CN101226397A - 高可靠性分布式以太网测控系统 - Google Patents

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陆国彦
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Abstract

本发明公开了一种高可靠性分布式以太网测控系统。该测控系统包括具有网络通信功能的主中央控制计算机，该主中央控制计算机通过网络线与网络交换机连接，该网络交换机通过网络线与节点机连接，该节点机通过AD/DA板分别与多路传感器和执行机构连接。本发明将各个传感器的信号输出和对于执行装置的控制命令经转换后在公共数据总线上传输，这样有以下几点技术效果：数据在公共总线上传输使得布线数量大大减少；数字化的信号不易受外界电磁信号干扰，即使受到了干扰，也可以用以太网络的标准纠错机制重发；本系统的冗余机制为系统提供了较高的可靠性；传出、传入信号共用一条总线，可以降低系统成本。

Description

高可靠性分布式以太网测控系统
技术领域
本发明属于测控总体技术，特别是一种以工业以太网总线为公共传输通道的高可靠性分布式测控系统。
背景技术
测控系统指的是以数字或模拟传感器为基础，以电动机、液压、气压等装置为执行机构的动力源的系统，由一台或几台计算机系统进行控制。
目前，传统的测控系统采用的信号传输方式是集中型的，主要是将各个传感器经由信号线连接到一个或数个数据采集装置上，然后进行信号调理、采样等变换，最后进行标准信号转换，使原信号变为标准电流信号或标准电压信号，这种标准信号再进入控制计算机或PLC装置中进行读取或处理。该技术方案有其本质的不足：(1)各传感器信号线繁多，特别是传感器数量多的情况下，和在机械结构、布局空间有限的情况下大量的线束布局非常困难；(2)大量的线束成为接收外界电磁干扰的灵敏的天线，尤其严重的是电磁干扰会影响测试信号的正确性；(3)控制信号与传感器的采集信号传输和处理是两套分离的系统，增加了系统的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过以太网总线传输多个信号，并具有优良的数据通信能力、数据转换能力和高可靠性的分布式以太网测控系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高可靠性分布式以太网测控系统，包括具有网络通信功能的主中央控制计算机，该主中央控制计算机通过网络线与网络交换机连接，该网络交换机通过网络线与节点机连接，该节点机通过AD/DA板分别与多路传感器和执行机构连接；
多路传感器将测量的数字量或模拟量变为4-20毫安电流或0-10V电压的标准信号后输入AD/DA板进行AD转换，AD芯片以不小于2倍输入信号频率的采样频率进行采样、分级后将模拟信号变成数字信号，然后将数字信号通过PC104总线送入节点机的中央控制器，该中央控制器对此信号进行标识和封装，形成带有源IP地址和目的IP地址的数据报，然后将此数据报再次封装，加上本机网卡地址，和目的网卡地址，即上位机网卡MAC地址后通过PC104总线送往节点机的以太网界面卡，该以太网界面卡将数据组装成帧并将其变为电平信号发送到以太网总线上，由主中央控制计算机中的以太网界面卡接收、处理和存储；
主中央控制计算机的CPU将某个节点执行机构的指令打包成IP数据报并发送到工业控制计算机的以太网界面卡中，该以太网界面卡将数据组装成帧并将其变为电平信号广播到以太网总线上，由节点机的以太网界面卡接收后，将帧拆开，分离出IP数据报，再将IP数据报拆开，分离出指令，节点机的中央控制器通过PC104总线将指令送往AD/DA板，该AD/DA板将指令送往执行机构或执行机构的驱动器来执行。
本发明与现有技术相比，其显著优点：将各个传感器的信号输出和对于执行装置的控制命令经转换后在公共数据总线上传输，这样有以下几点技术效果：(1)数据在公共总线上传输使得布线数量大大减少；(2)数字化的信号不易受外界电磁信号干扰，即使受到了干扰，也可以用以太网络的标准纠错机制重发；(3)本系统的冗余机制为系统提供了较高的可靠性；(4)传出、传入信号共用一条总线，可以降低系统成本。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
附图是本发明高可靠性分布式以太网测控系统原理图。
具体实施方式
结合附图，本发明高可靠性分布式以太网测控系统，包括具有网络通信功能的工业控制计算机，即主中央控制计算机，该工业控制计算机通过网络线与网络交换机连接，该网络交换机通过网络线与节点机连接，该节点机通过AD/DA板分别与多路传感器和执行机构连接。该执行机构为电机、液压系统或气动系统。
多路传感器将测量的数字量或模拟量变为4-20毫安电流或0-10V电压的标准信号后输入AD/DA板进行AD转换，AD芯片以不小于2倍输入信号频率的采样频率进行采样、分级后将模拟信号变成数字信号，然后将数字信号通过PC104总线送入节点机的中央控制器，该中央控制器对此信号进行标识和封装，形成带有源IP地址和目的IP地址的数据报，然后将此数据报再次封装，加上本机网卡地址，和目的网卡地址，即上位机网卡(MAC)地址后通过PC104总线送往节点机的以太网界面卡，该以太网界面卡将数据组装成帧并将其变为电平信号发送到以太网总线上，由工业控制计算机(主中央控制计算机)中的以太网界面卡接收、处理和存储。
工业控制计算机的CPU将某个节点执行机构的指令打包成IP数据报并发送到工业控制计算机的以太网界面卡中，该以太网界面卡将数据组装成帧并将其变为电平信号广播到以太网总线上，由节点机的以太网界面卡接收后，将帧拆开，分离出IP数据报，再将IP数据报拆开，分离出指令，节点机的中央控制器通过PC104总线将指令送往AD/DA板，该AD/DA板将指令送往执行机构或执行机构的驱动器来执行。
上述的高可靠性分布式以太网测控系统中，可以将两台工业控制计算机通过网络传输介质组成的心跳线连接，该心跳线分别插入每台工业控制计算机的一个网络界面卡中，每隔一定时间互相发送一对ping包，并等待一定时间，如果未收到对方的应答信号则认为对方机器工作异常，备份机及时进行记录和报警，并接替主机的工作，继续接收传感器发送的测试量并向执行机构发送指令。网络交换机上也可以通过双冗余通道连接备份交换机，当主交换机失效时，备份交换机通过冗余的物理线路自动接替工作。
实施例。本发明高可靠性分布式以太网测控系统含有：双冗余中央控制计算机、心跳线及支持心跳线的网络适配器、双冗余工业以太网总线交换机、具有AD/DA转换功能的节点机若干台、双环冗余工业以太网光纤或双绞线。上述每台中央控制计算机和节点机均具有自己的网络界面卡、操作系统和IP地址，有Socks编程界面的支持。
中央控制计算机负责总体测量和控制信息的汇总和发送，在操作系统和应用软件的控制下，完成人机界面显示、数据分析和处理、数据记录、监控、报警、打印等功能。
中央控制机是由2台高可靠性嵌入式32位计算机(研华UNO-2053E)组成，板上集成AMD GX2-400MHz CPU，2个RS-232和1个DB-15VGA接口，2个RealtekRTL8139CL 10/100Base-T RJ-45端口网卡，2个USB接口1个Type I/II PC卡插槽，采用嵌入式Linux操作系统和Xwindows图形用户界面。
心跳线采用普通5类或6类以太网双绞线，分别插入每台中央控制机的一个RTL8139CL网络接口卡中，在系统软件的控制下，每隔一定时间(一般为100毫秒，应根据不同的系统确定最小响应时间)互相发送一对ping包，并等待一定时间(一般为100毫秒，应根据不同的系统确定最小响应时间)，如果未收到对方的应答信号则认为对方机器工作异常，本机及时进行记录和报警，并接替对方的工作，继续接收传感器发送的测试量并向执行机构发送指令。
节点机是体积较小，耗电很少并能耐受恶劣环境的的嵌入式计算机(蓝天BS-PCC-3359)，并在其上插入了具有标准PC104总线的多功能AD/DA板，具体的测控点数由不同的系统确定。
输入：使用具有标准PC104总线的多功能AD/DA板(研华PCM-3718H/HG)，插入节点机的PC104总线中。传感器将测量的数字量或模拟量(比如：加速度传感器测量到的振动、位移传感器测量到的移动等)变为4-20毫安电流或0-10V电压的标准信号后输入AD/DA板进行AD转换，AD芯片以不小于2倍输入信号频率的采样频率进行采样、分级后将模拟信号变成数字信号，然后将数字信号通过PC104总线送入中央控制器，中央控制器按程序对此信号进行标识和封装，形成带有源IP地址和目的IP地址的数据报，然后将此数据报再次封装，加上本机MAC地址，和目的MAC地址，即上位机MAC地址后通过PC104总线送往以太网界面卡，以太网界面卡将数据组装成帧并将其变为电平信号发送到以太网总线上，由主中央控制计算机中的另一个Realtek RTL8139CL 10/100Base-T RJ-45端口网卡接收、处理和存储。
输出：使用具有标准PC104总线的多功能AD/DA板(研华PCM-3718H/HG)，插入节点机的PC104总线中。CPU将给以某个节点执行机构的指令打包成IP数据报并通过PC104总线发送到以太网网络界面卡Realtek RTL8139CL中，以太网界面卡将数据组装成帧并将其变为电平信号广播到以太网总线上，由节点机接收后，将帧拆开，分离出IP数据报，再将IP数据报拆开，分离出数据指令，节点机将指令送往执行机构或执行机构的驱动器来执行。
双冗余工业以太网交换机为工业以太网交换(美国科动工业以太网交换机EICP8M-100T)，处于网络交换中心的地位，用于在最短的时间内传输正确的网络帧并保证尽量少的帧冲突和丢包。双冗余交换机内部之间和各节点与交换机之间通过双冗余物理线路(光纤或双绞线)连接，并监控对方交换机的通信，一旦发生除线路物理层损坏的通信故障情况，交换机可以在1-2毫秒内取代对方并恢复通信。
中心控制计算机、双冗余工业以太网交换机、节点机之间的接口均使用标准的RJ-45插头和插座，总线电缆使用5类、5类增强或6类双绞线，为避免电磁辐射的影响，总线电缆在布线施工时放入密封金属槽内，并使金属槽良好接地。
本发明高可靠性分布式以太网测控系统的应用实例：
在无锡锡通沥青搅拌测控系统上，使用温度传感器测量的干燥筒温度信号、重量传感器测量进料重量信号为模拟信号，分别接入距离它们最近的节点机1，加速度传感器测量振动筛的振动信号、搅拌缸缸门门开关信号分别接入距离它们最近的节点机2，热料缸门驱动信号、冷骨料传送带启动信号为数字信号，分别接入距离它们最近的节点机3。
中央控制计算机主机和备份机位于控制室内的控制台上，同时工作，双冗余工业以太网交换机位于位于搅拌机配电箱中心，显示人机界面，等待工人输入参数，存储参数并自动计算原料的比例。
此方案通过以太网总线将各种传感器信号和控制信号传输到中心控制机或执行机构的控制板。由于具备这种总线型的体系结构，整个系统的线缆数量由传感器到中央控制机逐步下降，直至最后只需要一根电缆通到中央控制计算机，并具有抗强电磁干扰、高可靠性和高速度的优势。

Claims (4)

1.一种高可靠性分布式以太网测控系统，包括具有网络通信功能的主中央控制计算机，其特征在于：该主中央控制计算机通过网络线与网络交换机连接，该网络交换机通过网络线与节点机连接，该节点机通过AD/DA板分别与多路传感器和执行机构连接；
多路传感器将测量的数字量或模拟量变为4-20毫安电流或0-10V电压的标准信号后输入AD/DA板进行AD转换，AD芯片以不小于2倍输入信号频率的采样频率进行采样、分级后将模拟信号变成数字信号，然后将数字信号通过PC104总线送入节点机的中央控制器，该中央控制器对此信号进行标识和封装，形成带有源IP地址和目的IP地址的数据报，然后将此数据报再次封装，加上本机网卡地址，和目的网卡地址，即上位机网卡MAC地址后通过PC104总线送往节点机的以太网界面卡，该以太网界面卡将数据组装成标准以太网络帧并将其变为电平信号发送到以太网总线上，由主中央控制计算机中的以太网界面卡接收、处理和存储；
所述的主中央控制计算机的CPU将给某个节点执行机构的指令打包成IP数据报并发送到工业控制计算机的以太网界面卡中，该以太网界面卡将数据加入目的节点机的MAC地址并组装成标准以太网络帧并将其变为电平信号广播到以太网总线上，由节点机的以太网界面卡接收后，将帧拆开，分离出IP数据报，再将IP数据报拆开，分离出指令，节点机的中央控制器通过PC104总线将指令送往AD/DA板，该AD/DA板将指令变为模拟信号送往执行机构或执行机构的驱动器来执行。
2.根据权利要求1所述的高可靠性分布式测控系统，其特征在于：执行机构为可以接收模拟或数字信号的电机、液压系统或气动系统。
3.根据权利要求1所述的高可靠性分布式测控系统，其特征在于：两台工业控制计算机通过网络传输介质组成的心跳线连接，该心跳线分别插入每台工业控制计算机的一个网络界面卡中，每隔一定时间互相发送一对ping包，并等待一定时间，如果未收到对方的应答信号则认为对方机器工作异常，备份机及时进行记录和报警，并接替主机的工作，继续接收传感器发送的测试量并向执行机构发送指令。
4.根据权利要求1所述的高可靠性分布式测控系统，其特征在于：网络交换机及所有节点机上通过双冗余通道连接备份交换机，当主交换机失效时，备份交换机自动接替工作。
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