CN116366437A - 一种即插即用的柜内组网策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种即插即用的柜内组网策略。为了克服现有组网策略中正常以太网通讯接口混插、误插情况且从机对应分配地址记录困难从而无法实现即插即用的问题，本发明包括：定义电源提供设备和电源应用设备接口的引脚，在电源提供设备内设置混插保护电路判断混插情况并更正引脚配置；机柜中部署主机并连接至服务器，从机通过网线与主机连接，完成现场设备的组网配置；完成配置后，主机设置从机设备默认地址，并向默认地址发送查询指令，从机接收查询指令后判断总线忙碌状态并向主机发送回复指令，由主机完成自动地址分配。本发明的策略能够在从机接入时快速为其自动分配地址并且能够准确检测误接，能够实现即插即用的效果。

Description

一种即插即用的柜内组网策略

技术领域

本发明涉及一种以太网供电领域，尤其涉及一种即插即用的柜内组网策略。

背景技术

网线是一种通用且成本较低的预制线缆，便于在工业现场施工。但是，基于网口的供电加RS485通讯的组网策略，存在以下弊端：网口容易和以太网通讯网口出现混插，从而导致以太网通讯设备损坏；RS485通讯要求总线设备必须分配唯一、独立地址，而现有的地址分配方法大多较为繁琐，不利于现场施工。

RS485是一种单总线半双工数据通讯，常用于工业行业。通常由一个主机和多个从机组成，各从机的地址是唯一且不同的，因此从机地址需要单独分配。通常做法有：在从机上增加拨码开关，单独手动拨码设置，或者通过相应的工具向从机发送指令修改分配。通常从机需要在完成地址分配后，再次进行组网，否则主机无法向对应的从机发送指令或数据，并且从机地址重复可能会引起总线冲突。

现有工业系统正朝着智能化、数字化发展，对于工业现场机柜的柜内环境监控已成趋势。而柜内环境对应的监控模块种类较多，为了便于在柜内安装，一般监测模块需要设计成，体积较小，接口统一便捷。现有柜内监测模块的接口采用网口，定义成直流电压供电（24VDC或48VDC）和RS485通讯，主设备向从设备提供供电和通讯，但对于混插、误插情况缺少相应的检测、保护机制。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种地址自动分配的方法、系统、Modbus主站、Modbus从站”，其公告号CN108737590B，包括：Modbus主站发送广播设置地址命令，将所有的Modbus从站设备的站地址设置成一个相同的固定地址；然后发送广播读取Modbus从站设备序列号命令；Modbus从站设备返回响应读取Modbus从站设备序列号命令的报文；Modbus主站根据收到Modbus从站设备序列号的列表，依次广播下发带有从站设备序列号及从站地址的从站地址设置命令；Modbus从站设备解析出从站设备序列号及从站地址，如从站设备序列号与自身序列号相等，则修改自身从站地址，实现地址自动分配。虽然此方案能够实现从站地址自动分配的功能，但针对混插、误差的情况无法做出改良，因此仍然存在缺陷。

发明内容

本发明主要解决现有组网策略中正常以太网通讯接口混插、误插情况以及从机地址分配过程繁琐从而无法实现即插即用的问题；提供一种即插即用的柜内组网策略，本发明提出一种单一接口即可完成模块组网的策略，利用网络变压器差分信号电气短路特点，来做混插检测，及关联保护电路；此外从机设备利用等待随机时间后，判断总线空闲状态，在确定指令回复，避免总线冲突，同时利用从机设备MCU固有的唯一ID号，映射分配的地址，实现掉电恢复组网的效果，从机设备掉电后恢复默认地址，避免同一个设备在不同总线上多次组网带来的地址混乱，能够在工程部署时实现即插即用的效果，大大提高现场组网效率，减少项目施工成本。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明包括：定义电源提供设备和电源应用设备接口的引脚，在电源提供设备内设置混插保护电路判断混插情况并更正引脚配置；机柜中部署主机并连接至服务器，从机通过网线与主机连接，完成现场设备的组网配置；完成配置后，主机设置从机设备默认地址，并向默认地址发送查询指令，从机接收查询指令后判断总线忙碌状态并向主机发送回复指令，由主机完成自动地址分配；以太网通讯接口处的网络变压器，双绞线间通过网络变压器是电气短路的，因此当任何一个从机设备的网口出现混接，主机便可以通过当检测3、6之间短路情况完成混插判断。

作为优选，所述的电源提供设备与电源应用设备分别设置四组引脚，配置两组引脚[n4,n5,n7,n8]配对设置用于电源供电，配置一组引脚[n1,n2]连接模块设备内置的485通讯模块完成通讯，配置一组引脚[n3,n6]用于连接内置的混插保护电路，完成混插判断。在机柜现场，网口的混插情况，是和以太网通讯网口间存在混插，当从机设备的网口出现混接状况时，主机便通过当检测n3、n6之间短路情况，实现混接/混插的准确检测。

作为优选，所述的混插保护电路中POWER_IN端与Q1一端连接，Q1另一端连接POEWR_OUT端，Q1与POWER_IN连接一端依次连接保护电阻R3、R4与Q2一端连接，Q2另一端通过保护电阻R2与Q1另一端连接；Q2一端通过R4与接口n3连接；[n3,n6]处设有网络变压器。进行混插检测过程中，若出现混接情况时，混插保护电路自动拉低Q2基级处的电平，从而使Q1呈现开路，POWER_OUT无输出，从而完成判断；若未出现混接情况，则POWER_OUT维持正常输出。通过混插保护电路控制POWER_OUT在实际情景中的输出情况，能够保证混插检测更加准确、快速且安全的完成。

作为优选，主机为所有从机设置固定的默认地址，向默认地址发送查询命令，查看总线是否已有新增待分配地址的从机设备；若已有，则待分配地址的从机设备接收到查询命令后，监听总线是否空闲，即是否存在其他从机设备回复指令，若总线空闲，则等待随机时间t，由随机函数产生，再次判断总线是否空闲，若总线空闲，则向主机发送回复指令，所述随机时间t小于设定的最大等待时间T。主机查看总线中从机待分配情形、从机进入预备状态时先监听总线空闲情形的这些设计，均能够避免待分配地址的从机与其他从机重复申请地址从而导致的总线繁忙。为待分配地址的从机设定随机等待时间是为了错开不同从机的地址分配时间，保证从机地址分配有序的进行。

作为优选，所述的主机发送查询指令后等待从机的回复指令，设置主机等待时间tz，当tz大于总线空闲时间门限值Tz时，停止等待并结束分配；所述回复指令包括当前从机设备MCU的ID号。主机在为从机分配地址时，若等待从机回复指令的时间过长，为避免浪费分配时间，会暂时中止该从机的地址分配进程，因此本方案中对于主机等待时间做出了一定限制，保证了地址分配效率。

作为优选，主机接收从机设备的回复指令后，查询主机缓存；主机判断ID分配状态，优先分配缓存中已有的待分配ID号，若ID已分配过且未被占用，仍分配原地址；该操作对于系统整体重启时能够继续恢复原有组网形态；对于新增ID号，优先分配未分配过的地址，若无未分配过的地址，则分配当前未占用的地址；主机可分配地址的范围由系统预先设置，若设备连接超出地址范围，则系统报错。地址分配优先级按照未分配地址、未占用地址的顺序进行，能够有效保证从机不会出现重复分配地址的情形。

作为优选，主机向从机发送分配地址的确认指令，从机接收确认指令后比对ID号，若ID号与自身ID号匹配，则修改通讯地址，并向主机回复确认分配报文，若不一致，向主机发送否决报文；主机接收确认分配报文后确定地址分配，将地址与从机ID号弱绑定，主机接收否决报文后，重新核对分配地址，再次向从机发送确认指令；主机更新保存地址与ID号的映射表；其中每个地址只对应一个从机设备ID号，保存最近一次的对应关系，有利于核验从机与地址之间唯一对应性，并且提高从机接入时的效率。

作为优选所述的每个机柜部署一台主机，主机采用以太网通讯，通过交换机与服务器连接；从机设备不进行单独配置，通过网线与主机连接并通讯，将通讯信息上传至系统软件。从机无需单独配置，直接插上网口，即可完成组网，达到即插即用的效果，能够极大的提高现场部署效率。并且系统软件上可以通过查看接入系统的时间顺序或者接入设备的型号类型，从而确定从机设备的地址与现场从机模块的对应关系，增加了现场作业的便利性。

本发明的有益效果是：

1、本发明的一种即插即用的柜内组网策略，在现场设备组网时通过网线的一对空余的双绞线和混插保护电路做混接检测，检测到误接后，在小于100ms时间内及时关闭电源输出，能够避免网络设备的损坏，大大增加组网安全性。

2、本发明的一种即插即用的柜内组网策略，通过设计混插监测电路单独完成混插检测，仅改变电路内的电流并进行断电设计，因此存在以太网网口误插的情况，也不会损坏其他设备。

3、本发明的一种即插即用的柜内组网策略，基于从机设备MCU的固有ID号，提出一种自动寻址策略，解决现场设备需要预先设置地址带来的弊端，实现单接口配对，提高现场部署、维护效率，达到设备即插即用的效果。

4、本发明的一种即插即用的柜内组网策略，由主机软件配合总线自动分配地址并，不需要预设置设备地址，通过主机、总线、从机的三方响应与相互配合，能够在快速高效设置地址的同时，避免从机重复申请地址，增加了地址分配时的安全性。

附图说明

图1是本发明的一种即插即用的柜内组网策略的具有混插保护的接口定义示意图；

图2是本发明的一种即插即用的柜内组网策略的混插保护电路图；

图3是本发明的一种即插即用的柜内组网策略的自动地址分配主设备流程图；

图4是本发明的一种即插即用的柜内组网策略的自动地址分配从设备流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例的一种即插即用的柜内组网策略，如图1所示，为简化现场组网，所有从机设备的监测模块均采用网口作为唯一接口。网口的4、5和7、8引脚用于24V电源供电；1、2引脚用于485通讯；3、6引脚用于检测短路，判断是否存在混插。混插保护电路如图2所示。混插保护电路中POWER_IN端与Q1连接，Q1另一端连接POEWR_OUT端，Q1与POWER_IN连接一端依次连接保护电阻R3、R4与Q2一端连接，Q2另一端通过保护电阻R2与Q1另一端连接；Q2一端通过R4与接口3连接；接口3、6处设有网络变压器。

在机柜现场，网口的混插情况，是和以太网通讯网口间存在混插，当从机设备的网口出现混接状况时，混插保护电路自动拉低Q2基级处的电平，从而使Q1呈现开路，POWER_OUT无输出，从而完成判断；若未出现混接情况，则POWER_OUT维持正常输出。主机通过当检测3、6之间短路情况，即可高效、准确、安全地实现混接/混插的准确检测。并且，通过设计混插监测电路单独完成混插检测，仅改变电路内的电流并进行断电设计，因此存在以太网网口误插的情况，也不会损坏其他设备。

现场设备组网过程包括：每个机柜部署一台主机，主机采用以太网通讯，通过交换机与服务器连接；从机设备不进行单独配置，通过网线与主机连接并通讯，将通讯信息上传至系统软件。柜内从机设备的环境监测模块通过网线与主机连接，内部供电并且进行485通讯。从机直接插上网口，即可完成组网，达到即插即用的效果，极大的提高现场部署效率。系统软件上可以通过查看接入系统的时间顺序或者接入设备的型号类型，确定从机设备的地址与现场从机模块的对应关系，协议内部可以自行定义，增加了现场作业的便利性。

如图3和图4所示是主机为从机自动分配地址的过程，具体步骤如下：

所有从机设备默认一个固定的地址0X01，掉电不保存，即恢复默认的固定地址，每次重新组网上电，均由主机自动分配地址；主机定时向默认的固定的地址0X01发送查询命令，查看总线上是否存在新增待分配地址的从机设备，防止多从机同时进行地址分配。

待分配地址的从机设备在接收到主机下发的查询命令后，先监听总线上是否空闲，即是否存在其他从机设备回复指令。如果总线忙碌，则一直等到总线空闲；如果总线空闲，则继续等待一个由随机函数产生，且不大于设定最大等待时间的随机时间后，再次查询总线繁忙情况，若总线仍然空闲，则向主机发送回复指令，回复指令中包含从机设备MCU的ID号；

主机发送查询指令后，一直接收从机的回复指令，一直等到总线空闲时间大于设定的门限值，即表示总线上已无其他待分配地址的新增设备。

主机查看总线中从机待分配情形、从机进入预备状态时先监听总线空闲情形的这些设计，均能够避免待分配地址的从机与其他从机重复申请地址从而导致的总线繁忙。为待分配地址的从机设定随机等待时间是为了错开不同从机的地址分配时间，保证从机地址分配有序的进行。

主机根据从机设备回复的ID号分配地址：查询主机缓存，主机判断ID分配状态，优先分配缓存中已有的待分配ID号，若ID已分配过且未被占用，仍分配原地址；该操作对于系统整体重启时能够继续恢复原有组网形态；对于新增ID号，优先分配未分配过的地址，若无未分配过的地址，则分配当前未占用的地址；主机可分配地址的范围由系统预先设置，若设备连接超出地址范围，则系统报错。该操作对于系统整体重启时能够继续恢复原有组网形态，并且地址分配优先级按照未分配地址、未占用地址的顺序进行，能够有效避免重复分配地址。

主机可分配的地址范围可以由系统初始设定好，若超出地址范围的设备连接，则系统报错。选好地址后，主机发送分配地址确认指令，从机接收确认指令后比对ID号，若ID号与自身ID号匹配，则修改通讯地址，并向主机回复确认分配报文，若不一致，向主机发送否决报文；主机接收确认分配报文后确定地址分配，将地址与从机ID号弱绑定，主机接收否决报文后，重新核对分配地址，再次向从机发送确认指令；主机更新保存地址与ID号的映射表；其中每个地址只对应一个从机设备ID号，保存最近一次的对应关系，有利于核验从机与地址之间唯一对应性，并且提高从机接入时的效率。

应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，包括：

S1：定义电源提供设备和电源应用设备接口的引脚，在电源提供设备内设置混插保护电路判断混插情况并更正引脚配置；

S3：机柜中部署主机并连接至服务器，从机通过网线与主机连接，完成现场设备的组网配置；

S2：完成配置后，主机设置从机设备默认地址，并向默认地址发送查询指令，从机接收查询指令后判断总线忙碌状态并向主机发送回复指令，由主机完成自动地址分配。

2.根据权利要求1所述的一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，S1中为所述电源提供设备与电源应用设备分别设置四组引脚，配置两组引脚[n4,n5,n7,n8]配对设置用于电源供电，配置一组引脚[n1,n2]连接模块设备内置的485通讯模块完成通讯，配置一组引脚[n3,n6]用于连接内置的混插保护电路，完成混插判断。

3.根据权利要求1或2所述的一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，S1中所述混插保护电路中POWER_IN端Q1连接，Q1另一端连接POEWR_OUT端，Q1与POWER_IN连接一端依次连接保护电阻R3、R4与Q2一端连接，Q2另一端通过保护电阻R2与Q1另一端连接；Q2一端通过R4与接口n3连接；[n3,n6]处设有网络变压器。

4.根据权利要求1所述的一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，S3.1.1：主机为所有从机设置固定的默认地址，向默认地址发送查询命令，查看总线是否已有新增待分配地址的从机设备；S3.1.2：若已有，则待分配地址的从机设备接收到查询命令后，监听总线是否空闲，若总线空闲，则等待随机时间t，再次判断总线是否空闲，若总线空闲，则向主机发送回复指令，所述随机时间t小于设定的最大等待时间T。

5.根据权利要求4所述的一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，S3.2：主机发送查询指令后等待从机的回复指令，设置主机等待时间tz，当tz大于总线空闲时间门限值Tz时，停止等待并结束分配；所述回复指令包括当前从机设备MCU的ID号。

6.根据权利要求4或5所述的一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，主机接收从机设备的回复指令后，查询主机缓存；S3.3.1：主机判断ID分配状态，优先分配缓存中已有的待分配ID号，若ID已分配过且未被占用，仍分配原地址；S3.3.2：对于新增ID号，优先分配未分配过的地址，若无未分配过的地址，则分配当前未占用的地址；主机可分配地址的范围由系统预先设置，若设备连接超出地址范围，则系统报错。

7.根据权利要求6所述的一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，S3.4.1：主机向从机发送分配地址的确认指令，从机接收确认指令后比对ID号，若ID号与自身ID号匹配，则修改通讯地址，并向主机回复确认分配报文，若不一致，向主机发送否决报文；S3.4.2：主机接收确认分配报文后确定地址分配，将地址与从机ID号弱绑定，主机接收否决报文后，重新核对分配地址，再次向从机发送确认指令；S3.5：主机更新保存地址与ID号的映射表。

8.根据权利要求1所述的一种即插即用的柜内组网策略，其特征在于，S2中在每个机柜部署一台主机，主机采用以太网通讯，通过交换机与服务器连接；从机设备不进行单独配置，通过网线与主机连接并通讯，将通讯信息上传至系统软件。

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