CN105824303A - 一种基于物联网的分布式智能仪表控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于物联网的分布式智能仪表控制系统，包括I/O(输入/输出)单元、运算单元、通讯单元和用户端设备，I/O(输入/输出)单元一端与现场仪表相连接，I/O(输入/输出)单元另一端通过无线网络实现与通讯单元进行数据交互，通讯单元与运算单元之间利用数据总线进行数据通信，每个运算单元均搭配有对应的一个通讯单元，以完成信号、参数、指令的传输和转发任务，通讯单元通过局域网与用户端设备进行通讯连接，用户端设备包括工业计算机和移动设备，移动设备包括智能手机和Pad；本发明同现有技术相比，不仅有助于实现生产智能化，提高生产效率，提高用户体验，而且降低了成本，有助于实现仪表的分散控制以及智能化改造。
Description
[技术领域]
本发明涉及工业仪表控制技术领域，具体地说是一种基于物联网的分布式智能仪表控制系统及其方法。
[背景技术]
目前，一、工业控制主要有以下几种方案：
A)集散控制系统(DCS，DistributedControlSystem)
简介：DCS是一种控制功能分散、操作和管理集中、兼顾分而治之和综合协调的仪表控制系统，目前在电力、冶金、石化等各行业获得了极其广泛的应用。
其结构与原理：DCS采用分级结构，一般分为控制级和管理级。控制级实现信号的输入、变换、运算、输出等分散控制功能，主要由输入/输出单元(I/O)及现场控制单元(FCU)组成，由I/O总线交换实时数据。管理级完成对过程控制的集中监视和管理，由操作员站、工程师站、管理计算机等组成，一般使用工业以太网形成一个封闭的安全网络。控制级和管理级之间通常也使用工业以太网。系统中广泛使用冗余、故障自诊断等技术以保障可靠性；系统提供丰富的功能软件模块和功能软件包，能完成复杂运算与控制。
其优点为：部件模块化，信号容量非常大；高可靠性，平均故障间隔时间(MTBF，MeanTimeBetweenFailure)可达几万甚至几十万小时，组件支持热插拔；性能强大，用户可根据工艺，自行设计构成各种控制方案；提供很多过程控制专用算法，用户设计成本较低。
其缺点为：需要专用场地和环境，一般需要部署机房和控制室；结构封闭，不同制造商的DCS之间难以兼容；系统规模庞大，安装、使用和维护工作成本高，需要专业人员完成。
B)可编程逻辑控制器(PLC，ProgrammableLogicController)
简介：PLC是一种专用于工业控制的计算机，执行逻辑运算、顺序控制、定时、算术操作等指令，通过输入/输出接口控制各种机械或生产过程。
其结构与原理：PLC主要由中央处理单元、输入/输出单元、电源、存储器、功能模块等组成。PLC首先以扫描方式依次读入所有输入状态和数据放入I/O映像区，接着扫描用户程序(梯形图)进行逻辑运算，最后按照I/O映像区对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路并驱动对应外设。
其优点为：部件模块化、系列化，用户有各种硬件装置可选；提供很多编程元件，可以实现较复杂的控制功能；采用梯形图、逻辑图、语句表等编程语言，使用方便，编程简单；采用多种硬件和软件抗干扰措施，可靠性高。
其缺点为：一般缺少过程控制专用算法，需要自行搭建设计；模拟量部件价格较高。
C)仪表控制
简介：仪表控制是一种专用性很强的智能仪表。
其结构与原理：在现场就地为特定的设备、特定的生产过程设计的控制器，在采集信号的同时完成简单的控制功能。
其优点为：为某类信号专门设计，用户设计成本较低；一般现场接线使用。
其缺点为：产品功能单一，导致总成本较高；某些专用智能仪表价格昂贵；信号之间缺乏关联。
D)现场总线控制系统(FCS，FieldbusControlSystem)
简介：FCS由PLC、DCS发展而来，利用现场总线来连接数字智能现场装置，本质是信息处理现场化。
其结构与原理：用数字式、智能化、多功能仪表来取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置，用现场总线取代单向、封闭的仪表接线，用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。把微机处理器转入现场设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一开放。
其优点为：就地仪表智能化和功能自治性；布线成本低；很好的开放性、互换性。
其缺点为：控制系统及就地仪表成本很高；现场总线国际标准太多，难以实现互联。
二、目前工业仪表智能化的简介为：随着微电子技术、计算机技术以及自动化技术的发展，仪器仪表的智能化是集计算机应用、自动控制、自动化仪表等于一体的跨学科的专业技术，是未来的发展方向，在工业领域呈现出巨大的发展前景。
其结构与原理：智能化仪表主要是采用超大规模集成电路和微处理器，使用嵌入式软件，使仪表能够完成对输入信号的处理如信号非线性、温度与压力的补偿、量程转换、滤波、变换等，能够进行故障自诊断，能够完成对工业过程的控制，不断拓展扩展控制系统的功能。大部分智能仪表还能通过现场总线、工业以太网等方式与计算机、控制系统有机地联系起来，完成各种形式的任务要求。智能仪表包含软件和硬件两部分，嵌入式软件主要完成信号采集处理、逻辑控制、通讯任务，硬件主要由CPU、信号输入/输出电路、通讯接口组成。
其优点为：仪表具有更完善的采集功能，能测量温度、压力等环境变量，并消除、补偿它们造成的影响，使测量精度更高、输出信号更准确；具备一定的控制功能，将控制分散化；数字化与网络化，为现场总线通讯奠定基础；完善的自诊断功能。
其缺点为：主要缺点还是成本高，而且由于微电子、传感器技术的落后，很多智能仪表都需进口，更拉高成本；智能仪表还在发展中，种类和性能上不能完全代替传统仪表，并带来抗干扰、环境适应性等新问题。
三、目前物联网的简介为：物联网是在互联网概念的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络。
其结构与原理：物联网是通过射频识别(RFID)、无线传感器、全球定位系统等技术自动识别、采集和获取物品的标识信息、属性信息和环境信息，借助各种电子信息传输技术将这些信息聚合到统一网络中，并利用云计算、模糊识别等计算技术进行分析融合处理，最终实现对物理世界的高度认知和智能化的决策控制。该物联网可从技术架构上分为三层：感知层、网络层、应用层。感知层是由各种传感器及传感器网关组成，主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
其优点为：物联网提供无处不在的连接和在线服务，能提高社会的智能化、自动化水平，显著提高运行效率、准确性、灵活性，使控制更为精细、体验更为优化，并使生产、商业活动具备可见性和可测量性。
其缺点为：成本、安全性和隐私性是物联网的主要难题；具体到工业领域，主要是行业差异性大，有些领域投入很大、成果显著，但有些领域比较落后，如智能仪表的物联网化；用户投资大，需要部署自己的安全网络；产品通用性差，没有统一技术标准。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于物联网的分布式智能仪表控制系统，不仅有助于实现生产智能化，提高生产效率，提高用户体验，而且降低了成本，有助于实现仪表的的分散控制以及智能化改造。
为实现上述目的设计一种基于物联网的分布式智能仪表控制系统，包括I/O(输入/输出)单元、运算单元、通讯单元和用户端设备，所述I/O(输入/输出)单元一端与现场仪表相连接，所述I/O(输入/输出)单元另一端通过无线网络或串行接口实现与通讯单元进行数据交互，所述通讯单元与运算单元之间利用数据总线进行数据通信，每个运算单元均搭配有对应的一个通讯单元，以完成信号、参数、指令的传输和转发任务，所述通讯单元通过局域网与用户端设备进行通讯连接，所述用户端设备包括工业计算机和移动设备，所述移动设备包括智能手机和Pad。
所述局域网通过Internet接口站与互联网相连，所述互联网上连接有远程终端，所述远程终端包括计算机二和移动设备二。
所述I/O(输入/输出)单元包括CPU一、无线通讯接口、串行通讯接口、32路开关量输入、16路开关量输出、8路模拟量输入及4路模拟量输出，所述无线通讯接口、串行通讯接口分别通过隔离电路连接CPU一，所述32路开关量输入、16路开关量输出分别通过光电隔离连接CPU一，所述8路模拟量输入、4路模拟量输出分别通过磁隔离连接CPU一。
所述32路开关量输入为干节点输入，用于提供安全的低压直流查寻电压；所述16路开关量输出为继电器输出，每路开关量输出提供一付一转换触点，与其相连的隔离电路用于保证继电器的动作不会干扰其它通道和其它电路；所述8路模拟量输入为自适应多功能通道，各个通道之间彼此隔离，并有过流、过压电路保护；所述4路模拟量输出为0-20mA电流环输出，各通道之间彼此隔离，有过流、过压电路保护；所述无线通信接口使用ZigBee技术，所述I/O(输入/输出)单元通过无线通信ZigBee网络实现与通讯单元进行数据交互，所述串行通信接口使用RS485总线或CAN总线，每个I/O(输入/输出)单元内部均设有一个ZigBee收发模块，所述ZigBee收发模块与I/O(输入/输出)单元的CPU间通过USART口交换数据，所述CAN总线用于I/O(输入/输出)单元与运算单元、I/O(输入/输出)单元与I/O(输入/输出)单元之间交换数据，所述RS485总线或CAN总线的驱动电路与CPU间设有的隔离电路，用于避免干扰和故障窜入。
所述运算单元用于运算、逻辑控制、信号采样和参数获取、语言组态解析、输出与指令下发及任务调度，所述运算单元包括CPU二和快速数据总线接口，所述快速数据总线接口通过隔离电路连接CPU二，所述CPU二使用32位处理器，所述32位处理器内部集成有Flash和RAM，所述32位处理器还集成有浮点运算单元，所述浮点运算单元用于现场控制计算需求。
所述通讯单元用于通讯接口、信息收发、信息标记、信息路由及协议转换，所述通讯单元包括CPU三、快速数据总线接口、ZigBee接口、RS485/CAN接口、Bluetooth接口、Wi-Fi接口、以太网接口和移动数据接口，所述ZigBee接口、RS485/CAN接口分别通过隔离电路连接CPU三，所述Bluetooth接口、Wi-Fi接口、以太网接口、移动数据接口分别连接CPU三，所述CPU三通过隔离电路连接快速数据总线接口。
所述通讯单元通过ZigBee接口在I/O(输入/输出)单元以及其他通讯单元之间构成一个无线的网状结构，用于帮助运算单元获取通道信号并下发控制指令；所述RS485/CAN接口用于系统扩展，以方便现场仪表接入本系统，又作为组成部分接入其他控制系统，还可代替无线方式以组成串行网络；所述Wi-Fi接口用作与互联网、与其他通讯单元交换数据，其数据量相对ZigBee网络更大，远程终端的访问也是通过该Wi-Fi接口实现；所述以太网接口用于调试作为和Wi-Fi接口的备用，并用于在两个运算单元之间建立交换网；所述移动数据接口为GPRS、4G移动数据接口，用于上传数据至远程终端服务器。
所述Internet接口站包括静态接入和动态接入，所述静态接入是指用户拥有在Internet上的静态IP地址，控制系统通过该静态IP地址接入互联网，远程终端直接通过该静态IP地址访问到内部的控制系统；所述动态接入是指用户在接入Internet时，是由服务商给出的动态IP地址，通过在互联网上建有连接服务器，当控制系统接入互联网时会在服务器上进行注册，然后当用户需要访问控制系统时，使用户根据服务器的注册信息，直接与控制系统建立通讯联系；所述互联网上设置有云端服务器，所述云端服务器用于收集经用户授权的现场仪表信息，记录各现场仪表的工作状况和控制系统的工况数据，并配合后台专家数据库，对控制系统或现场仪表的各类故障提供专家建议。
所述Internet接口站用于路由、隔离和分析，所述路由用于提供各单元的访问路径；所述隔离用于通过分配操作权限、设立访问清单方式在厂级局域网与互联网之间设立一个软件层面的防护机制；所述分析用于进行事件顺序记录、分析汇总操作信息。
该基于物联网的分布式智能仪表控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1)由传感器、变送器等现场仪表以及I/O(输入/输出)单元组成设备层，将现场仪表通过硬接线接入就地、就近的I/O(输入/输出)单元，每个I/O(输入/输出)单元接入多个现场仪表；
2)由运算单元、通讯单元组成控制层，在现场完成就地控制，使用短距离无线通信ZigBee网络；
3)由路由器、交换机等网络设施架构成局域网，并接入互联网；
4)I/O(输入/输出)单元利用ZigBee的路由功能，与通讯单元一起组成数据网络，并与通讯单元交换数据和控制指令，每个运算单元通过组态软件分配控制多个I/O(输入/输出)单元，通讯单元则通过Wi-Fi网络上传数据至局域网；
5)由计算机、远程终端、移动终端中的一种或多种组成管理层，完成对智能仪表的监视和管理工作，以监测各个分散在广大区域内的现场仪表的工作状况，并根据现场信息发布指令来执行并控制现场仪表的操作。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
1)有助于实现生产智能化
目前，很多领域的产品生产正逐渐呈现少量多样的新特征，比如对外形、颜色的个性化述求，这需要生产线的经常性、及时化变动。根据市场前端的变化快速调整，正是智能制造的出发点。本方法借助物联网，实现机器与机器、机器与管理系统互联，能帮助用户获取更多信息，在不同层级对生产过程精确管理，迅速调整生产计划、更改工艺，实现定制化生产。
2)有助于提高生产效率
本发明可以方便地接入云端，通过大量数据的收集和分析来优化工艺、提升质量、提高效率；生产企业甚至是整个行业都可以依据这种数据交换来协调生产行为，合理决策，减少浪费；生产过程的信息化有利于建立专家系统，并在专家系统的帮助下保证生产过程高效、可靠。
3)有助于提高用户体验
本发明支持使用便携设备远程监控，用户可以随时随地了解生产状况，这对中小企业很有意义；中小企业往往人力资源紧张，操作员很可能不会固定岗位，远程监控能使其随时干涉生产过程；中小企业中最了解生产工艺的人员往往还兼顾行政、销售等工作，他们不能一直在生产线附近，远程监控能使其在任何地方参与进来；有些生产场合，规模小、分散范围大、生产人员很少，比如鱼塘养殖等，使用远程监控后用户就可不再被束缚在控制室内。
4)有助于降低成本
本发明广泛采用无线技术，能够大大减少布线与维护成本；各组成部分满足生产现场的工作条件，并且体积小巧，可以直接就地安装；有些厂矿现场很多工艺测量点用集中控制和传统硬连线的布线方式成本高、安装困难，改用本方案能有效降低成本与安装难度。本方法采用模块化设计，用户可以根据实际需求任意组合若干个运算单元与输入/输出单元并利用无线和远程通信能力迅速构建更大范围的控制系统。变更和扩展非常方便，用户可以做到边生产边扩展，直接产生效益，降低初始投入与时间成本。现有PLC/DCS一般对模拟量分别按电流/电压、热电阻、热电偶三类分别处理，本方案将这些模拟量信号归一化，更具通用性和灵活性，帮助用户节约成本。
5)有助于实现分散控制
本发明提供低成本高性能的运算单元，通过优化控制算法代码、设计专用数据处理代码库等手段实现高端控制器所具有的各项计算和处理功能，在现场侧直接完成很多运算与控制功能；本发明提供丰富的I/O通道，仅一个I/O单元就能自己构成若干个控制回路，完成简单的控制工作，已经足够满足大多数小型设备需求；提供易用的组态工具，用户可以根据生产工艺，对控制策略进行组态，构成单回路调节、多冲量调节、串级调节等各种符合生产需要的控制方案；提供了丰富的联网能力，可以帮助用户不受地理范围的限制构建各种规模的控制网络，真正意义上实现集中监控、分散控制，降低系统的整体风险，提高控制效率。
6)有助于仪表的智能化改造
在传统过程控制行业中使用了大量的现场仪表，这已经不能满足智能工厂和工业4.0的需求，但将它们替换成智能仪表一则花费巨大，二则造成浪费，因此需要能够快速地将传统仪表升级成智能仪表的方案；本方法能完成复杂运算，擅长模拟量处理，可提供信号滤波、孔板流量计算、温压补偿等算法，便于用户对一次信号进行预处理、转换和补偿，实现专用仪表的功能，快速把现场仪表改造成智能仪表；方案提供无线、RS485、CAN、工业以太网，能以多种方式帮助仪表连接到物联网，允许远程参数整定；方案提供丰富的仪表诊断信息，及时了解工作状况。
[附图说明]
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中I/O(输入/输出)单元的结构示意图；
图3是本发明中运算单元的结构示意图；
图4是本发明中通讯单元的结构示意图；
图5是本发明的实施例1的结构示意图；
图6是本发明的实施例2的结构示意图。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图1所示，本发明提供了一种丰富联网功能、具有强大控制功能的智能型分布式仪表控制系统，该基于物联网的分布式智能仪表控制系统包括I/O(输入/输出)单元、运算单元、通讯单元和用户端设备，I/O(输入/输出)单元一端与现场仪表相连接，I/O(输入/输出)单元另一端通过无线网络实现与通讯单元进行数据交互，通讯单元与运算单元之间利用数据总线进行数据通信，每个运算单元均搭配有对应的一个通讯单元，以完成信号、参数、指令的传输和转发任务，通讯单元通过局域网与用户端设备进行通讯连接，用户端设备包括工业计算机和移动设备，移动设备包括智能手机和Pad。
该基于物联网的分布式智能仪表控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1)由传感器、变送器等现场仪表以及I/O(输入/输出)单元组成设备层，使用传统的信号线网络，将现场仪表通过硬接线接入就地、就近的I/O(输入/输出)单元，每个I/O(输入/输出)单元接入多个现场仪表；
2)由运算单元、通讯单元组成控制层，在现场完成就地控制，使用短距离无线通信ZigBee网络；
3)由路由器、交换机等网络设施架构成局域网，并接入互联网；
4)I/O(输入/输出)单元利用ZigBee接口或串行接口，与通讯单元一起组成数据网络，并与通讯单元交换数据和控制指令，每个运算单元通过组态软件分配控制多个I/O(输入/输出)单元，通讯单元则通过Wi-Fi网络上传数据至局域网；
5)由计算机(操作员站、工程师站、Internet接口站)、远程终端、移动终端中的一种或多种组成管理层，完成对智能仪表的监视和管理工作，以监测各个分散在广大区域内的现场仪表的工作状况，并根据现场信息发布指令来执行并控制现场仪表的操作。
如附图2所示，为I/O(输入/输出)单元的结构示意图，该I/O(输入/输出)单元具有较完善的信号通道资源，该I/O单元中具备32路开关量输入(DI)、16路开关量输出(DO)、8路模拟量输入(AI)、4路模拟量输出(AO)。
其中，DI为干节点输入类型，提供了安全的低压直流查寻电压，不需要用户额外添加电源，方便使用；用自复位保险丝、防浪涌二极管、限流电阻设计的保护电路，提供过流、过压、误接保护，最大程度避免环境或误操作引起的设备损坏；检测电路灵敏度高、容错范围大，既能检测到不可靠触点如积灰触点的动作，又能排除干扰造成的扰动；速度快，1毫秒就能获取状态变化信息，并用事件顺序记录(SequenceOfEvent，SOE)方式记录，供系统分析使用。
DO为继电器输出类型，每路提供一付一转换触点，可根据需要选择常开或常闭触点；继电器输出带载能力为10A250VAC/30VDC，可以直接驱动电机、开关等设备，也可以作为中间元件外扩大功率继电器、断路器等驱动更大电流设备；继电器安装于底座上，可快速更换，延长整机使用寿命；隔离电路与独立电源、续流二极管的应用保证继电器的动作不会干扰其它通道和其它电路。
AI为自适应多功能通道，利用低噪声、低功耗、高精度的模数转换器(ADC)设计外围判断、切换电路，做到在一个AI信号通道上，同时接受常用的4～20mA、1～5V、常用热电阻、常用热电偶等各种信号，提高了通用性；能在远程通过组态软件或配套的调试软件对每个通道进行类型、量程设置，转换成相应物理量，直观方便；通过软件对通道能进行校准、整定，能够根据温度、压力进行补偿，做到1‰甚至更高精度；各通道具备限幅报警、限速报警等功能，具备自诊断功能，故障和报警信息主动上传；各个通道之间彼此隔离，并有完善的过流、过压电路保护，提高可靠性与安全性。
AO为0～20电流环输出，抗干扰能力强，通用性强，适应于大部分工业用电动阀等执行机构；使用高精度、快速、低功耗的数模转换器(DAC)，配合有比较、电流变换、检测等电路，能够快速、准确输出设定值；通道具备断线、短路、过流检测功能，并上传自诊断信息；各通道之间严格隔离，有完善的过流、过压电路保护，保证可靠性与安全性；通道能结合嵌入式软件的整定、补偿操作，达到1‰精度要求。
该I/O单元具有两类通讯接口，一个是低功耗无线通信接口，使用ZigBee技术；另一个是串行通信接口，有RS485与CAN两种总线可选。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，具有低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全的特点，适用于工业现场自动化控制数据传输。每个ZigBee网络节点(FDD)不仅本身可以作为监控对象，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据。一个ZigBee网络可由多达65535个节点组成，传输距离在10-75米，但可利用节点的路由功能无限扩展。
在本系统内I/O单元的数据传输速率不大，但对可靠性要求高，而自组网功能便于分散布置和扩展，所以选择该协议。每个I/O单元内部设计有一个ZigBee收发模块，该模块的核心是TI公司的CC2530芯片，该芯片结合了RF收发器、增强型8051CPU、8KB的RAM和其他外设，利用厂家提供的协议栈Z-StackTM的开发模板、程序源码在IARforMCS-51集成开发环境中开发。天线设计上使用安伦(Anaren)公司提供的解决方案，使用一块集成的不平衡变压器，体积小、抗干扰能力强。收发模块与I/O的主CPU间通过USART口交换数据。每个I/O模块对应一个ZigBee收发模块，在其所在ZigBee网内有唯一地址，而在互联网内，通过其上层的控制单元进行路由也能被准确访问到。
RS485和CAN是应用非常广泛的工业级现场总线，具体到我国，CAN是一种正在蓬勃发展的总线，RS485在现场部署更多并已能满足很多场合需求，两者将在很长时间内并存。RS485标准1983被制定与发布，作为非常重要的数据传输链路，已有30多年的发展历史，尤其是智能仪表领域。为兼容现场已有智能仪表，并使I/O单元能够被其他控制系统所使用，保留一个RS485口很有必要。I/O单元中安装一个RS485收发芯片SN65HVD22D，主CPU使用一个UART口和一个I/O脚来控制该芯片，CPU程序默认支持MODBUS协议。
CAN(ControllerAreaNetwork)总线是一种新型的现场总线，在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性等方面具有很大优势。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为嵌入式工业控制局域网和汽车计算机控制系统的标准总线，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。CAN协议适用于分布式控制系统各节点之间实时、可靠的数据通信，为使本系统具备更好的兼容性和可扩展性，并适应未来发展，有必要开放一个CAN接口。在一些场合，有可能因工艺需求或标准规定而不允许使用无线数据传输，该CAN口将用于输入/输出单元与运算单元、输入/输出单元与输入/输出单元之间交换数据用，由原来的星型网络变成一个高效、可靠的串行网络。CPU中已增加了一套适用于分散控制的通讯协议，该协议由本公司编撰，特点是轮询与事件触发方式有机结合、擅长通过分段、打包方式一次传输较多信息，在保持CAN协议数据实时性前提下增强数据传输效率。I/O单元中安装一个CAN收发芯片MCP2551，主CPU自带CAN控制器，通讯波特率100Kbps-1Mbps之间可选。RS485和CAN驱动电路与CPU间做了隔离，以避免干扰和故障窜入，两者都有防静电等保护措施。
该I/O单元内部有完善的隔离，信号接口电路与CPU部分之间、信号通道之间都有隔离，通讯接口与其他电路也有隔离。从驱动能力、响应速度、功耗等角度为各部分电路分别选择了光电隔离和磁隔离方式，前者驱动能力较强、价格便宜，后者响应速度更快、功耗低、电路简单。I/O单元为每个部分都提供了单独的、高隔离的DC电源，并为整个电源系统设计了完善的滤波、去耦电路，使其在整个板上都能稳定工作。
为应对复杂的现场环境，I/O单元设计之初便考虑电磁兼容(EMC)问题，无论是硬件电路还是嵌入软件都按照此需求出发，设计了较完备的接地系统、采用各种滤波技术、限幅电路、平衡差动电路等，使其能在环境恶劣、电磁辐射强的场合下能正常工作，而且不对其他系统造成干扰。故障不扩大化是I/O单元设计的重要出发点，每个对外接口电路都有完善的过流、过压保护，隔离电路与独立电源也能保证损坏范围尽可能小，不会影响其他通道，更不能影响系统内其他组成单元。I/O单元能自构成若干个简单的控制回路，可实现对若干个仪表的检测、对简单设备的自动控制，并具备自诊断功能，可单独使用也可接入本方案的系统和其他厂家的系统使用。
如附图3所示，为运算单元的结构示意图，该运算单元主要完成运算和控制任务。CPU使用32位处理器STM32F407，它是基于ARMCortex-M4的一款CPU，运算速度可达210DMIPS，内部集成1MB的Flash和192+4KB的RAM，并有丰富的定时器、UART口等外设资源。该处理器还集成了一个浮点运算单元(FloatPointUnit，FPU)，能满足现场控制计算的需求。Linux和WinCE等操作系统不能满足现场控制的实时性要求，我们从需求出发，借鉴操作系统的任务管理机制，开发了一套处理器的嵌入软件，该软件能编译执行符合IEC1131-3标准的编程语言，能用指令表(InstructionList，IL)、功能块图(FunctionBlockDiagram，FBD)和顺序功能图(SequentialFunctionChart，SFC)组态编程并下载到处理器中。IEC6-1131/3是一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准，得到了世界范围众多厂商的支持，它聚焦于解决控制中的问题，适用于通用的工业控制。采用该标准，了解PLC和DCS的工程人员可以快速掌握。
该运算单元配置了4片1M*16bits的高速异步静态存储器作为二级缓存，1片1M的非易失存储器用以保存参数。运算单元也按照电磁兼容要求设计，有完善的隔离设计、接地设计和静电保护、防浪涌保护等，具备较强的计算功能，能够完成单回路控制、串级调节、自适应控制等各种普通和高级控制功能。
如附图4所示，为通讯单元的结构示意图，该通讯单元完成通讯接口、信号标记、信息路由、协议转换等功能。单元具备多种通讯方式，包括快速数据总线、ZigBee接口、RS485/CAN接口、无线局域网Wi-Fi接口、以太网接口、Bluetooth接口等。
通讯单元与运算单元之间利用数据总线进行高速、及时、大量的数据通信，每个运算单元都搭配有对应的一个通讯单元，主要完成信号、参数、指令的传输和转发任务；通讯单元通过ZigBee在各输入/输出单元以及其他通讯单元之间构成一个无线的网状结构，主要用于帮助运算单元获取通道信号并下发控制指令；RS485与CAN接口主要用于系统扩展，既方便其他智能仪表接入本系统，又可作为组成部分接入其他控制系统，在必要时还可以摒弃无线用该接口组成串行网络；Wi-Fi接口主要用作与互联网、与其他通讯单元交换数据，数据量相对ZigBee网络要大得多，用户的远程访问也是通过该接口实现；以太网接口主要用于调试作为和Wi-Fi接口的备用，还可以在两个运算单元之间建立交换网，此时这两个运算单元是冗余使用，需执行相同的组态程序。
通讯单元还提供GPRS、4G移动数据接口，此时该单元可以直接上传数据到远端服务器。对一些分散性极大的项目比较适合，比如分布在野外的泵站、钻油井、鱼塘等，它们所处位置很可能没有以太网或布网成本过大，此时可通过移动数据利用移动、联通、电信这些运营商的网络传输数据。该方案适合少量、非实时性的数据传输，一般用来监控运行状态、调整参数、少量的动作控制。我们基于SIM900A芯片设计了一款GPRS模块，4G模块在开发计划中，客户也可按照我公司提供的要求自行选择市场上其他厂家的移动数据转换模块。
信号标记采用GUID算法，为现场侧信号提供全局唯一的标识符，用于信号在物联网络中传输信息时识别身份使用。信号标记内置关于信号的详细信息，例如信号类型、传感器参数、生产厂家、维护记录等。由于通讯单元有多路通讯接口，提供对现场侧、控制侧、用户侧的数据双向通讯。信息路由功能用于完成各接口之间的数据传递，同时根据内嵌的安全设置，防止信息的非法访问。协议转换将不同的通讯源物理信号，转换成内部的数据格式，然后再转换到目标物理信号。
本发明中，控制系统的人机接口设备不仅包括传统的计算机设备，还包括智能手机、Pad等具有通讯能力的智能设备。用户不仅可以在集控室中，通过工业计算机对系统进行监视、操作，也可以在任何地方使用手机、Pad等设备接入生产系统，了解控制系统的运行、现场仪表的状态。当控制系统产生报警、警告等信息时，这些消息也会通过通讯路由，主动发送相关人员。
工业计算机一般配有大容量的存储器，作为工程师站(EngineerStation，ES)和操作员站(OperatorStation，OS)。工程师站是供过程控制工程师使用的，用于组态控制软件，诊断、监视系统运行状况，开发、测试、维护控制系统所用的工作站。操作员站作为操作员操作台使用的人机接口设备，用于操作、监视、报警、趋势显示、记录和打印报表。
系统还提供了一套监控组态软件，用于监控生产运行过程、管理运行数据、连接人机界面和云端。主要包括开发系统(Draw)、运行系统(View)、管理系统(Manage)、实时数据库(DB)、控制策略生成器(StrategyBuilder)、输入/输出服务程序、设备服务程序等部分。组态软件的最大特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要简单“组态”预置的各种软件模块就可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，提高了开发效率。
对于用户来说，主要面对的是开发系统、运行系统和管理系统。开发系统和管理系统的使用者是工程师，开发系统供工程师根据工艺开发控制程序，管理系统用于配置路由路径、建立访问列表。工程师在了解本组态软件的开发流程之外，还需要有一定的过程控制专业知识，特别要清楚作为控制对象的生产工艺的参数和流程。运行系统的用户主要是操作员和管理人员，有两种操作方式。一种是利用操作员站监控整个生产过程，确保系统工作正常、工艺准确高效，随时准备人工干预处理报警和故障，数据量大、实时性高；另外一种仅在需要时观察数据，了解生产整体状态和设备状况，必要时具体观察系统的某一部分、发出某个控制指令，我们为这一部分用户提供了远程访问方式，可以随时随地获取信息。系统提供两种远程访问工具，一种是Web服务器程序，用户可以在台式机或便携机上用标准浏览器访问系统，实时监控现场生产过程，实际上用户直接访问到的是Internet接口站上的管理系统，再由管理系统路由到数据库中，历史数据也能通过这种方式获取，报警和错误信息会有显眼的提示；另外一种方式是手机APP，用户软件里绑定地址和用户名后，访问到的也是管理系统，为适应屏幕大小，界面上的信息组织方式与标准浏览器有所不同。
本发明中，Internet接口站为系统的Internet接入提供了静态接入和动态接入两种方案。静态接入是指用户拥有在Internet上的静态IP地址，控制系统通过这个静态地址接入互联网。这样远程的用户可以直接通过该静态地址访问到内部的控制系统。动态接入是用户在接入Internet时，是由服务商给出的动态IP地址。我们在互联网上建有连接服务器，当控制系统接入互联网时会在服务器上进行注册，然后当用户需要访问控制系统时，利用我们的TCP/IP穿透技术，使用户根据服务器的注册信息，可以直接和控制系统建立起通讯联系。另外，我们在互联网上设置有云端服务，可收集经用户授权的现场仪表信息，记录各型仪表的工作状况和控制系统的工况数据，并配合后台专家数据库，对控制系统或仪器仪表的各类故障提供专家建议。
Internet接口站可以布置在厂级局域网，也可以布置在远离厂区的互联网任意一处，还可以布置在某个厂区的局域网内但同时管理其他厂区。为了安全性，建议在每个厂级局域网设立Internet接口站。Internet接口站主要工作是：路由，提供各单元的访问路径；隔离，通过分配操作权限、设立访问清单等方式在厂级局域网与互联网之间设立一个软件层面的防护机制；分析，进行事件顺序记录，分析汇总操作信息。
用户有可能有若干个独立厂区或站点，但可能规模很小，条件不具备或出于成本考虑，只在控制中心或办公室布设了一个Internet接口站。该Internet接口站能结合IP地址和无线通信网ZigBee内的地址路由访问到每个单元，分析汇总数据。使用GPRS等移动数据通讯是用户访问系统的一种特殊方式。使用该方式时，用户可使用手机连接到通讯单元，对控制级进行直接访问。这种方式非常适用于地理分布非常分散、没有高速Internet接入条件的场合，例如油田钻探、农业灌溉、森林防火、地理环境监测等场合。用户拥有自己的Internet接口站的全部权限，可临时分配一定权限给专家系统，进行数据分析与远程援助。
设立Internet接口站可以在工业计算机上安装管理软件，正确配置防火墙即可。
如附图5所示，为实施例1的结构示意图。该实施例1本发明方案的一个典型应用，其建立了一个大规模的控制系统，包括若干个分散厂区，厂区内有大容量的控制节点。该应用适合大型自动化生产，比如炼油、火力发电等。
每个厂区里用无线路由器、交换机等网络设施架构一个局域网，Internet接口站用来隔离该局域网和互联网，远程访问都是通过Internet接口站实现；工业计算机作为操作员站和工程师站使用，被布置在局域网，以获得更好的实时性。
现场仪表通过硬接线接入就地、就近的I/O单元，每个I/O单元满负荷可接入多达60个现场仪表、开关和阀门等设备；I/O单元利用ZigBee的路由功能，与通讯单元一起可组成多达65535个节点的数据网络；每个运算单元通过组态软件分配控制若干个I/O单元，数目不应超过255个；通讯单元通过遍布厂区的Wi-Fi网络上传数据；所有厂区的数据经自己的Internet接口站筛选后都可以被远程访问，每个厂区都布置有独立的操作员站，以保证控制效率。
如附图6所示，为实施例2的结构示意图。该实施例2是本发明方案的一个简略化应用，是一个高分散性的控制系统，包含有很多个分布范围广、控制信息少的厂区。该应用适合小规模、低成本的自动化生产，比如养殖、环境监控、污水处理等。
各厂区，比如是一个污水处理站，仅有几套运算单元及I/O单元来控制少量水泵、电机和阀门。I/O单元直接连接现场各种仪表和执行机构并通过ZigBee与通讯单元交换数据和控制指令，通讯单元使用GPRS、4G等移动数据模块通过运营商平台直接远传通讯；Internet接口站、操作员站、工程师站可以是同一台计算机，它监测着各个分散在广大区域内的污水处理站的工作状况，并根据液位、流量、pH值等现场信息发布指令来执行开关阀门等操作；远程终端与移动设备通过这台计算上的管理系统路由访问各个运算单元和I/O通道。
本应用相比典型应用简化了控制层次，各个运算单元是在作为控制中心的计算机上汇集、交换数据，接口站只有一套而不是在每个厂区内独立设置。
除此之外，本发明在工业控制、工业仪表智能化、物联网方面均有创新设计，如下所述：
(1)本发明相对于传统的工业控制的竞争点为：仪表控制功能单一，各厂商自行开发，应用有很大的局限性，并渐渐在往FCS的就地智能仪表发展；随着技术的发展，DCS和PLC界限慢慢模糊，在它们基础上发展过来的FCS继承了它们的优点。但FCS的实际应用困难重重，一个是现场总线国际标准多达12种，各有优缺点，要实现互联非常困难，这使得FCS的开放性、分散性、可互操作性等特点难以体现；其次是硬件成本高，我国用户尤其是中小企业对此非常敏感。而且，以上这些系统都是通过有线网络连接，只能工作于一个有限的地理范围内，用户只能在这个范围内对系统进行操作控制。
本方法的主要特点包括：采用“无线/Internet”结构为主要框架，系统节点布置灵活，没有地理范围限制；信号采集端有很强的信号通用处理能力，包括对模拟量的处理，并提供丰富的普通和高级控制功能，能够满足大部分用户对设备和生产过程控制的需求；系统成本低，并使用模块化结构，可以边生产边扩展，性价比高，初期投入小。
(2)本发明相对于传统的工业仪表智能化的竞争点为：为了提高效率、降低成本，制造业的技术改造投入巨大，据统计资料，2015年技术改造投资占工业投资比重为42.6％，现场仪表智能化改造的市场前景也非常可观。
本方法由于产品内部集成有丰富的信号处理功能和通讯功能，能快速将传统现场仪表改造成智能仪表，而且在控制能力上甚至可超越智能仪表，这些性能不仅降低了直接用户的改造成本，同时也为仪表厂商开发新型智能仪表，提供了极为强大的基础平台。
(3)本方法相对于传统的物联网的竞争点为：本方案提供内嵌电子标签功能，以解决原本没有身份信息的仪表或信号，在物联网内传播信息时的身份识别问题；方案通过分配操作的权限、建立信号访问清单等方式保证信息沟通的安全性。方案专注于智能仪表控制领域，提供丰富的联网能力，利用Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee等技术构建局域无线网络，并通过有线宽带或GRPS、4G等接入互联网络，使得用户可以在不同层级对企业的生产实施监控管理，并在需要的时候借助专家系统。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：包括输入/输出单元、运算单元、通讯单元和用户端设备，所述输入/输出单元一端与现场仪表相连接，所述输入/输出单元另一端通过无线网络或串行接口实现与通讯单元进行数据交互，所述通讯单元与运算单元之间利用数据总线进行数据通信，每个运算单元均搭配有对应的一个通讯单元，以完成信号、参数、指令的传输和转发任务，所述通讯单元通过局域网与用户端设备进行通讯连接，所述用户端设备包括工业计算机和移动设备，所述移动设备包括智能手机和Pad。
2.如权利要求1所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述局域网通过Internet接口站与互联网相连，所述互联网上连接有远程终端，所述远程终端包括计算机二和移动设备二。
3.如权利要求1所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述输入/输出单元包括CPU一、无线通讯接口、串行通讯接口、32路开关量输入、16路开关量输出、8路模拟量输入及4路模拟量输出，所述无线通讯接口、串行通讯接口分别通过隔离电路连接CPU一，所述32路开关量输入、16路开关量输出分别通过光电隔离连接CPU一，所述8路模拟量输入、4路模拟量输出分别通过磁隔离连接CPU一。
4.如权利要求3所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述32路开关量输入为干节点输入，用于提供安全的低压直流查寻电压；所述16路开关量输出为继电器输出，每路开关量输出提供一付一转换触点，与其相连的隔离电路用于保证继电器的动作不会干扰其它通道和其它电路；所述8路模拟量输入为自适应多功能通道，各个通道之间彼此隔离，并有过流、过压电路保护；所述4路模拟量输出为0-20mA电流环输出，各通道之间彼此隔离，有过流、过压电路保护；所述无线通信接口使用ZigBee技术，所述输入/输出单元通过无线通信ZigBee网络实现与通讯单元进行数据交互，所述串行通信接口使用RS485总线或CAN总线，每个输入/输出单元内部均设有一个ZigBee收发模块，所述ZigBee收发模块与输入/输出单元的CPU间通过USART口交换数据，所述CAN总线用于输入/输出单元与运算单元、输入/输出单元与输入/输出单元之间交换数据，所述RS485总线或CAN总线的驱动电路与CPU间设有的隔离电路，用于避免干扰和故障窜入。
5.如权利要求1所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述运算单元用于运算、逻辑控制、信号采样和参数获取、语言组态解析、输出与指令下发及任务调度，所述运算单元包括CPU二和快速数据总线接口，所述快速数据总线接口通过隔离电路连接CPU二，所述CPU二使用32位处理器，所述32位处理器内部集成有Flash和RAM，所述32位处理器还集成有浮点运算单元，所述浮点运算单元用于现场控制计算需求。
6.如权利要求1所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述通讯单元用于通讯接口、信息收发、信息标记、信息路由及协议转换，所述通讯单元包括CPU三、快速数据总线接口、ZigBee接口、RS485/CAN接口、Bluetooth接口、Wi-Fi接口、以太网接口和移动数据接口，所述ZigBee接口、RS485/CAN接口分别通过隔离电路连接CPU三，所述Bluetooth接口、Wi-Fi接口、以太网接口、移动数据接口分别连接CPU三，所述CPU三通过隔离电路连接快速数据总线接口。
7.如权利要求6所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述通讯单元通过ZigBee接口在输入/输出单元以及其他通讯单元之间构成一个无线的网状结构，用于帮助运算单元获取通道信号并下发控制指令；所述RS485/CAN接口用于系统扩展，以方便现场仪表接入本系统，又作为组成部分接入其他控制系统，还可代替无线方式用于组成串行网络；所述Wi-Fi接口用作与互联网、与其他通讯单元交换数据，其数据量相对ZigBee网络更大，远程终端的访问也是通过该Wi-Fi接口实现；所述以太网接口用于调试作为和Wi-Fi接口的备用，并用于在两个运算单元之间建立交换网；所述移动数据接口为GPRS、4G移动数据接口，用于上传数据至远程终端服务器。
8.如权利要求1所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述Internet接口站包括静态接入和动态接入，所述静态接入是指用户拥有在Internet上的静态IP地址，控制系统通过该静态IP地址接入互联网，远程终端直接通过该静态IP地址访问到内部的控制系统；所述动态接入是指用户在接入Internet时，是由服务商给出的动态IP地址，通过在互联网上建有连接服务器，当控制系统接入互联网时会在服务器上进行注册，然后当用户需要访问控制系统时，使用户根据服务器的注册信息，直接与控制系统建立通讯联系；所述互联网上设置有云端服务器，所述云端服务器用于收集经用户授权的现场仪表信息，记录各现场仪表的工作状况和控制系统的工况数据，并配合后台专家数据库，对控制系统或现场仪表的各类故障提供专家建议。
9.如权利要求1所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统，其特征在于：所述Internet接口站用于路由、隔离和分析，所述路由用于提供各单元的访问路径；所述隔离用于通过分配操作权限、设立访问清单方式在厂级局域网与互联网之间设立一个软件层面的防护机制；所述分析用于进行事件顺序记录、分析汇总操作信息。
10.如权利要求1至9中任一项所述的基于物联网的分布式智能仪表控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)由传感器、变送器等现场仪表以及输入/输出单元组成设备层，将现场仪表通过硬接线接入就地、就近的输入/输出单元，每个输入/输出单元接入多个现场仪表；
2)由运算单元、通讯单元组成控制层，在现场完成就地控制，使用短距离无线通信ZigBee网络；
3)由路由器、交换机等网络设施架构成局域网，并接入互联网；
4)输入/输出单元利用ZigBee的路由功能，与通讯单元一起组成数据网络，并与通讯单元交换数据和控制指令，每个运算单元通过组态软件分配控制多个输入/输出单元，通讯单元则通过Wi-Fi网络上传数据至局域网；
5)由计算机、远程终端、移动终端中的一种或多种组成管理层，完成对智能仪表的监视和管理工作，以监测各个分散在广大区域内的现场仪表的工作状况，并根据现场信息发布指令来执行并控制现场仪表的操作。
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