CN114143342A - 一种工控无线数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工控无线数据采集系统，涉及无线数据采集技术领域。本发明通过采用全网格拓扑结构组网无线压力变送器和网关，如果某一个无线压力变送器受到干扰不能传输数据，则无线压力变送器之间会自动选择其它路径重新建立通讯链路，保证了数据传输的稳定性，防止突发情况；通过无线压力变送器的通讯刷新时间设置可以保证电池的使用耐久度；通过在无线压力变送器之间通讯数据包采用加密技术，保证了数据传输的安全性；通过跳频技术的使用，使得可以有效避开突发性的干扰信号影响；通过备数据再送功能的使用，可回避干扰以及偶发性数据发送错误，大大改善数据的丢包率；本发明通过冗余态的设置，可提高工艺操作在非正常态时的安全性。
Description
技术领域
本发明属于无线数据采集技术领域，特别是涉及一种工控无线数据采集系统。
背景技术
现代化工厂的规模在不断扩大，石油化工过程控制自动化也在不断发展，工厂管理势必要求提高效益，降低成本等，这就要求现有的控制系统需应用新技术并适用这种发展要求。
工业控制现场环境复杂、苛刻，传统的硬接线方式常常不能满足现场的实际情况。现场与控制室之间的信息传输也越来越多的依托于无线传输技术。无线技术相比于传统有线传输可以减少非计划停车、节省能源开支、减少环境影响和人员事故等，无线技术正在成为各行各业的一种发展趋势。
现有无线通信技术主要有GPRS/CAMA和数传电台两种。前者利用数据包交换的概念发展形成的一种无线传输方式，该方式以数据包的通讯量计价，有数据时占用带宽，存在运行使用费。后者具有数据传输实时性好、专用数据传输通道、稳定性较好等特点，传输距离大约几公里，但数传电台占用公共资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工控无线数据采集系统，以解现有的问题：避免采用GPRS/CAMA方式产生的运行使用费，也无需采用数传电台占用公共资源。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种工控无线数据采集系统，所述系统包括有：
多个无线压力变送器、网关以及DCS系统；
多个所述无线压力变送器与网关之间采用全网格拓扑结构进行无线数据连接；
所述网关与DCS系统通过有线或无线方式进行数据连接。
进一步地：所述无线压力变送器通过锂电池供电。
进一步地：所述无线压力变送器的讯刷新时间为5s。
进一步地：多个所述无线压力变送器之间的通讯数据包采用加密技术，新增的无线压力变送器加入到所述全网格拓扑结构需要进行密码确认。
进一步地：所述全网格拓扑结构具备跳频功能；
将无线通信2.4GHz频段按5MHz切分，共分成16个信道；
无线压力变送器之间或者与网关之间的通信失败后，立即变更通信信道，再次发送信号。
进一步地：所述全网格拓扑结构还具备具备数据再送功能；
在错误率高于1％后，打开数据再送功能。
进一步地：所述无线压力变送器还设置有冗余态；
当无线压力变送器的检测的工艺参数超过警戒值后进入冗余态；
进入冗余态的无线压力变送器不仅进行全网格拓扑结构中的无线传输，还通过增强无线电波以及信号接收能力的方式直接将数据传送至网关。
进一步地：所述网关与DCS系统通过以下通讯接口中的至少一种进行连接：
支持以太网通讯标准的通讯接口、支持光缆连接的通讯接口。
进一步地：所述无线压力变送器与网关均内置有一体化全向天线。
进一步地：所述网关还设置有防雷模块，用于防止雷击。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过采用全网格拓扑结构组网无线压力变送器和网关，如果某一个无线压力变送器受到干扰不能传输数据，则无线压力变送器之间会自动选择其它路径重新建立通讯链路，保证了数据传输的稳定性，防止突发情况；
本发明通过无线压力变送器的通讯刷新时间设置可以保证电池的使用耐久度；
本发明通过在无线压力变送器之间通讯数据包采用加密技术，保证了数据传输的安全性。
本发明通过跳频技术的使用，使得可以有效避开突发性的干扰信号影响。
本发明通过备数据再送功能的使用，可回避干扰以及偶发性数据发送错误，大大改善数据的丢包率。
本发明通过冗余态的设置，可提高工艺操作在非正常态时的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现场泵出口无线压力网络示意图。
图2为DCS系统的数据通讯层示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1和图2：
本发明包括：
无线数据采集架构分为两层：参阅图1，第一层是现场无线压力变送器及网关组成，参阅图2，第二层是与工控分散控制系统DCS之间的通讯
下面以工控场合泵出口压力参数采集为例进行说明。
第一层－泵出口无线压力网络：
所有泵出口管线的无线压力变送器及无线网关组成了现场通讯网络即泵出口无线压力网络，该网络采用全网格拓扑结构，通过冗余路径进行通讯。固有的通讯路径如果受到干扰不能传输数据，则无线压力变送器之间会自动选择其它路径重新建立通讯链路。
现场无线设备包括无线压力变送器以及无线网关等，无线压力变送器通过工业级本安认证的锂电池供电。考虑安全性该电池不可充电，根据泵出口压力的实时变化情况，每台压力变送器的通讯刷新时间设置为5s，在此状态下，电池可用3年左右。
现场无线压力变送器之间通讯数据包采用加密技术，新增的无线压力变送器加入现有泵出口无线压力网络需密码确认后方可加入。无线通讯系统为泵出口无线压力网络的每一台设备分配地址，这可以由主机系统的工作站来完成，也可以在现场用手操器来完成，无线网络的覆盖范围根据布置的无线网关可在一定区域内扩大，一般而言覆盖单个工厂区域没有任何问题；因第一层现场泵出口无线压力网络采用了拓扑结构，所以这两个无线仪表之间不需点对点通讯，可通过多次无线仪表间跳跃，以此实现信息的传输。
无线设备发送通信失败后，会立即变更通信频率(或通信信道)再次进行通信的功能。将无线通信2.4GHz频段按5MHz切分，共分成16个信道，每个信道通信一次。如果受干扰的影响，第一次通信失败时，马上切换其他信道，然后再次发送信号，这样可以避开突发性的干扰信号影响。
为回避干扰以及偶发性数据发送错误，采用上述跳频技术，同时具备数据再送功能。当数据发送失败时，会自动再次发送，提高数据的到达率。通过数据包发送错误率来反映通信成功率，在错误率高于1％后，打开数据自动再送功能，再送次数3次时错误率可以控制在0.0001％，如此通过启用数据再送功能可以大大改善数据的丢包率。
与常规无线传输明细的优势在于，设备增设了冗余态，当传感器检测的工艺参数超过设定值后，超出警戒值的传输设备进入了冗余状态，除去常规的网络拓扑结构中传输外，通过增强无线电波以及信号接收能力，直接传送至网关，提高工艺操作在非正常态时的安全性。
第二层－与DCS系统的数据通讯
无线压力变送器的数据通过无线网关集成到DCS中。无线网关可提供多种通讯接口和DCS系统连接。无线网关通讯接口支持以太网通讯标准(Ethernet 10/100M)，以实现与DCS的OPC、Modbus TCP的通讯；也可支持光缆连接的通讯接口以实现更远距离的通讯连接。本项目采用Modbus485(RTU)双绞线连接至DCS指示，根据现场实际情况同时安装多个网关，各网关各自管理各自区域内无线仪表。现阶段，每个网关可直接管理约50台无线仪表。
在DCS操作站实现对无线网络的组态及诊断，当无线压力变送器本身故障或者无线网络连接发生故障时，DCS操作员站会显示报警并以此实现管控一体化，并提高操作员的工作效率。
另外，在本发明中：
无线压力变送器的安装方式和传统有线压力变送器的安装方式完全相同，且不需要拆卸就可进行仪表校验，无线压力变送器采用微处理器技术、具备智能化特点、拥有设备自诊断功能。可做到自组织、自适应网络，无线压力变送器在网络中会按设定的最佳通讯路径传输信号。但当某个变送器的节点通讯受阻时，可自行跳过并选择新的路径，无线传输的数据除了仪表本身的压力等信号外，还包括过程仪表生产厂信息、仪表更新速度、信号传输速度、现场网络的节点延时、电池电压等各类信息。
变送器内置一体化全向天线，无需另配天线，现场变送器、无线发射天线和供电电池全部采用本质安全型，适合现场2区的爆炸危险环境，且现场无线仪表的防护等级可达IP65以上。
无线网关与现场无线压力变送器进行通讯，管理整个网络，无线压力变送器数据通过无线网关把数据传输至DCS系统。无线网关基于微处理器技术，可通过DCS操作站进行组态，网关与DCS之间可采用有线或无线任一种方式通讯。
网关为现场无线压力变送器的通讯提供数据安全保护，当有新的无线压力变送器加入第一层现场泵出口无线压力网络需输入准入密码。除此之外，网关的信息修改、组态以及日常维护等均需输入密码。网关带内置防火墙，保护网络安全。网关最多可连接100台无线压力变送器，且第一层现场网络可配备多个无线网关。
网关同样内置一体化全向天线，适合现场2区的爆炸危险环境，且防护等级可达IP65以上，一般安装在距离地面4～8米高度。当然若是当地雷暴日较多，也可选配防雷模块。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述系统包括有：
多个无线压力变送器、网关以及DCS系统；
多个所述无线压力变送器与网关之间采用全网格拓扑结构进行无线数据连接；
所述网关与DCS系统通过有线或无线方式进行数据连接。
2.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述无线压力变送器通过锂电池供电。
3.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述无线压力变送器的讯刷新时间为5s。
4.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：多个所述无线压力变送器之间的通讯数据包采用加密技术，新增的无线压力变送器加入到所述全网格拓扑结构需要进行密码确认。
5.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述全网格拓扑结构具备跳频功能；
将无线通信2.4GHz频段按5MHz切分，共分成16个信道；
无线压力变送器之间或者与网关之间的通信失败后，立即变更通信信道，再次发送信号。
6.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述全网格拓扑结构还具备具备数据再送功能；
在错误率高于1％后，打开数据再送功能。
7.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述无线压力变送器还设置有冗余态；
当无线压力变送器的检测的工艺参数超过警戒值后进入冗余态；
进入冗余态的无线压力变送器不仅进行全网格拓扑结构中的无线传输，还通过增强无线电波以及信号接收能力的方式直接将数据传送至网关。
8.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述网关与DCS系统通过以下通讯接口中的至少一种进行连接：
支持以太网通讯标准的通讯接口、支持光缆连接的通讯接口。
9.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述无线压力变送器与网关均内置有一体化全向天线。
10.根据权利要求1所述的一种工控无线数据采集系统，其特征在于：所述网关还设置有防雷模块，用于防止雷击。
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