CN102307226A - 一种分布式监控系统及其组态方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式监控系统及其组态方法。本发明目的是提供一种更加高效、可靠，实施方便简单的分布式监控系统及其组态方法。本发明的技术方案是：系统具有与网络总线相连接的配置节点、管理节点、网关节点和多个设备节点，其中：网络总线为任何一种支持广播通信的网络系统；管理节点用于接收设备节点的状态消息，并将故障信息报告给配置节点；网关节点用于扩展网段，转发各种广播消息；配置节点用于接收设备节点的复位消息，查询设备节点的相关功能属性，并根据配置信息设定设备节点。本发明适用于纺织、化工、食品、水处理等工业现场监控和自动化控制等应用场景。

Description

一种分布式监控系统及其组态方法

技术领域

本发明涉及分布式监控系统技术领域，尤其是一种分布式监控系统及其组态方法。可广泛应用于纺织、化工、食品、水处理等工业现场监控和自动化控制等应用场景。

背景技术

工厂自动化和过程自动化领域的现场监控设备类型包括传感器、变送器、执行器、控制器等末端机构(以下简称设备节点)，数量很多，传统模拟传感器、主机和多路采集卡或下位机的连接方式需要使用大量的电缆、端子、槽盒、桥架，布线复杂，调整、运行、维护和检修工作量很大，故障的定位和隔离也极为复杂，系统可靠性较差。

过去几十年中通过现场总线(如LonWorks、DeviceNet、Profibus)和各种网络传感器协议(如IEEE 1451Smart Sensor、Dallas 1-wire)将通信网络技术引入控制现场，使传感器等设备节点通过串行总线或菊花链的方式与主机或上位机互联，改模拟信号及控制指令为数字化传输，这大大简化了现场布线，也使主机可以处理更复杂的控制任务。早期此类系统的配置、管理都是通过编写专用程序来实现的，其开发工作量大、周期长，调试困难，而且系统扩展性差，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互。而一些图形化的组态软件的出现，大大降低了开发难度，通过提供标准的模块算法库和开放的网络接口，使过去需要几个月的工作，可以在很短的时间内完成，而且管理、配置简单。

随着自动化控制系统的不断进步和发展，现场设备智能程度的提高，控制变得越来越分散，分布在工厂各处的智能设备与工厂控制层之间需不断交换控制数据，导致现场设备间数据交换量飞速增长，使得对系统的管理和配置变得异常复杂。现有的组态方法多基于主/从式架构，上位机不仅承担着人机交互任务，而且大量的巡检、控制逻辑也放在上位机端。这种方式随着网络复杂度提高、节点数量增大，存在以下问题：(1)实时响应性能差，所有的事件要集中到上位机处理，上位机不仅要完成周期性的数据采集，还要处理异常事件，更新控制器状态及输出，以及驱动执行器。这对于有几千个设备节点的复杂系统，是无法满足其实时性要求的；(2)扩展性差，由于所有的数据要汇聚到上位机，若设备节点数量多，势必造成上位机所处网络负载大，导致数据无法正常传输；(3)可靠性差，由于所有的控制逻辑放在上位机端，一旦上位机出现故障，就会导致整个系统失效；(4)兼容性差，现有传感器等设备节点与主机通信缺乏统一标准，组态软件必须针对不同产品开发不同的驱动模块，否则无法使用。

因此，提供一种能适应各种不同规模的分布式监控系统组态方法，具备良好的实时响应性能，满足越来越复杂的过程监控及过程自动化系统就显得非常的必要和迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述现状，本发明提供了一种分布式监控系统及其组态方法，目的在于克服传统组态方法过分依赖于上位机，实时响应性、扩展性、可靠性差的缺陷，使监控系统更加高效、可靠，实施方便简单。另一目的是能提供故障诊断分析功能。

本发明所采用的技术方案是：分布式监控系统，具有与网络总线相连接的配置节点、管理节点、网关节点和多个设备节点，其中：

网络总线为任何一种支持广播通信的网络系统；

管理节点用于接收设备节点的状态消息，并将故障信息报告给配置节点；

网关节点用于扩展网段，转发各种广播消息；

配置节点用于接收设备节点的复位消息，查询设备节点的相关功能属性，并根据配置信息设定设备节点。

所述设备节点为与被控对象相关的包含了传感器节点、执行器节点或同时包含了传感器节点和执行器节点的设备节点。

所述传感器节点包括传感器、网络适配器、非易失性存储器、网络接口，其中网络适配器包括处理器和固件程序，所述传感器用于将各种物理量转化为网络适配器能处理的数字量，所述处理器执行存储在固件里的程序，接收网络接口的数据，将配置信息写入非易失性存储器中，并在传感器检测到了相关事件后，发送绑定的消息至网络接口。

所述传感器为温度传感器、压力传感器或流量传感器，传感器节点用于接收配置节点的各种查询及配置信息，并在设定的事件发生时发送动态绑定消息。

所述执行器节点包括执行器、网络适配器、非易失性存储器、网络接口，其中网络适配器包括处理器和固件程序，所述执行器用于将控制信号转换成相应的动作，所述处理器执行存储在固件里的程序，接收网络接口的数据，将配置信息写入非易失性存储器中，当接收到绑定的消息后触发执行器执行相应的动作。

所述执行器为控制开关、阀门、驱动电机或变频器，执行器节点用于接收配置节点的各种查询及配置信息，并在接收到动态绑定消息后触发相应的动作，用于驱动被控对象。

本发明采用分布式监控系统进行组态的方法，包括步骤：

1、配置节点启动，监听网络；

2、设备节点上电，发复位消息；

3、配置节点接收设备节点复位消息；

4、配置节点发出查询设备节点功能消息；

5、设备节点应答查询设备节点功能消息；

6、配置节点根据用户配置信息或配置文件发送动态绑定消息；

7、设备节点接收动态绑定消息，并保存在非易失性存储器(203)中；

8、设备节点根据配置信息，当绑定事件发生后，触发相应的所述动态绑定消息，并就该绑定事件作出相应的动作；

9、设备节点定期发出心跳消息；

10、管理节点接收设备节点心跳消息并记录，重置定时器；

11、管理节点在某设备节点心跳消息定时器超时后，发送设备节点故障消息；

12、配置节点在接收到设备节点故障消息后，根据配置信息，将发生故障的设备节点及关联的设备节点在人机交互接口上显示。

本发明的有益效果是：可在现有各种常见的工业控制现场总线上实行，将数据采集、执行、显示等功能分散到设备节点端，通过网络将传感器、执行器进行动态绑定，并利用消息机制进行触发，简化了上位机控制逻辑，消除了系统通信瓶颈，提高了监控系统的可靠性、可扩展性和实时响应性能。本发明操作简单、硬件系统要求低、成本低、适用面广，可广泛应用于纺织、化工、食品、水处理等工业现场监控和自动化控制等应用场景。

附图说明

图1是本发明实施例的系统部署结构图；

图2本发明实施例中设备节点的结构示意图；

图3是本发明实施例的配置过程流程图；

图4是本发明实施例的运行过程流程图；

图5是本发明实施例的故障诊断流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例在网络总线100上部署有一个配置节点101、一个管理节点102、一个网关节点103、被控对象104和多个设备节点。

所述设备节点包括了与被控对象相关的传感器、执行器和其它处理装置。一个设备节点可以只包括一个或多个传感器，或只包括一个或多个执行器，或同时包括一个或多个传感器和执行器。为简单起见，将只包括传感器的设备节点称为传感器节点；将只包括执行器的设备节点称为执行器节点。

如图2所示，本例中设备节点为与被控对象104相关的传感器节点105和执行器节点106。

所述传感器节点包括传感器207、网络适配器202、非易失性存储器203、网络接口204，其中网络适配器由处理器205和固件程序206构成。所述传感器207用于将各种物理量转化为网络适配器能处理的数字量。所述处理器205执行存储在固件里的程序，接收网络接口204的数据，将配置信息写入非易失性存储器中203，并在传感器207检测到了相关事件后，发送绑定的消息至网络接口204。

所述执行器节点包括执行器208、网络适配器202、非易失性存储器203、网络接口204，其中网络适配器202包括处理器205和固件程序206，所述执行器208用于将控制信号转换成相应的动作，所述处理器205执行存储在固件里的程序，接收网络接口204的数据，将配置信息写入非易失性存储器中203，当接收到绑定的消息后触发执行器208执行相应的动作。

所述网络总线100可以采用任何一种支持广播通信的网络系统，如工业以太网、485总线等。

管理节点102用于接收设备节点的状态消息，并将故障信息报告给配置节点101。

网关节点103用于扩展网段，转发各种广播消息。

配置节点101用于接收设备节点的复位消息，查询设备节点的相关关功能属性，并根据配置信息设定设备节点。

本例中，传感器节点105为温度传感器，用于接收配置节点101的各种查询及配置消息，并检测被控对象104的入口温度，在相关(设定)事件发生时发送动态绑定消息。而执行器节点106为一控制加热装置的开关，用于接收配置节点101的各种查询及配置消息，并在接收到动态绑定消息后触发相应的动作，以驱动外部物理装置。

下面通过分布式监控系统的组态方法来进一步描述本发明：

第一阶段是系统的配置过程，如图3所示：

步骤1、配置节点101启动，监听网络；

步骤2、设备节点上电，发复位消息；

步骤3、配置节点101接收设备节点复位消息；

步骤4、配置节点101发出查询设备节点功能消息；

步骤5、设备节点应答查询设备节点功能消息；

步骤6、配置节点101根据用户配置信息或配置文件发送动态绑定消息；

步骤7、设备节点接收动态绑定消息，并保存在非易失性存储器203中；

第二阶段是设备节点的运行过程，如图4所示：

步骤7、设备节点发生相应事件；

步骤8、设备节点根据配置信息，若发生的事件已绑定到特定的消息，则触发相应的消息；若发生的事件没有绑定到特定的消息，则不触发任何消息；

步骤9、设备节点接收到事件消息；

步骤10、设备节点根据配置信息，若接收到的消息绑定到特定事件，触发相应的动作；若接收到的消息没有绑定到特定事件，则不触发任何动作；

第三阶段是系统的故障诊断过程，如图5所示：

步骤11、设备节点定期发出心跳消息；

步骤12、管理节点102接收设备节点心跳消息并记录，重置定时器；

步骤13、管理节点102在某设备节点心跳消息定时器超时后，发送设备节点故障消息；

步骤14、配置节点101在接收到设备节点故障消息后，根据配置信息，将发生故障的设备节点及关联的设备节点在人机交互接口上显示。

上述相关事件或特定事件是指人工设定的一些与设备节点相关的事件，如某个检测的物理量超出设定的范围、定时器超时等。

Claims (7)

1.一种分布式监控系统，具有与网络总线(100)相连接的配置节点(101)、管理节点(102)、网关节点(103)和多个设备节点，其中：

网络总线(100)为任何一种支持广播通信的网络系统；

管理节点(102)用于接收设备节点的状态消息，并将故障信息报告给配置节点(101)；

网关节点(103)用于扩展网段，转发各种广播消息；

配置节点(101)用于接收设备节点的复位消息，查询设备节点的相关功能属性，并根据配置信息设定设备节点。

2.根据权利要求1所述的分布式监控系统，其特征在于：所述设备节点为与被控对象(104)相关的包含了传感器节点(105)、执行器节点(106)或同时包含了传感器节点和执行器节点的设备节点。

3.根据权利要求2所述的分布式监控系统，其特征在于：所述传感器节点(105)包括传感器(207)、网络适配器(202)、非易失性存储器(203)、网络接口(204)，其中网络适配器(202)包括处理器(205)和固件程序(206)，所述传感器(207)用于将各种物理量转化为网络适配器能处理的数字量，所述处理器(205)执行存储在固件里的程序，接收网络接口(204)的数据，将配置信息写入非易失性存储器中(203)，并在传感器(207)检测到了相关事件后，发送绑定的消息至网络接口(204)。

4.根据权利要求3所述的分布式监控系统，其特征在于：所述传感器(207)为温度传感器、压力传感器或流量传感器，传感器节点(105)用于接收配置节点(101)的各种查询及配置信息，并在设定的事件发生时发送动态绑定消息。

5.根据权利要求2所述的分布式监控系统，其特征在于：所述执行器节点(106)包括执行器(208)、网络适配器(202)、非易失性存储器(203)、网络接口(204)，其中网络适配器(202)包括处理器(205)和固件程序(206)，所述执行器(208)用于将控制信号转换成相应的动作，所述处理器(205)执行存储在固件里的程序，接收网络接口(204)的数据，将配置信息写入非易失性存储器中(203)，当接收到绑定的消息后触发执行器(208)执行相应的动作。

6.根据权利要求5所述的分布式监控系统，其特征在于：所述执行器(208)为控制开关、阀门、驱动电机或变频器，执行器节点(106)用于接收配置节点(101)的各种查询及配置信息，并在接收到动态绑定消息后触发相应的动作，用于驱动被控对象(104)。

7.一种如权利要求1所述的分布式监控系统进行组态的方法，其特征在于包括步骤：

7.1、配置节点(101)启动，监听网络；

7.2、设备节点上电，发复位消息；

7.3、配置节点(101)接收设备节点复位消息；

7.4、配置节点(101)发出查询设备节点功能消息；

7.5、设备节点应答查询设备节点功能消息；

7.6、配置节点(101)根据用户配置信息或配置文件发送动态绑定消息；

7.7、设备节点接收动态绑定消息，并保存在非易失性存储器(203)中；

7.8、设备节点根据配置信息，当绑定事件发生后，触发相应的所述动态绑定消息，并就该绑定事件作出相应的动作；

7.9、设备节点定期发出心跳消息；

7.10、管理节点(102)接收设备节点心跳消息并记录，重置定时器；

7.11、管理节点(102)在某设备节点心跳消息定时器超时后，发送设备节点故障消息；

7.12、配置节点(101)在接收到设备节点故障消息后，根据配置信息，将发生故障的设备节点及关联的设备节点在人机交互接口上显示。

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