一種乙太網數據採集傳輸系統的製作方法

2023-10-19 17:57:02 2

專利名稱：一種乙太網數據採集傳輸系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及實時數據採集技術，具體地說是一種基於乙太網和可
編程控制器PLC技術的分布式、網絡化、可擴展、實時採集和傳輸數據的 數據採集傳輸系統，適用於在複雜的工業監控中多點信號的實時採集。 技術背景
由於現場應用環境的複雜多樣，致使對數據採集裝置的要求也不盡相 同，綜觀已知技術領域中的數據採集裝置，普遍存在著信號處理速度有限， 集成化水平低，不能實現分布式數據採集和遠程數據綜合處理，不能滿足 複雜工礦要求，數據吞吐量有限等問題。
乙太網(Ethernet)是當今現有區域網採用的最通用的通信協議標準， 組建於七十年代早期。乙太網是一種傳輸速率為10Mbps的常用區域網 (LAN)標準。乙太網由共享傳輸媒體，如雙絞線電纜或同軸電纜和多端 口集線器、網橋或交換機構成。可編程控制器具有高可靠性、1/0接口豐富、 模塊化結構、編程簡單易學、安裝簡單、維修方便、具有通信和聯網功能 等的特點，目前廣泛應用於各種工業控制場合。目前，有關數據採集技術 的實用新型和實用新型專利層出不窮，但很多實用新型和實用新型在許多 方面存在一定的問題。例如名稱為"一種計算機實時數據採集與處理系 統"(專利號為98124514)的實用新型專利，涉及應用計算機進行實時數據 採集與處理。該實用新型由微機ISA擴展槽、通道選擇接口卡。帶有 IEEE-488接口的數字多用表及IEEE-488接口卡組成硬體部分。軟體用 Visual 0++編寫，用中文平臺支持，在Win95或WinNT下運行。該實用新 型具有32通道，可以與帶有IEEE-488接口的數字多用表組成多通道測量 與處理系統，在軟體支持下實現後臺實時採集數據時，前臺仍可處理其它 事務的實時數據採集與處理系統。但該實用新型所涉及的系統只能與帶有 IEEE-488接口的數字多用表組成多通道測量與處理系統，應用範圍有限。 名稱為"數據採集器"(專利號為200520091109)的實用新型專利公開一種 應用於建築節能檢測領域中的數據採集器。包括CPU、時鐘晶片、存儲 單元、信號採集部分。CPU埠分別接時鐘晶片及存儲單元的埠，依次 提供通訊所需串行時鐘信號及數據通訊信號；所述信號採集部分接CPU的 埠，以實現採集信號的數據通訊。所述信號採集部分為溫度信號採集部 分、流量採集部分及熱流密度採集部分；所述流量採集部分及熱流密度採 集部分的數據信號經A/D轉換後送入CPU。該實用新型專利只能應用於建 築節能檢測領域，應用領域有限，不具有通用性。名稱為"遠程數據採集傳輸系統"(專利號為01278706)的實用新型專利包括一個數據採集終端， 通過RS232串口/通用串行總線接口連接主處理器，該處理器連接、接收 並對數據採集終端採集的數據進行壓縮處理，然後將處理的數據發送給傳 輸模塊。其特點是實現數據的無線傳輸。但無線傳輸成本高，且因天氣等 因素影響，數據傳輸穩定性差。該專利產品有一個數據採集終端，所以不 能實現長距離內的多點數據採集。綜上所述，現有相關專利及實用新型產 品的不足之處主要表現在
1) 對信號或接入儀表的類型有強制性的要求，限制了應用的範圍和領 域，不能適應複雜工況的要求。
2) 採集點單一，無法滿足要求大範圍多點，據採集，對複雜工況的適
應能力不強，且處理速度不高，可擴展性不強。
3) 通信能力不強。控制領域對實時性的要求越來越高，所以通訊能力 的好壞是數據採集系統是否具有實時性的重要標誌。傳統的485或者232 通訊速度有限，在某種程度上限制了數據採集系統的實時性。綜上所述， 通訊能力強、適應範圍廣、採集點多、能適應複雜工況要求的數據採集系 統是工業現場的迫切要求。

實用新型內容
本實用新型的目的在於提供一種乙太網數據採集傳輸系統，它通訊能 力強、適應範圍廣、採集點多、能適應複雜工況要求的數據採集系統是工 業現場的迫切要求。
本實用新型的技術解決方案如下乙太網數據採集傳輸系統以可編 程控制器作為數據採集、通訊的控制設備，自身帶有乙太網控制器，採用
Ethemet/IP通訊模式及Modbus傳輸協議與上位機進行乙太網通訊；還包括 1/0模塊，與所述乙太網控制器連接，通過最後一級數字量輸出模塊與終端 模塊連接;可編程控制器通過I/O模塊接收來自採集點傳感器的數字量或模 擬量信號，通過系統程序與上位機通訊，選擇工作模式，將數字量或模擬 量信號至受控設備。
其中如果只有一個採集點(IP位址)，則上位機與可編程控制器採取 直接通過交叉網線相連的方法進行乙太網通訊；如果上位機通過集線器連 接多個可編程控制器，為每個可編程控制器分配一個獨立的IP位址。
本實用新型具有如下有益效果
1. 穩定性強。可編程控制器是工業控制器中比較穩定的控制器件，適 合於應用在工況較為複雜、使用環境相對較惡劣的場合，並且適合於長時 間不間斷的作業，所以可編程控制器十分廣泛的應用在礦山、鋼鐵廠、電 廠等場合。
2. 信號可靠性強。可編程控制器每路的信號均採用了濾波及光電隔離 方式進行信號的去噪，保證了信號的互不幹擾和信號的純度。
3. 適應性強。I/O模塊的可根據具體的應用場合選擇模擬量輸入、模擬量輸出、數字兩輸入、數字量輸出等不同功能的模塊隨意組合，還可以 根據需要增加計數器模塊和其它功能的通訊模塊。
4. 網絡化。可實現多點、長距離的實時高速數據採集，特別適用於要 求長距離多點採集數據的工業控制場合和複雜工程項目的數據收集。
5. 實時性。採集到的數據可以實時的發送給上位機進行顯示，也可以 實時的將上位機法送來的命令傳輸給可編程控制器的輸出口輸出。
6. 可擴充性。裝置可以通過集線器組成網絡，網絡上的節點數可以根
據需要增加或減少。
7. 本地工作模式下可完成數據的採集並向輸出口輸出模擬量或數字數

圖1為本實用新型系統總體結構圖。
圖2為本實用新型一個實施例可編程控制器結構圖。
圖3為數據採集傳輸系統程序流程圖。
圖4為圖3中乙太網通訊子程序流程圖。
具體實施方式
本實用新型乙太網數據採集系統以可編程控制器PLC作為數據採集、 通訊的控制設備，自身帶有乙太網控制器，採用Ethernet/IP通訊模式及 Modbus傳輸協議與上位機進行乙太網通訊；還包括I/0模塊，與所述以太 網控制器連接，通過最後一級數字量輸出模塊與終端模塊連接；可編程控 制器PLC通過I/O模塊接收來自採集點傳感器的數字量或模擬量信號，通 過系統程序與上位機通訊，選擇工作模式，將數字量或模擬量信號至受控 設備。上位機利用乙太網控制器並通過交叉網線與可編程控制器PLC通訊。 上位機可以實時地給可編程控制器PLC傳輸控制命令，如數字量的狀態、 模擬量的大小，可編程控制器PLC可以實時的將採集的信號傳輸給上位機 進行顯示。1/0模塊可以根據具體的工況要求設置其數量，採集點也可以增 加或減少，作業距離也可以通過增加新的可編程控制器PLC乙太網控制器 和I/0模塊的擴增(相當於增加新的IP位址)。
系統有兩種工作模式，分別是聯網模式和單機模式。單機模式可實現 工業現場數據的採集、輸出數據控制受控設備、與其他可編程控制器PLC 之間的通訊；聯網模式在此基礎上可實現在上位機實時顯示可編程控制器 PLC採集的數據、通過網絡向受控設備傳輸數據、乙太網通訊功能。
1/0模塊包括有模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，數字量輸入模塊， 數字量輸出模塊。為了採集工業生產現場的數據和控制工業現場的受控設 備，可編程控制器PLC的輸入模塊連接現場的各種傳感器，輸出模塊連接 到現場的受控設備上。考慮到通訊的速度和穩定性，採用基於乙太網和 Modbus通訊協議進行上位機和可編程控制器PLC之間的通訊。上位機負責 控制可編程控制器PLC和實時顯示連接到可編程控制器PLC的受控設備的狀態，如果採集點超過單臺可編程控制器PLC的能力範圍，則需要多臺可
編程控制器PLC同時工作。考慮到這種工作模式，本實用新型將上位機作 為乙太網通訊的伺服器端，可編程控制器PLC作為乙太網通訊的客戶端， 每個可編程控制器PLC都是一個客戶端，而伺服器端只有一個。可編程控 制器PLC既可以和上位機進行通訊，自身也可以將信號輸入模塊採集到的 數據實時的通過輸出模塊輸送到受控設備上，實現遠程控制和本地控制兩 項功能。系統工作模式的選擇(單機模式或聯網模式)。
每個可編程控制器PLC模塊由兩路24V直流電源供電， 一路供給可編 程控制器PLC， 一路供給和可編程控制器PLC的乙太網控制器連接的並且 相互之間也連接到一起的I/O模塊。由電源指示燈指示當前系統的供電是否 正常。根據應用現場的具體情況，如所需採集信號的種類信號路數的多少， 選擇相應的I/O模塊，同一個IP位址下的I/O模塊的多少和類型可以根據具 體情況改變，每個IP位址下最多可包含64個各種類型的I/0模塊，數據吞 吐量非常大。如果只有一個採集點(IP位址)，則上位機和可編程控制器PLC 可以採取直接通過交叉網線相連的方法進行乙太網通訊；如果採集現場的地 理位置的跨度較大，上位機通過集線器連接多個可編程控制器PLC，為每個 可編程控制器PLC分配一個獨立的IP位址。每個可編程控制器PLC都可以 和上位機之間進行乙太網通訊。同樣每個IP位址下最多都可以包含64個I/O 模塊。上位機可以向可編程控制器PLC發送命令，命令的內容可以是希望輸 出口輸出的數字量或者模擬量，命令通過IP位址可以準確地傳達到相應的 可編程控制器PLC。同樣每個可編程控制器PLC也可以向上位機發送數據， 數據的內容可以是輸入模塊正在實時採集的數字量或者模擬量。
單個節點的作為數據採集裝置的可編程控制器結構圖如圖2所示，由 乙太網控制器1通過乙太網控制器1和電源觸點15連接第一模擬量輸入模 塊4，第一模擬量輸入模塊4通過電源觸點15連接第二模擬量輸入模塊5， 第二模擬量輸入模塊5通過電源觸點15連接第三模擬量輸入模塊6，第三 模擬量輸入模塊6通過電源觸點15連接第一模擬量輸出模塊7，第一模擬 量輸入模塊7通過電源觸點15連接第二模擬量輸出模塊8，第二模擬量輸 入模塊8通過電源觸點15連接第三模擬量輸出模塊9，第三模擬量輸入模 塊9通過電源觸點15連接第一數字量輸入模塊10，第一數字量輸入模塊 10通過電源觸點15連接第二數字量輸入模塊11，第二數字量輸入模塊11 通過電源觸點15連接第一數字量輸出模塊12，第一數字量輸出模塊12通 過電源觸點15連接第二數字量輸出模塊13，第二數字量輸出模塊13通過 電源觸點15連接終端模塊14。
乙太網控制器1的特點是以集中控制方式更好的支持可編程控制器 PLC或PC;複雜的應用問題可以通過多任務來完成；現場總線故障時可以 自動報警；自身所具有的信號預處理功能可以減少現場總線的傳輸時間； 可以直接控制附屬設備，系統響應時間短；簡單、自足控制。在i/o模塊中，輸入過程數據得到轉化。根據不同的需求，可以選用不 同功能的I/0模塊。目前有數字/模擬輸入/輸出可供選擇，也可以採用特殊 功能模塊，如計數器模塊，用於計數。
參見圖3，實用新型乙太網數據採集傳輸根據系統程序流程所述步驟， 系統啟動後，首先讀取工作狀態位的值，若為"1"則進入聯網工作模式， 若為"0"則進入單機工作模式。
若為聯網模式，則進行乙太網通訊，並判斷通訊是否正常。若通訊正 常，則繼續讀取工作狀態位，判斷工作模式；若通訊中斷，則啟動看門狗，
重新啟動系統。
若為單機模式，則進行輸入輸出口的"讀"和"寫"操作，並繼續判 斷工作狀態位的值。
乙太網通訊子程序流程參見圖4，具體如下 步驟一開始； 步驟二啟動看門狗；
步驟三若看門狗沒有復位，讀取網絡狀態；若看門狗復位，則回到 步驟一；
步驟四讀取網絡狀態，若網絡出錯，則關閉乙太網伺服器，回到步 驟二；若網絡正常，則讀取通訊協議類型；
步驟五讀取通訊協議類型，若為TCP通訊，則啟動TCP模式通訊； 若為UDP通訊，則啟動UDP通訊類型；
步驟六啟動乙太網伺服器端；
步驟七啟動乙太網讀函數，進行乙太網讀操作； 步驟八判斷讀函數是否出錯；
步驟九若讀函數出錯，則關閉乙太網伺服器端，回到步驟二； 若讀函數正常，則判斷讀取數據長度是否為零；
步驟十若讀取數據長度不為零，則回到步驟七，繼續讀取； 若 讀取數據長度為零，則判斷是否可以獲得乙太網信息；
步驟十一如果不能獲得乙太網信息，則指定客戶端IP位址和埠號；
步驟十二啟動乙太網寫函數；
步驟十三判斷寫函數是否出錯；
步驟十四回到步驟二。
權利要求1.一種乙太網數據採集傳輸系統，其特徵在於以可編程控制器(PLC)作為數據採集、通訊的控制設備，自身帶有乙太網控制器，採用Ethernet/IP通訊模式及Modbus傳輸協議與上位機進行乙太網通訊；還包括I/O模塊，與所述乙太網控制器連接，通過最後一級數字量輸出模塊與終端模塊連接；可編程控制器(PLC)通過I/O模塊接收來自採集點傳感器的數字量或模擬量信號，通過系統程序與上位機通訊，選擇工作模式，將數字量或模擬量信號至受控設備。
2. 按照權利要求l所述乙太網數據採集傳輸系統，其特徵在於上位機作為服務端，設一個；可編程控制器(PLC)為客戶端，至少設一個。
3. 按照權利要求1所述乙太網數據採集傳輸系統，其特徵在於I/O 模塊包括有模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，數字量輸入模塊，數字量輸出模塊。
4. 按照權利要求3所述乙太網數據採集傳輸系統，其特徵在於I/O 模塊還包括有計數器模塊，位於最後一級數字量輸出模塊與終問模塊之 間。
5. 按照權利要求1所述乙太網數據採集傳輸系統，其特徵在於由兩路24V直流電源供電， 一路接可編程控制器(PLC)， 一路接I/0模塊。
專利摘要本實用新型涉及實時數據採集技術，具體地說是一種基於乙太網和可編程控制器PLC技術的分布式、網絡化、可擴展、實時採集和傳輸數據的乙太網數據採集傳輸系統。以可編程控制器(PLC)作為數據採集、通訊的控制設備，自身帶有乙太網控制器，採用Ethernet/IP通訊模式及Modbus傳輸協議與上位機進行乙太網通訊；還包括I/O模塊，與所述乙太網控制器連接，通過最後一級數字量輸出模塊與終端模塊連接；可編程控制器(PLC)通過I/O模塊接收來自傳感器的數字量或模擬量信號，通過系統程序與上位機通訊，選擇工作模式，將數字量或模擬量信號至受控設備。它通訊能力強、適應範圍廣、採集點多、能適應複雜工況要求的數據採集系統是工業現場的迫切要求。
文檔編號H04L29/06GK201134815SQ20072001632
公開日2008年10月15日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者劉開周, 凱 孫, 崔勝國, 李智剛, 秦寶成, 威 郭 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所