CN102692912B - 一种基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络，包括主机和从机，主机轮询/轮控从机，获取从机和从机监测对象的状态，或者通过从机控制相应的被控对象；主机和从机的有线通信和无线通信在工作时均在线，由主机选择其中一种通信方式与从机通信，优先选择有线方式进行通信；是一个零成本通信运营的可靠现场测控网络。不需要额外的冗余管理设备，节约了成本，简化了冗余通信网络结构。系统的安装特别简单、快捷，所以安装成本低、周期短。

Description

一种基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络

技术领域

本发明涉及的是一种基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络。

背景技术

在工业应用领域，现场总线控制系统FCS已经成熟，逐渐取代原来的集散型控制系统DCS。FCS具有安装简单，数字化程度高，具有故障诊断和按缺省值保护运行等优点。能为用户节约成本，提高自动化水平和系统的智慧水平。

但是现场总线多采用总线型结构，如果其中的一个节点脱线，有可能造成总线通信中断，总线网络中的主机将不能访问中断点之后的节点，造成通信可靠性风险较大的遗憾。所以有的总线采用环网结构，一个节点脱线，环网拓扑变成总线拓扑，主机可以继续和非脱线的节点通信。这就是冗余环网技术。但是应用该技术需要环网管理模块，增加了设备成本；并且头尾要相接，增加了安装成本。

无线通信技术和无线网络技术由于其移动性好、无需布线、功耗低、自适应组网等优点得到工业界的广泛关注，并逐渐走向成熟。从原来较多的无线传感器网络应用，到现在已经开始应用于控制领域。如已经出现了适用于工业无线模块和无线测控网络的改进PID算法。艾默生过程管理自动化部门研制的无线模块已经成功使用在化工、水泥等行业。无线通信网络多采用多跳技术来提高通信的可靠性和环境适应性。很多还采用Mesh网络模式进行多路由可靠通信。目前使用较多的无线通信技术有GPRS通信、wiFi通信和其他如nRF、zigbee等无线局域通信网络。

但总的来说，目前应用在工业的无线通信技术在通信速率、安全性、抗干扰能力等方面与有线通信还是存在一定差距。在大型的尤其是新建的工业网络中，大多还是优先采用有线网络，距离较远时，采用光纤作为通信介质。而无线网络作为有线通信的一个备用通信网络。

在广域网中，有一种有线和无线相互备份的双网冗余方案。主要作用是在一种网络出现故障时，路由器自动切换到另一种网络，从而达到提高通讯的稳定性的作用。如MOXA的F4X33系列产品。F4X33系列产品可支持无线移动网络、普通PPPOE方式或静态IP接入方式的有线网络，并支持自动冗余备份功能。

该方案的特点是：

1)属于广域网应用

2)有路由器进行管理，即具有专门的冗余管理设备

3)运营成本较高，如果采用该方案为工业场站系统构建一个测控平台，则场站中的每个节点都需要一个IP或者一个移动通信的SIM卡，否则就需要将仪表点归总到一个设备上，将该设备连入网络。这样的话，从仪表到连入网络的设备间仍需要布线和安装。则支持冗余通信的设备就不是现场级的通信模块。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络，实现测控现场的零成本通信运营，不需要专门的冗余管理模块，现场的每个仪表点上的测控节点自身就具有冗余管理算法，在最底层的现场就实现简单布网，节约安装调试成本。

本发明的技术方案如下：

基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络，包括主机和从机，主机轮询/轮控从机，获取从机和从机监测对象的状态，或者通过从机控制相应的被控对象；主机和从机的有线通信和无线通信在工作时均在线，由主机选择其中一种通信方式与从机通信，优先选择有线方式进行通信；当主机发送查询/控制指令给从机而无回复，或者回复内容格式不正确时，重新发送查询/控制指令；当多次重复发送指令均得不到正确格式的回复，或者根本无回复时，则认为与当前从机的有线通信出现故障；检测到故障后，主机在其内存和外存储器中的该从机地址的映射空间设置有线通信故障标志，记录故障时间，形成该从机的故障记录，并报送给人机界面；同时，自动切换到无线通道与从机通信，完成本次查询/控制任务，并告知从机点亮其有线通道故障报警信号灯；被告知具有有线通信故障的从机，点亮其对应的故障报警信号灯；具有有线通信故障的从机持续监测自己的故障排除输入口，当手工排除了故障后，该位会被手工置高电平；当从机监测到该位被置成了高电平，就认为故障已经排除，则在随后与主机的无线通信中告知主机可以重新进行有线通信；相应地，主机收到该通知后，则在内存和存储器中的从机地址映射空间添加故障排除记录，将有线通信故障排除标志置位，记录故障排除时间，在随后的与该从机的通信中均采用有线模式进行。

所述的冗余测控网络，所述的有线通信采取某种工业现场总线，包括Modbus总线、CAN总线、PROFIBUS总线；无线通信采用nRF射频技术、zigbee技术。

所述的冗余测控网络，所述从机直接连接现场模拟量信号设备、现场开关量信号设备和模拟量执行设备、开关量执行设备；现场模拟量信号设备的模拟量信号和现场开关量信号设备的开关量信号分别通过从机的模拟量输入接口、开关量I/O接口接入从机，再分别经A/D转换单元和数字隔离单元进入从机的中央处理器进行处理。处理的结果数据经无线、有线冗余通信方式送入主机；

从机的处理器或者控制器需要输出模拟量以控制现场的模拟量执行设备时，则控制指令经数模转换单元和模拟量输出接口到达模拟量执行设备，控制模拟量执行设备动作；数模转换单元的任务是将处理器或者控制器输出的数字信号转换成连续的模拟量，如连续的电压信号；而模拟量输出接口是将连续的模拟量调理为现场执行器可以接收的信号；当从机的处理器或者控制器需要输出开关量以控制现场的开关量执行设备时，则控制指令经数字隔离单元和开关量I/O接口输出到开关量执行设备，控制开关量执行设备动作。

本发明的有益效果为：

1)从机具有I/O接口，可以直接与仪表或者现场执行器相连接，获取仪表的状态或者控制现场设备。同时其有线和无线通信单元可以采用上述的算法实现冗余通信，如此则可以构建一个现场级的双网络冗余通信的测控系统。提高了工业现场监测与控制系统的可靠性。

2)从机和主机之间的通信采用的是工业总线和无线局域网技术，一次性硬件投资后，运营过程中不需要支付任何通信费用，所以是一个零成本通信运营的可靠现场测控网络。

3)在主机和从机的处理器/控制器中运行上述的冗余通信管理算法，就可以实现主从机通信的双网络冗余的特点。所以不需要额外的冗余管理设备，节约了成本，简化了冗余通信网络结构。

4)构建的现场测控网络中的有线通信采用是可靠工业现场总线，采用的是总线型结构，一般可以用菊花链连接方式将从机按照就近原则依次相连，最后连接到主机上。所以整个系统就只有一条物理连接电缆就可以实现双网络冗余的可靠通信。因此系统的安装特别简单、快捷，所以安装成本低、周期短。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明从机结构示意图；

图3为本发明主机结构示意图；

图4为主机通信流程图；

图5为从机通信流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络：

(1)应用场合——现场级测控网络

在如图1所示的采用主从机通信模式的现场级测控网络中，主机轮询/轮控从机，获取从机和从机监测对象的状态，或者通过从机控制相应的被控对象。

(2)从机

系统中的从机就是一个具有有线和无线冗余通信能力的I/O模块。参考图2，从机可以采用多种嵌入式平台，如采用ARM、DSP、MSP430或者51单片机等作为中央处理器/控制器，再配以外围I/O及其处理接口和通信接口，就可以组建一个上述的从机。

其中的有线通信单元采取某种工业现场总线，如Modbus总线、CAN总线、PROFIBUS总线等。无线通信单元可以采用nRF射频技术、zigbee技术等。

从机直接连接现场模拟量信号设备、现场开关量信号设备和模拟量执行设备、开关量执行设备。现场模拟量信号设备的模拟量信号和现场开关量信号设备的开关量信号通过从机的模拟量输入接口、开关量I/O接口接入从机，再分别经A/D转换单元和数字隔离单元进入从机的中央处理器(或称控制器)进行处理。处理的结果数据经无线、有线冗余通信方式送入主机。

从机的处理器或者控制器需要输出模拟量以控制现场的模拟量执行设备时，则控制指令经数模转换单元和模拟量输出接口到达模拟量执行设备，控制模拟量执行设备动作。数模转换单元的任务是将处理器或者控制器输出的数字信号转换成连续的模拟量，如连续的电压信号；而模拟量输出接口是将连续的模拟量调理为现场执行器可以接收的信号，如通过接口将连续的电压信号转换成工业标准4-20mA信号。

当从机的处理器或者控制器需要输出开关量以控制现场的开关量执行设备时，则控制指令经数字隔离单元和开关量I/O接口输出到开关量执行设备，控制开关量执行设备动作。

整个从机的供电由供电单元提供，需要数据存储的由从机的存储器负责。

(3)主机

系统中的主机就是一个具有有线和无线冗余通信能力，并能和人机界面交互数据的通信模块。主机的实现也可以采用多种嵌入式平台，如采用ARM、DSP、MSP430或者51单片机等作为中央处理器/控制器，再配以外围通信管理单元和通信接口。或者主机就是一个工控PC机，配以相应的通信板卡。一般主机较从机有更高的运算速度和通信管理能力，担负整个现场网络化测控系统的调度功能。

参考图3，其中的有线通信单元采取某种工业现场总线，如Modbus总线、CAN总线、PROFIBUS总线等。无线通信单元可以采用nRF射频技术Zigbee技术等。主机和从机交互数据的通信单元要与从机相匹配。主机和人机界面(HMI)设备的通信可以有多种方法，如采用有线的RS232、RS485，或者某种现场总线、以太网等，也可以采用无线通信技术，如GPRS、WiFi等。

主机是连接上位机HMI设备和从机的中间设备。其结构和工作过程举例如下：假设从机和主机通信的冗余通信方式为Modbus总线(有线方式)和nRF射频(无线方式)，与上位机HMI设备的通信方式是RS232串行通信。则图3中主机的有线现场总线通信接口和有线通信管理单元分别为RS485接口和Modbus通信管理单元。而无线通信接口和无线通信管理单元就是nRF射频天线和通信管理控制器。与上位机HMI的通信接口就是RS232通信接口电路。

其工作过程为：一般情况下，从机和主机通过Modbus总线进行通信，例如主机通过RS485接口接收和发送数据，其收发的细节过程由Modbus通信管理单元控制，如通信检错等。当主机发送数据给从机而收不到从机的回复数据，或者发送数据总是出错时，主机的处理器/控制器则做相应故障设置，并切换到nRF射频通信模式。启动nRF射频收发模式，通过射频无线与从机继续通信。

主机系统的供电由供电单元解决。需要数据存储时，由存储器负责。

(4)冗余通信方法

系统可以采用如下描述的有线与无线热备通信的方法，实现现场级零成本冗余通信。

1)故障检测与通信方式切换方法：

主机和从机的有线通信和无线通信在工作时均在线，由主机选择其中一种通信方式与从机通信，通常优先选择有线方式进行通信。当主机发送查询/控制指令给从机而无回复，或者回复内容格式不正确时，重新发送查询/控制指令。当多次重复发送(一般重复5次)指令均得不到正确格式的回复，或者根本无回复时，则认为与当前从机的有线通信出现故障。

检测到故障后，主机在其内存和外存储器中的该从机地址的映射空间设置“有线通信故障标志”，记录故障时间，形成该从机的故障记录，并报送给人机界面；同时，自动切换到无线通道与从机通信，完成本次查询/控制任务，并告知从机点亮其“有线通道故障报警”信号灯。被告知具有有线通信故障的从机，点亮其对应的故障报警信号灯。

由于主机在每个轮询/轮控周期内与从机通信时，均查询报警记录，所以，可以自适应地选择有效地通信方式与从机通信。

2)恢复有线通信的方法：

具有有线通信故障的从机持续监测自己的“故障排除”输入口，当手工排除了故障后，该位会被手工置高电平。当从机监测到该位被置成了高电平，就认为故障已经排除，则在随后与主机的无线通信中告知主机可以重新进行有线通信。相应地，主机收到该通知后，则在内存和存储器中的从机地址映射空间添加故障排除记录，将“有线通信故障排除标志”置位，记录故障排除时间，在随后的与该从机的通信中均采用有线模式进行。

3)冗余通信的主机和从机的工作流程：

对于主机，其通信流程如图4：要与从机进行通信的主机做好必要准备，如从机地址选择等。然后查询该地址的从机的故障情况映射空间，了解要通信的该从机的故障情况。如果该从机没有有线通信故障，或者虽有但故障已经排除，则采用有线方式与该从机通信。如果该从机有有线故障报警记录且故障没有排除，则采用无线方式进行通信。

如果当前采用有线方式进行通信，则随时检查当前通信是否成功，如发送的指令是否有回复等。如果通信成功，则当前的通信正常结束。否则，则在该从机的映射空间添加故障记录，并切换到无线模式与该从机通信，同时告知人机界面，以便用户得知该故障情况对该从机进行故障处理。

对于从机，其工作流程如图5：从机随时准备接收主机的查询和控制任务，与主机进行通信。当有线和无线通道都没有收到主机指令时，认为目前没有通信任务，继续等待。当有线通道收到指令时，则进行有线通信，正确回复主机的查询指令。当有线通道没有收到指令，但无线通道收到了主机的数据，则认为主机已经判断到从机有线通信有故障。所以从机此时判断主机是否发送了故障通知，如果收到了故障通知，则在完成任务通信后点亮自身的故障报警灯。如果主机没有发送故障通知，说明从机的故障不是当前时间产生的，而是从前产生的故障，且故障排除情况没有通知到主机。所以首先判断从机的有线通信故障是否排除，如果已经排除则在任务通信后通知主机，并熄灭故障报警灯；如果还没有排除，则只进行任务通信。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络，其特征在于，包括主机和从机，主机轮询/轮控从机，获取从机和从机监测对象的状态，或者通过从机控制相应的被控对象；主机和从机的有线通信和无线通信在工作时均在线，由主机选择其中一种通信方式与从机通信，优先选择有线方式进行通信，所述的有线通信采取某种工业现场总线，包括Modbus总线、CAN总线、PROFIBUS总线；所述无线通信采用nRF射频技术、zigbee技术；当主机发送查询/控制指令给从机而无回复，或者回复内容格式不正确时，重新发送查询/控制指令；当多次重复发送指令均得不到正确格式的回复，或者根本无回复时，则认为与当前从机的有线通信出现故障；检测到故障后，主机在其内存和外存储器中的该从机地址的映射空间设置有线通信故障标志，记录故障时间，形成该从机的故障记录，并报送给人机界面；同时，自动切换到无线通道与从机通信，完成本次查询/控制任务，并告知从机点亮其有线通道故障报警信号灯；被告知具有有线通信故障的从机，点亮其对应的故障报警信号灯；具有有线通信故障的从机持续监测自己的故障排除输入口，当手工排除了故障后，所述故障排除输入口会被手工置高电平；当从机监测到所述故障排除输入口被置成了高电平，就认为故障已经排除，则在随后与主机的无线通信中告知主机可以重新进行有线通信；相应地，主机收到可以重新进行有线通信的通知后，则在内存和存储器中的从机地址映射空间添加故障排除记录，将有线通信故障排除标志置位，记录故障排除时间，在随后的与该从机的通信中均采用有线模式进行。

2.根据权利要求1所述的冗余测控网络，其特征在于，所述从机直接连接现场模拟量信号设备、现场开关量信号设备和模拟量执行设备及开关量执行设备；现场模拟量信号设备的模拟量信号和现场开关量信号设备的开关量信号分别通过从机的模拟量输入接口、开关量I/O接口接入从机，再分别经A/D转换单元和数字隔离单元进入从机的中央处理器进行处理,处理的结果数据经无线、有线冗余通信方式送入主机；

从机的处理器或者控制器需要输出模拟量以控制现场的模拟量执行设备时，则控制 指令经数模转换单元和模拟量输出接口到达模拟量执行设备，控制模拟量执行设备动作；数模转换单元的任务是将处理器或者控制器输出的数字信号转换成连续的模拟量，如连续的电压信号；而模拟量输出接口是将连续的模拟量调理为现场执行器可以接收的信号；当从机的处理器或者控制器需要输出开关量以控制现场的开关量执行设备时，则控制指令经数字隔离单元和开关量I/O接口输出到开关量执行设备，控制开关量执行设备动作。