CN117527470A - 一种应用于dcs系统的现场总线通信系统及其通信方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种应用于DCS系统的现场总线通信系统及其通信方法，将DCS系统内各模块分为多个CAN通信网络，其中本地I/O模块网络和扩展I/O模块网络分为采集类CAN总线网络和输出类CAN总线网络，缩减了单CAN网络内的数据压力，提高了数据通信的稳定性和实时性；各CAN总线通信网络采用冗余结构，其中一条总线网络故障后，备用网络会继续进行数据交互，整个现场总线网络通信的连续性得到了保证，避免出现数据中断得情况，影响现场控制，解决了DCS系统现场总线数据通信的稳定性，提高了数据通信的实时性，避免总线故障出现的数据中断，提高了数据通信的连续性，优化了整个DCS系统各个通信环节。
Description
技术领域
本公开涉及局域网通信技术领域，尤其涉及一种应用于DCS系统的现场总线通信系统、通信方法和电子设备。
背景技术
控制器局域网CAN(Controller Area Network)，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配。因此，CAN己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中到了广泛应用。
CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：
1，网络各节点之间的数据通信实时性强；
2，开发周期短；
3，已形成国际标准的现场总线；
4，最有前途的现场总线之一。
CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。
CAN总线特点:
(1)数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信；
(2)多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞；
(3)通信距离最远可达10KM(速率低于5Kbps)速率可达到1Mbps(通信距离小于40M)；
(4)CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。
CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。
CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。CAN实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。
CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。
这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。
然而，同时也存在如下技术缺点：
1，现有部分DCS系统模块之间通信仍然采用RS485的通信方式，DCS控制模块需要逐个和I/O模块进行访问通信，通信的实时性较低,总线利用率低。
2，现有部分DCS系统的总线通信方案只提供物理层，而不提供数据链路层，因此它无法识别错误，除非发生某些短路等物理错误。这很容易造成一个节点的破坏，频繁向总线发送数据(持续发送1)，这样会导致整个总线瘫痪。所以RS485只要损坏一个节点，总线网络就会全部中断。
3，现有部分DCS系统的总线通信稳定性较差，容易出现丢数据的情况。
4，现有部分DCS系统的总线通信只有采用标准的电气协议，而通信协议部分只是应用部分，比如MODBUS协议等，为实现数据通信的高新性和稳定性，开发难度很大。
5，现有部分DCS系统的总线通信无冗余总线通信结构，当总线硬件故障后，整个总线内的全部设备都无法完成正常数据交互，DCS系统通信中断，系统出现故障性“停车”事件。
6，现有部分DCS系统的一组总线网络完成了DCS系统内的全部数据交互，总线数据压力较大，当发生故障后，整个总线可能网络无法进行数据交互。
7，现有部分DCS系统各模块无法自动完成组网，需要手动配置添加、各模块，现场调试比较复杂，占用人工时间成本较大。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出一种应用于DCS系统的现场总线通信系统、通信方法和电子设备。
本申请一方面，提出一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，采用冗余通信网络拓扑结构进行通信，所述冗余通信网络拓扑结构包括：
控制模块；
冗余通信的系统网络，用于实现所述控制模块与上位机之间的通信；
本地I/O模块，用于实现本地的数据采集/输出；
冗余通信的CAN总线，用于实现所述本地I/O模块与所述控制模块之间的数据交互；
终端电阻，用于稳定保持所述CAN总线的I/O通信。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述本地I/O模块，包括：
若干采集类I/O模块，用于本地数据采集；
若干输出类I/O模块，用于本地数据输出；
所述采集类I/O模块和所述输出类I/O模块，均通过所述CAN总线进行冗余通信部署。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信的CAN总线，包括：
冗余通信的采集类总线网络，用于实现所述控制模块与所述采集类I/O模块之间的通信，包括：
第一主通信总线(1-1)和第一备用通信总线(1-2)，所述采集类I/O模块通过互为冗余通信的所述第一主通信总线(1-1)和所述第一备用通信总线(1-2)，与所述控制模块进行采集数据的交互；
冗余通信的输出类总线网络，用于实现所述控制模块与所述输出类I/O模块之间的通信，包括：
第二主通信总线(1-3)和第二备用通信总线(1-4)，所述输出类I/O模块通过互为冗余通信的所述第二主通信总线(1-3)和所述第二备用通信总线(1-4)，与所述控制模块进行输出数据的交互。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信的CAN总线内所部署的所述采集类I/O模块的数量，不超过64个；所述冗余通信的CAN总线内所部署的所述输出类I/O模块的数量，不超过64个。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信的CAN总线长度为10米，总线速度为1Mbps/s。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信网络拓扑结构还包括：
冗余通信的扩展网络，用于实现所部署的I/O扩展模块与所述控制模块之间的通信，与所述本地I/O模块共同进行数据交互；
若干组I/O扩展模块，用于扩展本地的数据采集/输出，包括：
若干采集类I/O模块，用于扩展数据采集；
若干输出类I/O模块，用于扩展数据输出；
所述采集类I/O模块和所述输出类I/O模块，均通过所述扩展网络所在的CAN总线与所述控制模块进行冗余通信部署。
本申请另一方面，提出一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，包括如下步骤：
I/O模块上电，自动采集每个I/O模块的地址信息，并通过控制模块上报至上位机；
上位机开启自动扫描，通过所述控制模块向各个通信总线发出请求I/O模块数据；
与所述通信总线通信的相应I/O模块，响应请求，上报各自的身份信息数据至所述控制模块；
所述控制模块将上报的所述身份信息数据通过系统网络上传至上位机，由上位机根据相应I/O模块的身份信息数据，完成与相应I/O模块之间的组网。
本申请另一方面，还提出一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，包括如下步骤：
上位机将为各个I/O模块进行数据配置，将待配置的配置数据下载至控制模块；
所述控制模块将各个I/O模块的配置数据下发至各I/O模块；
各I/O模块收到所述配置数据之后，进行校验、存储，并将所述配置数据返回给所述控制模块；
所述控制模块将收到的所述配置数据与发送至I/O模块的所述配置数据进行比对：
若一致，则发送确认指令至I/O模块，该I/O模块配置成功；
若不一致，则重发所述配置数据；
若所述控制模块在150ms内未收到I/O模块回发的所述配置数据，则重复上述过程；
若重发三次，I/O模块仍无法配置成功，则在网络内的所有的I/O模块都执行完配置流程后，再通过备用CAN网络执行上述配置过程。
本申请另一方面，还提出一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，包括如下步骤：
控制模块发出广播命令至总线上，通知各采集类I/O模块开始数据采集；
各采集类I/O模块响应所述广播命令，按照所述控制模块的地址编码，依次按照配置中的时间节点给所述控制模块发送采集数据及诊断数据；
所述控制模块在收到各采集类I/O模块发送来的采集数据及诊断数据后，回复确认指令，根据回复反馈，完成所述控制模块和各采集类I/O模块的CAN总线通信诊断；
控制模块采用单独通信方式，与各个输出类I/O模块进行通信，依次发送输出数据至各个输出类I/O模块，并根据各个输出类I/O模块的确认反馈，完成所述控制模块和各输出类I/O模块的CAN总线通信诊断。
本申请另一方面，还提出一种电子设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信方法。
本发明的技术效果：
1、本申请通过采用技术先进的CAN总线通信作为电气协议，采用CAN 2.0B协议作为通信的底层协议，提高数据通信的质量和稳定性；
2、将DCS系统内各模块分为多个CAN通信网络，其中本地I/O模块网络和扩展I/O模块网络分为采集类CAN总线网络和输出类CAN总线网络，缩减了单CAN网络内的数据压力，提高了数据通信的稳定性和实时性；
3、各CAN总线通信网络采用冗余结构，其中一条总线网络故障后，备用网络会继续进行数据交互，整个现场总线网络通信的连续性得到了保证，避免出现数据中断得情况，影响现场控制；
4、在CAN 2.0B协议技术基础上，设计了完整得应用通信协议，包含DCS系统内I/O模块自动扫描组网，I/O模块配置过程，I/O模块数据通信，现场总线网络通信状态检测，故障诊断，现场总线冗余切换等功能；
5、上述中的技术改进，解决了DCS系统现场总线数据通信的稳定性，提高了数据通信的实时性，避免总线故障出现的数据中断，提高了数据通信的连续性，优化了整个DCS系统各个通信环节，提高了数据通信的准确性和完整性，为DCS系统整体的稳定性奠定了良好的基础。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出为本发明冗余通信网络拓扑结构示意图；
图2示出为本发明DCS系统内总线机架的应用结构示意图；
图3示出为本发明I/O模块自动组网的流程示意图；
图4示出为本发明地址扫描的应用示意图；
图5示出为本发明I/O模块配置数据下发的流程示意图；
图6示出为本发明配置数据校验的流程示意图；
图7示出为本发明控制模块向采集类I/O模块广播命令的数据采集示意图；
图8示出为本发明控制模块向输出类I/O模块广播命令的数据输出示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
实施例1
本申请一方面，提出一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，采用冗余通信网络拓扑结构进行通信，所述冗余通信网络拓扑结构包括：
控制模块；
冗余通信的系统网络，用于实现所述控制模块与上位机之间的通信；
本地I/O模块，用于实现本地的数据采集/输出；
冗余通信的CAN总线，用于实现所述本地I/O模块与所述控制模块之间的数据交互；
终端电阻，用于稳定保持所述CAN总线的I/O通信。
如图1所示，为DCS系统的通信网络拓扑结构图。在本专利涉及的DCS系统中一个控制站内有一组冗余的控制模块，控制模块通过冗余系统网络与上位机软件(编程软件、组态监控软件等)进行通信，通过四条独立的CAN总线与I/O模块进行数据通信，完成对现场设备的输出控制和数据采集，通过冗余的扩展以太网络与I/O扩展模块通信，扩展了一个控制站内的I/O点位规模，可以应用于各中大型工业现场生产控制。
本专利涉及的DCS系统可以多控制站联合控制运行：通过系统网络，实现控制模块与本地I/O模块(包含若干组I/O模块)，的通信；通过扩展网络，实现控制模块与I/O扩展模块的通信。
通过扩展网络部署的I/O扩展模块(包含若干组I/O模块)，实现了本地I/O模块的I/O扩展。
系统网络和扩展网络以及与之通信的各个I/O模块，皆按照冗余通信的方式进行部署、通信。
为了更好地发挥系统通信的性能，所部署的通信网络以及对应部署的I/O模块数量，也不宜过多，经过系统性能测试，发现如下最佳部署配置：
一个控制站内一组冗余的控制模块可以通过扩展以太网络与7组I/O扩展模块通信，一组冗余的I/O扩展模块通过4条独立的CAN总线与扩展的64个I/O模块通信，一组冗余的控制模块通过4条独立的CAN总线与本地64个I/O模块通信。
本专利重点描述由控制模块与本地I/O模块通信采用的四条独立的CAN总线组成的现场总线网络设计方案，包含总线网络结构设计方案和软件通信设计方案两个方面。
1、硬件网络电路(结构)设计
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述本地I/O模块，包括：
若干采集类I/O模块，用于本地数据采集；
若干输出类I/O模块，用于本地数据输出；
所述采集类I/O模块和所述输出类I/O模块，均通过所述CAN总线进行冗余通信部署。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信的CAN总线，包括：
冗余通信的采集类总线网络，用于实现所述控制模块与所述采集类I/O模块之间的通信，包括：
第一主通信总线(1-1)和第一备用通信总线(1-2)，所述采集类I/O模块通过互为冗余通信的所述第一主通信总线(1-1)和所述第一备用通信总线(1-2)，与所述控制模块进行采集数据的交互；
冗余通信的输出类总线网络，用于实现所述控制模块与所述输出类I/O模块之间的通信，包括：
第二主通信总线(1-3)和第二备用通信总线(1-4)，所述输出类I/O模块通过互为冗余通信的所述第二主通信总线(1-3)和所述第二备用通信总线(1-4)，与所述控制模块进行输出数据的交互。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信的CAN总线内所部署的所述采集类I/O模块的数量，不超过64个；所述冗余通信的CAN总线内所部署的所述输出类I/O模块的数量，不超过64个。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信的CAN总线长度为10米，总线速度为1Mbps/s。
如图1所示，共有1-1、1-2、1-3、1-4四条CAN总线组成现场总线网络；
如图1所示，其中1-1、1-2互为冗余的一组现场总线网络，其中1-1为主通信总线，1-2为备用通信总线，负责控制模块与采集类I/O模块进行数据交互，总线网络内的采集类I/O模块节点数量上限为64个，总线长度为10米，总线速度为1Mbps/S；
如图1所示，其中1-3、1-4互为冗余的一组现场总线网络，其中1-3为主通信总线，1-4为备用通信总线，负责控制模块与输出类I/O模块进行数据交互，总线网络内的输出类I/O模块节点数量上限为64个，总线长度为10米，总线速度为1Mbps/S；
如图1所示，四条独立的CAN总线两端都设置了终端电阻进行匹配，保证通信质量的稳定；
上述总线内各模块内CAN总线电路均设置了共模电感和TVS提高总线的抗干扰能力。
作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述冗余通信网络拓扑结构还包括：
冗余通信的扩展网络，用于实现所部署的I/O扩展模块与所述控制模块之间的通信，与所述本地I/O模块共同进行数据交互；
若干组I/O扩展模块，用于扩展本地的数据采集/输出，包括：
若干采集类I/O模块，用于扩展数据采集；
若干输出类I/O模块，用于扩展数据输出；
所述采集类I/O模块和所述输出类I/O模块，均通过所述扩展网络所在的CAN总线与所述控制模块进行冗余通信部署。
如图1所示，对于所扩展的I/O扩展模块，同样分为了“采集类总线网络”和“输出类总线网络”，各个总线网络中，也按照上述本地I/O模块的部署结构，进行相同的配置，本处不再赘述。
2、总线机架的设计
如图2中所示，J-1、J-2、J-3、J-4为DCS系统内总线机架，本地I/O和扩展I/O模块总线网络均最多可连接四个总线机架，每个机架上共可负载16个I/O模块；
如图2中所示，四个机架采用串联的方式进行连接，在总线机架J-1的首端与控制模块连接(内置终端电路)，J-1、J-2、J-3、J-4首尾相连，在J-4末端安装终端电阻。
如图2中所示，C-BUS-1和C-BUS-2为两条互为冗余的DB15线缆，主C-BUS-1内为总线1-1、1-3，C-BUS-1内既有采集类数据又有输出类数据，备用C-BUS-2内为总线1-2、1-4，C-BUS-2内既有采集类数据又有输出类数据，
由上述可知，C-BUS-1和C-BUS-2其中任意一条故障，都不会影响总线数据传输的连续性，提高了DCS系统的稳定性。
由上述可知，控制模块和本地I/O模块的数据连接分为了两组CAN总线网络，降低了单网络的数据压力，提高的通信网络的实时性，同时任意网络产生故障后，另一网络仍可通信，降低了DCS系统的故障风险等级。
下面将描述软件设计
软件通信方案从I/O模块自动组网过程、I/O模块配置数据下发过程、数据通信、总线故障诊断、总线主备切换、总线故障恢复等几方面进行介绍。
实施例2、I/O模块自动组网
基于实施例1的实施原理，本申请另一方面，提出一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，包括如下步骤：
I/O模块上电，自动采集每个I/O模块的地址信息，并通过控制模块上报至上位机；
上位机开启自动扫描，通过所述控制模块向各个通信总线发出请求I/O模块数据；
与所述通信总线通信的相应I/O模块，响应请求，上报各自的身份信息数据至所述控制模块；
所述控制模块将上报的所述身份信息数据通过系统网络上传至上位机，由上位机根据相应I/O模块的身份信息数据，完成与相应I/O模块之间的组网。
I/O模块自动组网过程
如图2所示，J-1、J-2、J-3、J-4四组总线机架共可负载64个I/O模块，每个机架可以负载16个I/O模块，I/O模块的地址信息由8位二进制数组成，高四位为J-1、J-2、J-3、J-4四组机架编号0x00000000B到0x01100000B，低四位为I/O模块在机架中的位置编号0x0000B到0x1111B(机架中可安装八个底座，一个底座安装两个I/O模块，其中高三位为八个底座地址，最低位为底座中左右卡槽号)，例如，第二个机架的第三个I/O模块的地址信息为0x00010010B,
第二个机架的第四个I/O模块的地址信息为0x00010011B；
如上所述，I/O模块上电后可自行获取到每个I/O模块的地址信息，为DCS系统中控制模块与各I/O模块通信提供了有效的身份识别方式；
如图3所示，上位机编程软件中点击自动扫描按钮后，控制模块会在总线1-1、1-2、1-3、1-4发出请求I/O模块数据，在总线上的各I/O模块会根据自身的地址信息延时上报I/O模块的身份信息数据，如模块地址、模块类型、模块是否冗余等，控制模块将上述信息上传给编程软件中，完成自动扫描过程，具体如图4所示。
实施例3、I/O模块配置数据下发过程
基于实施例2的实施原理，本申请另一方面，还提出一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，包括如下步骤：
上位机将为各个I/O模块进行数据配置，将待配置的配置数据下载至控制模块；
所述控制模块将各个I/O模块的配置数据下发至各I/O模块；
各I/O模块收到所述配置数据之后，进行校验、存储，并将所述配置数据返回给所述控制模块；
所述控制模块将收到的所述配置数据与发送至I/O模块的所述配置数据进行比对：
若一致，则发送确认指令至I/O模块，该I/O模块配置成功；
若不一致，则重发所述配置数据；
若所述控制模块在150ms内未收到I/O模块回发的所述配置数据，则重复上述过程；
若重发三次，I/O模块仍无法配置成功，则在网络内的所有的I/O模块都执行完配置流程后，再通过备用CAN网络执行上述配置过程。
在完成I/O模块组网后，即可对DCS系统内各模块进行配置，并完成算法策略的编程工作，完成编译工作后进行下装，下载到控制模块内；
如图5和6所示，控制模块会将各I/O模块的配置数据下发至各I/O模块，具体通信方案如下：
控制模块依次对各I/O模块通过主CAN总线单独下发进入配置状态指令，各I/O模块接收到指令数据后，进入待配置状态，控制模块下发配置数据至I/O模块，I/O模块收到数据进行校验、存储后将数据返回给控制模块，控制模块将收到的数据与发送至I/O模块的数据进行比对，若一致，则发送确认指令至I/O模块，该I/O模块配置成功，若不一致，则重发配数据，若控制模块在150ms内未收到I/O模块回发的配置数据，重复上述过程，若重发三次，I/O模块仍无法配置成功，则在网络内的所有的I/O模块都执行完配置流程后，如图5所示，再通过备用CAN网络执行上述配置过程。
实施例4、数据通信、总线监测、故障诊断、总线主备冗余
基于实施例3的实施原理，本申请另一方面，还提出一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，包括如下步骤：
控制模块发出广播命令至总线上，通知各采集类I/O模块开始数据采集；
各采集类I/O模块响应所述广播命令，按照所述控制模块的地址编码，依次按照配置中的时间节点给所述控制模块发送采集数据及诊断数据；
所述控制模块在收到各采集类I/O模块发送来的采集数据及诊断数据后，回复确认指令，根据回复反馈，完成所述控制模块和各采集类I/O模块的CAN总线通信诊断；
控制模块采用单独通信方式，与各个输出类I/O模块进行通信，依次发送输出数据至各个输出类I/O模块，并根据各个输出类I/O模块的确认反馈，完成所述控制模块和各输出类I/O模块的CAN总线通信诊断。
在本DCS系统中I/O模块根据通道数据传输方向可分为采集类I/O模块和输出类I/O模块，控制模块依次与I/O模块完成数据通信共分为三次交互，如图7、图8中D1-1、D1-2、D1-3。
如图7所示，控制模块发出广播命令至总线上，总线上各采集类I/O模块接收到广播命令后开始启动I/O模块内周期定时器，按照模块的地址编码，依次按照配置中的时间节点给控制模块发送采集数据及诊断数据，如D1-2,控制模块在收到I/O模块发送来的数据后，回复确认指令，如D1-3，如上，完成一个I/O模块的数据交互过程，在上述过程中，在一个DCS通信的数据周期内,每个I/O模块都先向控制模块发送数据(如D1-2)再收到控制模块的确认指令(如D1-3)，由此来判断I/O模块的数据发送功能和数据接收功能正常，控制模块发送广播命令(如D1-1)后若能收到I/O模块的回发数据，由此判断控制模块数据发送功能和数据接收功能正常，由此完成了控制模块和I/O模块数据通信的同时完成控制模块和I/O模块的CAN总线通信诊断；
如图8所示，控制模块与输出类I/O模块采用单独通信的方式，即控制模块与第一个I/O模块先通信，发送输出数据至I/O模块(如D1-1)，I/O模块回复数据后(如D1-2)，控制模块发送确认指令(如D1-3),完成数据交互后，再与总线内其他I/O模块按照地址编码逐个通信；若控制模块发送数据后，I/O模块在40ms内未完成数据回发，则控制模块认为此I/O模块通信失败，进行下一个I/O模块通信，在主CAN总线一个周期内统计未成功完成数据交互的I/O模块，标记该节点I/O模块主CAN通信故障，再备用CAN总线上按照上述流程再进行一次数据发送，在备CAN总线一个周期内统计未成功完成数据交互的I/O模块，则判定未在当前DCS数据周期内通信失败的I/O模块，标记为I/O模块通信故障，如上实现了CAN总线通信诊断，主备CAN总线切换通信。
在数据通信过程中，主CAN和备CAN内按照图6、图7所示，同时进行心跳数据的交互，用于各I/O模块和控制模块的CAN总线诊断。
如上所述，在当前DCS数据周期内即可识别出控制模块和各I/O模块的主备CAN的发送和接收功能是否正常，并完成诊断过程，再下一个DCS数据周期内选择功能完整的主CAN/备CAN进行通信。
通信方案中CAN总线通信的数据格式：
CAN扩展帧29位ID定义：
每个模块发送一次本模块数据需要将数据拆分成若干CAN扩展帧完成。所有扩展帧分为：起始帧、数据帧、诊断帧(模块有故障就在数据帧后插入诊断帧，无故障不插入诊断帧)、配置帧和结束帧，具体的格式如下：
因此，本申请解决了DCS系统现场总线数据通信的稳定性，提高了数据通信的实时性，避免总线故障出现的数据中断，提高了数据通信的连续性，优化了整个DCS系统各个通信环节，提高了数据通信的准确性和完整性，为DCS系统整体的稳定性奠定了良好的基础。
需要说明的是，尽管以CAN总线作为示例介绍了如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据实际应用场景灵活设定通信方式比如光总线，只要可以按照上述技术，能够实现远距离高速通信，能够进一步提高总线通信的稳定性，实现本申请的技术功能即可。
显然，本领域的技术人员应该明白，实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各控制的实施例的流程。本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各控制的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(HardDiskDrive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
实施例3
更进一步地，本申请另一方面，还提出一种电子设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统。
本公开实施例来电子设备包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器。其中，处理器被配置为执行可执行指令时实现前面任一所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统。
此处，应当指出的是，处理器的个数可以为一个或多个。同时，在本公开实施例的电子设备中，还可以包括输入系统和输出系统。其中，处理器、存储器、输入系统和输出系统之间可以通过总线连接，也可以通过其他方式连接，此处不进行具体限定。
存储器作为一计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序和各种模块，如：本公开实施例的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统所对应的程序或模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序或模块，从而执行电子设备的各种功能应用及数据处理。
输入系统可用于接收输入的数字或信号。其中，信号可以为产生与设备/终端/服务器的用户设置以及功能控制有关的键信号。输出系统可以包括显示屏等显示设备。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，其特征在于，采用冗余通信网络拓扑结构进行通信，所述冗余通信网络拓扑结构包括：
控制模块；
冗余通信的系统网络，用于实现所述控制模块与上位机之间的通信；
本地I/O模块，用于实现本地的数据采集/输出；
冗余通信的CAN总线，用于实现所述本地I/O模块与所述控制模块之间的数据交互；
终端电阻，用于稳定保持所述CAN总线的I/O通信。
2.根据权利要求1所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，其特征在于，所述本地I/O模块，包括：
若干采集类I/O模块，用于本地数据采集；
若干输出类I/O模块，用于本地数据输出；
所述采集类I/O模块和所述输出类I/O模块，均通过所述CAN总线进行冗余通信部署。
3.根据权利要求2所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，其特征在于，所述冗余通信的CAN总线，包括：
冗余通信的采集类总线网络，用于实现所述控制模块与所述采集类I/O模块之间的通信，包括：
第一主通信总线(1-1)和第一备用通信总线(1-2)，所述采集类I/O模块通过互为冗余通信的所述第一主通信总线(1-1)和所述第一备用通信总线(1-2)，与所述控制模块进行采集数据的交互；
冗余通信的输出类总线网络，用于实现所述控制模块与所述输出类I/O模块之间的通信，包括：
第二主通信总线(1-3)和第二备用通信总线(1-4)，所述输出类I/O模块通过互为冗余通信的所述第二主通信总线(1-3)和所述第二备用通信总线(1-4)，与所述控制模块进行输出数据的交互。
4.根据权利要求3所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，其特征在于，所述冗余通信的CAN总线内所部署的所述采集类I/O模块的数量，不超过64个；所述冗余通信的CAN总线内所部署的所述输出类I/O模块的数量，不超过64个。
5.根据权利要求3所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，其特征在于，所述冗余通信的CAN总线长度为10米，总线速度为1Mbps/s。
6.根据权利要求1所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信系统，其特征在于，所述冗余通信网络拓扑结构还包括：
冗余通信的扩展网络，用于实现所部署的I/O扩展模块与所述控制模块之间的通信，与所述本地I/O模块共同进行数据交互；
若干组I/O扩展模块，用于扩展本地的数据采集/输出，包括：
若干采集类I/O模块，用于扩展数据采集；
若干输出类I/O模块，用于扩展数据输出；
所述采集类I/O模块和所述输出类I/O模块，均通过所述扩展网络所在的CAN总线与所述控制模块进行冗余通信部署。
7.一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
I/O模块上电，自动采集每个I/O模块的地址信息，并通过控制模块上报至上位机；
上位机开启自动扫描，通过所述控制模块向各个通信总线发出请求I/O模块数据；
与所述通信总线通信的相应I/O模块，响应请求，上报各自的身份信息数据至所述控制模块；
所述控制模块将上报的所述身份信息数据通过系统网络上传至上位机，由上位机根据相应I/O模块的身份信息数据，完成与相应I/O模块之间的组网。
8.一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
上位机将为各个I/O模块进行数据配置，将待配置的配置数据下载至控制模块；
所述控制模块将各个I/O模块的配置数据下发至各I/O模块；
各I/O模块收到所述配置数据之后，进行校验、存储，并将所述配置数据返回给所述控制模块；
所述控制模块将收到的所述配置数据与发送至I/O模块的所述配置数据进行比对：
若一致，则发送确认指令至I/O模块，该I/O模块配置成功；
若不一致，则重发所述配置数据；
若所述控制模块在150ms内未收到I/O模块回发的所述配置数据，则重复上述过程；
若重发三次，I/O模块仍无法配置成功，则在网络内的所有的I/O模块都执行完配置流程后，再通过备用CAN网络执行上述配置过程。
9.一种应用于DCS系统的现场总线通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
控制模块发出广播命令至总线上，通知各采集类I/O模块开始数据采集；
各采集类I/O模块响应所述广播命令，按照所述控制模块的地址编码，依次按照配置中的时间节点给所述控制模块发送采集数据及诊断数据；
所述控制模块在收到各采集类I/O模块发送来的采集数据及诊断数据后，回复确认指令，根据回复反馈，完成所述控制模块和各采集类I/O模块的CAN总线通信诊断；
控制模块采用单独通信方式，与各个输出类I/O模块进行通信，依次发送输出数据至各个输出类I/O模块，并根据各个输出类I/O模块的确认反馈，完成所述控制模块和各输出类I/O模块的CAN总线通信诊断。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现权利要求7-9中任一项所述的一种应用于DCS系统的现场总线通信方法。
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