CN106131056A - 一种工业无线适配器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业无线适配器及其工作方法，适配器包括主控模块、用于工业厂区内WIFI覆盖的范围内无线通信的WIFI模块、用于工业厂区室外长距离无线通信的433/470模块、用于测量数字量仪表的输入量和脉冲计数的数字量输入/脉冲输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、用于与上位机连接进行适配器功能配置及与RS232接口仪表设备连接通信的RS232通讯模块、用于与RS485接口仪表设备和现场控制设备连接通信的RS485通讯模块、电源模块、光耦隔离芯片以及拨码开关；上述各模块均与主控模块连接。本发明根据应用场景不同，可以选择433/470Hz通信模式和WIFI通信模式，将不同类型的仪表进行协议转换，WIFI模式下还可替代PLC对现场设备进行简单采集和控制。

Description

一种工业无线适配器及其工作方法
技术领域
本发明涉及工程仪表的研究领域，特别涉及一种工业无线适配器及其工作方法。
背景技术
在工业自动化系统中，多种类型的智能设备正在逐渐得到推广和应用。随着自动化水平的不断提高，对智能设备的性能提出了更高的要求，可通信、网络化已经成为智能设备的重要特征，对构建统一通信协议及网络的研究、应用空前关注。通信适配器能够很好的将不同的两种协议或者多种协议网络连接起来，实现不同协议数据转换的功能。
而针对采集多种类型仪表设备的工业自动化系统，如继电器输出控制、设备状态监测、4-20mA仪表、带RS485或RS232接口的Modbus仪表、DTL645电表等设备数据采集，需要DI/DO采集模块、4-20mA模块、Modbus采集模块和DTL645采集模块，并且各模块之间还要统一协议以便通信。现场设备众多，因此需要大量的各种协议转换模块。
针对上述情况，需要研究一种转换设备，节省厂家投资。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种工业无线适配器及其工作方法，根据应用场景不同，可以选择433/470Hz通信模式和WIFI通信模式，将不同类型的仪表进行协议转换，WIFI模式下还可替代PLC对现场设备进行简单采集和控制。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种工业无线适配器，包括主控模块、用于工业厂区内WIFI覆盖的范围内无线通信的WIFI模块、用于工业厂区室外长距离无线通信的433/470模块、用于测量数字量仪表的输入量和脉冲计数的数字量输入/脉冲输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、用于与上位机连接进行适配器功能配置及与RS232接口仪表设备连接通信的RS232通讯模块、用于与RS485接口仪表设备和现场控制设备连接通信的RS485通讯模块、电源模块、光耦隔离芯片以及拨码开关；所述WIFI模块、433/470模块、数字量输入/脉冲输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、RS232通讯模块、RS485通讯模块、电源模块、光耦隔离芯片以及拨码开关均与主控模块连接。
作为优选的技术方案，所述主控模块采用单片机STM32F103C8T6，负责对整个系统进行控制以及各部分数据之间的交换。
作为优选的技术方案，所述WIFI模块通过无线路由器与上位机通信，所述433/470模块通过无线网关与上位机通信；上位机根据应用场景选择WIFI模块和433/470模块中的一种方式进行通信。
作为优选的技术方案，通过所述的数字量输入/脉冲输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块可替代现场控制设备对仪表设备进行数据采集和状态控制。
作为优选的技术方案，所述适配器与上位机通信采用Modbus TCP协议，所述适配器与Modbus仪表通信采用Modbus RTU协议，适配器与DTL645电表通信采用DTL645规约。
作为优选的技术方案，所述光耦隔离芯片采用芯片PS2705，用于保护仪器仪表与适配器通信的稳定性。
作为优选的技术方案，所述拨码开关用于MAC地址、波特率及RS485上下拉电阻进行设置。
本发明还提供了一种工业无线适配器的工作方法，包括以下步骤：
S1：对适配器进行初始化设置；
S2：适配器的采集指令分为两部分，一部分是IO接口设备数据采集，一部分是仪表数据采集；具体操作为：IO采集任务轮流读取1路数字量输入/脉冲输入模块DI/PI、2路数字量输出模块DO、2路模拟量输入模块AI的数据，读取的数据存入相应的保持寄存器；仪表数据采集任务采集RS485总线上的Modbus仪表数据或DTL645仪表数据，采集顺序按照配置时生成的指令列表读取；数据发送Modbus协议栈任务处理；
S3：Modbus协议栈任务处理Modbus指令，指令主要包括：03、06、16指令，若是03指令，读取相应保持寄存器地址的值，并返回03应答；若是06或16指令，将数据存入相应保持寄存器地址，并根据寄存器地址写入DO接口；
S4：协议转换任务，实现Modbus TCP与Modbus RTU/DTL645之间的协议转换，上位机下发的Modbus TCP协议指令，由协议转换任务转换为Modbus RTU/DTL645，再下发给Modbus仪表/DTL645仪表；相应仪表返回的应答数据，由协议转换任务转换为Modbus TCP后传给网关/路由器。
作为优选的技术方案，步骤S1中，所述初始化的设置具体包括：
对WIFI模块以及433/470模块配置，分配IP地址，设置设备ID，DI/PI、DO状态设置/查询，AI量程设置，DTL645仪表地址映射表配置；所述适配器还支持无线配置和升级。
作为优选的技术方案，步骤S4中，进行协议转换的具体步骤为：
S41、Modbus TCP转Modbus RTU；
将Modbus TCP协议前7个字节的MBAP报头去掉，并在最后面的数据加上16位的CRC校验码，转换成Modbus RTU协议；
去掉Modbus RTU数据最后两个字节的CRC校验码，并在数据最前面加上ModbusTCP数据7个字节的MBAP报头，转换成Modbus TCP协议；
S42、Modbus TCP转DTL645；
适配器先配置DTL645地址对Modbus地址的映射表，并约定DTL645仪表的寄存器地址；
当适配器收到Modbus TCP数据，通过协议转换程序对数据进行解析，根据地址映射表，找出DTL645仪表地址，并根据要采集数据的内容，按照DTL645协议打包采集数据发送给DTL645仪表；
将收到的DTL645仪表应答数据，通过协议转换程序进行解析，根据地址映射表，找出Modbus地址，并将应答数据按照Modbus TCP协议打包发送给上位机；
S43、Modbus RTU透传；
Modbus RTU透传模式，适配器将接收到的数据不做任何处理，直接通过另一接口传输出去，实现Modbus RTU透传功能；
S44、Modbus RTU转DTL645；
适配器先配置DTL645地址对Modbus地址的映射表，并约定DTL645仪表的寄存器地址；
当适配器收到Modbus RTU数据，通过协议转换程序对数据进行解析，根据地址映射表，找出DTL645仪表地址，并根据要采集数据的内容，按照DTL645协议打包采集数据发送给DTL645仪表；
将收到的DTL645仪表应答数据，通过协议转换程序进行解析，根据地址映射表，找出Modbus地址，并将应答数据按照Modbus RTU协议打包发送给上位机。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1)本发明适配器有接口丰富，可直接检测数字量仪表及4-20mA仪表的状态，控制仪表开关，同时可替代现场控制设备对现场仪表设备采集和控制。
2)本发明适配器提供标准的Modbus协议，可以与Modbus仪表和提供标准Modbus协议接口的上位机无缝连接，同时提供无线功能，方便工厂中仪表的排布。
3)本发明适配器支持无线配置和升级。
附图说明
图1本发明工业无线适配器框图。
图2本发明工业无线适配器功能框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种工业无线适配器，包括主控模块、WIFI模块、433/470模块、数字量输入/脉冲输入模块(DI/PI)、数字量输出模块(DO)、模拟量输入模块(AI)、RS232通讯模块、RS485通讯模块、电源模块、光耦隔离芯片、拨码开关，上述模块均与主控模块连接。
所述的RS232通讯模块用于与上位机连接进行适配器功能配置及与RS232接口仪表设备连接通信，所述RS485通讯模块用于与RS485接口仪表设备和现场控制设备连接通信，所述DI/PI测量数字量仪表的输入量和脉冲计数，所述DO为继电器式数字输出，所述AI用于检测4-20mA仪表的电流值。
所述的WIFI模块和433/470模块用于适配器和上位机无线通信，根据应用场景只能选择其中一种通信模式，所述WIFI模块用于工业厂区内WIFI覆盖的范围内无线通信，所述433/470模块可用于工业厂区室外长距离无线通信。
所述WIFI适配器通过无线路由器与上位机通信，所述433/470适配器通过433无线网关与上位机通信。
所述适配器与上位机通信采用Modbus TCP协议，适配器与Modbus仪表通信采用Modbus RTU协议，适配器与DTL645电表通信采用DTL645规约。
所述WIFI模式下适配器可以替代现场控制设备对仪表设备进行数据采集和状态控制。
本实施例中，所述光耦隔离芯片采用芯片PS2705，用于保护仪器仪表与适配器通信的稳定性；所述拨码开关用于对MAC地址、波特率及RS485上下拉电阻进行设置。
如图2所示，所述的工业无线适配器的工作方法，包括以下步骤：
S1：WiFi/433/470模块配置，分配IP地址，设置设备ID，DI/PI、DO状态设置/查询，AI量程设置，DTL645仪表地址映射表配置等；同时，适配器还支持无线配置和升级；
S2：适配器的采集指令分为两部分，一部分是IO接口设备数据采集，一部分是仪表数据采集；具体操作为：IO采集任务轮流读取1路DI/PI、2路DO、2路AI的数据，读取的数据存入相应的保持寄存器；仪表采集任务采集RS485总线上的Modbus仪表或DTL645仪表数据，采集顺序按照配置时生成的指令列表读取；数据发送Modbus协议栈任务处理；
S3：Modbus协议栈任务处理Modbus指令，指令主要包括：03、06、16指令，若是03指令，读取相应保持寄存器地址的值，并返回03应答；若是06或16指令，将数据存入相应保持寄存器地址，并根据寄存器地址写入DO接口；
S4：协议转换任务，实现Modbus TCP与Modbus RTU/DTL645之间的协议转换，上位机下发的Modbus TCP协议指令，由协议转换任务转换为Modbus RTU/DTL645，再下发给Modbus仪表/DTL645仪表；相应仪表返回的应答数据，由协议转换任务转换为Modbus TCP后传给网关/路由器。
进行协议转换的具体步骤为：
S41、Modbus TCP转Modbus RTU；
将Modbus TCP协议前7个字节的MBAP报头去掉，并在最后面的数据加上16位的CRC校验码，转换成Modbus RTU协议；
去掉Modbus RTU数据最后两个字节的CRC校验码，并在数据最前面加上ModbusTCP数据7个字节的MBAP报头，转换成Modbus TCP协议；
S42、Modbus TCP转DTL645；
适配器先配置DTL645地址对Modbus地址的映射表，并约定DTL645仪表的寄存器地址；
当适配器收到Modbus TCP数据，通过协议转换程序对数据进行解析，根据地址映射表，找出DTL645仪表地址，并根据要采集数据的内容，按照DTL645协议打包采集数据发送给DTL645仪表；
将收到的DTL645仪表应答数据，通过协议转换程序进行解析，根据地址映射表，找出Modbus地址，并将应答数据按照Modbus TCP协议打包发送给上位机；
S43、Modbus RTU透传；
Modbus RTU透传模式，适配器将接收到的数据不做任何处理，直接通过另一接口传输出去，实现Modbus RTU透传功能；
S44、Modbus RTU转DTL645；
适配器先配置DTL645地址对Modbus地址的映射表，并约定DTL645仪表的寄存器地址；
当适配器收到Modbus RTU数据，通过协议转换程序对数据进行解析，根据地址映射表，找出DTL645仪表地址，并根据要采集数据的内容，按照DTL645协议打包采集数据发送给DTL645仪表；
将收到的DTL645仪表应答数据，通过协议转换程序进行解析，根据地址映射表，找出Modbus地址，并将应答数据按照Modbus RTU协议打包发送给上位机。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，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)

1.一种工业无线适配器，其特征在于，包括主控模块、用于工业厂区内WIFI覆盖的范围内无线通信的WIFI模块、用于工业厂区室外长距离无线通信的433/470模块、用于测量数字量仪表的输入量和脉冲计数的数字量输入/脉冲输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、用于与上位机连接进行适配器功能配置及与RS232接口仪表设备连接通信的RS232通讯模块、用于与RS485接口仪表设备和现场控制设备连接通信的RS485通讯模块、电源模块、光耦隔离芯片以及拨码开关；所述WIFI模块、433/470模块、数字量输入/脉冲输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、RS232通讯模块、RS485通讯模块、电源模块、光耦隔离芯片以及拨码开关均与主控模块连接。
2.根据权利要求1所述的工业无线适配器，其特征在于，所述主控模块采用单片机STM32F103C8T6，负责对整个系统进行控制以及各部分数据之间的交换。
3.根据权利要求1所述的工业无线适配器，其特征在于，所述WIFI模块通过无线路由器与上位机通信，所述433/470模块通过无线网关与上位机通信；上位机根据应用场景选择WIFI模块和433/470模块中的一种方式进行通信。
4.根据权利要求3所述的工业无线适配器，其特征在于，通过所述的数字量输入/脉冲输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块可替代现场控制设备对仪表设备进行数据采集和状态控制。
5.根据权利要求1所述的工业无线适配器，其特征在于，所述适配器与上位机通信采用Modbus TCP协议，所述适配器与Modbus仪表通信采用Modbus RTU协议，适配器与DTL645电表通信采用DTL645规约。
6.根据权利要求1所述的工业无线适配器，其特征在于，所述光耦隔离芯片采用芯片PS2705，用于保护仪器仪表与适配器通信的稳定性。
7.根据权利要求1所述的工业无线适配器，其特征在于，所述拨码开关用于对MAC地址、波特率及RS485上下拉电阻进行设置。
8.根据权利要求1所述的工业无线适配器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对适配器进行初始化设置；
S2：适配器的采集指令分为两部分，一部分是IO接口设备数据采集，一部分是仪表数据采集；具体操作为：IO采集任务轮流读取1路数字量输入/脉冲输入模块DI/PI、2路数字量输出模块DO、2路模拟量输入模块AI的数据，读取的数据存入相应的保持寄存器；仪表数据采集任务采集RS485总线上的Modbus仪表数据或DTL645仪表数据，采集顺序按照配置时生成的指令列表读取；数据发送Modbus协议栈任务处理；
S3：Modbus协议栈任务处理Modbus指令，指令主要包括：03、06、16指令，若是03指令，读取相应保持寄存器地址的值，并返回03应答；若是06或16指令，将数据存入相应保持寄存器地址，并根据寄存器地址写入DO接口；
S4：协议转换任务，实现Modbus TCP与Modbus RTU/DTL645之间的协议转换，上位机下发的Modbus TCP协议指令，由协议转换任务转换为ModbusRTU/DTL645，再下发给Modbus仪表/DTL645仪表；相应仪表返回的应答数据，由协议转换任务转换为Modbus TCP后传给网关/路由器。
9.根据权利要求8所述的工业无线适配器的工作方法，其特征在于，步骤S1中，所述初始化的设置具体包括：
对WIFI模块以及433/470模块配置，分配IP地址，设置设备ID，DI/PI、DO状态设置/查询，AI量程设置，DTL645仪表地址映射表配置；所述适配器还支持无线配置和升级。
10.根据权利要求8所述的工业无线适配器的工作方法，其特征在于，步骤S4中，进行协议转换的具体步骤为：
S41、Modbus TCP转Modbus RTU；
将Modbus TCP协议前7个字节的MBAP报头去掉，并在最后面的数据加上16位的CRC校验码，转换成Modbus RTU协议；
去掉Modbus RTU数据最后两个字节的CRC校验码，并在数据最前面加上Modbus TCP数据7个字节的MBAP报头，转换成Modbus TCP协议；
S42、Modbus TCP转DTL645；
适配器先配置DTL645地址对Modbus地址的映射表，并约定DTL645仪表的寄存器地址；
当适配器收到Modbus TCP数据，通过协议转换程序对数据进行解析，根据地址映射表，找出DTL645仪表地址，并根据要采集数据的内容，按照DTL645协议打包采集数据发送给DTL645仪表；
将收到的DTL645仪表应答数据，通过协议转换程序进行解析，根据地址映射表，找出Modbus地址，并将应答数据按照Modbus TCP协议打包发送给上位机；
S43、Modbus RTU透传；
Modbus RTU透传模式，适配器将接收到的数据不做任何处理，直接通过另一接口传输出去，实现Modbus RTU透传功能；
S44、Modbus RTU转DTL645；
适配器先配置DTL645地址对Modbus地址的映射表，并约定DTL645仪表的寄存器地址；
当适配器收到Modbus RTU数据，通过协议转换程序对数据进行解析，根据地址映射表，找出DTL645仪表地址，并根据要采集数据的内容，按照DTL645协议打包采集数据发送给DTL645仪表；
将收到的DTL645仪表应答数据，通过协议转换程序进行解析，根据地址映射表，找出Modbus地址，并将应答数据按照Modbus RTU协议打包发送给上位机。
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