CN220323772U - 一种工业控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种工业控制系统，涉及电子设备领域，解决了相关技术中控制器设备与多个网关设备通信时使用成本高的问题。本申请提供的工业控制系统包括：控制器设备、光分路模块和多个网关设备；控制器设备通过光纤与光分路模块连接，光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接。本申请提供的工业控制系统中，由于控制器设备通过光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接，控制器设备与光分路模块构成的光传输通道可以被多个网关设备共用，减少了控制器设备与多个网关设备之间布设的光纤的用料和成本，进而降低了控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本，特别是降低了控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时的使用成本。

Description

一种工业控制系统

技术领域

本实用新型涉及电子设备领域，尤其涉及一种工业控制系统。

背景技术

随着经济的发展和技术水平的创新，工业自动化控制领域的终端设备点位越来越多，越来越分散。当前工业现场的控制总线多为工业以太网、Modbus、CAN(Controller AreaNetwork，控制器局域网)等总线形式，受制于总线技术特点，终端设备无法与控制器设备进行长距离通信；当有远距离数据传输的应用场景时，目前一般将现场总线信号通过光电转换模块转换为光纤信号进行传输。

相关技术中，工业现场的光电转换方案一般通过点对点传输，如图1所示，控制器设备通过以太网交换机和两个光电转换模块与网关设备通信。在应用场景现场通信设备较多时，控制器设备通过光纤分别与每个网关设备通信连接，每个网关设备与现场的终端设备进行数据通信。

然而，相关技术中存在控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本高的问题。例如，在应用场景现场的网关设备较多时，由于控制器设备与单个网关设备之间均通过两个单独的光电转换模块进行光电转换，控制器设备一端需要大量光纤线路分别连接各个网关设备，网关设备数量越多，所需光纤的用料成倍增加，大大增加现场光纤的布设难度和使用成本。

实用新型内容

为了解决相关技术中控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本高的问题，本申请提供一种工业控制系统，能够降低控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本。

本申请实施例提供一种工业控制系统，包括：控制器设备、光分路模块和多个网关设备；

控制器设备通过光纤与光分路模块连接，光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，工业控制系统还包括光线路终端，光分路模块包括无源光分路器；

控制器设备与光线路终端连接，光线路终端通过光纤与无源光分路器连接，无源光分路器与多个网关设备中各个网关设备连接。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备包括光纤接口，无源光分路器与多个网关设备中各个网关设备的光纤接口连接。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备包括光电转换芯片，光纤接口与光电转换芯片连接。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，光电转换芯片为ONU芯片。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备还包括PHY芯片和处理器，光电转换芯片与PHY芯片连接，PHY芯片与处理器连接。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备还包括用于收发目标协议数据的目标收发芯片和目标接口，处理器与目标收发芯片连接，目标收发芯片与目标接口连接。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，目标收发芯片为CAN收发芯片，目标接口为CAN接口；

或者，目标收发芯片为Modbus TCP收发芯片，目标接口为Modbus TCP接口。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，工业控制系统还包括控制机柜和现场机柜，控制器设备和光线路终端设置在控制机柜中，无源光分路器和多个网关设备设置在现场机柜中。

可选地，在本申请实施例提供的工业控制系统中，工业控制系统还包括多个终端设备，多个网关设备中各个网关设备一一对应地连接多个终端设备。

在本实用新型中，工业控制系统包括控制器设备、光分路模块和多个网关设备；控制器设备通过光纤与光分路模块连接，光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接。这样，由于控制器设备通过光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接，控制器设备与光分路模块构成的光传输通道可以被多个网关设备共用，减少了控制器设备与多个网关设备之间布设的光纤的用料和成本，进而降低了控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本，特别是降低了控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时的使用成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型的实施例，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为相关技术中一种工业控制系统的结构性示意图；

图2为本申请实施例提供的一种工业控制系统的结构性示意图；

图3-1为本申请实施例提供的另一种工业控制系统的结构性示意图；

图3-2为本申请实施例提供的一种工业控制系统中的网关设备的结构性示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种工业控制系统的结构性示意图。

附图标记说明：

100-控制器设备；200-光分路模块；210-无源光分路器；300-网关设备；310-光纤接口；3101-以太网光纤接口；320-光电转换芯片；3201-ONU芯片；330-PHY芯片；340-处理器；350-目标收发芯片；3501-CAN收发芯片；360-目标接口；3601-CAN接口；400-光线路终端；500-终端设备。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

随着经济的发展和技术水平的创新，工业自动化控制领域的终端设备点位越来越多，越来越分散。当前工业现场的控制总线多为工业以太网、RS(Recommended Standard，推荐标准)-485、Modbus、CAN等总线形式。

其中，Modbus是一种串行通信协议，是Modicon公司(现在的施耐德电气SchneiderElectric)于1979年为使用PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在Modbus TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)协议是终端设备常用一种Modbus网络协议。CAN是ISO国际标准化的串行通信协议，广泛应用于汽车、船舶等。

受制于工业现场的控制总线的技术特点，终端设备无法与控制器设备进行长距离通信；当有远距离数据传输的应用场景时，一般将现场总线信号通过光电转换模块转换为光纤信号进行传输。

相关技术中，工业现场的光电转换方案一般通过点对点传输，如图1所示，控制器设备通过以太网交换机和两个光电转换模块与网关设备通信。在应用场景现场通信设备较多时，控制器设备通过光纤分别与每个网关设备通信连接，每个网关设备与现场的终端设备进行数据通信。

然而，相关技术中存在控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本高的问题。例如，在应用场景现场的网关设备较多时，由于控制器设备与单个网关设备之间均通过两个单独的光电转换模块进行光电转换，控制器设备一端需要大量光纤线路分别连接各个网关设备，网关设备数量越多，所需光纤的用料成倍增加，大大增加现场施工难度和使用成本。

基于此，本申请实施例提供的工业控制系统旨在减少控制器设备与多个网关设备之间的光纤线路的用料和成本。举例而言，在本申请实施例中，控制器设备通过光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接，控制器设备与光分路模块构成的光传输通道可以被多个网关设备共用，减少了控制器设备与多个网关设备之间布设的光纤的用料和成本，进而降低了控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本，特别是降低了控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时的使用成本。

以下结合附图，详细说明本实用新型提供的技术方案。

图2为本申请实施例提供的一种工业控制系统的结构性示意图。

如图2所示，本申请实施例提供的工业控制系统可以包括：控制器设备100、光分路模块200和多个网关设备300；

控制器设备100通过光纤与光分路模块200连接，光分路模块200与多个网关设备中各个网关设备300连接。

其中，控制器设备100包括但不限于中央控制器，本申请在此不作具体限制。其中，控制器设备100可以直接通过网关设备300对终端设备500进行控制。此外，控制器设备100还可以与上位机连接，通过上位机对控制器设备100进行控制，控制器设备100在通过网关设备300对终端设备500进行控制。

其中，光分路模块200用于将其传输的光纤信号进行分路操作或者合路操作。

其中，网关设备300用于协议转换。具体而言，网关设备300还可以与终端设备连接，用于将控制器设备100对应的协议数据进行协议转换为终端设备对应的协议数据。

在本申请实施例中，工业控制系统的工作原理可以是：控制器设备100将控制数据(例如以太网协议数据)传输至光分路模块200，光分路模块200根据预设的ID(网关设备的身份标识)与控制数据之间的对应关系将控制数据(例如以太网协议数据)进行分路操作后分发给对应的网关设备。之后，网关设备可以将收到的以太网协议数据转换成指定的总线协议数据，并发送至现场的终端设备(例如通用的输入/输出设备)。

在本申请实施例中，由于控制器设备通过光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接，控制器设备与光分路模块之间的光纤线路可以被多个网关设备共用，减少了控制器设备与多个网关设备之间布设的光纤的用料和成本，进而降低了控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本。

特别是针对工业控制系统是分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)的情况，控制器设备与网关设备之间距离较远，在控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时，由于控制器设备与网关设备之间的距离较远，控制器设备与光分路模块之间的光纤线路较长，且网关设备的数量较多，大幅度降低了控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时的使用成本。

其中，网关设备的数量越多，或者，网关设备距离控制器设备越远，或者，光分路模块的设置位置距离网关设备越近，控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时减少的用料和成本越多。

根据本申请实施例提供的工业控制系统，包括控制器设备、光分路模块和多个网关设备；控制器设备通过光纤与光分路模块连接，光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接。这样，由于控制器设备通过光分路模块与多个网关设备中各个网关设备连接，控制器设备与光分路模块构成的光传输通道可以被多个网关设备共用，减少了控制器设备与多个网关设备之间布设的光纤的用料和成本，进而降低了控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本，特别是降低了控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时的使用成本。

在一个具体的实施例中，在本申请实施例提供的工业控制系统中，工业控制系统还可以包括光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)，光分路模块可以包括无源光分路器(Passive Optical Splitter，POS)。

如图3-1所示，控制器设备100与光线路终端400连接，光线路终端400通过光纤与无源光分路器210连接，无源光分路器210与多个网关设备中各个网关设备300连接。

其中，光线路终端400是光电一体的设备。在无源光网络(Passive OpticalNetwork，PON)技术应用中，光线路终端400是重要的局端设备，它实现的功能包括：与前端的控制器设备用网线相连，转化成光信号；用单根光纤与无源光分路器210互联；实现对网关设备的ONU芯片的控制、管理、测距等功能。

其中，无源光分路器210用于实现控制器设备与多个网关设备之间的点对多点通信，具体可以将控制器设备发送的光纤信号进行分路操作，或者将多个网关设备发送的光纤信号进行合路操作。

其中，无源光分路器210和光纤可以构成光分配网络(Optical DistributionNetwork，ODN)。光分配网络可以用于将光纤信号分配给多个网关设备中各个网关设备。

根据本申请实施例提供的工业控制系统，包括控制器设备、光线路终端、无源光分路器和多个网关设备，控制器设备与光线路终端连接，光线路终端通过光纤与无源光分路器连接，无源光分路器与多个网关设备中各个网关设备连接。这样，在控制器设备与多个网关设备之间，光线路终端与无源光分路器之间的光纤线路可以被多个网关设备共用，减少了控制器设备与多个网关设备之间布设的光纤的用料和成本，进而降低了控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本，特别是降低了控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时的使用成本。

在实际应用中，如图3-1所示，本申请实施例提供的工业控制系统还包括控制机柜和现场机柜，控制器设备和光线路终端设置在控制机柜中，无源光分路器和多个网关设备设置在现场机柜中。

其中，光线路终端靠近控制器设备设置，无源光分路器靠近网关设备设置。这样，在控制机柜与现场机柜之间距离较远时，大幅度减少控制机柜与现场机柜之间铺设的光纤的用料和成本。

在一个具体的实施例中，如图3-1所示，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备300还可包括光纤接口310，无源光分路器210与多个网关设备中各个网关设备的光纤接口310连接。

其中，光纤接口310可以收发以太网数据。例如，如图3-2所示，光纤接口可以为以太网光纤接口3101，可以收发以太网数据。当然，光纤接口310也可以根据实际需求收发其他协议数据，本申请不作限制。

其中，当前的控制器设备和网关设备的通信接口为以太网电口，通信距离理论上最大为100m；本申请实施例转化为以太网光纤接口通信后，可实现最大20KM的通信距离。这样，由于网关设备通过以太网光纤接口与控制器设备通信，光纤传输速度快，增加了网关设备与控制器设备的通信距离。

在实际应用中，网关设备300可以具有互为备份的多个光纤接口，可用于连接无源光分路器210的不同端口，每个光纤接口同时具有数据通信功能，在一个光纤接口网络故障时，另一个光纤接口的网络可以无间断地为工业控制系统提供通信，使得系统通信可靠性大大提升。

在一个具体的实施例中，如图3-1所示，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备300还可包括光电转换芯片320，光纤接口310与光电转换芯片320连接。

其中，光电转换芯片320用于将光纤接口数据转换为MDI接口数据，实现数据的光电转换。这样，由于网关设备中增设光电转换芯片实现光电转换功能，与相关技术相比，无需在网关设备与控制器设备之间设置光电转换模块进行光电转换步骤，减少了控制器设备和网关设备的通信延时，提高了通信效率。

在一个具体的实施例中，如图3-2所示，在本申请实施例提供的工业控制系统中，光电转换芯片320可以为ONU(Optical Network Unit，光网络单元)芯片3201。

在本申请实施例中，光线路终端400、无源光分路器210和多个网关设备300中的多个ONU芯片3201可以PON结构。

其中，PON是一种无源光纤网络，由控制器设备侧的光线路终端、光分配网络(包括无源光分路器)以及网关设备侧的光网络单元组成，采用点到多点的网络结构(即一控制器设备对多个网关设备)和无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和时分多路复用(Time-Division Multiplexing，TDM)的MAC媒体访问控制方式，可提供多种综合业务的宽带接入。

其中，PON下行数据流采用TDM广播方式传输，ONU芯片3201完成注册后分配唯一的LLID；PON上行数据流采用时分多址(Time-Division Multiplexing Access，TDMA)方式传输。光线路终端400的下行数据在发出去之前，都会加上一个LLID(15bit)，此LLID就对应着一个ONU芯片3201，当ONU芯片3201收到数据后，在物理层(例如PHY芯片)判断LLID是否和本身的LLID相符合，如果符合，则保留接收的数据，如果不符合，则丢弃接收的数据。另外，光线路终端400通过接收的数据中的ONU-ID信息(8bit)来区分数据来自不同的网关设备。

这样，本申请实施例的工业控制系统的电光转换部分应用PON的技术形式，利用PON突发式的特点，实现点对多点的通信，一个控制器设备下行可以在光电转换通信后，下挂多个网关设备，实现单个控制器设备对多个网关设备的通信，可以减少控制器设备与多个网关设备之间大量光纤的铺设，减少用料和人工成本。

在一个具体的实施例中，如图3-1所示，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备300还包括PHY(Port Physical Layer，端口物理层)芯片330和处理器340，光电转换芯片320与PHY芯片330连接，PHY芯片330与处理器340连接。

其中，PHY芯片330还具有介质相关接口(即MDI接口)，PHY芯片330的介质相关接口与光电转换芯片320连接，用于发送和接收以太网的数据帧。

其中，处理器110可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片，或者其他类型的处理芯片，本申请对处理器的类型不作限制。

其中，处理器340用于不同协议数据的转换。例如，若光纤接口310用于收发以太网协议数据，目标接口360用于收发目标协议数据，处理器340可用于以太网协议数据与目标协议数据的转换。

其中，网关设备300还可以包括存储模块(图未示出)，存储模块与处理器340相连接。存储模块具体可以是SDRAM(synchronous dynamic random-access memory，同步动态随机存取内存)，存储模块可以用于存储以太网协议数据和目标协议数据。

其中，网关设备300还可以包括电源模块(图未示出)，电源模块与处理器相连接。电源模块可以为网关设备的各个芯片提供所需电源，按不同芯片的需求，可以是3.3V、1.8V、1.5V、1.2V等规格。

其中，网关设备300还可以包括冗余通信模块(图未示出)，冗余通信模块与处理器340相连接。网关设备的冗余通信模块可以用于与其他网关设备通信，这样，在网关设备故障的情况下，可以确定网关设备的故障等级，通过冗余通信模块切换到另一个网关设备工作，提高了网关设备的可靠性。

在一个具体的实施例中，如图3-1所示，在本申请实施例提供的工业控制系统中，网关设备还可包括用于收发目标协议数据的目标收发芯片350和目标接口360，处理器340与目标收发芯片350连接，目标收发芯片350与目标接口360连接。

其中，目标接口360可以收发目标协议数据，目标协议数据可以是Modbus TCP协议数据、CAN协议数据或者其他总线协议数据，等等，本申请对目标协议数据的类型不作限制。

这样，本申请实施例可以通过网关设备的目标收发芯片350和目标接口360连接工业现场的终端设备，由于终端设备500种类繁多，通讯协议也不同，从而网关设备也可通过目标收发芯片和目标接口收发不同通讯协议的数据。

例如，如图3-2所示，在本申请实施例提供的工业控制系统中，目标收发芯片350为CAN收发芯片3501，目标接口360为CAN接口3601；

其中，CAN收发芯片3501和CAN接口3601可以收发CAN协议数据，例如CAN_H数据或者CAN_L数据。

这样，本申请实施例可以通过网关设备的CAN收发芯片3501和CAN接口3601连接工业现场的CAN设备，接收和发送CAN协议数据。

或者，在本申请其他实施例中，目标收发芯片为Modbus TCP收发芯片，目标接口为Modbus TCP接口。

其中，Modbus TCP接口可以通过Modbus TCP网络连接终端设备。Modbus TCP接口可以为标准的RJ45连接器，Modbus TCP网络通道为10/100Mbps自适应网络，使用标准的百兆以太网线接入Modbus TCP网络，单根网线传输最大距离不超过100米。

这样，本申请实施例可以通过网关设备的Modbus TCP收发芯片和Modbus TCP接口连接工业现场的Modbus TCP设备，接收和发送Modbus TCP协议数据。

在一个具体的实施例中，如图3-1所示，光纤接口310依次与无源光分路器210、光线路终端400和控制器设备100连接，接收控制器设备100的下行数据。ONU芯片3201是ONU专用协议芯片，具有光电转换功能，将光纤接口数据转换为MDI接口数据，与百兆PHY芯片连接；然后，PHY芯片输出的以太网协议数据经过处理器340处理，完成协议转换，转换成CAN协议数据，经CAN收发芯片到CAN接口，与现场的终端设备500(例如CAN设备)进行数据通信。

在实际应用中，如图4所示，本申请实施例提供的工业控制系统还可以包括多个终端设备500，多个网关设备中各个网关设备300一一对应地连接多个终端设备500。

其中，控制器设备100是工业控制系统的核心，汇聚了各种终端设备的数据，控制器设备100主要功能是对数据进行分析记录以及控制命令下发等操作。以工业控制系统是DCS系统为例，一套DCS系统连接的终端设备的数量可以多达几十万个，在控制器设备100和终端设备500之间是通过网关设备300进行数据通讯，终端设备500种类繁多，通讯协议也不同，与控制器设备100连接需要利用协议转换的网关设备300。

本申请实施例在控制器设备100与网关设备300之间设置光分路模块200，由于控制器设备100通过光分路模块200与多个网关设备300中各个网关设备300连接，控制器设备100与光分路模块200构成的光传输通道可以被多个网关设备共用，减少了控制器设备与多个网关设备之间布设的光纤的用料和成本，进而降低了控制器设备与多个网关设备通信时的使用成本，特别是降低了控制器设备与多个网关设备进行远距离通信时的使用成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种工业控制系统，其特征在于，包括：控制器设备、光分路模块和多个网关设备；

所述控制器设备通过光纤与所述光分路模块连接，所述光分路模块与多个所述网关设备中各个所述网关设备连接。

2.根据权利要求1所述的工业控制系统，其特征在于，工业控制系统还包括光线路终端，所述光分路模块包括无源光分路器；

所述控制器设备与所述光线路终端连接，所述光线路终端通过光纤与所述无源光分路器连接，所述无源光分路器与多个所述网关设备中各个所述网关设备连接。

3.根据权利要求2所述的工业控制系统，其特征在于，所述网关设备包括光纤接口，所述无源光分路器与多个所述网关设备中各个所述网关设备的光纤接口连接。

4.根据权利要求3所述的工业控制系统，其特征在于，所述网关设备包括光电转换芯片，所述光纤接口与光电转换芯片连接。

5.根据权利要求4所述的工业控制系统，其特征在于，所述光电转换芯片为光网络单元ONU芯片。

6.根据权利要求4所述的工业控制系统，其特征在于，所述网关设备还包括接口物理层PHY芯片和处理器，所述光电转换芯片与所述PHY芯片连接，所述PHY芯片与所述处理器连接。

7.根据权利要求6所述的工业控制系统，其特征在于，所述网关设备还包括用于收发目标协议数据的目标收发芯片和目标接口，所述处理器与所述目标收发芯片连接，所述目标收发芯片与所述目标接口连接。

8.根据权利要求7所述的工业控制系统，其特征在于，

所述目标收发芯片为控制器局域网CAN收发芯片，所述目标接口为CAN接口；

或者，所述目标收发芯片为Modbus TCP收发芯片，所述目标接口为Modbus TCP接口。

9.根据权利要求2所述的工业控制系统，其特征在于，所述工业控制系统还包括控制机柜和现场机柜，所述控制器设备和所述光线路终端设置在所述控制机柜中，所述无源光分路器和多个所述网关设备设置在所述现场机柜中。

10.根据权利要求1所述的工业控制系统，其特征在于，所述工业控制系统还包括多个终端设备，多个所述网关设备中各个所述网关设备一一对应地连接多个所述终端设备。