CN101430554B - 用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统，其特征在于包括CPU板卡、列车总线板卡、车辆总线板卡、电源板卡和背板，CPU板卡、列车总线板卡和车辆总线板卡通过背板上的背板总线相连接；车辆总线板卡负责采集和控制WorldFIP总线上设备的数据流；列车总线板卡负责将WorldFIP总线上设备的数据流传输到总控制设备上并且返回控制信息；CPU板卡负责控制列车总线板卡和车辆总线板卡的工作时序及RS485/RS232数据流的生成。该网络控制平台是一种符合国际标准的WorldFIP网络技术，具有设计新颖、高可靠性等特点并且具有自主知识产权，适合在我国机车车辆和电厂等工业领域广泛的应用。

Description

用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统

技术领域

本发明涉及基于WorldFIP工业现场总线的网络控制，尤其涉及一种用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统。

背景技术

基于工业控制领域的控制方式，一般地还是采用直通导线式的控制方式居多，由于导线数量极多，接点处发生故障的几率很大，因此系统的可靠性很低，故障率高，维修难度很大。采用工业总线控制方式则越来越受到重视。

WorldFIP网络是一种专门为工业现场总线设计的网络，目前已成为一种在国外和国内大量使用的高可靠性现场总线网络，但由于专业性太强，对外接口还不是特别方便，应用难度也相对来说比较大。WorldFIP网络只是数据传输方式，重要的是怎么使用WorldFIP总线来构建整个网络系统的平台，并在该平台上进行数据流的交互。发明的基于WorldFIP总线的控制平台构建方式，对于实现传统工业控制的现代化具有十分重要的意义。与传统的控制方式相比，采用WorldFIP网络控制有以下优点：

特点	WorldFIP	传统方式
			可靠性	高	低
灵活性	好	差
			通用性	好	差
信息量	大	小
			可维护性	好	差
冗余	是	否
			成本	低	低

目前我国采用的WorldFIP总线配件都是采用国外的标准件，虽然有自主研发的相关产品，都只是简单的替换和代用，没有形成自主的产业结构。所以我国的WorldFIP总线技术始终处于一个初期的阶段，没有很好的利用这项先进的技术，所以我国急需一种自主研发的WorldFIP总线高端产品问世以带动我国整体水平的提高。

发明内容

本发明针对目前存在的问题，而研发一种兼容性高、设计新颖、灵活性强和有着自主知识产权的用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统。本发明的技术解决手段如下：

一种用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统，其特征在于包括CPU板卡、列车总线板卡、车辆总线板卡、电源板卡和背板，所述的CPU板卡、列车总线板卡和车辆总线板卡通过背板上的背板总线相连接；所述的电源板卡安装在背板上对CPU板卡、列车总线板卡和车辆总线板卡进行统一供电；

所述的车辆总线板卡负责采集和控制WorldFIP总线上设备的数据流；

所述的列车总线板卡负责将WorldFIP总线上设备的数据流传输到总控制设备上，并且返回控制信息；

所述的CPU板卡负责控制列车总线板卡和车辆总线板卡的工作时序及RS485/RS232数据流的生成，以及电压监视、软件狗和/或工作电源的控制。

所述的列车总线板卡包括WorldFIP协议控制器、介质冗余管理器、FIP总线驱动器、FIP隔离变压器和可编程逻辑器件，所述的设备数据通过可编程逻辑器件和背板总线传入WorldFIP协议控制器中，在经过介质冗余管理器、FIP总线驱动器和FIP隔离变压器传送到车辆总线上去；所述车辆总线板卡还可将车辆总线上的控制信号处理后传回到背板的总线上。

所述的车辆总线板卡的物理结构同列车总线板卡，不同之处在于它连接的车辆总线直接同设备进行对话，将设备上的数据传到背板的总线上，同时接收控制信号发送到设备上去。

所述的CPU板卡包括中央处理器、RS485/RS232总线接口和可编程逻辑器件，所述的中央处理器控制列车总线板卡和车辆总线板卡中WorldFIP协议控制器的工作时序、WorldFIP数据流的交换，以及RS485/RS232总线接口生成数据流，同时还负责电压监视、软件狗、工作电源的提供；所述的可编程逻辑器件对相关的地址、数据、控制信号处理成中央。

所述的可编程逻辑器件将WorldFIP协议控制器的信号进行逻辑组合后将信号传到背板总线和/或将背板总线上的信号采集过来进行逻辑处理后发给WorldFIP协议控制器。

WorldFIP网络接口及冗余网络接口由FIP总线驱动器和FIP隔离变压器组成FIP隔离变压器的任务是将WorldFIP外电路信号经过磁隔离送入FIP总线驱动器和/或将FIP总线驱动器的信号经高频变压器送入WorldFIP网络。

所述的FIP总线驱动器是WorldFIP协议控制器和FIP隔离变压器的电气接口，其结构由单元功能电路组成，它将WorldFIP协议控制器送来的数字信号转换成曼彻斯特信号，FIP总线驱动器送到FIP隔离变压器，或者将FIP隔离变压器送来的曼彻斯特网络信号解码为数字信号，送入WorldFIP协议控制器。

所述的WorldFIP协议控制器由模块电路构成，负责将控制器要传输的变量MPC或消息MSG打包成WorldFIP网络协议规定的数据流送到FIP总线驱动器或者将FIP总线驱动器送来的信号解析成标准数据并存入自身的缓存区，随之引发中断请求信号，以供控制器读取。

所述的背板总线结构将各种板卡有机的组合成一个整体，电源板卡采用模块化设计以负责整个平台的电源供电。

该工业网络控制系统是一种将符合EN50170和IEC61158标准的WorldFIP网络技术融入到工业控制领域，具有设计新颖、高可靠性、高灵活性和成本低廉的特点，在机车车辆和电厂等工业领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的CPU板卡结构框图；

图3为本发明的列车总线板卡和车辆总线板卡的结构框图；

图4为本发明CPU板卡中ARM 7及其外围电路接口电路图；

图5为本发明的列车总线板卡和车辆总线板卡中FULLFIP2的电路连接图；

图6为本发明的列车总线板卡和车辆总线板卡中FIPDUAL、FILEDRIVE和FIFLDTR电路连接图；

图7为本发明的CPLD电路连接图；

图8为WorldFIP网络控制系统拓扑结构图；

图9为本发明背板总线结构视图；

图10为本发明电源板卡的电路连接图；

图1为本发明的说明书摘要附图。

图中：1、CPU板卡，2、列车总线板卡，3、车辆总线板卡，

4、电源板卡，5、背板，6、中央处理器，7，7’、可编程逻辑器件，8、WorldFIP协议控制器，9、介质冗余管理器，10、FIP总线驱动器，11、FIP隔离变压器，12、RS485/RS232总线接口。

具体实施方式

如图1～图8所示，用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统，其特征在于包括CPU板卡1、列车总线板卡2、车辆总线板卡3、电源板卡4和背板5，所述的CPU板卡1、列车总线板卡2和车辆总线板卡3通过背板5上的背板总线相连接；所述的电源板卡4安装在背板5上对CPU板卡1、列车总线板卡2和车辆总线板卡3进行统一供电；所述的车辆总线板卡3负责采集和控制WorldFIP总线上设备的数据流；所述的列车总线板卡2负责将WorldFIP总线上设备的数据流传输到总控制设备上，并且返回控制信息；所述的CPU板卡1负责控制列车总线板卡2和车辆总线板卡3的工作时序及RS485/RS232数据流的生成，以及电压监视、软件狗和/或工作电源的控制。

列车总线板卡2包括WorldFIP协议控制器8、介质冗余管理器9、FIP总线驱动器10、FIP隔离变压器11和可编程逻辑器件7’，所述的设备数据通过可编程逻辑器件7’和背板总线传入WorldFIP协议控制器8中，在经过介质冗余管理器9、FIP总线驱动器10和FIP隔离变压器11传送到车辆总线上去；所述车辆总线板卡3还可将车辆总线上的控制信号处理后传回到背板5的总线上。FIP隔离变压器11为高频隔离变压器，它的隔离电压达3000Vrms，EMC满足IEC61000-4标准。

车辆总线板卡3的物理结构同列车总线板卡2，不同之处在于它连接的车辆总线直接同设备进行对话，将设备上的数据传到背板5的总线上，同时接收控制信号发送到设备上去。所述的可编程逻辑器件7’将WorldFIP协议控制器8的信号进行逻辑组合后将信号传到背板总线和/或将背板总线上的信号采集过来进行逻辑处理后发给WorldFIP协议控制器8。

CPU板卡1包括中央处理器6、和可编程逻辑器件7，所述的中央处理器6控制列车总线板卡2和车辆总线板卡3中WorldFIP协议控制器8的工作时序、WorldFIP数据流的交换，以及RS485/RS232总线接口12生成数据流，同时还负责电压监视、软件狗、工作电源的提供；所述的可编程逻辑器件7对相关的地址、数据、控制信号处理成中央。CPU板卡1的RS485/RS232总线接口12也同时具有对WorldFIP网络进行初始化配置的功能，我们编写了特定的配置软件，可以对WorldFIP网络进行初始化配置；CPU板卡1的对外接口电路RS485/RS232总线接口12将控制器生成的RS485和RS232信号送到RS485和RS232总线物理接口生成符合RS485和RS232通讯的信号与外界通信。

其中列车总线板卡2为TFIP板卡，车辆总线板卡3为VFIP板卡；介质冗余管理器9为FIPDUAL、FIP总线驱动器10为FIELDRIVE、FIP隔离变压器11为FIELDTR、可编程逻辑器件为CPLD 7，7’；中央处理器6为ARM(NET50+)主控制器是整个网关的核心部分，它由两部分组成：即硬件和控制软件。硬件的作用主要是负责控制WorldFIP协议控制器芯片的工作时序、WorldFIP数据流的交换，以及RS485、RS232数据流的生成，同时还要负责电压监视、软件狗、工作电源提供等，软件则完成各种功能的控制。WorldFIP协议控制器8是WorldFIP网络的核心器件为FULLFIP2，它负责将控制器要传输的变量(MPS)或消息(MSG)打包成WorldFIP网络协议所规定的数据流送到WorldFIP总线收发器，或者将WorldFIP总线收发器送来的信号解析成标准数据并将其存入自身的缓存区，随之引发中断请求信号，以供控制器读取。如图9所示这一组板卡由3块板卡构成，板卡与板卡之间的连接为背板总线，该背板遵循了标准的AT96总线，背板总线插座是将上述板卡连接起来的物理结构，它将板卡间的信号安照特殊的要求进行走线和电平匹配，同时提供了整个WorldFIP网络平台的110V的外电源供电接口。所述的背板设计是根据工业现场总线的特点设计的，背板总线信号均为5V系统，具有高的可靠性，在功能上除了板卡问的数据交换外还担负了区别TFIP板卡和VFIP板卡的功能，具有良好灵活性能和可扩展性能；图10所示电源板卡4采用的是模块化设计的方法，使用的核心电源模块为日本COSEL公司生产电源模块芯片如，目的是将+110V电压转换为+5V电源，供给机箱内板卡使用，是一个十分稳定的电源。

如图8所示，是对这3块板卡的具体使用做一个实例说明，对应与一列火车来说，外WorldFIP设备连接拓扑示意可以看成是3个车厢里面的设备，3套板卡组合也在车厢里面，VFIP板卡采集各自车厢的信息，TFIP板卡为车厢之间的数据交换单元这两块板卡的组合起到了将很多的WorldFIP设备能组合起来构建一个大的WorldFIP网络，有很多的车厢，那么每个车厢里面就需要一套这样的设备，V网板卡负责采集和控制车厢内的数据流，而T网板卡负责的是将车厢内的数据流传输到司机控制室，并且返回给车厢司机控制室的控制信息等。在实验室的演示平台上可以很清楚的区分出这个拓扑图：由TFIP网板卡、VFIP网板卡以及CPU板卡1块板卡组成WorldFIP的主控单元，MICROFIP板卡以及底层的IO等板卡、模拟量板卡组成WorldFIP的子设备单元。其中WorldFIP现场总线系统除V FIP网、TFIP网、MicroFIP底层IO子板还包括网络监控设备FIPSPY和WorldFIP的PC104显示单元(IDU)组成等。每个VFIP网的板卡和一块MicroFIP板卡连接起来，所有的TFIP网板卡均连通在一起。3节车厢的拓扑结构，最底层子板为数字量和模拟量板卡，板卡将信息交给MICROFIP板卡，将信息纳入了WorldFIP的数据格式中，然后由该车厢内车辆总线板卡VFIP、MICROFIP板卡的数据采集，通过TFIP板卡传给其他的车厢。同时反过来也是将其他车厢的信息发送到最底层的板卡。就是这样一个数据流程。当然，根据车厢的要求还可以带很多别的设备，比如门控制单元、空调控制单元等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于现场控制的WorldFIP网络控制平台系统，其特征在于包括CPU板卡(1)、列车总线板卡(2)、车辆总线板卡(3)、电源板卡(4)和背板(5)，所述的CPU板卡(1)、列车总线板卡(2)和车辆总线板卡(3)通过背板(5)上的背板总线相连接；所述的电源板卡(4)安装在背板(5)上对CPU板卡(1)、列车总线板卡(2)和车辆总线板卡(3)进行统一供电；

所述的车辆总线板卡(3)负责采集和控制WorldFIP总线上设备的数据流；

所述的列车总线板卡(2)负责将WorldFIP总线上设备的数据流传输到总控制设备上，并且返回控制信息；

所述的CPU板卡(1)负责控制列车总线板卡(2)和车辆总线板卡(3)的工作时序及RS485/RS232数据流的生成，以及电压监视、软件狗和工作电源的控制；所述的列车总线板卡(2)包括WorldFIP协议控制器(8)、介质冗余管理器(9)、FIP总线驱动器(10)、FIP隔离变压器(11)和可编程逻辑器件II(7’)，所述的设备数据通过可编程逻辑器件II(7’)和背板总线传入WorldFIP协议控制器(8)中，在经过介质冗余管理器(9)、FIP总线驱动器(10)和FIP隔离变压器(11)传送到车辆总线上去；所述车辆总线板卡(3)还可将车辆总线上的控制信号处理后传回到背板(5)的总线上；所述的车辆总线板卡(3)的物理结构同列车总线板卡(2)，不同之处在于它连接的车辆总线直接同设备进行对话，将设备上的数据传到背板(5)的总线上，同时接收控制信号发送到设备上去；所述的CPU板卡(1)包括中央处理器(6)、RS485/RS232总线接口(12)和可编程逻辑器件I(7)，所述的中央处理器(6)控制列车总线板卡(2)和车辆总线板卡(3)中WorldFIP协议控制器(8)的工作时序、WorldFIP数据流的交换，以及RS485/RS232总线接口(12)生成数据流，同时还负责电压监视、软件狗、工作电源的提供；所述的可编程逻辑器件I(7)对相关的地址、数据、控制信号进行处理并传送至中央处理器(6)中；所述的可编程逻辑器件II(7’)将WorldFIP协议控制器(8)的信号进行逻辑组合后将信号传到背板总线和/或将背板总线上的信号采集过来进行逻辑处理后发给WorldFIP协议控制器(8)；WorldFIP网络接口及冗余网络接口由FIP总线驱动器(10)和FIP隔离变压器(11)组成，FIP隔离变压器(11)的任务是将WorldFIP外电路信号经过磁隔离送入FIP总线驱动器(10)和/或将FIP总线驱动器(10)的信号经高频变压器送入WorldFIP网络；所述的FIP总线驱动器(10)是WorldFIP协议控制器(8)和FIP隔离变压器(11)的电气接口，其结构由单元功能电路组成，它将Worl dFIP协议控制器(8)送来的数字信号转换成曼彻斯特信号，由FIP总线驱动器(10)送到FIP隔离变压器(11)，或者将FIP隔离变压器(11)送来的曼彻斯特网络信号解码为数字信号，送入WorldFIP协议控制器(8)；所述的WorldFIP协议控制器(8)由模块电路构成，负责将控制器要传输的变量MPC或消息MSG打包成WorldFIP网络协议规定的数据流送到FIP总线驱动器(10)或者将FIP总线驱动器(10)送来的信号解析成标准数据并存入自身的缓存区，随之引发中断请求信号，以供WorldFIP协议控制器(8)读取；所述的背板总线结构将各种板卡有机的组合成一个整体，电源板卡(4)采用模块化设计以负责整个平台的电源供电。

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