CN102799153A - 一种有线和无线热备冗余多主通信方法与现场网络节点模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有线和无线热备冗余多主通信方法与现场网络节点模块，在现场级的有线和无线相互备份的双网测控网络中控制相应的被控对象，获取监测对象的状态；网络节点模块的有线通信和无线通信在工作时均在线，通常网络中的所有模块都优先选择有线方式进行通信；本发明的冗余网络节点模块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合适的算法实现冗余通信，以构建一个现场级的双网络冗余通信的测控系统，提高工业现场监测与控制系统的可靠性，并具有零成本通信运营，不需要额外的冗余管理设备的特点。

Description

一种有线和无线热备冗余多主通信方法与现场网络节点模块

所属技术领域

本发明属于网络通信，尤其是工业现场测控网络技术领域。

背景技术

1)现场总线及其多主通信技术

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。

现场总线的工作模式分成主从模式和多主模式。主从模式的现场总线网络中只有一个主机，其他均为从机，从机之间不能相互通信，从机只与主机通信。而多主模式下，现场总线中的任一网络节点都可以成为主机与网络中其他节点进行通信。

由于现场总线多采用总线型结构，并常用菊花链式连接，所以，如果其中的一个节点从总线链路上脱离，就会产生节点通信故障或者断线故障，造成通信可靠性风险较大的遗憾。所以有的现场总线采用环网结构，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。

2)无线通信技术

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ZigBee等无线局域网通信技术。

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。无线网络则常作为有线通信的一个备用通信网络而存在。

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，其应用体系结构如图1所示：

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，否则就需要将许多个仪表信号连接到一个设备上，再将该设备连入网络。这样的话，从现场仪表点到连入网络的设备间仍需要布线和安装。如此，则支持冗余通信的设备就不是现场级的通信模块。

综上所述，现有技术的缺点可概括为：

1)应用范围多是广域网应用，不适用于现场级的测控网络

2)应用在工业现场测控网络中，则运营成本太高

3)通信的冗余管理需要有专门的模块，没有和现场的仪表点直接连接

4)这种冗余网络还是不能避免测控现场的繁琐的布线安装等问题。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是，提供一种有线和无线热备冗余的多主通信方法，用于搭建现场级的低成本冗余测控网络，并使之具有安装方便的优点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种有线和无线热备冗余多主通信方法，在现场级的有线和无线相互备份的双网测控网络中控制相应的被控对象，获取监测对象的状态；网络节点模块的有线通信和无线通信在工作时均在线，通常网络中的所有模块都优先选择有线方式进行通信；并采用以下方法相互监测和控制网络节点模块的工作状态：

1)故障检测定位与通信切换方法：

在有线通信方式下，当某节点模块发送查询/控制指令给另一节点模块而无回复，或者回复内容格式不正确时，重新发送查询/控制指令；当有限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，该节点模块则分别向目的节点的左邻和右邻模块发送诊断帧，根据对诊断帧的回复情况，对故障进行判断和定位，具体如下：

A)当目的节点的左邻和右邻模块均无回复时，该节点模块认为是自身掉线或者有故障，点亮自身的故障指示灯，并切换到无线方式与想要通信的目的节点进行通信，完成本次查询/控制任务；同时无线方式与网关通信，告知网关自身有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

B)当目的节点的左邻和右邻模块均有回复，且回复正确时，认为目的节点模块有故障或者目的节点模块从总线上掉线。发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告目的节点模块有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

C)当目的节点的左邻节点正确回复而右邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的左边，断线故障发生在目的节点到其右邻节点之间。则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线故障标志”，记录故障时间，形成该段线路的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

D)当目的节点的右邻节点正确回复而左邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的右边，断线故障发生在目的节点到其左邻节点之间。则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线故障标志”，记录故障时间，形成该区段线路的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

网关模块接收到节点模块故障和节点间线路断线故障的报告后，会向全网通过无线通信方式发送“广播帧”，将故障类型和位置告知网络上的所有节点，以便网络上的节点调整与故障点相关模块的通信方式。

网络节点接收到该“广播帧”后，分析故障类型和位置，并采取相应的措施保证以后的通信。具体如下：

A)对节点掉线或节点自身有线通信有故障的，在其内存和外存储器的相应故障节点对应地址空间添加“节点故障记录”，其后与该故障节点的通信均以无线方式进行。

B)对节点间线路区段出现断线故障的，在其内存和外存储器的相应线路故障区段对应地址空间添加“断线故障记录”，如果自身在故障点的左边，则其后与该故障点右边的节点均以无线方式进行通信；如果自身在故障点的右边，则其后与该故障点左边的节点均以无线方式进行通信。

2)恢复有线通信的方法：

A)节点故障排除后恢复有线通信的方法

具有有线通信故障的节点模块持续监测自己的“故障排除标志位”，当监测到故障已经排除时，则切换到有线通信方式，并发出可以重新进行有线通信的“报告帧”给网关模块，网关收到该报告后，在内存和存储器中的从机地址映射空间添加“节点故障排除记录”，并发送“广播帧”到全部的网络节点。其后该节点模块就恢复到有线通信模式。

B)断线故障排除后恢复有线通信的方法

当线路区段断线故障排除后，与该区段相接的左右两个网络节点上的对应“断线故障排除按钮”被手工按下，两节点就向网关模块发送相应的“断线故障排除信号”。网关模块收到两个节点的断线故障排除信号后，将自己内存和存储器中的相应区段映射地址处的“断线故障排除标志位”置位，同时网关发送“广播帧”通知全部网络节点，网络恢复到有线通信状态。

本发明的目的还在于，为上述有线和无线热备冗余多主通信的方法提供予以实现的现场网络节点模块。

采用如上的手段，本发明可方便地用于搭建现场级的低成本冗余测控网络并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，在工业测控系统最底层的现场就实现简单布网，节约安装调试成本。

附图说明：

图1为现有技术广域网中有线和无线相互备份的双网冗余的方案图。

图2为本发明多主通信模式的现场级测控网络的示意图。

图3为本发明多主通信模式的网关模块工作流程图：图3a为网关模块总的执行流程图；图3b为网关模块与节点模块进行正常任务通信的工作流程图。

图4为本发明多主通信模式的网络节点模块工作流程图。

图5为本发明网络节点模块的结构示意图。

图6为本发明CAN总线作有线通信方式的网络节点模块实现图。

图7为本发明实施例封装后的网络节点模块的对外关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。

在如图2所示的采用多主通信模式的现场级测控网络中，网关模块通过网络中的节点模块获取监测对象的状态，或者通过网络节点模块控制相应的被控对象。网关采用图3工作流程，网络节点采用图4所描述有线与无线热备通信的方法工作流程，实现现场级零成本多主冗余通信。

1)故障检测定位与通信切换方法：

在有线通信方式下，当某节点模块发送查询/控制指令给另一节点模块而无回复，或者回复内容格式不正确时，重新发送查询/控制指令；当有限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，该节点模块则分别向目的节点的左邻和右邻模块发送诊断帧，根据对诊断帧的回复情况，对故障进行判断和定位，具体如下：

A)当目的节点的左邻和右邻模块均无回复时，该节点模块认为是自身掉线或者有故障，点亮自身的故障指示灯，并切换到无线方式与想要通信的目的节点进行通信，完成本次查询/控制任务；同时无线方式与网关通信，告知网关自身有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

B)当目的节点的左邻和右邻模块均有回复，且回复正确时，认为目的节点模块有故障或者目的节点模块从总线上掉线。发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告目的节点模块有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

C)当目的节点的左邻节点正确回复而右邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的左边，断线故障发生在目的节点到其右邻节点之间。则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线故障标志”，记录故障时间，形成该段线路的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

D)当目的节点的右邻节点正确回复而左邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的右边，断线故障发生在目的节点到其左邻节点之间。则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线故障标志”，记录故障时间，形成该区段线路的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。

网关模块接收到节点模块故障和节点间线路断线故障的报告后，会向全网通过无线通信方式发送“广播帧”，将故障类型和位置告知网络上的所有节点，以便网络上的节点调整与故障点相关模块的通信方式。

网络节点接收到该“广播帧”后，分析故障类型和位置，并采取相应的措施保证以后的通信。具体如下：

A)对节点掉线或节点自身有线通信有故障的，在其内存和外存储器的相应故障节点对应地址空间添加“节点故障记录”，其后与该故障节点的通信均以无线方式进行。

B)对节点间线路区段出现断线故障的，在其内存和外存储器的相应线路故障区段对应地址空间添加“断线故障记录”，如果自身在故障点的左边，则其后与该故障点右边的节点均以无线方式进行通信；如果自身在故障点的右边，则其后与该故障点左边的节点均以无线方式进行通信。

2)恢复有线通信的方法：

A)节点故障排除后恢复有线通信的方法

具有有线通信故障的节点模块持续监测自己的“故障排除标志位”，当监测到故障已经排除时，则切换到有线通信方式，并发出可以重新进行有线通信的“报告帧”给网关模块，网关收到该报告后，在内存和存储器中的从机地址映射空间添加“节点故障排除记录”，并发送“广播帧”到全部的网络节点。其后该节点模块就恢复到有线通信模式。

B)断线故障排除后恢复有线通信的方法

当线路区段断线故障排除后，与该区段相接的左右两个网络节点上的对应“断线故障排除按钮”被手工按下，两节点就向网关模块发送相应的“断线故障排除信号”。网关模块收到两个节点的断线故障排除信号后，将自己内存和存储器中的相应区段映射地址处的“断线故障排除标志位”置位，同时网关发送“广播帧”通知全部网络节点，网络恢复到有线通信状态。

3)冗余通信的网络节点模块

一个具有有线和无线冗余通信能力的网络节点模块可以采用多种嵌入式平台，如采用ARM、DSP、MSP430或者51单片机等作为微控制器，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网络节点模块。

其中的有线通信单元采取某种工业现场总线，如CAN总线、PROFIBUS总线等。无线通信单元可以采用ZigBee技术、nRF无线通信技术等。整个网络节点模块的结构可以用图5示意。

网络节点模块直接连接现场传感器和执行器。传感器的模拟量信号和开关量信号通过从机的模拟量输入接口、开关量输入接口接入网络节点模块，分别经模数转换单元和隔离单元进入网络节点模块的微控制器进行处理。处理后的结果数据经无线、有线冗余通信方式送入现场其他网络节点或者网关模块。同样的，网络节点模块的微控制器需要输出模拟量和开关量以控制现场的执行器时，则要分别经过数模转换单元和隔离单元，然后到达现场执行器，控制执行器动作。整个网络节点模块的供电由供电单元提供，需要数据存储的由网络节点模块的存储器负责。

其中以ZigBee做无线通信方式，以CAN总线做有线通信方式的网络节点模块实现如图6。

整个网络节点模块采用24VDC供电，原因是，现场的仪表或者执行器一般采用24VDC供电方式，如压力、温度变送器和电磁阀等。同时，采用外供电与电池供电相备份的模式，当外供电掉线或其他情况不能供电时，启用电池组供电。24VDC经过稳压调压后变成3.3VDC给微控制器STM32ARM芯片供电，并实现ADC(模数转换)、DAC(数模转换)以及与ZigBee通信模块的串行通信(USART)。

现场的模拟量信号经过I/V(电流/电压)转换后进入ARM芯片的ADC模块，ARM芯片的DAC模块输出的电压信号经过V/I转换后，以标准工业模拟量4~20mA输出到现场的调流阀等模拟量执行器。现场的开关量信号经过光耦隔离后进入主控芯片的GPIO口，同理，开关量输出也经过继电器等隔离后输出以控制电磁阀等开关执行器。

网络节点模块通过CAN接口和收发器与有线网络CAN总线进行通信，通过ZigBee模块与无线网络交换数据。ZigBee通信模块的数据通过USART接口与微控制器ARM芯片进行串行通信。封装后的网络节点模块的对外关系如图7。

本发明技术方案带来的有益效果可概括如下：

1)冗余网络节点模块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多主通信的测控系统。提高了工业现场监测与控制系统的可靠性。

2)该网络节点模块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)网络节点模块运行上述的冗余通信管理算法，实现双网络冗余多主通信的特点。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，最后连接到网关模块上。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多主通信。因此系统的安装特别简单、快捷，所以安装成本低、周期短。

网络节点模块上的通信方式也不一定是CAN总线和ZigBee，也可能是其他总线或者无线网络。

这些与常规技术构成的可选择的组配，都是本发明基本方案在实施中的具体体现。

Claims (6)

1.一种有线和无线热备冗余多主通信方法，在现场级的有线和无线相互备份的双网测控网络中控制相应的被控对象，获取监测对象的状态；网络节点模块的有线通信和无线通信在工作时均在线，通常网络中的所有模块都优先选择有线方式进行通信；并采用包含以下的步骤相互监测和控制网络节点模块的工作状态：

1)故障检测定位与通信切换方法：

在有线通信方式下，当某节点模块发送查询/控制指令给另一节点模块而无回复，或者回复内容格式不正确时，重新发送查询/控制指令；当有限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，该节点模块则分别向目的节点的左邻和右邻模块发送诊断帧，根据对诊断帧的回复情况，对故障进行判断和定位，具体如下：

A)当目的节点的左邻和右邻模块均无回复时，该节点模块认为是自身掉线或者有故障，点亮自身的故障指示灯，并切换到无线方式与想要通信的目的节点进行通信，完成本次查询/控制任务；同时无线方式与网关通信，告知网关自身有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面；

B)当目的节点的左邻和右邻模块均有回复，且回复正确时，认为目的节点模块有故障或者目的节点模块从总线上掉线；发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务；同时发送“报告帧”给网关模块，报告目的节点模块有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面；

C)当目的节点的左邻节点正确回复而右邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的左边，断线故障发生在目的节点到其右邻节点之间；则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务；同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线故障标志”，记录故障时间，形成该段线路的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面；

D)当目的节点的右邻节点正确回复而左邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的右边，断线故障发生在目的节点到其左邻节点之间；则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务；同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线故障标志”，记录故障时间，形成该区段线路的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面；

网关模块接收到节点模块故障和节点间线路断线故障的报告后，向全网通过无线通信方式发送“广播帧”，将故障类型和位置告知网络上的所有节点，以便网络上的节点调整与故障点相关模块的通信方式。

网络节点接收到该“广播帧”后，分析故障类型和位置，并采取相应的措施保证以后的通信；具体如下：

A)对节点掉线或节点自身有线通信有故障的，在其内存和外存储器的相应故障节点对应地址空间添加“节点故障记录”，其后与该故障节点的通信均以无线方式进行；

B)对节点间线路区段出现断线故障的，在其内存和外存储器的相应线路故障区段对应地址空间添加“断线故障记录”，如果自身在故障点的左边，则其后与该故障点右边的节点均以无线方式进行通信；如果自身在故障点的右边，则其后与该故障点左边的节点均以无线方式进行通信；

2)恢复有线通信的方法：

A)节点故障排除后恢复有线通信的方法

具有有线通信故障的节点模块持续监测自己的“故障排除标志位”，当监测到故障已经排除时，则切换到有线通信方式，并发出可以重新进行有线通信的“报告帧”给网关模块，网关收到该报告后，在内存和存储器中的从机地址映射空间添加“节点故障排除记录”，并发送“广播帧”到全部的网络节点；其后该节点模块就恢复到有线通信模式；

B)断线故障排除后恢复有线通信的方法

当线路区段断线故障排除后，与该区段相接的左右两个网络节点上的对应“断线故障排除按钮”被手工按下，两节点就向网关模块发送相应的“断线故障排除信号”；网关模块收到两个节点的断线故障排除信号后，将自己内存和存储器中的相应区段映射地址处的“断线故障排除标志位”置位，同时网关发送“广播帧”通知全部网络节点，网络恢复到有线通信状态；

2.根据权利要求1所述的一种有线和无线热备冗余多主通信方法，其特征在于，所述网关模块在其内存和外存储器中的网络节点地址映射空间设置“节点故障标志”和“断线故障标志”，记录故障时间，形成网络节点和线路区段的故障记录，并将故障记录通知给全部的网络节点以及报送给上位机系统或现场测控系统的人机交互界面。

3.根据权利要求1所述的一种有线和无线热备冗余多主通信方法，其特征在于，所述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“节点故障排除标志”和“断线故障排除标志”，记录故障排除时间。在“节点故障排除标志”和“断线故障排除标志”置位时，通知全部网络节点，系统恢复到原来的有线通信。

4.一种实现上述权利要求或1或2或3方法的有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块，其特征在于，包括：网络节点模块具有微控制器和直接连接现场传感器和执行器的模拟量输入接口、模拟量输出接口和开关量输入接口、开关量输出接口；模拟量输入接口和微控制器之间具有模数转换单元；模拟量输出接口和微控制器之间具有数模转换单元；开关量输入接口和开关量输出接口与微控制器之间具有隔离单元；同时还具有存储器和供电单元以及将微处理器处理的结果数据送入现场级测控网络的无线通信单元和有线通信单元。

5.根据权利要求4所述之实现有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块，其特征在于，所述无线通信单元可以采用ZigBee、nRF器件。

6.根据权利要求4所述之实现有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块，其特征在于，所述微控制器可采用ARM、DSP、MSP430或者51单片机之一。

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