直接與儀表或者現場執行器相連接，獲取儀表的狀態或者控制現場設備。同時其有線和無線通信單元可以採用上述的算法實現冗餘通信，如此則可以構建一個現場級的雙網絡冗餘通信的測控系統。提高了工業現場監測與控制系統的可靠性。

圖I為本實用新型系統結構示意圖；圖2為本實用新型從機結構示意圖；圖3為本實用新型主機結構示意圖；圖4為主機通信流程圖；圖5為從機通信流程圖；圖6為以Modbus總線做有線通信方式的I/O模塊示意圖；圖7以Modbus總線做有線通信方式的I/O模塊封裝後的對外關係圖。
具體實施方式
以下結合具體實施例，對本實用新型進行詳細說明。基於有線和無線熱備冗餘通信的現場級低成本冗餘測控網絡(I)應用場合一現場級測控網絡在如圖I所示的採用主從機通信模式的現場級測控網絡中，主機輪詢/輪控從機，獲取從機和從機監測對象的狀態，或者通過從機控制相應的被控對象。(2)從機[0031]系統中的從機就是本實用新型的有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/O模塊。參考圖2，從機可以採用多種嵌入式平臺，如採用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採取某種工業現場總線，如Modbus總線、CAN總線、PROFIBUS總線等。無線通信單元可以採用nRF射頻技術、zigbee技術等。從機直接連接現場模擬量信號設備、現場開關量信號設備和模擬量執行設備、開 關量執行設備。現場模擬量信號設備的模擬量信號和現場開關量信號設備的開關量信號通過從機的模擬量輸入接口、開關量I/o接口接入從機，再分別經A/D轉換單元和數字隔離單元進入從機的中央處理器(或稱控制器)進行處理。處理的結果數據經無線、有線冗餘通信方式送入主機。從機的處理器或者控制器需要輸出模擬量以控制現場的模擬量執行設備時，則控制指令經數模轉換單元和模擬量輸出接口到達模擬量執行設備，控制模擬量執行設備動作。數模轉換單元的任務是將處理器或者控制器輸出的數位訊號轉換成連續的模擬量，如連續的電壓信號；而模擬量輸出接口是將連續的模擬量調理為現場執行器可以接收的信號，如通過接口將連續的電壓信號轉換成工業標準4-20mA信號。當從機的處理器或者控制器需要輸出開關量以控制現場的開關量執行設備時，則控制指令經數字隔離單元和開關量I/o接口輸出到開關量執行設備，控制開關量執行設備動作。整個從機的供電由供電單元提供，需要數據存儲的由從機的存儲器負責。若以nRF射頻做無線通信方式，以Modbus總線做有線通信方式的I/O模塊實現如圖6所示，整個IO模塊採用24VDC供電，24VDC經過穩壓調壓後變成3. 3VDC給主控的STM32ARM晶片供電，並實現ADC (模數轉換)、DAC (數模轉換)以及與nRF無線通信模塊nRF2401的數據通信。現場的模擬量信號經過I/V(電流/電壓)轉換後進入ARM晶片的ADC模塊，ARM晶片的DAC模塊輸出的電壓信號經過V/I轉換後，以標準工業模擬量4 20mA輸出到現場的調流閥等模擬量執行器。現場的開關量信號經過光耦隔離後進入主控晶片的GPIO 口，同理，開關量輸出也經過繼電器隔離輸出後控制電磁閥等開關執行器。I/O模塊通過RS485接口和Modbus通信管理單元與有線網絡Modbus總線進行通信，而nRF射頻通信模塊通過無線與主機交換數據。要交換的數據通過GPIO接口與主控ARM晶片進行串行通信。封裝後的I/O模塊的對外關係圖如圖7所示。(3)主機系統中的主機就是一個具有有線和無線冗餘通信能力，並能和人機界面交互數據的通信模塊。主機的實現也可以採用多種嵌入式平臺，如採用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，擔負整個現場網絡化測控系統的調度功能。參考圖3，其中的有線通信單元採取某種工業現場總線，如Modbus總線、CAN總線、PROFIBUS總線等。無線通信單元可以採用nRF射頻技術Zigbee技術等。主機和從機交互數據的通信單元要與從機相匹配。主機和人機界面(HMI)設備的通信可以有多種方法，如採用有線的RS232、RS485，或者某種現場總線、乙太網等，也可以採用無線通信技術，如GPRS、WiFi 等。主機是連接上位機HMI設備和從機的中間設備。其結構和工作過程舉例如下假設從機和主機通信的冗餘通信方式為Modbus總線(有線方式)和nRF射頻(無線方式)，與上位機HMI設備的通信方式是RS232串行通信。則圖3中主機的有線現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接口接收和發送數據，其收發的細節過程由Modbus通信管理單元控制，如通信檢錯等。當主機發送數據給從機而收不到從機的回覆數據，或者發送數據總是出錯時，主機的處理器/控制器則做相應故障設置，並切換到nRF射頻通信模式。啟動nRF射頻收發模式，通過射頻無線與從機繼續通信。主機系統的供電由供電單元解決。需要數據存儲時，由存儲器負責。 (4)冗餘通信方法系統可以採用如下描述的有線與無線熱備通信的方法，實現現場級零成本冗餘通 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，通常優先選擇有線方式進行通信。當主機發送查詢/控制指令給從機而無回復，或者回復內容格式不正確時，重新發送查詢/控制指令。當多次重複發送(一般重複5次)指令均得不到正確格式的回覆，或者根本無回復時，則認為與當前從機的有線通信出現故障。檢測到故障後，主機在其內存和外存儲器中的該從機地址的映射空間設置「有線通信故障標誌」，記錄故障時間，形成該從機的故障記錄，並報送給人機界面；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，並告知從機點亮其「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，點亮其對應的故障報警信號燈。由於主機在每個輪詢/輪控周期內與從機通信時，均查詢報警記錄，所以，可以自適應地選擇有效地通信方式與從機通信。2)恢復有線通信的方法具有有線通信故障的從機持續監測自己的「故障排除」輸入口，當手工排除了故障後，該位會被手工置高電平。當從機監測到該位被置成了高電平，就認為故障已經排除，則在隨後與主機的無線通信中告知主機可以重新進行有線通信。相應地，主機收到該通知後，則在內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誌」置位，記錄故障排除時間，在隨後的與該從機的通信中均採用有線模式進行。3)冗餘通信的主機和從機的工作流程對於主機，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。然後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排除，則採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，則採用無線方式進行通信。[0054]如果當前採用有線方式進行通信，則隨時檢查當前通信是否成功，如發送的指令是否有回覆等。如果通信成功，則當前的通信正常結束。否則，則在該從機的映射空間添加故障記錄，並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。對於從機，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，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，繼續等待。當有線通道收到指令時，則進行有線通信，正確回復主機的查詢指令。當有線通道沒有收到指令，但無線通道收到了主機的數據，則認為主機已經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送了故障通知，如果收到了故障通知，則在完成任務通信後點亮自身的故障報警燈。如果主機沒有發送故障通知，說明從機的故障不是當前時間產生的，而是從前產生的故障，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，如果已經排除則在任務通信後通知主機，並熄滅故障報警燈；如果還沒有排除，則只進行任務通信。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，·而所有這些改進和變換都應屬於本實用新型所附權利要求的保護範圍。
權利要求1.一種有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/o模塊，其特徵在於，包括模擬量輸入接口、開關量I/O接口、A/D轉換單元、數字隔離單元、中央處理器、有線通信單元、無線通信單元、D/A轉換單元、模擬量輸出接口，模擬量輸入接口用於接收現場模擬量信號設備的模擬量信號、開關量I/O接口用於接收現場開關量信號設備的開關量信號，A/D轉換單元用於對現場模擬量信號設備的模擬量信號進行A/D轉換後送入中央處理器；數字隔離單元用於對開關量I/O接口用於對現場開關量信號設備的開關量信號進行數字隔離後送入中央處理器進行處理；經中央處理器處理後的結果數據經無線通信單元或有線通信單元送入主機； 控制現場的模擬量執行設備的控制指令經D/A轉換單元和模擬量輸出接口到達模擬量執行設備；控制現場的開關量執行設備的控制指令經數字隔離單元和開關量I/O接口輸出到開關量執行設備。
2.根據權利要求I所述的有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/O模塊，其特徵在於，所述無線通信單元為nRF射頻，所述有線通信單元為Modbus總線。
3.根據權利要求I所述的有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/O模塊，其特徵在於，所述中央處理器為ARM晶片。
專利摘要本實用新型公開了一種有線和無線熱備冗餘通信的低成本現場測控I/O模塊，包括模擬量輸入接口、開關量I/O接口、A/D轉換單元、數字隔離單元、中央處理器、有線通信單元、無線通信單元、D/A轉換單元、模擬量輸出接口。從機具有I/O接口，可以直接與儀表或者現場執行器相連接，獲取儀表的狀態或者控制現場設備。同時其有線和無線通信單元可以採用上述的算法實現冗餘通信，如此則可以構建一個現場級的雙網絡冗餘通信的測控系統。提高了工業現場監測與控制系統的可靠性。
文檔編號G05B19/042GK202735735SQ20122028398
公開日2013年2月13日 申請日期2012年6月11日 優先權日2012年6月11日
發明者孟祥印, 唐磊, 孟祥峰, 唐波, 車小偉 申請人:成都瑞特數字科技有限責任公司