CN109974012A - 基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，包括：服务器，用于通过工业交换机发送预设命令给通用协议转换器；工业交换机，通过以太网与服务器相连接，用于将服务器发来的预设命令转发给通用协议转换器；通用协议转换器，通过以太网与工业交换机相连接，以及与多个控制器相连接，用于当没有收到服务器发来的预设命令时，依次循环读取每个控制器上数据并实时存储，以及当收到服务器发来的预设命令时，根据预设的工作规则，对应采取不同的控制器管理操作；每个控制器，与预设多个危险废物焚烧设备相连接。本发明能够快速、可靠地对危险废物焚烧系统中的各个设备进行数据读取或者控制，有利于推广应用。

Description

基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统

技术领域

本发明涉及危险废物焚烧控制技术领域，特别是涉及基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统。

背景技术

目前，危险废物对生态环境和人体的潜在危害大，是固体废物管理的重点。我国危险废物产生量巨大，且呈逐年递增趋势，致使危险废物的安全利用处置面临巨大的压力。

为了确实的增强危险废物处置能力，危险废物处置企业急需对现有处置设备，特别是危险废物焚烧系统进行扩建和升级改造，但是，由于不同厂家提供的设备和控制系统的通信协议各不相同，使设备间缺乏良好的互操作性，给工业控制网络集成带来了极大的困难。因此，对工业控制网络融合技术进行研究，开发一个兼容性能好、运行稳定的集成系统是十分必要。

危险废物焚烧系统的处置对象为各种有毒有害的固体、液体、废农药及各类有毒有害有机危险废物，处理废物类型多样，系统结构复杂。危险废物处理企业在系统扩建和升级改造过程中，在对工业网络集成过程中，主要会面临两方面问题：一是由于现场所采用的现场总线协议、工业以太网协议不同，集成起来困难重重；二是如果现场设备众多，通讯的实时性将无法保证，从而影响到系统的运行效率甚至系统功能实现。

在工业网络集成方面：为了从更高层面对工艺进行控制，需要将现场的各种数据采集到服务器端进行运算、分析或预测。而现场设备的协议往往不尽相同，有些设备采用现场总线，有些设备采用工业以太网。即使是全都采用现场总线的系统，系统包含的总线协议随着产品的品牌不同而不同，这就需要将不同的协议进行转换。目前常见的做法是购置专用的协议转换器，或针对系统所用的可编程控制器购置相应的转换板卡。这些做法所存在的主要问题问题一个是价格往往高昂，另一个问题是由于协议种类繁多，有时很难找到完全满足所有需求的协议转换器。

在信息的实时传输方面：当现场层的设备众多时，由于通常采取的是轮询算法，每次对所有设备依次轮询一次耗费时间过长，从而导致实时性差。具体体现在当服务器端要查询某个设备的数据时需要等待很长时间，另一个是当服务器给某个设备下达控制命令时被控设备需要等待一段时间才进行响应，情况紧急时甚至对系统产生灾难性的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，其能够快速、可靠地对危险废物焚烧系统中的各个设备进行数据读取或者控制，有利于推广应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，包括服务器、工业交换机、通用协议转换器和多个控制器，其中：

服务器，用于通过工业交换机，发送预设命令给通用协议转换器；

工业交换机，通过以太网与服务器相连接，用于将服务器发来的预设命令转发给通用协议转换器；

通用协议转换器，通过以太网与工业交换机相连接，以及与多个控制器相连接，用于当没有收到服务器发来的预设命令时，依次循环读取每个控制器上数据并实时存储，以及当收到服务器发来的预设命令时，根据预设的工作规则，对应采取不同的控制器管理操作；

每个控制器，作为下一级的节点设备，与预设多个危险废物焚烧设备相连接，用于实时读取并存储危险废物焚烧设备的预设工作状态信息。

其中，所述通用协议转换器，包括一个数据中转站，用于存储每个控制器的实时数据，以及服务器发来的预设命令。

其中，所述通用协议转换器，用于当没有收到服务器发来的预设命令时，通过轮询调度算法，依次循环读取每个控制器上的数据。

其中，通用协议转换器，还用于当通过轮询调度算法，依次循环读取每个控制器上的数据后，以先入先出的方式，将数据存储到数据中转站中。

其中，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的对某个目标控制器的数据读取或者控制命令时，暂停对当前正在读取的控制器的数据读取操作，然后直接切换到该目标控制器进行数据读取或控制操作，当对该目标控制器的数据读取或者控制操作完成后，恢复对被暂停的控制器的数据读取操作，继续依次循环读取每个控制器上的数据。

其中，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的读取所有控制器的数据的命令时，实时将其上存储的数据直接发送至服务器。

其中，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的控制所有控制器的命令时，暂停对当前正在读取的控制器的数据读取操作，按照预先设置的命令优先级别排序，将其中最高优先级别的命令直接发送至每个控制器，然后依次将服务器发来的控制所有控制器的其他命令进行发送。

其中，当通用协议转换器对某个控制器的通讯出现问题，通用协议转换器重发预设次数，若预设多次均出现问题，则记录该控制器为通讯错误，不再对其进行数据通信。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，其能够快速、可靠地对危险废物焚烧系统中的各个设备进行数据读取或者控制，有利于推广应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统的结构示意图；

图2为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中具有的通用协议转换器的外观示意图；

图3为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中具有的通用协议转换器的内部结构示意图；

图4为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中具有的通用协议转换器所包括的数据中转站的功能示意图；

图5为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中通用协议转换器具有的绿色通道的功能示意图；

图6为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中通用协议转换器的工作整体流程图；

图7为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中，所设计的通用协议转换器的电路图；

图8为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中，所设计的以太网接口的电路图；

图9为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中，所设计的RS485通讯接口的电路图；

图10为本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统中，所设计的USB接口的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图10，本发明提供了基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，包括服务器、工业交换机、通用协议转换器和多个控制器，其中：

服务器，作为上一级的节点设备，用于通过工业交换机，发送预设命令给通用协议转换器；

工业交换机，通过以太网与服务器相连接，用于将服务器发来的预设命令转发给通用协议转换器；

通用协议转换器，通过以太网与工业交换机相连接，以及与多个控制器相连接(具体可以通过RS485现场总线)，用于当没有收到服务器发来的预设命令时，依次循环读取每个控制器上数据并实时存储，以及当收到服务器发来的预设命令时，根据预设的工作规则，对应采取不同的控制器管理操作；

每个控制器，作为下一级的节点设备，与预设多个危险废物焚烧设备相连接，用于实时读取并存储危险废物焚烧设备的预设工作状态信息。

需要说明的是，危险废物焚烧设备，可以为用于危险废物焚烧的任意一种设备，例如，可以为投料输送机、二燃炉、冷却风机和紧急冷却水罐等设备，还可以为如图1所示的压力传感器、压力创男枪、液位传感器、温度传感器等设备。

在本发明中，具体实现上，所述服务器，基于Niagara平台实现。

需要说明的是，对于本发明，所述控制器的数量，既可以如图1所示，可以包括两个控制器，即控制器1和控制器2，也可以根据用户的需要，包括任意多个控制器。

在本发明中，需要说明的是，危险废物焚烧设备的预设工作状态信息，可以根据用户的需要以及设备的类型进行相应设置，例如可以包括是否正常工作信息、工作时长信息、该设备采集的数据信息，例如对于一个液位传感器，其工作状态信息包括是否正常工作信息、工作时长信息、该液位传感器采集的液位数据信息。

在本发明中，具体实现上，参见图2所示，所述通用协议转换器的外壳上，具有两个RS485通讯接口(即RS485接口1和RS485接口2)、一个以太网接口、一个USB借口和两个LED指示灯(包括LED电源指示灯和LED状态指示灯)电源指示灯。

其中，LED电源指示灯用来指示电源的状态，若通电则常绿，不通电则灭；LED状态指示灯用来指示网络通讯的状态，正常则常绿，不正常则常红。上位机通过USB接口，用来对该通用协议转换器进行配置，USB接口电路图如图10所示。

需要说明的是，对于本发明，通用协议转换器通过以太网连接到工业交换机，工业交换机通过以太网连接到服务器，通用协议转换器通过RS485现场总线连接下一级的控制器，按照预设置的通讯协议与下一级的现场总线的通讯接口进行通讯。

在本发明中，具体实现上，所述控制器，可以为任意一种具有数据读取和控制功能的装置，例如可以为工业计算机。

在本发明中，具体实现上，参见图3所示，所述通用协议转换器的内部结构包括：嵌入式处理器(例如，单片机STM32)、两个RS485驱动电路，以太网驱动电路、USB驱动电路、外部晶振和电源模块，其中：

嵌入式处理器，分别与两个RS485驱动电路，以太网驱动电路、USB驱动电路、外部晶振和电源模块相连接。此外，还与LED驱动电路相连接。

需要说明的是，对于本发明，通用协议转换器通过电源接口供电，可以通过通用协议转换器上的USB接口连接PC机，通过PC机对其进行参数设置，设置内容包括但不限于：基于RS-485通讯接口的通讯协议(如Modbus、Profibus、EtherCAT、ProfiNet等)，下一级的控制器的数量，每个控制器的设备类型和地址等。

在本发明中，具体实现上，所述通用协议转换器基于单片机STM32实现，如图7所示。通用协议转换器至少包括两个RS485通讯接口和一个以太网接口。其中，以太网接口的通讯基于以太网接口芯片W5500实现，主要电路结构如图8所示。RS485通讯接口的电路如图9所示。

在本发明中，具体实现上，所述通用协议转换器，包括一个数据中转站，数据中转站基于动态内存分配实现。该数据中转站，用于存储每个控制器的实时数据，以及服务器发来的预设命令(例如包括到各个控制器的控制命令)，如图4所示；

具体实现上，所述数据中转站，可以位于所述通用协议转换器具有的嵌入式处理器中。

在本发明中，具体实现上，所述通用协议转换器，用于当没有收到服务器发来的预设命令时，通过轮询调度(Round-Robin)算法，依次循环读取每个控制器上的数据。需要说明的是，当读取完最后一个控制器的数据，返回第一个控制器开始读取，并对原先的数据进行覆盖。

具体实现上，通用协议转换器，还用于当通过轮询调度(Round-Robin)算法，依次循环读取每个控制器上的数据后，以先入先出(First In First Out，FIFO)的方式，将数据存储到数据中转站中，如图5所示。

在本发明中，具体实现上，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的对某个目标控制器(可以为多个控制器中的任意一个)的数据读取或者控制命令时，暂停对当前正在读取的控制器的数据读取操作(即暂停当前的轮询调度Round-Robin算法操作)，然后直接切换到(即跳转到)该目标控制器进行数据读取或控制操作，当对该目标控制器的数据读取或者控制操作完成后，恢复对被暂停的控制器的数据读取操作(即继续执行轮询调度Round-Robin算法操作)，继续依次循环读取每个控制器上的数据。

需要说明的是，对于任意一个控制器，如果本轮循环读取操作被暂停之前，其没有被读取过，则保持原有的读取顺序进行数据读取(即保持原有的轮询顺序)。而对于目标控制器，在本轮循环读取操作中，如果其已经被提前读取过数据，则跳过该目标控制器，对其不进行数据读取。如图6所示。

在本发明中，具体实现上，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的读取所有控制器的数据的命令时，实时将其上存储的数据(即危险废物焚烧设备的预设工作状态信息)直接发送至服务器。

在本发明中，具体实现上，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的控制所有控制器的命令时，暂停对当前正在读取的控制器的数据读取操作(即暂停当前的轮询调度Round-Robin算法操作)，按照预先设置的命令优先级别排序，将其中最高优先级别的命令(例如带紧急控制的命令，如统一停机命令)直接发送至每个控制器(即可以称为通过数据绿色通道，第一时间直接发送至每个控制器)，然后依次将服务器发来的控制所有控制器的其他命令进行发送。需要说明的是，在控制完毕后，继续当前的Round-Robin算法，即继续依次循环读取每个控制器上的数据。

在本发明中，具体实现上，需要说明的是，当通用协议转换器对某个控制器的通讯出现问题(没有返回信息，或者返回错误码)，通用协议转换器重发预设次数(例如三次)，若预设多次均出现问题，则记录该控制器为通讯错误(即通讯故障)的控制器(具体在数据中转站中记录)，不再对其进行数据通信(即在后续的数据循环读取操作时，自动跳过该设备)。

对于本发明，具体实现上，还可以通过客户端(PC)和手机APP，与服务器相连接，对服务器的工作进行远程控制。

需要说明的是，对于本发明，其是基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统的设计方案，该方案的使用可以通过配置适用于不同规模的危险废物焚烧系统，实时获取焚烧系统子系统中的数据，采用通讯高实时技术提高数据传输的效率。该项目的成功研究，将帮助有危险废物处置需求企业最终实现提高废品焚烧效率，减少有害气体排放的目的。

与现有技术相比较，本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，其具有以下的有益技术效果：

1、可灵活配置以适用于不同规模危险废物焚烧系统的应用；针对不同的规模，设置不同数量的通用协议转换器，从而将所有的设备都集成到系统中，满足现场的需求；

2、采用通用协议转换器，使得控制系统系统可以同时兼容不同类型现场总线协议的设备；通用协议转换器可以兼容所有采用RS-485接口的通讯协议，从而可以把众多不同协议的设备进行集成。同时通用协议转换器价格低廉，可以大大降低成本；

3、通用协议转换器采用了数据中转站和数据绿色通道的技术，使得客户端始终能够以最快的速度，对危险废物焚烧系统中的任意一个设备进行数据读取或者控制。例如，使得客户端始终能够以最快的速度对投料输送机、二燃炉、冷却风机和紧急冷却水罐等设备进行数据读取或者控制。其中，对于来自服务器端读取所有设备数据的命令，直接将存储在数据中转站的数据发送至服务器端，这样提高了读取数据的实时性。而对于大批量对设备进行控制的命令，将优先级高的命令通过数据绿色通道直接发送至设备，优先级低的命令放入数据中转站进行发送，大大提高了控制的实时性；

4、容易使用。通过USB口对参数进行设置，简单易懂，可针对不同的应用进行快速设置；外部接口少，方便安装调试；

5、尤其对于大规模的焚烧控制系统，本发明的使用，可以支持大量的系统设备，同时保证系统的高实时性。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，其通过采用数据中转站和数据绿色通道的技术，能够快速、可靠地对危险废物焚烧系统中的各个设备进行数据读取或者控制，有利于推广应用，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于工业互联网和通讯高实时技术的危险废物焚烧系统，其特征在于，包括服务器、工业交换机、通用协议转换器和多个控制器，其中：

服务器，用于通过工业交换机，发送预设命令给通用协议转换器；

工业交换机，通过以太网与服务器相连接，用于将服务器发来的预设命令转发给通用协议转换器；

通用协议转换器，通过以太网与工业交换机相连接，以及与多个控制器相连接，用于当没有收到服务器发来的预设命令时，依次循环读取每个控制器上数据并实时存储，以及当收到服务器发来的预设命令时，根据预设的工作规则，对应采取不同的控制器管理操作；

每个控制器，作为下一级的节点设备，与预设多个危险废物焚烧设备相连接，用于实时读取并存储危险废物焚烧设备的预设工作状态信息。

2.如权利要求1所述的危险废物焚烧系统，其特征在于，所述通用协议转换器，包括一个数据中转站，用于存储每个控制器的实时数据，以及服务器发来的预设命令。

3.如权利要求2所述的危险废物焚烧系统，其特征在于，所述通用协议转换器，用于当没有收到服务器发来的预设命令时，通过轮询调度算法，依次循环读取每个控制器上的数据。

4.如权利要求3所述的危险废物焚烧系统，其特征在于，通用协议转换器，还用于当通过轮询调度算法，依次循环读取每个控制器上的数据后，以先入先出的方式，将数据存储到数据中转站中。

5.如权利要求1至4中任一项所述的危险废物焚烧系统，其特征在于，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的对某个目标控制器的数据读取或者控制命令时，暂停对当前正在读取的控制器的数据读取操作，然后直接切换到该目标控制器进行数据读取或控制操作，当对该目标控制器的数据读取或者控制操作完成后，恢复对被暂停的控制器的数据读取操作，继续依次循环读取每个控制器上的数据。

6.如权利要求1至4中任一项所述的危险废物焚烧系统，其特征在于，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的读取所有控制器的数据的命令时，实时将其上存储的数据直接发送至服务器。

7.如权利要求1至4中任一项所述的危险废物焚烧系统，其特征在于，所述通用协议转换器，用于当收到服务器发来的控制所有控制器的命令时，暂停对当前正在读取的控制器的数据读取操作，按照预先设置的命令优先级别排序，将其中最高优先级别的命令直接发送至每个控制器，然后依次将服务器发来的控制所有控制器的其他命令进行发送。

8.如权利要求1至4中任一项所述的危险废物焚烧系统，其特征在于，当通用协议转换器对某个控制器的通讯出现问题，通用协议转换器重发预设次数，若预设多次均出现问题，则记录该控制器为通讯错误，不再对其进行数据通信。