一種有線和無線熱備冗余通信現場網絡節點模塊制造技術

本實用新型專利技術公開了一種有線和無線熱備冗余通信現場網絡節點模塊，包括：網絡節點模塊具有微控制器和直接連接現場傳感器和執行器的模擬量輸入接口、模擬量輸出接口和開關量輸入接口、開關量輸出接口；模擬量輸入接口和微控制器之間具有模數轉換單元；模擬量輸出接口和微控制器之間具有數模轉換單元；開關量輸入接口和開關量輸出接口與微控制器之間具有隔離單元；同時還具有存儲器和供電單元以及將微處理器處理的結果數據送入現場級測控網絡的無線通信單元和有線通信單元。本實用新型專利技術的冗余網絡節點模塊可以直接與儀表或者現場執行器相連接，獲取儀表的狀態或者控制現場設備,構建現場級的雙網絡冗余通信的測控系統。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于網絡通信，尤其是工業現場測控網絡

技術介紹
I)現場總線及其多主通信技術 在工業應用領域，現場總線控制系統FCS已經成熟，逐漸取代原來的集散型控制系統DCS。FCS具有安裝簡單，數字化程度高，具有故障診斷和按缺省值保護運行等優點。能為用戶節約成本，提高自動化水平和系統的智慧水平。現場總線的工作模式分成主從模式和多主模式。主從模式的現場總線網絡中只有一個主機，其他均為從機，從機之間不能相互通信，從機只與主機通信。而多主模式下，現場總線中的任一網絡節點都可以成為主機與網絡中其他節點進行通信。由于現場總線多采用總線型結構，并常用菊花鏈式連接，所以，如果其中的一個節點從總線鏈路上脫離，就會產生節點通信故障或者斷線故障，造成通信可靠性風險較大的遺憾。所以有的現場總線采用環網結構，一個節點脫線，環網拓撲變成總線拓撲，主機可以繼續和非脫線的節點通信，這就是冗余環網技術。但是應用該技術需要環網管理模塊，增加了設備成本；并且頭尾要相接，增加了安裝成本。2)無線通信技術無線通信技術和無線網絡技術由于其移動性好、無需布線、功耗低、自適應組網等優點得到工業界的廣泛關注，并逐漸走向成熟。從原來較多的無線傳感器網絡應用，到現在已經開始應用于控制領域。如已經出現了適用于工業無線模塊和無線測控網絡的改進PID算法。艾默生過程管理自動化部門研制的無線模塊已經成功使用在化工、水泥等行業。無線通信網絡多采用多跳技術來提高通信的可靠性和環境適應性。很多還采用Mesh網絡模式進行多路由可靠通信。目前使用較多的無線通信技術有GPRS通信、WiFi通信和其他如ZigBee等無線局域網通信技術。但總的來說，目前應用在工業的無線通信技術在通信速率、安全性、抗干擾能力等方面與有線通信還是存在一定差距。在大型的尤其是新建的工業網絡中，大多還是優先采用有線網絡，距離較遠時，采用光纖作為通信介質。無線網絡則常作為有線通信的一個備用通信網絡而存在。在廣域網中，有一種有線和無線相互備份的雙網冗余方案。主要作用是在一種網絡出現故障時，路由器自動切換到另一種網絡，從而達到提高通訊的穩定性的作用。如MOXA的F4X33系列產品，其應用體系結構如圖I所示F4X33系列產品可支持無線移動網絡、普通PPPOE方式或靜態IP接入方式的有線網絡，并支持自動冗余備份功能。該方案的特點是I)屬于廣域網應用。2)有路由器進行管理，即具有專門的冗余管理設備。3)運營成本較高。如果采用該方案為工業場站系統構建一個測控平臺，則場站中的每個節點都需要一個IP或者一個移動通信的SIM卡，否則就需要將許多個儀表信號連接到一個設備上，再將該設備連入網絡。這樣的話，從現場儀表點到連入網絡的設備間仍需要布線和安裝。如此，則支持冗余通信的設備就不是現場級的通信模塊。綜上所述，現有技術的缺點可概括為I)應用范圍多是廣域網應用，不適用于現場級的測控網絡2)應用在工業現場測控網絡中，則運營成本太高3)通信的冗余管理需要有專門的模塊，沒有和現場的儀表點直接連接4)這種冗余網絡還是不能避免測控現場的繁瑣的布線安裝等問題
技術實現思路
·鑒于現有技術的以上缺點，本技術的目的是，提供一種有線和無線熱備冗余通信現場網絡節點模塊，用于搭建現場級的低成本冗余測控網絡，并使之具有安裝方便的優點。本技術的目的是通過如下的手段實現的。一種有線和無線熱備冗余通信現場網絡節點模塊，包括網絡節點模塊具有微控制器和直接連接現場傳感器和執行器的模擬量輸入接口、模擬量輸出接口和開關量輸入接口、開關量輸出接口 ；模擬量輸入接口和微控制器之間具有模數轉換單元；模擬量輸出接口和微控制器之間具有數模轉換單元；開關量輸入接口和開關量輸出接口與微控制器之間具有隔離單元；同時還具有存儲器和供電單元以及將微處理器處理的結果數據送入現場級測控網絡的無線通信單元和有線通信單元。采用如上的手段，本技術可方便地用于搭建現場級的低成本冗余測控網絡并實現測控現場的零成本通信運營，不需要專門的冗余管理模塊，現場的每個儀表點上的測控節點自身就具有冗余管理算法，在工業測控系統最底層的現場就實現簡單布網，節約安裝調試成本。附圖說明圖I為現有技術廣域網中有線和無線相互備份的雙網冗余的方案圖。圖2為多主通信模式的現場級測控網絡的示意圖。圖3a、圖3b為多主通信模式的網關模塊工作流程圖圖3a為網關模塊總的執行流程圖；圖3b為網關模塊與節點模塊進行正常任務通信的工作流程圖。圖4為多主通信模式的網絡節點模塊工作流程圖。圖5為本技術網絡節點模塊的結構示意圖。圖6為本技術CAN總線作有線通信方式的網絡節點模塊實現圖。圖7為本技術實施例封裝后的網絡節點模塊的對外關系圖。具體實施方式以下結合附圖和具體實施對本技術作進一步描述。在如圖2所示的采用多主通信模式的現場級測控網絡中，網關模塊通過網絡中的節點模塊獲取監測對象的狀態，或者通過網絡節點模塊控制相應的被控對象。網關采用圖3工作流程，網絡節點采用圖4所描述有線與無線熱備通信的方法工作流程，實現現場級零成本多主冗余通信。I)故障檢測定位與通信切換方法在有線通信方式下，當某節點模塊發送查詢/控制指令給另一節點模塊而無回復，或者回復內容格式不正確時，重新發送查詢/控制指令；當有限次重復發送指令均得不到正確格式的回復或者根本無回復時，該節點模塊則分別向目的節點的左鄰和右鄰模塊發送診斷幀，根據對診斷幀的回復情況，對故障進行判斷和定位，具體如下A)當目的節點的左鄰和右鄰模塊均無回復時，該節點模塊認為是自身掉線或者有故障，點亮自身的故障指示燈，并切換到無線方式與想要通信的目的節點進行通信，完成本次查詢/控制任務；同時無線方式與網關通信，告知網關自身有故障，網關就在其內存和外存儲器中的該節點地址的映射空間設置“節點故障標志”，記錄故障時間，形成該節點模塊 的故障記錄，并報送給上級系統或者人機界面。B)當目的節點的左鄰和右鄰模塊均有回復，且回復正確時，認為目的節點模塊有故障或者目的節點模塊從總線上掉線。發起通信的節點模塊切換到無線通信方式與目的節點模塊通信，完成通信任務。同時發送“報告幀”給網關模塊，報告目的節點模塊有故障，網關就在其內存和外存儲器中的該節點地址的映射空間設置“節點故障標志”，記錄故障時間，形成該節點模塊的故障記錄，并報送給上級系統或者人機界面。C)當目的節點的左鄰節點正確回復而右鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發起通信的節點在目的節點模塊的左邊，斷線故障發生在目的節點到其右鄰節點之間。則發起通信的節點模塊切換到無線通信方式與目的節點模塊通信，完成通信任務。同時發送“報告幀”給網關模塊，報告斷線故障點位置，網關就在其內存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線故障標志”，記錄故障時間，形成該段線路的故障記錄，并報送給上級系統或者人機界面。D)當目的節點的右鄰節點正確回復而左鄰模塊無回復或回復不正確時，認為發起通信的節點在目的節點模塊的右邊，斷線故障發生在目的節點到其左鄰節點之間。則發起通信的節點模塊切換到無線通信方式與目的節點模塊通信，完成通信任務。同時發送“報告幀”給網關模塊，報告斷線故障點位置，網關就在其內存和外存儲器中的總線線路編號地址對應的映射空間設置“斷線本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種有線和無線熱備冗余通信現場網絡節點模塊，其特征在于，包括：網絡節點模塊具有微控制器和直接連接現場傳感器和執行器的模擬量輸入接口、模擬量輸出接口和開關量輸入接口、開關量輸出接口；模擬量輸入接口和微控制器之間具有模數轉換單元；模擬量輸出接口和微控制器之間具有數模轉換單元；開關量輸入接口和開關量輸出接口與微控制器之間具有隔離單元；同時還具有存儲器和供電單元以及將微處理器處理的結果數據送入現場級測控網絡的無線通信單元和有線通信單元。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孟祥印，唐磊，唐波，車小偉，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：實用新型
國別省市：