CN101174960A

CN101174960A - 冗余式智能型网络通讯控制器

Info

Publication number: CN101174960A
Application number: CNA200610134081XA
Authority: CN
Inventors: 刘海波; 苑智伟
Original assignee: Dandong Huatong Measurement & Control Co Ltd
Current assignee: Dandong Huatong Measurement & Control Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-07

Abstract

本发明的一种冗余式智能型网络通讯控制器，其硬件采用ARM9系列高性能32位CPU，软件采用LINUX嵌入式操作系统，主要实现分散式控制系统DCS或计算机主站通过以太网与具有现场总线接口的智能测控设备进行高速网络数据交换，其把控制功能彻底分散到现场，依靠现场智能设备本身的控制功能，其实现了过程自动化控制的DCS主站与具有现场总线接口的现场智能设备的高可靠性、大数据量的高速网络数据交换和控制。

Description

冗余式智能型网络通讯控制器

技术领域

本发明涉及的是现场总线控制系统FCS中的网络通讯控制器，它广泛应用于电力、石油、化工、冶金、制药、造纸等相关行业的自动化过程控制领域。

背景技术

随着智能仪表、网络技术和数据通信技术的发展，现场总线控制技术已成为当今自动化控制技术的发展主流，它替代了现有的分散型控制系统DCS成为自动化控制领域的关键技术手段，但现场总线控制系统存在的主要技术问题是：1、均采用单机装置，当装置本身或现场总线出现故障时，均会影响整个系统的正常运行，不能满足具有高可靠性、冗余要求的应用场合；2、大多采用网关，即协议转换装置，由于站控层网络速率一般不低于10M，而现场间隔层的现场总线速率一般低于1M，因此当现场总线子站设备即网络节点较多时，由于总处于等待子站设备数据更新，因而会大大降低整个系统的实时性，不能满足大数据量、高实时性能的应用场合；3、现有的该类产品大多采用低速的下行现场接口，接口总线速率不高于38.4K，不能满足当今国际工业主流的H2类高速现场总线的应用及标准：①DeviceNet总线，GB/T18858.3-2002的要求，②Profibus-DP总线，IEC 6 1 158：2003中TYPE III的要求，③Modbus/TCP工业以太网，GB/Z19582.1-2004第1部分的要求；4、目前该技术领域的产品大多采用工控机及WINDOWS操作系统来完成的，但由于具有风扇、硬盘等诸多外围接插器件，硬件及软件均存在不稳定因素。综上所述，现有技术面临的关键技术问题是保证其可靠性、实时性以及现场总线的规范性，目前上述技术问题均没有得到有效的解决，制约了现场总线控制系统FCS的广泛应用。

发明内容

本发明专利申请的发明目的在于提供一种可靠性高、通讯传输速率高、并可基于标准化的H2类高速现场总线网络组成现场总线控制系统FCS的冗余式智能型网络通讯控制器。本发明专利申请提供的冗余式智能型网络通讯控制器技术方案，其主要技术内容是：该系统包括中央控制器CPU、以太网接口、现场总线接口及电源，其中由ARM9作为其中央控制器CPU，设置一组与同结构的作为备用或主用网络通讯控制器相连接的光隔离I/O总线接口。

上述的两部智能型网络通讯控制器可组成主用控机和备用控机的冗余式现场总线控制系统，其主用控机具有装置的管理控制权，同时主控单元每200MS以脉冲方式光隔离输出通知备用控机。无论何种原因，当主用控机出现故障，既备用单元在设定的500MS内没有检测到主用控机的脉冲信号，则备用控机接管整个系统的控制权，包括以太网、现场总线等的硬件冗余处理和软件数据处理；待主用控机修复或恢复正常后，备用控机自动将系统控制管理权交还给主用控机，然后自动退出，保证整个系统的“无缝”过渡。本发明技术方案还基于分层分布式的现场总线网络架构模式实现硬件网络拓扑应用，以软件设计将每个现场总线接口均分配独立的工作线程，下行现场总线采集数据实时更新到本冗余式智能型网络通讯控制器的用户数据区，可以根据用户要求配置文件，实现各种数据编程、归纳、整理和计算，上行以太网仅对用户数据区进行数据交换，极大提高了网络数据的实时性，尤其是现场总线子站设备即网络节点较多的应用场合。本发明方案还具有多种现场总线接口，包括标准H1类低速现场总线4路；标准H2类高速现场总线接口，其中包括10M/100M自适应工业以太网接口2路，Profibus-DP或DeviceNet总线接口4路。本冗余式智能型网络通讯控制器的操作系统采用实时多任务操作系统LINUX，CPU采用ARM9，主频266MHz，无硬盘、无风扇设计，从硬件角度不但进一步提高可靠性，从软件角度也可免除计算机病毒的困扰。

附图说明

图1和图2分别为将两部本冗余式智能型网络通讯控制器连接为主用控机和备用控机方式的现场总线控制系统的双网和单网结构图

图3为本冗余式智能型网络通讯控制器的电路结构框图。

具体实施方式

本发明的冗余式智能型网络通讯控制器，如图3所示，其主要技术内容是：该系统包括中央控制器CPU、以太网接口、现场总线接口及电源，其中由ARM9作为其中央控制器CPU，设置一组与同结构的作为备用或主用网络通讯控制器相连接的光隔离I/O总线接口。

一、中央处理器

1、CPU IDT 79R32438-266，MIP32 Core 266MHz

2、Flash Memory 8M Bytes(用于存放用户配置文件)

3、SDRAM 32M Bytes(用于CPU与现场总线进行通讯的内存)

4、EEPROM 512K Bytes(用于存放系统程序)

二、现场总线接口

1、2路以太网接口：采用10/100M自适应以太网(RJ45接口)，通讯协议采用MODBUS/TCP，符合国标GB/Z19582.1-2004基于MODBUS协议的工业自动化网络规范第1、3部分。

2、4路H1类低速现场总线接口：采用标准RS-485或RS-422接口，最高通讯速率可达38.4K，通讯协议采用MODBUS RTU，符合国标GB/Z19582.1-2004基于MODBUS协议的工业自动化网络规范第1、2部分。

3、4路H2类高速现场总线接口：

具备以下现场总线接口卡(主/从站可选择)，其中：

Profibus-DP总线：通讯速率187.5K/500K/1500K/3000K可选；

DeviceNet总线：通讯速率125K/250K/500/1000K可选；

LonWorks总线：通讯速率125K/250K/500/1000K可选；

三、系统数据处理能力

16位模拟量(遥测)总量：8192点数据可配置

32位模拟量(遥脉)总量：4096点数据可配置

开关量输入(遥信)总量：8192点数据可配置

开关量输出(遥控)总量：4096点数据可配置

四、系统运行及维护：1、LED指示灯：电源：1个；运行：1个；以太网：10M/100M各2个；现场总线工作状态：收/发各8个。2、系统配置端口：RS-232通讯口.1个(DB9孔)；3、实时时钟。

工作原理

一、装置的配置文件

本发明的硬件均采用两套独立的硬件配置(包括CPU、I/O接口、总线接口及电源)，两套装置的工作模式是根据用户的配置文件来完成的，用户配置文件包括：

1、A机和B机的工作模式(一般A机设置为“主控单元”，B机设置为“备用单元”)

2、H1类低速现场总线的通讯协议、子站数量(地址)、数据类型、数据量、通讯速率及接线方式等。

3、H2类高速现场总线的总线类型、子站数量(地址)、数据类型、数据量、通讯速率等。

4、以太网的IP地址、端口号、子站掩码、网关地址、数据类型、数据量、通讯协议等。

二、装置的工作过程

正常情况下：主控单元具有装置的系统管理权及现场总线的通讯控制权，既“主控单元”处于正常工作状态，负责现场总线的调度和管理工作，同时“主控单元”通过光偶，每200mS输出一个脉冲信号到“备用单元”光偶输入信号，供备用单元监视“主控单元”是否工作正常之用，无论何种原因，当主控单元出现故障(如电源故障、CPU故障或现场总线故障等等)时，主控单元输出脉冲信号停止，当备用单元在500MS内没有检测到主控单元的脉冲信号；备用单元自动接管整个系统的控制权(包括以太网、现场总线等的硬件管理和软件数据处理)；由备用单元接替主控单元的调度和管理工作；当主控单元修复或恢复正常后，备用单元自动将系统控制管理权交给主控单元后，自动退出，实现整个现场总线软、硬件的“无逢”过渡。1、装置正常状态下，“主控单元”具有系统控制权，主要调度和管理事件如下：①主控单元的H1类现场总线接口(2A、3A)的负责总线数据采集/控制；备用单元的H1类现场总线接口(2B、3B)处于等待状态，不工作；②主控单元的H2类现场总线接口(4A、5A)的负责总线数据处理/控制；备用单元的H2类现场总线接口(4B、5B)处于等待状态，不工作；由于H2类高速总线类型较多(如：Profibus-DP、DeviceNet、LonWorks等)的硬件接口及数据报文访问机制不同，因此：本发明采用了具有双口RAM接口的智能现场总线模块(外型尺寸均为：72*48*16mm)，其双口RAM的读写格式及现场总线数据区均是相同的，因此，对于不同的H2类现场总线，可选择对应的智能现场总线模块；软件驱动是完全相同的，仅需要修改装置的配置文件中现场总线类型既可。③主控单元的以太网口(1A)的网络数据处理及控制；备用单元的的以太网口(1B)处于等待状态，不工作；④主控单元的I/O数据处理及控制：通过I/0数据线，每200mS输出一个脉冲信号到光偶，该光偶输出信号连接到备用单元的光偶输入。备用单元的I/O数据处理及控制：通过I/O数据线，每250mS读取一次脉冲输入信号，如果500mS内未检测到主控单元的脉冲信号；备用单元自动接管整个系统的控制权(包括以太网、现场总线等的硬件管理和软件数据处理)；由备用单元接替主控单元的调度和管理工作。2、装置异常状态下，“备用单元”具有系统控制权，主要调度和管理事件如下：①备用单元的H1类现场总线接口(2B、3B)的负责总线数据采集/控制；主控单元的H1类现场总线接口(2A、3A)处于等待状态或不工作；②备用单元的H2类现场总线接口(4B、5B)的负责总线数据处理/控制；主控单元的H2类现场总线接口(4A、5A)处于等待状态或不工作；H2类高速总线工作原理同上页“主控单元的H2类现场总线接口”。③备用单元的以太网口(1B)的网络数据处理及控制；主控单元的的以太网口(1A)处于等待状态或不工作；④备用单元的I/O数据处理及控制：通过I/O数据线，每250mS读取一次由主控单元发出的脉冲输入信号，如果1000mS内连续检测到3个或以上的脉冲信号，表示主控单元已经恢复正常工作，备用单元将立即自动退出整个系统的控制权(包括以太网、现场总线等的硬件管理和软件数据处理)；由主控单元负责系统的调度和管理工作。

本发明具有如下优点：1.具有高可靠性。硬件的CPU、现场总线接口及电源均采用相同且独立的硬件装置，主备冗余工作模式，软件采用LINUX嵌入式操作系统；无论出现何种故障，如电源故障、CPU故障、现场总线故障或软件故障等，均不影响装置的正常工作。可广泛应用在工业过程自动化和工业制造自动化领域，包括：冶金、化工、电力、制药、造纸等相关行业，尤其在连续生产的自动化过程控制领域。

2.具有分散控制特点。本发明废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的控制功能和DCS的输入输出功能分散到网络上的现场设备，从而构成现场总线控制站，控制功能由现场设备实现，从而实现彻底的分散控制，体现了系统结构的高度分散性。

3.具有自动化综合能力。本发明突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行硬线连接来实现所造成的弊端，可节约大量通讯线缆；把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块下放到现场设备，便于将规范的自动化设备通过现场总线网络连成系统，实现综合自动化的各种功能。

4.具有高实时性。本发明废弃了以往“网关”式透明数据访问机制，硬件网络拓扑应用基于分层分布式的现场总线网络架构，软件技术采用每个现场总线接口均分配独立的工作线程，下行现场总线采集数据实时更新到用户数据区(根据用户配置文件，可编程、归纳、整理和计算各种数据)，上行以太网仅对用户数据区进行数据交换；极大提高了网络数据的实时性，尤其是现场总线子站设备(网络节点)较多的应用场合。

5.具有系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。通信协议一致公开，各个不同厂家的设备之间可实现信息交换.本发明致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过本发明构筑自动化领域的开放互连系统。

6.具有互操作性与互用性.本发明的互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。

7.具有现场设备的智能化与功能自治性。本发明将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

8.具有对现场环境的适应性.本发明工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双纹线，同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力。

9.节省硬件数量与投资。由于本发明分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂连接，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。

10.节省安装费用。本发明的接线十分简单，一对双纹线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少.当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

11.节省维护开销。由于本发明具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

12.用户具有高度的系统集成主动权.采用本发明用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统.避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成权牢牢掌握在用户手中。

13.提高了系统的准确性.由于本发明的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差；同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，进一步提高了系统的工作可靠性。

Claims

1.一种冗余式智能型网络通讯控制器，该系统包括中央控制器CPU、以太网接口、现场总线接口及电源，其中由ARM9作为其中央控制器CPU，设置一组与同结构的作为备用或主用网络通讯控制器相连接的光隔离I/O总线接口。

2.根据权利要求1所述的冗余式智能型网络通讯控制器，其特征在于由两部网络通讯控制器分别作为主用控机和备用控机系统，CPU采用ARM9系列高性能32位CPU，其中现场总线接口包括①工业以太网接口(1A，1B互为备用)②H1类低速现场总线接口2A/2B、3A/3B互为备用，采用标准RS-485或RS-422接口，最高通讯速率可达38.4K，通讯协议采用MODBUS RTU，符合国标GB/Z19582.1-2004基于MODBUS协议的工业自动化网络规范第1、2部分，③高速现场总线接口(4A/4B、5A/5B互为备用)；具备多种高速现场总线接口，其中：Profibus-DP总线：通讯速率187.5K/500K/1500K/3000K可选DeviceNet总线：通讯速率125K/250K/500K可选CANBus总线：通讯速率125K/250K/500K可选。

3.根据权利要求1所述的冗余式智能型网络通讯控制器，其特征在于采用LINUX系统平台、模块化设计，支持标准H1、H2类工业现场总线；多线程设计和调度管理，支持冗余处理，满足大系统、高可靠性的要求；内置双机容错模块，支持双网络热备用方式及双机冗余处理和现场总线的通道(上行和下行)故障自动切换。软件采用C语言(GUN C)编写，具有良好的可移植性；内置Profibus-DP、DeviceNet总线、CANBus、IEC870系列规约、Modbus工业现场总线通讯协议，支持协议的在线扩充功能；内置EtherNet/IP或MODBUS/TCP的工业以太网规约。支持用户配置文件的上载、下载，实现现场总线数据的归纳、整理和计算功能。实时数据库响应平均＜1S；CPU平均负荷在通讯口满载时＜30％。

4.根据权利要求1所述的冗余式智能型网络通讯控制器，其特征在于网络拓扑采用分层分布式结构，站控层网络采用双网或单网冗余工作模式。