CN101489119A - 一种无线可编程控制器及其数据通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及监控设备领域，所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够进行大流量稳定通讯的无线可编程控制器及其数据通讯方法。其结构包括传统无线可编程控制器的处理器、存储器、输入输出电路、数据通讯控制器、隔离电路和接线端子等结构，处理器分别连接存储器、输入输出电路和数据通讯控制器，输入输出电路和数据通讯控制器通过隔离电路连接接线端子，其改良的结构在于还设有3G模块与处理器连接。其原理是将3G模块集成在可编程控制器内部，设立专门的3G通讯接口，只为无线通讯提供服务。其优点是大大拓展了数据通讯的带宽和提高了数据处理能力，并能实现实时视频传输的功能。

Description

一种无线可编程控制器及其数据通讯方法

技术领域

本发明涉及监控设备领域，更具体的说是一种能够进行远程大数据量快速、稳定通讯的无线可编程控制器及其数据通讯方法。

背景技术

无线可编程控制器，为工业领域一种重要的数据采集控制与传输装置，实现工业现场设备的远程管控。

随着工业化和信息化融合的发展趋势，工业设备朝着智能化控制、分布式管理、网络化操作的方向发展。无线可编程控制器由于安装方便，布控灵活，可编程控制功能，具有传统有线监控设备无法比拟的优越性，以此无线可编程控制器得到了迅速的推广。

然而由于技术的限制，目前的无线可编程控制器在网络配置管理上需要针对具体的网络类型、协议进行具体的配置和管理；如果用户需要无线高带宽则需要架设价格昂贵的专用无线宽带网络。而且随着通讯距离的加长，建设通讯网络的成本越高，因此现有的无线可编程控制器一般局限在很小的范围内，比如海上油气田的监控端一般只能设置在海上平台上的监控室内，只能实现本地无线监控，很难达到远程监控的目的。这样的监控水平远远达不到高危场所的监控安全性要求，因为一旦监控本地出现危险隐患，远程监控中心无法同步获得信息，无法做出快速措施来防范危险的发生。

随着技术的进步和第三代移动通信技术(3G)的普及，在不影响现有工业控制系统的正常功能的前提下而使系统利用技术进行远程传输成为一种需求。然而由于传统开发3G通讯芯片的厂家并不涉及可编程控制器的开发，因此在可编程控制器领域上对3G技术的利用只是简单的将3G模块接入可编程控制器的传统数据接口上。通过“3G控制器-传统数据接口-隔离电路-数据通讯控制器-处理器”这样一个过程进行数据通讯，数据到达处理器需要进行3G控制器和数据通讯控制器两层数据解析，在进行大流量通讯，如视频传输，会产生滞后；而且受到了传统数据接口和隔离电路带宽的影响，大大限制了3G网络的通讯能力。

而且由于第三代移动通信技术才刚刚普及，特别是我国在2008年才开始进行正式运营，网络的稳定性还远远达不到安全监控的要求。另外高危工业一般是建设在远离市区的地方，其移动网络基站的分布稀少，导致了网络稳定性更是无法得到保障。因此如何提高通讯的稳定性也是现有无线可编程控制器攻关的技术难题。

由于上述种种技术的限制，现有在高危场所，如油气领域，无线可编程控制器还只能局限在作为一种辅助的监控设备，而且无法实现实时视频监控。可靠的监控还是采用传统的有线监控设备和依靠有经验工作人员的专业判断，无法充分体现无线可编程控制器的优越性。为了能够直观的了解被监控场所的情况，视频监控技术也进一步被列入下一代无线可编程控制器的研究重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够进行大流量稳定通讯的无线可编程控制器及其数据通讯方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的。

本专利所设计的无线可编程控制器，包括传统无线可编程控制器的处理器、存储器、输入输出电路、数据通讯控制器、隔离电路和接线端子等结构，处理器分别连接存储器、输入输出电路和数据通讯控制器，输入输出电路和数据通讯控制器通过隔离电路连接接线端子，其改良的结构在于还设有3G模块与处理器连接。其原理是将3G模块集成在可编程控制器内部，设立专门的3G通讯接口，只为无线通讯提供服务。3G模块包括用于将数据进行标准解析的3G标准控制器和用于数据发送和接收的3G标准收发器，3G标准控制器和传统输入输出电路、数据通讯控制器通过并联方式直接接入处理器的通讯总线。直接在可编程控制器的通讯总线上为无线通讯建立单独的信道，通讯过程为“3G控制器-处理器”。一方面绕过了传统的电路结构，不会受到传统数据接口和隔离电路带宽的影响，大大拓展了数据通讯的带宽；另一方面整个通讯过程只进行一次数据解析，大大提高了数据处理能力，进一步的使得可编程控制器实时视频监控的功能拓展成为切实可行的方案。

本发明为连接监控设备提供了多种不同类型的数据处理电路，所述输入输出电路至少包括模拟量输入输出电路、数字量输入输出电路或脉冲量输入输出电路中的一种或多种。所述数据通讯控制器至少包括RS232控制器、RS485控制器或以太网控制器中的一种或多种。相应的提供了多种不同的数据接口，所述接线端子至少包括I/O接线端子、DB9接头、RS485接线端子或RJ45接头中的一种或多种。为了存取和缓冲数据，所述存储器包括内部存储器和外扩存储器。

为了提高系统的稳定性和安全性，本发明所述3G标准控制器包括TD-SCDMA控制器、W-CDMA控制器和CDMA2000控制器三种。W-CDMA，也称WCDMA，全称为Wideband CDMA，也称CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的技术规范；CDMA2000，是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也成为CDMAMulti-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出；TD-SCDMA，全称为Time Division-Synchronous CDMA(时分同步CDMA)，该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融入其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。该标准是中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信)向ITU提出。由于无线网络的不稳定性，采用单一的网络进行通讯将导致安全性大打折扣。在我国范围内同时覆盖了这三个网络，不同区域的不同信号强弱不一，但一般情况下均至少有一个能够满足进行3G的大流量通讯。因此本发明特别集成了上述当今稳定性最好的三大3G网络标准的控制器，能够在三个3G网络之间择优切换，为数据通讯提供可靠的保障。

现有技术中网络接口为被监控场所常设的接口，因此本发明进一步利用此接口再增加一道保障措施。本发明在内嵌实时操作系统设有TCP/IP协议解析功能，使得可编程控制器能够支持TCP/IP协议栈，与普通互联网进行通讯。由于在被监控场所附近一般都设有网络接口，因此可以直接将可编程控制器与网络接口连接，无需另外架设线路。监控端可以通过互联网接收信息和发送命令至可编程控制器，如同3G网络一样在无需另外架设通讯设施的情况下实现远程监控。作为3G网络的辅助保障措施，进一步提高了系统的安全性，还可以进行一般网络功能的拓展，且十分经济。

当然除了3G网络外，本发明也可以在接线端子上外接其他无线通讯模块，使本发明兼容GPRS、SMS、CDMA1X、彩信等功能。这些模块同样能够实现远程监控，虽然数据传送量远小于3G网络，但适用于对数据传送量和实时性要求不高的监控场所。

由于本发明解决了数据的流量和稳定性问题，使得视频的实时远程监控成为实质可行的方案。因此本技术可以设有视频监视装置连接接线端子，为监控人员提供直观的实时监控视频，进一步提高了无线可编程控制器的安全监控能力，使得无线可编程控制器具有全面替代传统的有线监控设备的能力，体现无线可编程控制器的优越性。

上述无线可编程控制器的具体数据通讯方法，包括以下步骤：

数据发射阶段：

①接线端子接收现场仪表将采集的监控数据，通过输入输出电路和数据通讯控制器传送到处理器；

②处理器将监控数据存入存储器中，并通讯总线直接传送到3G模块对监控数据进行3G标准解析；

③将经过3G标准解析的监控数据直接通过3G模块发送到远程监控端；

命令接收阶段：

④远程监控端通过3G网络发送控制命令至无线可编程控制器；

⑤3G模块接收控制命令后进行3G标准解析，处理器将经过3G标准解析后的控制命令存储到存储器中；

⑥处理器将经过3G标准解析后的命令通过输入输出电路和数据通讯控制器传送到相应接线端子，实现对现场仪表的控制。

为了提高数据通讯的稳定性，特别在步骤③和步骤④中3G模块根据配置选择TD-SCDMA网络、W-CDMA网络和CDMA2000网络，并采用此网络建立通讯链路。

本发明在无线可编程控制内部直接集成了3G模块，解决了数据通讯的瓶颈问题，缩短数据处理过程，大大扩充了无线数据通讯的带宽，提高了数据处理能力。能够在至少三个通用3G网络之间切换，保证无线数据通讯的稳定性，使得无线可编程控制器能够符合高危产业的监控稳定性要求。利用了常设的网络接口能够低成本的实现多道保障和多种功能拓展。本发明具备远程实时视频监控拓展能力，采用简单的技术实现了下一代无线可编程控制器，大大降低了系统开发的成本。因此本专利相对于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1为本发明的硬件结构框图；

图2为本发明的软件结构图；

图3为本发明的数据流程图；

图4为本发明的协议选择方法流程图。

具体实施方式

如图1所示的基于第三代移动通信技术(3G)标准的无线可编程控制器，适用于工业数据采集与控制、通讯节点、协议转换方面。无线可编程控制器包含处理器1、模拟量输入输出电路2、数字量输入输出电路3、脉冲量输入输出电路4、RS232控制器器5、RS485控制器6、以太网控制器7、隔离电路8、I/O接线端子9、DB9接头10、RS485接线端子11、RJ45接头12、内部存储器13、外扩存储器14、3G标准控制器15、3G标准收发器16和交直流电源。

其电路的连接关系是：以处理器1为中心，与3G标准控制器15、模拟量输入输出电路2、数字量输入输出电路3、脉冲量输入输出电路4、RS232控制器5、RS485控制器6、以太网控制器7、内部存储器13和外扩存储器14之间互联，模拟量输入输出电路2、数字量输入输出电路3、脉冲量输入输出电路4、RS232控制器5、RS485控制器6和以太网控制器7与隔离电路8互联，隔离电路8与接线端子9、DB9接头10、RS485接线端子11、I/O RJ45接头12互联，交直流电源为上述设备供电。

如图2所示，该无线可编程控制器还包含采集器内嵌的RTOS实时操作系统、IEC61131-3标准编程软件、3G标准编译软件，应用软件及通讯协议和基于PC的配置软件。从软件结构可以看出3G标准编译软件和IEC61131-3标准编程软件为并行接入RTOS实时操作系统，3G标准编译软件具有独立的数据处理信道，相对于其他数据传送方式具有高一级别的优先性，提高了数据处理和传送的能力，在软件结构上实现了大流量通讯。基于3G标准的无线可编程控制器软件是由32位处理器自带的核心驱动程序，移植在其之上的RTOS操作系统(RealTime Operation System实时操作系统)，IEC61131-3标准编译软件，3G标准编译软件，应用软件和通讯协议如：IEC61131-3标准代码、MODBUS RTU/ASCII/TCP协议、DNP协议、TCP/IP协议、自定义协议软件模块组成。RTOS负责管理系统资源和任务以及中断等。最底层的软件为设备驱动程序，它由硬件的类型决定，直接驱动硬件工作。

本发明所述的处理器1，采用工业级32位处理器作为系统核心，采集模拟量、数字量、脉冲输入输出电路信号，RS232控制器、RS485控制器、以太网控制器传送过来的数据，存储到内部存储器13和外扩存储器14，通过3G标准控制器15和3G标准收发器16将数据传送出去；通过3G标准控制器15和3G标准收发器16将远端的数据存储到内部存储器13和外扩存储器14，再通过模拟量、数字量、脉冲输出电路信号，RS232控制器、RS485控制器、以太网控制器反馈到各个现场工业控制设备。32位处理器作为系统的核心，完成操作系统、编译软件、通讯协议的实现和中断相应，完成采集器自带的I/O接口的A/D、D/A转换及数据存储；内部存储器用来存储代码、配置参数和数据，外扩存储器用来存储历史数据。

在与感应器连接的方面主要包括以下几种：带有基本的模拟量输入接口、数字量输入接口、脉冲量输入接口，可以采集现场仪表，如压力变送器、温度变送器、液位变送器、流量计(带脉冲输出的)、可燃气体报警器、有毒气体报警器等的信号及状态；带有模拟量输出接口、数字量输出接口、脉冲量输出接口可以控制现场仪表，如蝶阀的开度、电磁阀的开关、电机的转速等；带有RS232接口、RS485接口(波特率可以设置为1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600bps)，以太网接口；支持MODBUS RTU/ASCII/TCP协议、Ethernet TCP/IP协议、DNP协议以及自己定义通讯协议；通过基于PC的配置软件，可以实现协议选择和参数配置；带有状态指示灯，如处理器状态指示灯，模拟量输入输出、数字量输入输出、脉冲量输入输出指示灯，RS232接口通讯指示灯，网络连接、通讯指示灯等，方便诊断故障；内置嵌入式WEB服务器，可通过IE浏览器查看相关设备信息。

从图3可以看出本发明的数据采集与控制流程，其步骤是：从【初始化硬件及存储器】到【内部存储器】到【模拟量输入输出采集与控制】、【数字量输入输出采集与控制】、【脉冲量输入输出采集与控制】、【外扩存储器】、【串口、RS485控制器收发】、【以太网控制器收发】、【3G标准控制器收发】。其中【串口、RS485控制器收发】通过【MODBUS、自定义协议解析】到【串口、RS485接口收发】，【以太网控制器收发】通过【MODBUS TCP、DNP、TCP/IP协议接卸】到【RJ45接口收发】，【3G标准控制器收发】通过【3G标准解析】到【3G标准收发器收发】。其中【3G标准解析】包含了【TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000三种标准的解析】。

结合图4可以了解本发明的协议选择方法流程，从【初始化硬件及存储器】到【内部存储器】，然后分四路：第一路是到【建立内部总线协议解析任务】、【运行内部总线协议解析任务】；第二路是到【建立MODBUS、自定义协议解析任务】、【运行MODBUS、自定义协议解析任务】；第三路是到【建立MODBUS TCP、DNP、TCP/IP协议解析任务】、【运行MODBUS TCP、DNP、TCP/IP协议解析任务】；第四路是到【建立3G标准解析任务】、【运行3G标准解析任务】。其中【3G标准】包含了【TD-SCDMA/W-CDMA/CDMA2000三种标准】。

从数据采集与控制流程和协议选择方法流程可以看出，【3G标准解析】是单独接入处理器的数据处理总线，只需经过一次数据解析即可直接进行数据处理，大大提高了系统的数据处理能力，为大流量通讯提供了硬件基础。

本发明为基于第三代移动通信技术(3G)标准的无线可编程控制器，为一种工业自动化控制领域的新型无线网络采集、控制及数据传送产品，既可以实现通过3G标准网络远程无线采集与控制带模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、脉冲量输入输出接口、RS232接口、RS485接口、以太网接口的设备，其本身也可以作为工业现场控制现场的一个采集与控制节点接入到3G标准网络中。第三代移动通信技术(3G)为工业现场设备远程管理提供了一个覆盖广泛的高速无线通信网络，内置第三代移动通信技术的无线可编程控制器具备以下优点：技术成熟，网络稳定，覆盖范围广，接入方便；可实现高速数据传输；接口类型丰富：含AI、DI、PI数据采集接口，AO、DO、PWM输出控制接口，RS232、RS485、Ethernet通讯接口，可通过3G网络将现场生产信息很方便的发送到企业信息系统。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线可编程控制器，包括处理器、存储器、输入输出电路、数据通讯控制器、隔离电路和接线端子，处理器分别连接存储器、输入输出电路和数据通讯控制器，输入输出电路和数据通讯控制器通过隔离电路连接接线端子，其特征在于还设有3G模块与处理器连接。

2.根据权利要求1所述的无线可编程控制器，其特征在于所述3G模块包括3G标准控制器和3G标准收发器，3G标准控制器和输入输出电路、数据通讯控制器通过并联方式直接接入处理器的通讯总线。

3.根据权利要求2所述的无线可编程控制器，其特征在于所述输入输出电路至少包括模拟量输入输出电路、数字量输入输出电路或脉冲量输入输出电路中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的无线可编程控制器，其特征在于所述数据通讯控制器至少包括RS232控制器、RS485控制器或以太网控制器中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的无线可编程控制器，其特征在于所述接线端子至少包括I/O接线端子、DB9接头、RS485接线端子或RJ45接头中的一种或多种。

6.根据权利要求2至5任一项所述的无线可编程控制器，其特征在于所述3G标准控制器包括TD-SCDMA控制器、W-CDMA控制器和CDMA2000控制器三种。

7.根据权利要求2至5任一项所述的无线可编程控制器，其特征在于无线可编程控制器支持TCP/IP协议栈。

8.根据权利要求2至5任一项所述的无线可编程控制器，其特征在于设有视频监视装置连接接线端子。

9.根据权利要求1所述的无线可编程控制器的数据通讯方法，其特征在于包括以下步骤：

数据发射阶段：

①接线端子接收现场仪表将采集的监控数据，通过输入输出电路和数据通讯控制器传送到处理器；

②处理器将监控数据存入存储器中，并通讯总线直接传送到3G模块对监控数据进行3G标准解析；

③将经过3G标准解析的监控数据直接通过3G模块发送到远程监控端；

命令接收阶段：

④远程监控端通过3G网络发送控制命令至无线可编程控制器；

⑤3G模块接收控制命令后进行3G标准解析，处理器将经过3G标准解析后的控制命令存储到存储器中；

⑥处理器将经过3G标准解析后的命令通过输入输出电路和数据通讯控制器传送到相应接线端子，实现对现场仪表的控制。

10.根据权利要求9所述的无线可编程控制器的数据通讯方法，其特征在于步骤③和步骤④中3G模块根据配置选择TD-SCDMA网络、W-CDMA网络和CDMA2000网络，并采用此网络建立通讯链路。

Images