CN116255492A - 一种新型阀门控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型阀门控制系统，控制阀搭载有阀门定位器并与其信号连接，用于向阀门定位器反馈控制阀的阀位状况信号。阀门定位器与气动部件信号连接，气动部件与控制阀连接，阀门定位器用于向气动部件输出控制信号以控制气动部件，进而改变控制阀的阀位。其中，阀门定位器内设有通信模块，通信模块配置有支持10BASE‑T1L协议的Ethernet‑APL接口连接到外部的工业以太网，以接收从外部的上层控制设备下发的消息数据包。本发明通信直达现场层，降低了结构复杂度；使用常规两线制设施即可以10M比特每秒的速率传送过程和设备数据；在危险区域支持本安；通信距离可远至1200米，横跨工厂所有层级的通信和高数据速率，数据几乎可实时访问，且显著简化厂区内适用组件的检索。
Description
技术领域
本发明属于工业控制通讯领域，尤其涉及一种新型阀门控制系统。
背景技术
当前流程工业和离散制造业领域内在用的阀门定位器(以下简称定位器)，较多仍使用传统的4～20mA模拟信号与上层的控制系统连接。即便使用现场总线，较为普及的也是在模拟信号中叠加数字信号的模数混合型HART通信。即已有的智能阀门定位器使用的现场总线技术，一般为HART、Profibus-PA、Foundation Fieldbus。此时智能阀门定位器要分别接入不同的现场总线子系统或I/O模块(HART、FF、Profibus/DP等)。而基金会现场总线(FOUNDATION fieldbus,FF)，以及Profibus等IEC 61158标准中典型的全数字型现场总线，其32.15kbit/s的传输速率仍是某些应用场景(如高阶在线自诊断，数据量要求较高)的瓶颈。同时此类定位器还需接入各自现场总线子系统(专用通信技术)或远程通用I/O模块，才可与控制系统集成。现场总线的子系统又需要通过其控制系统与专用的工业以太网集成起来，再通过工业以太网与上层的以太网连接，才能把智能阀门定位器的阀位闭环控制和反馈等各种参数发往挂在以太网上的各种操作运行的服务器、资产管理的服务器等。如此则系统架构因多层网络而更显复杂，层次一多，系统的架构就显得复杂，通信的速度也显然要慢许多。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种新型阀门控制系统，以解决与阀门定位器相连通信系统复杂、效率不高的技术问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种新型阀门控制系统，包括：
阀门定位器、气动部件和控制阀；
控制阀搭载有阀门定位器并与阀门定位器信号连接，用于向阀门定位器反馈控制阀的阀位状况信号；
阀门定位器与气动部件信号连接，气动部件与控制阀连接，阀门定位器用于向气动部件输出控制信号以控制气动部件，进而改变控制阀的阀位；
其中，阀门定位器内设有通信模块，通信模块配置有支持10BASE-T1 L协议的Ethernet-APL接口连接到外部的工业以太网，以接收从外部的上层控制设备下发的消息数据包。
其中，通信模块的网络标准采用ISO/OSI开放系统互联模型，ISO/OS I开放系统互联模型包括物理层、数据链路层、网络层、会话层、表示层和应用层。
其中，物理层应用有Ethernet-APL以太网先进物理层技术。
其中，数据链路层应用有TSN时间敏感型网络技术。
其中，会话层、表示层和应用层应用有独立的工业以太网实时协议，包括EtherNet/I P、PROF INET、HART-I P、EPA、OPC UA。
进一步优选地，阀门定位器还设有嵌入式微处理器，嵌入式微处理器设置有MD IO或SPI的外设接口，嵌入式微处理器的外设接口与通信模块信号连接，嵌入式微处理器用于接收经通信模块的消息数据包，并按照工业以太网实时协议的格式和要求对消息数据包进行解析，根据解析结果执行不同的操作，同时将相关数据封装成应答帧进行响应。
进一步优选地，还设有Ethernet-APL现场交换机，Ethernet-APL现场交换机用于将上层控制设备的下发的消息数据包分发至相对应的阀门定位器。
其中，Ethernet-APL现场交换机与上层控制设备之间采用单对双绞线以太网传送消息数据包；
Ethernet-APL现场交换机与阀门定位器之间采用单对双绞线以太网传送消息数据包。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明通过阀门定位器的Ethernet-APL技术带来的硬件优势包括：通信直达现场层；降低结构复杂度；使用常规两线制设施即可以10M比特每秒的速率传送过程和设备数据；在危险区域支持本安；通信距离可远至1200米；横跨工厂所有层级的通信和高数据速率，数据几乎可实时访问。
本发明实现标准化：因为涉及到的网络组态和安装工作变少，在PROFINET概要4.0中实现的功能使开车/启动变得更容易，Ethernet-APL技术需要组件高度标准化并基于组件的确切定义，这将显著简化厂区内适用组件的检索。
本发明方便移植：因为Ethernet-APL使用了同样的线缆，使用PROFIBUS和FOUNDATION fieldbus系统的现有或遗留设施，可便捷升级为使用PROFINET和EtherNet/IP等基于以太网的高级协议。
本发明向下直连到现场层使得所有资产的分散化组态和校验变成可能。秒级过程数据可用于快速和便捷地文档化
本发明诊断快速：10M比特每秒的快速数据速率，与现场层的几乎是“实况直播”。
本发明协议独立、连接简单可靠，通过OPC-UA直连HMI面板和分析。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的阀门定位器的OS I模型示意图；
图2为本发明的新型阀门控制系统的硬件模块框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种新型阀门控制系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例
近年来，在工业4.0、工业互联网和智能制造等主流发展的推动下，工业以太网逐渐发展。为满足工业以太网主流发展而提出的单对双绞线以太网(single pair ethernet,SPE)技术，基于以太网高可用性和短存取时间(包括快速数据分发和高速数据传输)以及时间确定性的数据通信，同时带来了更低的电磁干扰和电缆重量，以及更高的带宽，从而使数据通信的基础架构解决方案具有足够高的性价。此外，按照IEEE 802.3bu规范的定义，单对双绞线以太网技术还实现了数据线供电(power over data line,PoDL)。在此基础上，流程工业为满足现场仪表的自身要求制定了Ethernet-APL标准，既能适用于所有工业通信协议，又可解决长距离传送(主干网1000m)，并可用于化工石化等行业的易燃易爆危险区(本安及防爆)。由此，作为加固的、两线制、回路供电的Ethernet-APL，为实现将现场各类传感器/执行器及各种现场仪表和仪表装置与以太网系统直连打好了基础。
参看图1和图2，本实施例提供了一种新型阀门控制系统，包括：阀门定位器、气动部件和控制阀。
控制阀搭载有阀门定位器,并与阀门定位器信号连接，用于向阀门定位器反馈控制阀的阀位状况信号。阀门定位器还与气动部件信号连接，气动部件与控制阀连接，阀门定位器用于向气动部件输出控制信号以控制气动部件，进而改变控制阀的阀位。
具体地，阀门定位器内设有通信模块，通信模块配置有支持10BASE-T1L协议的Ethernet-APL接口，该接口可以连接到外部的工业以太网，以接收从外部的上层控制设备下发的消息数据包，进而基于消息数据包控制气动部件。
其中，通信模块的网络标准采用ISO/OSI开放系统互联模型，ISO/OS I开放系统互联模型包括物理层、数据链路层、网络层、会话层、表示层和应用层。物理层在局部局域网上传送数据帧，它负责管理通信设备和网络媒体之间的互通，包括了针脚、电压、线缆规范、集线器、中继器、网卡、主机适配器等。在本实施例中，物理层应用有Ethernet-APL以太网先进物理层技术，项技术的主要内容为采用I EEE 802.3cg标准进行加固提升、二线制、回路供电的以太网物理层。
数据链路层负责网络寻址、错误侦测和改错。当表头和表尾被加至数据包时，会形成帧。数据链表头是包含了物理地址和错误侦测及改错的方法。数据链表尾是一串指示数据包末端的字符串。例如以太网、无线局域网和通用分组无线服务等。在本实施例中，数据链路层应用有TSN时间敏感型网络技术。
网络层决定数据的路径选择和转寄，将网络表头加至数据包，以形成分组，网络表头包含了网络数据。传输层把传输表头加至数据以形成数据包，传输表头包含了所使用的协议等发送信息。
会话层负责在数据传输中设置和维护通信连接。表达层把数据转换为能与接收者的系统格式兼容并适合传输的格式。应用层提供为应用软件而设的接口，以设置与另一应用实现通信。其中，会话层、表示层和应用层应用有独立的工业以太网实时协议，包括EtherNet/I P、PROFI NET、HART-I P、EPA、OPC UA，使阀门定位器的总线通信能力得到全面的改善。
由于阀门定位器支持时间敏感型网络的技术应用，使系统可以通过时间同步实现确定性通信，并在不同的整形机制下保证时间敏感数据据流的低时延传输及到达，以及应用高可靠的数据传输机制应对节点失效、线路断路和外部攻击等各种问题，确保功能安全和网络安全。
另外，在本实施例中，阀门定位器可利用已在现场铺设的现有双绞线电缆，在自动化和其他相关应用中通过Ethernet-APL技术实现快速高效的通信，即通过单对以太网双绞线电缆与Ethernet-APL现场交换机连接,以实现高速率大带宽的二线制数据传输，充分利用高速率大带宽的通讯条件更快地传输更多数据，以及回路供电(power over data l ine,PoDL)，从而大幅降低整体控制系统的建设(线缆)成本，同时提升定位器的智能化应用。
引申开来，Ethernet-APL现场交换机用于将上层控制设备的下发的消息数据包分发至相对应的阀门定位器。即Ethernet-APL现场交换机与上层控制设备之间采用单对双绞线以太网传送消息数据包；Ethernet-APL现场交换机再与阀门定位器之间采用单对双绞线以太网传送消息数据包。Ethernet-APL作为以太网的逻辑扩展，可支持EtherNet/I P、HART-I P、OPC-UA、PROFI NET或任何其他更高级别的协议，控制中心机柜室内不再需要传统的I/O转换设备，使本实施例建设成本大幅度下降。
较优地，阀门定位器还设有嵌入式微处理器，嵌入式微处理器设置有MDIO或SPI的外设接口，嵌入式微处理器的外设接口与通信模块信号连接。通过上述改造后的阀门定位器，即可通过基于10BASE-T1L协议的Ethernet-APL接口连接到工业以太网中。定位器的通信模块接收到上层控制设备下发的消息后，通过连接到嵌入式微处理器的外设接口(如MDIO，SPI等)将消息传递给嵌入式微处理器，然后定位器内部程序按照工业以太网实时协议(高层协议)的格式和要求等，对消息数据包进行解析，然后分别根据具体内容进行不同的操作处理，同时将相关数据封装成应答帧进行响应。
现举例说明，当阀门定位器作为调节阀的核心组件被工程师通过组态接入DCS控制系统，并根据现场需要对定位器进行一次全面的自诊断。来自于DCS控制系统的定位器自诊断启动命令，封装成以太网报文后通过单对双绞线以太网传送至Ethernet-APL现场交换机，然后根据报文中的目标地址，继续通过单对双绞线以太网分发至要求的目标定位器。定位器接收后将以太网报文进行解包并提取其中的高层协议数据帧(如PROFINET协议中启动定位器自诊断的自定义命令)，随后定位器对该消息进行应答按原路返回至控制系统，并根据其中命令要求启动自诊断。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种新型阀门控制系统，其特征在于，包括：
阀门定位器、气动部件和控制阀；
所述控制阀搭载有所述阀门定位器并与所述阀门定位器信号连接，用于向所述阀门定位器反馈所述控制阀的阀位状况信号；
所述阀门定位器与所述气动部件信号连接，所述气动部件与所述控制阀连接，所述阀门定位器用于向所述气动部件输出控制信号以控制所述气动部件，进而改变所述控制阀的阀位；
其中，所述阀门定位器内设有通信模块，所述通信模块配置有支持10BASE-T1L协议的Ethernet-APL接口连接到外部的工业以太网，以接收从外部的上层控制设备下发的消息数据包。
2.根据权利要求1所述的新型阀门控制系统，其特征在于，所述通信模块的网络标准采用ISO/OSI开放系统互联模型，所述ISO/OSI开放系统互联模型包括物理层、数据链路层、网络层、会话层、表示层和应用层。
3.根据权利要求2所述的新型阀门控制系统，其特征在于，所述物理层应用有Ethernet-APL以太网先进物理层技术。
4.根据权利要求1所述的新型阀门控制系统，其特征在于，所述数据链路层应用有TSN时间敏感型网络技术。
5.根据权利要求1所述的新型阀门控制系统，其特征在于，所述会话层、所述表示层和所述应用层应用有独立的工业以太网实时协议，包括EtherNet/IP、PROFINET、HART-IP、EPA、OPC UA。
6.根据权利要求1所述的新型阀门控制系统，其特征在于，所述阀门定位器还设有嵌入式微处理器，所述嵌入式微处理器设置有MDIO或SPI的外设接口，所述嵌入式微处理器的外设接口与所述通信模块信号连接，所述嵌入式微处理器用于接收经所述通信模块的消息数据包，并按照工业以太网实时协议的格式和要求对消息数据包进行解析，根据解析结果执行不同的操作，同时将相关数据封装成应答帧进行响应。
7.根据权利要求1所述的新型阀门控制系统，其特征在于，还设有Ethernet-APL现场交换机，所述Ethernet-APL现场交换机用于将上层控制设备的下发的消息数据包分发至相对应的所述阀门定位器。
8.根据权利要求7所述的新型阀门控制系统，其特征在于，所述Ethernet-APL现场交换机与上层控制设备之间采用单对双绞线以太网传送消息数据包；
所述Ethernet-APL现场交换机与所述阀门定位器之间采用单对双绞线以太网传送消息数据包。
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