CN108551423A - 工业计量泵组集群远程监控专用多信道智能网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业计量泵组集群远程监控专用多信道智能网关，由ARM微控制器、外围电路、CAN通信模块、Ethernet通信模块和4G通信模块组成，用以实现远程PC工作站、手机端和计量泵专用数字变频控制器之间的双向数据透传通信，实现对工业计量泵组集群系统稳定的远程网络化监控。本发明通过多信道冗余通信方案及通信异常应急机制，最大化地保证通信质量和网络稳定性。采用先进的下层网络优先级策略和调度算法以及上层网络高效组块技术以满足通信与控制的高效性与实时性。同时采用有效的底层网络节点管理机制，最大化地保证计量泵组地工作效率，避免因个别节点掉线带来的生产质量上的损失。

Description

工业计量泵组集群远程监控专用多信道智能网关

技术领域

本发明应用于工业计量泵组集群的远程监控通信领域，以实现泵组集群系统的联网与远程监控，涉及到在联网与通信过程中的实时性与安全性，尤其是采用多信道冗余方案实现在多种工业环境与复杂地理环境下对计量泵组集群系统的监控需求。

背景技术

在多数的化工制药领域，需要大量的腐蚀性流体作为加工原料进行加工，同时需要较高的投加精度。而计量泵作为泵类中一种既满足防腐要求，又可以满足各种严格工艺流程需要的特种泵，被广泛地应用于石油化工、制药、环保和食品等各工业领域。但是在实际生产过程中，发明人发现，国内大部分的中小型化工企业仍采用简单的电气柜控制起停，人工手动旋转计量泵手轮进行离线流量调节，工作环境中存在大量腐蚀性流体和有毒气体对工作人员的健康造成严重影响，同时也难以保证对流体投加精度的把控。大型化工企业虽然引进DCS集散控制系统能够对计量泵组集群系统进行有效的远程监控，但是其成本和维护费用居高不下，难以普及至中小型化工企业。综上可知，为了应对计量泵组恶劣的工作环境，保障计量泵组集群系统的流体投加精度，亟需形成一套低成本、安全可靠的、专用的网络化远程监控系统。

CAN总线是当今现场总线的典型代表，实时性强、可靠性高，但不能实现跨区域远距离的通信要求。以太网技术（Ethernet）在工业控制领域经过二十多年的发展，逐渐形成了以高实时性和安全性为特征的具有开发性、兼容性和扩展灵活等特点的工业以太网。第四代移动电话行动通信标准，即4G通信标准，拥有高达20Mbps的高速传输速率和100MHz的通信带宽，同时提供通信外的定位、远程控制、数据采集等综合服务，被广泛地应用在智慧城市、智慧家庭、智慧交通等多个物联网系统中。综上可知将三者的通信方案融合到工业生产中是未来的技术趋势。

虽然现在有较多的CAN——Ethernet的工业网关方案，包括单信道与多信道方案，但是限于这类工业网关属于通用型网关，只能起到数据的协议转换和传送的功能，兼容性好但不能满足计量泵组集群控制系统的控制与通信要求。例如应对计量泵组的紧急事件时网关并不能提供一种紧急策略和底层网络节点管理机制，而计量泵组出现紧急事件对于化工生产过程中产生的损失是可观的，故专用的网关方案还需要一定的智能性和应急性。同时因为是通用网关无法知晓计量泵组集群系统所传输的数据的优先级，故会对系统的实时性造成影响。

同时，对于目前已有的应用在计量泵组集群远程监控系统的专用网关只有单信道方案，对于多种工业环境与复杂的地理环境不能起到普适性。而且在这一类领域的专用单信道网关在上层通信上也不能保证通信质量，如该信道故障并断开后对于计量泵组集群的运行会造成严重的影响和后果。故采用多信道通信技术，通过主信道与备用信道的冗余方案为工业计量泵组集群远程监控系统的上层网络通信提供一个高效可靠的方案。

CAN总线协议中规定其所发信息帧的优先级和它的标识符ID是绑定的，因此CAN总线无法使所有节点在发送优先级上处于平等地位，当CAN总线网络中信息传输频繁时，CAN总线网络则无法满足优先级较低节点的实时性要求，这对于实时性要求较高的工业控制领域是难以接受的。同时计量泵组集群系统的通信网络中所有的传输信息都需要进行优先级分配，所以找到有效的CAN总线网络优先级调度策略，对于保证系统底层网络的实时性有极为重要的意义。

同时计量泵组集群系统的通信网络在上层的工业以太网Ethernet和4G无线网络中通信时，因为底层CAN总线网络上传输的数据帧为短帧格式，不加处理上传则会导致上层网络存在大量短包，使得上层网络的带宽利用率迅速下降，数据包拥塞和碰撞概率上升。对于这类问题可采用Nagle算法进行解决，但是需要付出占用ARM大量运算资源的代价，对网关的实时通信会造成影响。故网关在向上层网络发送数据前进行有效的数据组块技术对于保证系统上层网络的实时性也同样具有极为重要的意义。

网关的上层网络通信需要保证安全性，采用合适的加密算法尤为关键。AES高级加密标准，作为一种商用网络信息传送过程中的加密标准，是对称密钥加密中最为流行的算法之一。AES在整体结构上采用代替/置换网络，被加密数据的分组经过多轮迭代加密，且加密分组长度和密钥长度均可变，这使得其保密安全性相较DES加密方案具有明显优势。

发明内容

本发明的工业计量泵组集群远程监控专用多信道智能网关，实现远程PC工作站、手机端和计量泵专用数字变频控制器之间的双向数据透传通信。通过多信道冗余通信方案及通信异常应急机制最大化地保证通信质量和网络稳定性。其采用先进的下层网络优先级策略和调度算法以及上层网络高效组块技术以满足系统通信与控制的高效性与实时性。同时采用有效的底层网络节点管理机制，最大化地保证计量泵组的工作效率，避免因个别节点掉线带来的生产质量上的损失。采用商业加密方案AES算法和防破坏防拆解报警机制为本发明专用多信道智能网关提供通信安全和物理安全方案。

本发明提供一种高效安全、成本低廉、可靠性高、可满足工业现场计量泵组集群系统控制实时性需求的专用多信道智能网关。所述专用多信道智能网关，由AMR微控制器、外围电路、CAN通信模块、Ethernet通信模块和4G通信模块组成。所述ARM微控制器分别与外围电路、CAN通信模块、Ethernet通信模块和4G通信模块相连。所述外围电路和所述CAN通信模块与所述ARM微控制器位于同一块PCB电路板模块，是不可拆卸的。所述Ethernet通信模块和所述4G通信模块都是独立的PCB电路板模块，通过排针排插与上述PCB电路板模块连接，进而使得网关的上层网络通信信道的选择可以依据实际需求来进行有效裁剪规划。

进一步地，所述的工业计量泵组集群远程监控专用多信道智能网关的上层网络通信冗余性以及通信异常时的应急机制，是采取一种主通道和副通道的主次通信方案来实现冗余通信，保证在一条上层网络信道故障时可以迅速切换至另一条信道保证上层的通信质量和网络稳定性。并且考虑到所有上层网路信道都故障的极端恶劣情况下，对下层网络中的计量泵组采取一定的保护措施，并在此之后所述专用多信道智能网关进入休眠状态，保证整个系统的安全性。

进一步地，所述的Ethernet通信模块和４G通信模块都是独立通信模块，内置通信专用处理器，能够实现以太网数据包与串口数据帧之间的转换，两个模块通过串口与所述ARM微控制器进行数据交互，从而简化ARM微控制器对上层网络数据包的处理，便于其进行更加重要的针对下层CAN总线网络调度算法和针对上层以太网络组块算法的运算和数据处理。

进一步地，所述的下层CAN总线网络调度算法，即对通信系统中的数据进行优先级划分，即划分为紧急数据、实时周期性数据和非实时非周期性数据，以满足工业控制的实时性，同时为克服CAN协议以标识符ID作为帧优先级导致在网络信息传输频繁时，CAN总线网络无法满足优先级较低节点的实时性要求的问题，采用MTS调度算法进行有效信息优先级排序。

进一步地，所述的上层以太网组块算法和信息优先级机制，即为了解决上层网络通信过程中产生的短包泛滥问题所导致的带宽资源浪费、数据包拥塞碰撞等问题。通过对不同优先级的数据采取不同的延时组块发送策略来满足通信实时性要求的同时，又解决短包泛滥的问题，避免带宽资源浪费。

进一步地，所述的工业计量泵组集群远程监控专用多信道智能网关的防破坏防拆解报警机制，是通过一种有效的物理检测方案来检测所述专用多信道智能网关的外壳情况，以此来判断是否遭受强烈震动、物理破坏、人为强制拆解等情况，进而采取一定的报警机制和计量泵组的应急机制，以此来保证整个监控通信系统以及计量泵组集群控制系统的安全。

进一步地，所述专用多信道智能网关的底层网络节点管理机制，即通过判断下层节点的数据发送时间间隔来判断节点是否存在掉线可能性，并且采取测试反馈机制进一步判断节点掉线情况。而且在该节点掉线的情况下提供一种补偿作业方案，保证计量泵组的工作效率。

本发明实现异构网络间的数据协议相互转换，使得上层网络和下层网络实现数据透传。所述专用多信道智能网关的上下层网络的组块技术、优先级策略以及调度算法避免了通信网络中的带宽资源浪费、数据包拥塞碰撞和低优先级节点通信被压制等问题，为所述监控系统提供了实时性的保障。同时所述专用多信道智能网关所具有的通信安全性和物理上的防破坏防拆解报警机制为整个监控系统提供安全的工作环境。最后提供底层网络节点管理机制用以保证计量泵组的工作效率，上层网络多信道冗余通信方案及通信异常应急机制最大化地保证通信质量。综上，本发明为工业计量泵组集群远程监控系统的通信与控制提供一套安全可靠，高效实时的专用网关方案。

附图说明

图1为工业计量泵组集群远程监控系统专用多信道智能网关的网络拓扑图；

图2为所述专用多信道智能网关的内部结构图；

图3为MTS算法程序流程图；

图4为所述专用多信道智能网关上层通信网络数据组块技术程序流程图；

图5为所述专用多信道智能网关下层通信网络节点管理机制程序流程图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案、技术目的以及优点更加清楚，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

本发明的工业计量泵组集群远程监控专用多信道智能网关作为CAN总线网络和工业以太网Ethernet/4G无线网络之间的桥梁，用以实现上下两层通信网络传输的数据的协议转换与透传。同时为上层提供有线与无线的两种远程以太网通信方案，实现远程PC工作站和远程手机端的多样性远程控制，保证通信质量。图1所示的是本发明的工业计量泵组集群远程监控系统网络拓扑图。

如图2所示，本发明所述的专用多信道智能网关由AMR微控制器1、外围电路2、CAN通信模块3、Ethernet通信模块4和4G通信模块5组成。其中以ARM微控制器1为核心，外围电路2、CAN通信模块3、Ethernet通信模块4和4G通信模块5分别与其相连，进行数据通信并接受ARM微控制器1的控制。ARM微控制器1、外围电路2和CAN通信模块3作为所述专用多信道智能网关的最基本部件，三者被固化在一块PCB电路板模块中，作为通信基础。而所述Ethernet通信模块4和4G通信模块5则分别属于两个独立的通信模块，其内部都内置对应网络的通信专用处理器，并在模块中烧录经裁剪优化的TCP/IP协议族和实时操作系统，以实现上层网络数据包到对应串口数据帧的转换，而此两者的通信模块都通过串口与ARM微控制器1相连进行数据传输以及接受命令操作，从而简化ARM微控制器1对上层网络数据包的处理，便于其进行更加重要的针对下层CAN总线网络调度算法和针对上层网络组块算法的运算和数据处理。在实际应用中，Ethernet通信模块4和4G通信模块5可通过各自对应的排针排插与带有ARM微控制器1、外围电路2和CAN通信模块3的PCB电路板模块相连，进而使得所述专用多信道智能网关的上层网络通信方式的选择可以依据实际需求进行有效的裁剪规划。例如对于集中分布的计量泵组集群可以采用只接入Ethernet通信模块（4）的有线通信方式保证低成本和高效实时性；对于地理上较为分散且通信线路铺设不便的计量泵组集群分布特征，采用接入4G通信模块（5）的无线通信方式保证对计量泵组集群系统有效的、实时的远程监控。

当然也可以采取将Ethernet通信模块4和4G通信模块5都接入的双通信方案，保证上层网络通信信道选择的冗余性，提供高质量有保障的通信方案。具体来说就是一种针对所述专用多信道智能网关的上层网络通信冗余性以及通信异常时的应急机制，即当上述的两个独立通信模块都通过排针排插与所述包含ARM微控制器1、外围电路2和CAN通信模块3的PCB电路板模块相连时，可以选择以有线Ethernet作为主要通信方式，4G无线作为备用通信方式或者4G无线作为主要通信方式，有线Ethernet作为备用通信方式。当主通信方式故障出现中断时，所述ARM微控制器1立即向对应的主通信方式模块发送重启命令，并将通信信道立即切换至备用通信方式模块，直至主通信方式模块重启成功并进入正常工作状态，此时再次进行信道切换。若主通信方式和备用通信方式都故障出现中断，且重启多次（至多16次）无效，则网关向下层所有节点发送停机指令，且网关进入休眠状态，保证所述系统的安全。

图2所示的ARM微控制器1在本发明人的实例应用中采用飞利浦公司的LPC23xx系列高性能集成芯片，所述的CAN通信模块3由具有电气隔离特性的CAN收发器和CAN接口组成，所述的外围电路2包括构成ARM微控制器1最小系统的电源电路、时钟电路、复位电路以及JTAG接口电路、振动检测传感器电路、蜂鸣器电路和铁电存储器电路。其中铁电存储器模块是所述专用多信道智能网关的重要数据存储中心，用于存放对应路由表等重要信息。所述Ethernet通信模块4和4G通信模块5是一种自适应的以太网转串口的网络通信模块，能够实现串口到以太网口数据的双向透明传输，其中Ethernet通信模块4的以太网通信接口采用集成网络隔离变压器的RJ45插座构成有线通信方案，4G通信模块5通过全频天线构成无线通信方案。

本发明依据工业计量泵在实际生产过程中所产生的几类数据以及对工业计量泵进行控制的几类命令按照重要性进行优先级划分，以满足计量泵组生产过程中对于数据实时性的要求，如下表所示：

进一步地，为了克服CAN协议以标识符ID作为帧优先级而导致在网络中信息传输频繁时，CAN总线网络无法满足优先级较低节点的实时性要求的问题，对CAN总线网络数据帧在上述数据优先级策略的基础上再采用MTS算法。如图3所示，对于上述优先级策略中的三类数据先分别设置对应的标识符ID类型，即紧急数据其标识符ID前两位应当为00或01或10格式，非实时非周期数据则标识符ID前六位全为1格式，而剩下的标识符ID格式则为处于中优先级的实时周期性数据。大致分类后，考虑到同时接收到多个紧急数据或者多个实时周期性数据产生竞争，而使得优先级较低节点的实时性要求难以保证，通过MTS混合调度算法来解决上述问题。具体来说，采用EDF调度算法对紧急数据和实时周期性数据依据绝对截止时限来进行再一次的动态优先级分配，以满足每个数据和节点的实时性要求。而为了节约ARM微控制器（1）的系统资源，对于实时性要求不高的非实时非周期性数据采用DM静态调度算法对于这一类数据进行优先级判别和排序。

由于底层网络采用的是CAN总线网络，该类网络的特点是其网络中的信息都为短帧格式，若网关对这类格式数据只进行协议转换然后直接发送至上层以太网，则会使上层网络产生大量的短包数据，系统运行一段时间后在上层网络中形成短包数据泛滥的情形进而导致带宽资源浪费、数据包拥塞碰撞等问题。为了解决这一类问题，保证上层网络的通信实时性和可靠性，本发明对于上传至上层网络的数据进行有效的组块设计。如图4所示，对于紧急数据采取满足包长64字节则立即发送，若不满足则填充至64字节立即发送的策略；对于实时周期性数据要求在200ms内进行组块，到达200ms即发送组块后的数据，若在200ms内组块后的包长达到1460字节，则忽略200ms计时立即发送组块后的数据；对于非实时非周期性数据大致的处理思路同实时周期性数据，不过因为其对实时性要求不高，故在组块时间的计时上放宽至800ms，其他流程不再赘述。

本发明的专用多信道智能网关，对于异构网络间数据的协议转换过程大致如下所示：

从CAN数据帧到以太网数据包的转换过程为：

1.CAN模块3接收数据；

2.若接收到数据则立即上传至ARM微控制器1，应答对应节点并采用MTS算法进行优先级排序，然后保存到指定的三类数据缓存区（即按高、中、低优先级分成的三类数据缓存区）形成数据队列；若未接收到数据，则返回步骤1；

3.对于三类数据缓存区的数据队列按照本发明的组块技术，进行对应的组块操作。组块操作结束后，进行AES算法加密。将加密后的数据发送至Ethernet通信模块4或者4G通信模块5；

4.Ethernet通信模块4或者4G通信模块5在收到经ARM微控制器1组块操作过后的数据进行TCP/IP封包并发送至上层网络，等待上层监控端应答。

从以太网数据包到CAN数据帧的转换过程为：

1.Ethernet通信模块4或者4G通信模块5接收数据；

2.若上述通信模块接收到数据则进行数据包解封装并转换成串口数据格式操作同时对上层监控端应答，若未接收到数据，则返回步骤1；

3.上述通信模块将转换为串口数据格式的数据通过对应的串口信道发送至ARM微控制器1，该微控制器首先对数据进行AES算法解密，得到解密后的数据；

4.然后将解密后的数据依据优先级进行数据块分类、拆解并存入对应的三类数据缓存区；

5.ARM微控制器1再通过MTS算法对三类数据缓存区中的数据进行优先级排序形成数据队列；

6.进一步的，通过ARM微控制1内置的CAN控制器对数据队列中的每一部分数据进行CAN帧格式组帧，发送，并等待CAN网络节点的应答。

为了应对底层网络节点掉线而导致的该节点计量泵生产不可控，本发明提出一种基于所述专用多信道智能网关的底层网络节点管理机制，如图5所示。具体来说，所述专用多信道智能网关通过中断方式接收CAN总线网络节点的数据，即通过事件中断方式接收底层节点周期性（10~20ms）发送的数据。而对于节点掉线的判断，则是通过时间中断的方式，设置一个1000ms的定时器，若在大于1000ms时间内都未收到某节点的任何数据，则向该节点发送测试命令，若无应答，则判断该节点掉线并向上层网络发送报警信息。同时寻找底层网络中待机的备用计量泵进行补偿作业。若备用计量泵寻找失败，则向对应管道中正常工作的计量泵组专用数字变频控制器发送升频命令，进而提高这些计量泵的流量，实现补偿作业。

为了保证所述专用多信道智能网关的物理安全和信息传递安全，进而保证整个通信系统和控制系统的安全性。本发明提出一种基于所述专用多信道智能网关的防破坏防拆解报警机制，以及上层网络通信数据加密机制。具体来说，所谓的防破坏防拆解报警机制是在所述专用多信道智能网关的网关盒本身以及盒盖与盒身的缝隙间安装振动检测传感器，传感器与所述外围电路(2)相连，进而与所述ARM微控制器（1）实现连接。当所述专用多信道智能网关遭受强烈振动、物理破坏、人为强制拆解时，传感器收集信号并发送至所述ARM微控制器（1），触发报警机制。所述ARM微控制器（1）第一时间进行蜂鸣器报警，并立即发送报警信息至上层网络，同时对下层网络中所有的计量泵进行强制停机，避免对计量泵组集群系统造成更大的伤害，直至收到带有特定激活码的信息，解除报警。

由于上层网络属于开放式网络，存在一定的信息泄漏和系统攻击的安全隐患，尤其是涉及到对重要化工领域的流体投加装备——工业计量泵组集群系统的控制信息时，信息的安全十分必要。本发明提出一种基于所述专用多信道智能网关的商业级AES算法加密方案。具体来说，对于要上传至上层网络的已完成组块技术处理的数据，采用AES加密算法进行十轮的加密迭代，并依据数据优先级分别采用64位和128位长度的密钥。同样地，上层网络的监控端在下发数据时，也采用AES加密算法进行数据加密，具体步骤同上述，这不再赘述。而对于上层网络的监控端或所述专用多信道智能网关接收到加密信息需要进行解密时，则采用AES解密算法，采用对应密钥进行十轮的解密迭代，从而安全地获得通信与控制数据。

综上，本发明为工业计量泵组集群远程监控系统的网络通信与控制提供了高效、实时、可靠、安全的专用网关方案。所提出的几类应用算法、技术、机制分别解决了通信实时性、保证通信质量、保证计量泵生产效率和系统的安全。应当指出，以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的原理前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种工业计量泵集群远程监控专用多信道智能网关，实现远程工作站PC、手机端和计量泵专用数字变频控制器之间的双向数据透传通信功能，其特征在于：采用有线与无线结合的上层网络多信道冗余通信方式，提高通信质量和网络稳定性；在下层CAN总线网络中使用MTS调度算法，上层以太网中使用数据包组块算法提高通信系统的带宽利用率和通信实时性，从而保证整个网络控制系统的实时性；同时智能网关采取一种节点掉线报警机制和补偿工作机制，尽可能保证计量泵组的工作安全与效率；采用特定的防破坏和拆解报警机制保证网络的物理安全，采用商用级加密方案 AES 算法，保证控制信息在上层网络通信的安全。

2.根据权利要求1所述的工业计量泵集群远程监控专用多信道智能网关，其特征在于：上层网络多信道冗余通信设计独立的内置网络通信专用处理器的上层网络通信模块，即Ethernet通信模块和４G通信模块，同时采用Ethernet通信模块和4G通信模块则可以使得所述专用多信道智能网关形成主信道+备用信道的多信道通信方式；当主信道故障出现中断时，智能网关可以快速选择备用信道进行通信，同时对故障信道采取重启唤醒措施；若主信道与备用信道都出现故障且重启唤醒措施无效情况下，网关则对下层网络节点发送停机指令，且网关进入休眠，。

3.根据权利要求1所述的工业计量泵集群远程监控专用多信道智能网关，其特征在于：所述MTS调度算法，在CAN总线网络协议优先级策略的基础之上对于紧急数据和实时周期性数据采用EDF调度算法依据绝对截止时限进行二次动态优先级分配；而非实时非周期性数据则采用DM静态调度算法进行优先级判别和排序，MTS调度算法结合了EDF和DM两种算法，从而在满足通信实时性的基础之上进一步地避免在网络信息传输频繁时，优先级较低的CAN节点通信被压制的问题。

4.根据权利要求1所述的工业计量泵集群远程监控专用多信道智能网关，其特征在于：所述的上层以太网数据包组块算法对于紧急数据采取满足最小以太网包长立即发送的策略；对于实时周期数据在规定的最大采样周期内进行组块，同时若该类信息在小于最大采样周期内组块长度达到最大以太网包长则立即发送的策略；对于非实时非周期数据的组块方式同实时周期数据，仅在最大采样周期上比实时周期数据的最大采样周期大。

5.根据权利要求1所述的工业计量泵集群远程监控专用多信道智能网关，其特征在于：所述的CAN节点掉线报警及补偿工作机制，当所述专用多信道智能网关在超过可容忍时间还未收到某节点的任何数据时，网关向该节点测试命令，若无应答，则判断该节点掉线并向上层网络发送报警信息，同时寻找待机的备用计量泵进行补偿作业；若备用计量泵寻找失败，则向对应管道正常工作的计量泵组发送升频命令，进而提高这些泵的流量，实现补偿作业。

6.根据权利要求1所述的工业计量泵集群远程监控专用多信道智能网关，其特征在于：所述的物理安全机制与信息安全机制，通过振动检测电路，实现当所述网关遭受强烈振动、物理破坏、强制拆解时，网关能够第一时间进行蜂鸣器报警，并立即发送报警信息至上层网络，同时对下层所有泵组进行强制停机的功能，避免对计量泵组集群系统造成更大的伤害，直至收到带有特定激活码的信息，解除报警；在信息安全上，使用商用级加密方案AES算法，保证控制信息在上层网络通信的安全。