基於epa網橋的現場控制器的製作方法

2023-04-26 18:13:46 4

專利名稱：基於epa網橋的現場控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種控制器，特別涉及一種基於EPA網橋的現場控制器。
背景技術：
EPA分布式網絡控制系統是基於高速乙太網技術的新一代分布式網絡控 制系統，該系統繼承現在控制系統DCS、 PLC等成功應用技術的基礎上，借鑑 先進現場總線技術和信息網絡技術的發展成果，遵循"總體分散、局部集中" 的原則，將工業控制網絡劃分為兩個層次，即過程監控層網絡和工業現場設 備層網絡。其中過程監控層是系統的主幹網，用於連接工程師站、操作員站、 數據伺服器等控制室設備。工業現場設備層網絡可根據具體應用實際劃分為 若干個控制區域。隨著EPA標準的推廣，越來越多的EPA相關產品開始進入 了實際的應用領域。
工業控制系統多採用預訂者/發布者通信方式，廣播或多播發布過程測量 與控制數據的特點，而乙太網集線器/交換機不能控制由於廣播或多播方式發 送報文而引起的廣播風暴，並由此帶來的網絡資源被長期佔用。 發明內容
本實用新型是針對EPA分布式網絡控制系統缺乏局部集中控制，導致資 源利用率低的問題，提出一種基於EPA網橋的現場控制器，在EPA現場控制 器中通過邏輯隔離式網橋的方法將現場設備層分隔為相對獨立的控制區域。 每個控制區域內的各種變送器、執行機構、工業乙太網交換機(或集線器) 等現場設備通過基於EPA網橋的現場控制器與主幹網連接，避免了廣播風暴 的產生，同時對現場控制器轉發的報文進行調度，從而大大減少了各個控制區域內報文碰撞的機率，保證了網絡的高實時性的要求。
本實用新型的技術方案為一種基於EPA網橋的現場控制器，包括乙太網
供電模塊、網絡控制器、掉電保護模塊、CPU微處理器模塊、雙口RAM數據交 互模塊、冗餘通信接口模塊，乙太網供電模塊將設備電源輸入為24V的電， 通過DC-DC轉換後為晶片電路提供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兼容的媒體獨立接口 Mil兩種連接方式實現 對乙太網控制器的操作；掉電保護模塊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，現場控制器的數據轉發是通過雙口 RAM 交互模塊來實現的，CPU微處理器外接冗餘通信接口模塊4。
所述CPU微處理器模塊採用AT91R40008晶片，內部含有一個256K的SRAM， 外部含有完全可編程的外部總線接口，三個16位的定時/記數器模塊、兩個 USART全雙工的通用同步/異步接收器模塊、32個32位可編程I/O模塊、看 門狗模塊和PS功耗管理模塊。
本實用新型的有益效果在於本實用新型基於EPA網橋的現場控制器， 通過邏輯隔離式網橋的方法將現場設備層分隔為相對獨立的控制區域，避免 了廣播風暴的產生，同時對現場控制器轉發的報文進行調度，從而大大減少 了各個控制區域內報文碰撞的機率，保證了網絡的高實時性的要求。

圖1是本實用新型基於EPA網橋的現場控制器結構框圖2是本實用新型基於EPA網橋的現場控制器數據轉發模塊軟體流程圖3是本實用新型基於EPA網橋的現場控制器報文調度軟體流程圖4是本實用新型基於EPA網橋的現場控制器控制功能塊模塊軟體流程圖。
具體實施方式

如圖1所示基於EPA網橋的現場控制器結構框圖，包括乙太網供電模塊1、 網絡控制器5、掉電保護模塊6、 CPU微處理器模塊2、雙口RAM數據交互模 塊3、冗餘通信接口模塊4。乙太網在傳送數據到基於EPA網橋的現場控制器 的同時輸送電源，設備電源來自帶有UPS電源的EPA網絡，避免了出現系統 掉電的情況。由於供電系統和數據傳輸公用一根網線，現場控制器插上以太 網線時，系統就上電復位。乙太網供電模塊1就是將設備電源輸入為24V的 電，通過DC-DC轉換為晶片電路提供5V、 3. 3V和1. 8V的工作電壓；乙太網 控制器5所用型號為AX88796，其內部集成有10/100 Mb/s自適應的物理層收 發器和8KX16位的SMM，並且提供了 IEEE802.3u兼容的媒體獨立接口 Mil (Media Ind印endent Interface) ， CPU微處理器模塊2可以通過總線或 Mil兩種連接方式實現對乙太網控制器5的操作；RJ45網絡埠接收到的以 太網報文經過濾波、抑制幹擾和電路隔離後傳送給CPU微處理器模塊2; CPU 微處理器2採用AT91R40008晶片，內部含有一個256K的SRAM， 一般低於256K 大小的程序可在其內部的SRAM調試即可，不僅大大方便了程序的調試，還節 省了硬體的空間。外部含有完全可編程的外部總線接口，三個16位的定時/ 記數器模塊、兩個USART全雙工的通用同步/異步接收器模塊、32個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； 掉電保護模塊6通過看門狗模塊輸入到CPU中，現場控制器的數據轉發是通 過雙口 RAM交互模塊3來實現的，CPU微處理器2外接冗餘通信接口模塊4。
如圖2所示在EPA分布式控制網絡中，現場控制器連接了主幹網與各 個控制區域，由於主幹網採用的是普通的乙太網報文格式，控制區域內為EPA報文格式，當兩端網絡中的設備需要發生數據交互的時候，需要有一種方法 有效的進行數據交互和隔離。現場控制器採用的網橋的方法。將網絡控制器 配置為混雜方式工作，它將接收與之相連網絡上的每一個報文。當數據包到
達時，CPU會對此數據包的目的MAC地址進行解析，然後對比自己埠和另一 個埠的MAC地址學習庫，如果在兩個埠的MAC地址學習庫中都沒有找到 此目的MAC地址，則同時在兩個網段上廣播，同時將源MAC地址和該物理端 口記錄在MAC地址學習表中。經過多次這樣的學習和記錄，現場控制器就會 將兩個埠所連接的所有MAC地址記錄下來了，從而建立起一個MAC地址學 習庫，庫中記錄了每一個可能的MAC地址以及相應的物理埠。
當一個數據包到達現場控制器時，處理器解析出此數據包的目的MAC地 址，如果在MAC地址學習庫中找到此MAC地址，則判斷庫中埠是否與接收 的埠相同，若相同，則證明擁有目的MAC的設備與源MAC在同一個物理網 段，則丟棄(不轉發)此數據包。如果不同，則得出具有該地址的設備在另 一個物理網段上，則允許此數據包通過現場控制器。如果是發往控制區域的 報文，則將該報文的有效數據解析出來通過雙口 RAM交換到另一個網絡接口 後打包成EPA報文，再經過調度後發出。如發往主幹網的報文則打包成普通 的乙太網直接發送出去。
如圖3所示主幹網中EPA主設備發出的對現場設備的數據讀寫、控制 等命令報文是不確定的，到達控制區域將大大增加其內報文碰撞的機率，為 了保證EPA網絡的高實時性，必須在現場控制器中對該類報文進行調度。每 個EPA現場設備在組態時被劃分為一個個通信宏周期，在每個宏周期內，EPA 設備要完成周期報文和非周期報文的發送。基於EPA網橋的現場控制器作為一種特殊的EPA現場設備，在周期報文發送時間內需要完成設備聲明、時間 同步、控制區域內設備檢測和報警等報文的發送。在非周期報文發送時間內 需要完成其控制功能塊控制報文、主幹網轉發的報文的發送。對非周期報文 的發送通過非周期報文調度鍊表實現。
如圖4所示為了實現對控制區域的控制功能，實現了控制功能塊模塊，
並採用了 0PC接口，可面向通過的監控組態平臺。實現了算術運算模塊、邏 輯運算模塊、混合運算模塊、控制運算模塊以及EPA AI功能塊和EPA A0功 能塊等。控制功能塊模塊負責數據處理和運算(控制)，接受和處理操作員站 或者是工程師站下發的組態信息以及操作命令，並且將相關的信息發到監控 網絡，實現工作站報警、測量信息以及管理信息的更新。現場控制器上電初 始化控制功能塊後，進入等待組態下載狀態，當收到新的操作員站或者是工 程師站下發的組態信息以及操作命令後，存儲並應用該組態信息及命令。當 控制周期到時，通過雙口 RAM進行EPA信息的採集，然後進行控制策略的運 算以及EPA信息和監控信息的更新，更新後的EPA信息通過雙口 RAM的交互 通過EPA通信卡打包發送到控制區域中。
權利要求1、一種基於EPA網橋的現場控制器，包括乙太網供電模塊、網絡控制器、掉電保護模塊、CPU微處理器模塊、雙口RAM數據交互模塊、冗餘通信接口模塊，其特徵在於，乙太網供電模塊將設備電源輸入為24V的電，通過DC-DC轉換後為晶片電路提供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兼容的媒體獨立接口MII兩種連接方式實現對乙太網控制器的操作；掉電保護模塊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，現場控制器的數據轉發是通過雙口RAM交互模塊來實現的，CPU微處理器外接冗餘通信接口模塊4。
2、 根據權利要求1所述基於EPA網橋的現場控制器，其特徵在於，所述CPU 微處理器模塊採用AT91R40008晶片，內部含有一個256K的SRAM，外部含有 完全可編程的外部總線接口，三個16位的定時/記數器模塊、兩個USART全 雙工的通用同步/異步接收器模塊、32個32位可編程I/O模塊、看門狗模塊 和PS功耗管理模塊。
專利摘要本實用新型涉及一種基於EPA網橋的現場控制器，通過總線或IEEE802.3u兼容的媒體獨立接口MII兩種連接方式實現對乙太網控制器的操作；通過雙口RAM交互模塊來實現的數據轉發，以實現通過邏輯隔離式網橋的方法將現場設備層分隔為相對獨立的控制區域，避免了廣播風暴的產生，同時對現場控制器轉發的報文進行調度，從而大大減少了各個控制區域內報文碰撞的機率，保證了網絡的高實時性的要求。
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 優先權日2008年12月25日
發明者包偉華, 張慶軍, 楊震斌, 陳小華 申請人:上海自動化儀表股份有限公司