CN103167543A - 一种基于wia网络的冗余网关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双网关互联技术，具体地说明是一种在普通WIA网络基础上增加一个网关作冗余的机制。本发明包括DCS系统：存储无线终端设备采集的现场数据并做出相应控制；主网关设备：管理和维护网络，与DCS系统交互，提供网络与控制系统之间的接口；副网关设备：备份主网关设备信息，在主网关设备发生故障时，代替主网关设备管理和维护网络、与DCS系统交互；无线终端设备：将传感器或执行器接入工业无线网络，与主网关设备或副网关设备无线通信。本发明提出的冗余网关机制，在充分考虑WIA网络特点的前提下提出，具有网络高可靠性和稳定性等优点。

Description

一种基于WIA网络的冗余网关

技术领域

本发明涉及双网关互联技术，具体地说明是一种在普通WIA网络基础上增加一个网关作冗余的机制。

背景技术

随着无线技术的不断提高，WIA网络已在冶金、石化等领域的监测系统进行了初步应用，使用户以较低的投资和使用成本实现对整个工业流程的泛在感知，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程数据，并以此为基础实施优化控制，达到提高产品质量和节能降耗的目标。随着WIA网络技术的提高，其应用领域也不断扩大，逐步应用到工业自动化控制系统中。因此对WIA网络的安全可靠也有了更高的要求。

WIA网络是以网关为中心的集中控制网络，是联系无线终端设备与离散控制系统(DCS)的唯一桥梁，现有WIA网络结构如图1所示。

网关作为网络的时钟源，是网络组建的基础，同时也是网络维护的中心。在网络组建过程中，网关负责每个无线终端的资源分配。无线终端直接或间接与网关同步，并向网关发送加入请求，网关根据每个无线终端的邻居信息，为其分配路径和资源，并发送到相关的无线终端。在网络的维护过程中，网关周期检测每个在网的无线终端路径是否发生故障，对发生故障的路径，网关回收该路径的资源，并为无线终端更换新的路径和资源。

从以上过程可以看出，一旦网关发生异常，整个系统将无法运行，陷入瘫痪状态。对于工厂的控制系统，无法获取监测数据，可能造成工业事故。由此可见，无线网关的好坏直接影响整个控制系统的可靠性。因此，设计具有双网关冗余备份的WIA网络，实现WIA冗余网关在网络中的无缝切换，提高系统可靠性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于为工业测控应用中的无线网络提供一种高可靠的无线监控系统，采用本发明可在不影响原网络运行的基础上，增加一个冗余网关，在原网关发生故障后，迅速恢复现有网络，使WIA网络的稳定性提高一倍。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于WIA网络的冗余网关，包括

DCS系统：存储无线终端设备采集的现场数据并做出相应控制；

主网关设备：管理和维护网络，与DCS系统交互，提供网络与控制系统之间的接口；

副网关设备：备份主网关设备信息，在主网关设备发生故障时，代替主网关设备管理和维护网络、与DCS系统交互；

无线终端设备：将传感器或执行器接入工业无线网络的设备，与主网关设备或副网关设备无线通信。

所述主网关设备和副网关设备都具有双网口结构，其中一个网口用于两个网关之间的信息交互，另一个网口用于WIA网络与有线网络的通信接口。

所述主网关设备的网络参数由上位机的配置工具直接配置，副网关设备的网络参数则由主网关设备间接配置。

所述主网关设备具有3种工作状态：空闲状态、同步状态、运行状态，通常处于运行状态。

所述副网关设备具有4种工作状态：空闲状态、同步状态、运行状态和备份状态，通常处于备份状态。

所述主网关设备和副网关设备与DCS系统组成Modbus总线结构，通过RS485接口连接，使用Modbus RTU协议进行通信，DCS系统为Modbus主站，两个网关设备为Modbus从站，且具有各自的Modbus地址。

所述DCS系统从网关定义的寄存器表中，分别获得主网关设备和副网关设备的角色、当前的工作状态、当前发生的告警、以及当前的操作行为；

所述当前发生的告警包括：与对方通信失败；以太网未连接；对方射频发生故障；以太网通信失败；以太网与射频通信均失败；副网关设备异常；记录的操作行为包括：主网关设备切换为运行状态；主网关设备切换为同步状态；副网关设备切换为同步状态；副网关设备切换为备份状态；副网关设备切换为运行状态；有线连接已恢复。

所述副网关设备通过以太网方式主动监测主网关设备的异常，周期向主网关设备发送探测数据，等待主网关设备对探测数据的响应，如果连续数次未收到主网关设备的响应，则认为主网关设备有线异常；

所述副网关设备通过射频方式被动监测主网关设备的异常，周期接收主网关设备射频发出的广播报文，如果连续数次未收到主网关设备的广播，则认为主网关设备无线异常。

所述异常情况包括：

当副网关设备监测到主网关设备的射频和以太网均异常，则主动切换为运行状态，代替主网关设备维护网络；

当副网关设备监测到主网关设备的射频异常，而以太网正常，则副网关设备强制主网关设备重启，副网关设备则切换为运行状态，暂时代替主网关设备维护网络，待主网关恢复运行后，副网关设备仍切换为备份状态；

当副网关设备监测到主网关设备的射频正常，而以太网异常，则副网关设备通知DCS系统主网关设备和副网关的以太网连接故障。

所述主网关设备通过以太网方式主动监测副网关设备的异常。

本发明提出的冗余网关机制，是在充分考虑WIA网络特点的前提下提出的，具有网络高可靠性和稳定性等优点，具体表现在：

1采用双网口的网关硬件设计，保证两网关之间，以及网关与上位机控制台之间的信息交互准确高效；

2采用副网关设备间接配置机制，一方面保证两个网关的网络参数的严格一致；另一方面，避免两网关角色的重复；

3采用副网关设备有线和无线相结合的方式检测主网关设备的策略，保证副网关设备迅速准确的判断主网关设备的异常，及时恢复网络，减少数据信息的丢失；

4采用主网关设备有线方式主动检测副网关设备的策略，在主网关设备正常的情况下，确保副网关设备的稳定可靠运行，保证在主网关设备发生故障时，网络可恢复；

5采用Modbus寄存器表策略，通过DCS系统实时获取两个网关的运行情况、故障信息，了解两个网关的操作行为，及时更换发生故障的网关，保证网络的可靠运行。

附图说明

图1为单网关的WIA网络结构；

图2为带冗余网关的WIA网络结构；

图3为冗余网关的配置连接示意图；

图4为主网关设备状态图；

图5为主网关设备的工作流程图；

图6为副网关设备的状态图；

图7为副网关设备的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为区分两个网关的主次以及作用，定义了两种网关角色：

(1)主网关设备：负责WIA网络的组建和维护，终端数据的收集，与DCS系统的数据交互等。

(2)副网关设备：负责实时备份主网关设备的网络信息，监测主网关设备是否正常运行，在发现主网关设备异常后，立刻代替主网关设备管理和维护网络，与DCS系统交互。

为区分每个网关在不同情况下的操作行为，定义了四种状态：

(1)空闲状态：网关初始上电，即为空闲状态，该状态下网关不做任何网络操作，等待确定自己的下一状态；

(2)同步状态：网关监听另一个处于运行状态网关的广播，以使自己获取网络时间，同步到网络。当网关处于空闲状态时，发现已有网关在运行，就会使自己进入同步状态；

(3)备份状态：同步完成的副网关设备将处于备份状态，是副网关设备特有的状态，即主网关设备永远不会处于备份状态。处于备份状态的副网关设备负责接收主网关设备的备份信息并保存，同时，监测主网关设备是否正常运行；

(4)运行状态：负责网络的组建和维护，向备份网关实时更新备份信息，同时，响应DCS系统的Modbus请求命令；

本发明所设计的WIA冗余网关网络结构如图2所示，其重点在于两个网关的信息交互、状态的切换，以及DCS系统与两个网关的信息交互。系统的

网关配置：

在运行之前，需对两个网关进行配置，配置的信息除网络参数外，还需配置Modbus地址映射表，即将两个网关以射频物理地址为区分，分别映射为两个不同的Modbus地址，DCS系统以此来区分两个网关的地址。

网关的配置方法如图3所示。首先，将网关1与上位机通过串口连接，使用配置工具，配置网关1的所有网络参数和Modbus地址映射表，并将该网关配置为主网关设备。然后，将网关2与网关1通过以太网接口连接，在上位机的配置界面上点击“配置网关2”按钮，网关1便将自身的网络参数和Modbus地址映射表完整的配置给网关2，并配置网关2的网关角色为副网关设备。

主网关设备的工作流程：

主网关设备的状态切换如图4所示。

主网关设备上电后，即进入空闲状态，同时检测副网关设备的当前状态；如果副网关设备正处于备份状态或运行状态，则说明已有网络在运行。如果副网关设备正处于备份状态，则主网关设备在空闲状态等待副网关设备进入运行状态，主网关设备再切换为同步状态。如果副网关设备正处于运行状态，则主网关设备直接切换为同步状态。

在同步状态下，主网关设备需完成网络信息的同步和网络时间的同步。即通过两网关的以太网连接，使用UDP协议，向副网关设备请求获取网络管理信息，信息包括：网关的link表信息、网关的邻居表信息、网络设备表信息、网络资源表信息等。在获取完网络信息后，主网关设备将通知副网关设备切换为备份状态，主网关设备自身则切换为运行状态，重新管理和维护网络。

如果主网关设备上电后，检测到副网关设备不存在，或副网关设备正处于空闲或同步状态，说明此时并没有网络已存在，需组建新的网络。因此，主网关设备直接切换为运行状态，以自身的网络时间和网络信息为基础，开始组建新的网络。

进入运行状态后，主网关设备开始启动WIA协议栈，接管对原有网络的管理和维护，响应DCS系统对每个无线终端设备实时数据的读取，当网络信息或网络资源发生变化时，及时发送给副网关设备备份。同时，周期与副网关设备进行交互，确保副网关设备的正常工作，并向副网关设备证明自身的正常运行。

主网关设备的工作流程，见图5所示。

副网关设备的工作流程：

副网关设备的状态切换如图6所示。

副网关设备上电后，也从空闲状态开始，直接进入同步状态。

在同步状态下，副网关设备通过以太网接口检测主网关设备的运行状态，同时通过射频方式，与主网关设备进行时间同步，以检测主网关设备的射频是否正常。此时，副网关设备可能得出4种结果：

(1)主网关设备不存在；

(2)主副网关设备的以太网未连接；

(3)主网关设备射频异常；

(4)主网关设备已处于运行状态，且与主网关设备的同步成功；

前3种情况为异常情况，在第一种情况下，副网关设备直接切换为运行状态，代替主网关设备开始组建新的网络，并将异常事件和操作行为记录到Modbus寄存器表中。

在第2种和第3中情况下，副网关设备停留在同步状态，并将异常事件记录到副网关设备的Modbus寄存器表中。

在第4中情况下，副网关设备将切换为备份状态。

在备份状态中，副网关设备首先从主网关设备处获取当前网络信息和资源信息，保存到本地，并接收和保存主网关设备动态变化的信息。同时，副网关设备周期通过以太网接口检测主网关设备的健康情况，并通过射频接口，接收主网关设备的广播，以确保主网关设备的射频正常，同时与主网关设备保持时间同时。当副网关设备通过以太网方式或射频方式发现主网关设备发生故障时，副网关设备立刻切换为主网关设备。

当副网关设备发现主网关设备的以太网接口故障时，将该时间记录到Modbus寄存器表中，等待操作员处理。

当副网关设备发现主网关设备的射频接口故障时，副网关设备通过以太网接口强制主网关设备复位重启，然后副网关设备切换到运行状态，暂时接替主网关设备，继续管理和维护网络，直到主网关设备恢复正常，并将此次的异常事件和操作行为记录到Modbus寄存器表中。

当副网关设备在备份状态中，发现主网关设备的有线方式无线方式均故障时，直接切换为运行状态，接替主网关设备管理和维护网络，直到操作员更换主网关设备，并将此次的异常事件和操作行为记录到Modbus寄存器表中。

当副网关设备在运行状态中，接到主网关设备已恢复的命令后，立即切换为备份状态。

副网关设备的工作过程见图7所示。

DCS系统与两个网关的通信：

DCS系统与两个网关之间使用RS485接口，通过Modbus总线结构，采用Modbus RTU协议进行通信。此前，两个网关中已配置了各自对应的Modbus从站地址，且定义了Modbus寄存器表，如表1所示。

表1网关寄存器表

表1中的告警，记录网关所发现的异常信息：与对方通信失败、以太网未连接、对方射频发生故障、以太网通信失败、以太网与射频通信均失败、副网关设备异常

表1中的通知，记录网关的操作行为：主网关设备切换为运行状态、主网关设备切换为同步状态、副网关设备切换为同步状态、副网关设备切换为备份状态、副网关设备切换为运行状态、有线连接已恢复。

DCS系统根据各自的Modbus地址，读取每个网关内的Modbus寄存器信息，实时监测两个网关的运行情况，并在发生故障时，及时更换相关设备。

与两个网关一样，网络中的每个无线终端设备也都有各自对应的Modbus地址。由于Modbus总线结构属于广播机制，DCS系统发送读取无线终端设备的请求时，两个网关均能接收到，但只有处于运行状态的网关能够实时获取终端设备的采集数据，因此也只有处于运行状态的网关才会响应DCS系统的请求。

Claims (10)

1.一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，包括

DCS系统：存储无线终端设备采集的现场数据并做出相应控制；

主网关设备：管理和维护网络，与DCS系统交互，提供网络与控制系统之间的接口；

副网关设备：备份主网关设备信息，在主网关设备发生故障时，代替主网关设备管理和维护网络、与DCS系统交互；

无线终端设备：将传感器或执行器接入工业无线网络的设备，与主网关设备或副网关设备无线通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述主网关设备和副网关设备都具有双网口结构，其中一个网口用于两个网关之间的信息交互，另一个网口用于WIA网络与有线网络的通信接口。

3.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述主网关设备的网络参数由上位机的配置工具直接配置，副网关设备的网络参数则由主网关设备间接配置。

4.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述主网关设备具有3种工作状态：空闲状态、同步状态、运行状态，通常处于运行状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述副网关设备具有4种工作状态：空闲状态、同步状态、运行状态和备份状态，通常处于备份状态。

6.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述主网关设备和副网关设备与DCS系统组成Modbus总线结构，通过RS485接口连接，使用Modbus RTU协议进行通信，DCS系统为Modbus主站，两个网关设备为Modbus从站，且具有各自的Modbus地址。

7.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述DCS系统从网关定义的寄存器表中，分别获得主网关设备和副网关设备的角色、当前的工作状态、当前发生的告警、以及当前的操作行为；

所述当前发生的告警包括：与对方通信失败；以太网未连接；对方射频发生故障；以太网通信失败；以太网与射频通信均失败；副网关设备异常；记录的操作行为包括：主网关设备切换为运行状态；主网关设备切换为同步状态；副网关设备切换为同步状态；副网关设备切换为备份状态；副网关设备切换为运行状态；有线连接已恢复。

8.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述副网关设备通过以太网方式主动监测主网关设备的异常，周期向主网关设备发送探测数据，等待主网关设备对探测数据的响应，如果连续数次未收到主网关设备的响应，则认为主网关设备有线异常；

所述副网关设备通过射频方式被动监测主网关设备的异常，周期接收主网关设备射频发出的广播报文，如果连续数次未收到主网关设备的广播，则认为主网关设备无线异常。

9.根据权利要求8所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述异常情况包括：

当副网关设备监测到主网关设备的射频和以太网均异常，则主动切换为运行状态，代替主网关设备维护网络；

当副网关设备监测到主网关设备的射频异常，而以太网正常，则副网关设备强制主网关设备重启，副网关设备则切换为运行状态，暂时代替主网关设备维护网络，待主网关恢复运行后，副网关设备仍切换为备份状态；

当副网关设备监测到主网关设备的射频正常，而以太网异常，则副网关设备通知DCS系统主网关设备和副网关的以太网连接故障。

10.根据权利要求1所述的一种基于WIA网络的冗余网关，其特征在于，所述主网关设备通过以太网方式主动监测副网关设备的异常。

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