一種有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊制造技術(shù)

本實用新型專利技術(shù)公開了一種有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊具有微控制器和與微控制器相接的有線總線通信接口和無線通信接口，而有線總線通信管理單元在有線總線通信接口和微控制器之間；無線通信管理單元連接在無線通信接口和微控制器之間。本實用新型專利技術(shù)的現(xiàn)場級網(wǎng)關(guān)模塊在測控現(xiàn)場通過節(jié)點模塊可以獲取現(xiàn)場儀表的狀態(tài)或者控制現(xiàn)場設(shè)備，同時其有線和無線通信單元可以采用合適算法實現(xiàn)冗余多主通信，以構(gòu)建現(xiàn)場級的雙網(wǎng)絡(luò)冗余多主通信的測控系統(tǒng)。（*該技術(shù)在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于網(wǎng)絡(luò)通信，尤其是工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)

技術(shù)介紹
I)現(xiàn)場總線及其多主通信技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS已經(jīng)成熟，逐漸取代原來的集散型控制系統(tǒng)DCS。FCS具有安裝簡單，數(shù)字化程度高，具有故障診斷和按缺省值保護運行等優(yōu)點。能為用戶節(jié)約成本，提高自動化水平和系統(tǒng)的智慧水平。 現(xiàn)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(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場總線中的任一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以成為主機與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點進行通信。由于現(xiàn)場總線多采用總線型結(jié)構(gòu)，并常用菊花鏈?zhǔn)竭B接，所以，如果其中的一個節(jié)點從總線鏈路上脫離，就會產(chǎn)生節(jié)點通信故障或者斷線故障，造成通信可靠性風(fēng)險較大的遺憾。所以有的現(xiàn)場總線采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一個節(jié)點脫線，環(huán)網(wǎng)拓撲變成總線拓撲，主機可以繼續(xù)和非脫線的節(jié)點通信，這就是冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)。但是應(yīng)用該技術(shù)需要環(huán)網(wǎng)管理模塊，增加了設(shè)備成本；并且頭尾要相接，增加了安裝成本。2)無線通信技術(shù)無線通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于其移動性好、無需布線、功耗低、自適應(yīng)組網(wǎng)等優(yōu)點得到工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并逐漸走向成熟。從原來較多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，到現(xiàn)在已經(jīng)開始應(yīng)用于控制領(lǐng)域。如已經(jīng)出現(xiàn)了適用于工業(yè)無線模塊和無線測控網(wǎng)絡(luò)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(jīng)成功使用在化工、水泥等行業(yè)。無線通信網(wǎng)絡(luò)多采用多跳技術(shù)來提高通信的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。很多還采用Mesh網(wǎng)絡(luò)模式進行多路由可靠通信。目前使用較多的無線通信技術(shù)有GPRS通信、WiFi通信和其他如ZigBee等無線局域網(wǎng)通信技術(shù)。但總的來說，目前應(yīng)用在工業(yè)的無線通信技術(shù)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(yè)網(wǎng)絡(luò)中，大多還是優(yōu)先采用有線網(wǎng)絡(luò)，距離較遠時，采用光纖作為通信介質(zhì)。無線網(wǎng)絡(luò)則常作為有線通信的一個備用通信網(wǎng)絡(luò)而存在。在廣域網(wǎng)中，有一種有線和無線相互備份的雙網(wǎng)冗余方案。主要作用是在一種網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，路由器自動切換到另一種網(wǎng)絡(luò)，從而達到提高通訊的穩(wěn)定性的作用。如MOXA的F4X33系列產(chǎn)品，其應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)如圖I所示F4X33系列產(chǎn)品可支持無線移動網(wǎng)絡(luò)、普通PPPOE方式或靜態(tài)IP接入方式的有線網(wǎng)絡(luò)，并支持自動冗余備份功能。該方案的特點是I)屬于廣域網(wǎng)應(yīng)用。2)有路由器進行管理，即具有專門的冗余管理設(shè)備。3)運營成本較高。如果采用該方案為工業(yè)場站系統(tǒng)構(gòu)建一個測控平臺，則場站中的每個節(jié)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(shè)備上，再將該設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)。這樣的話，從現(xiàn)場儀表點到連入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備間仍需要布線和安裝。如此，則支持冗余通信的設(shè)備就不是現(xiàn)場級的通信模塊。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的缺點可概括為I)應(yīng)用范圍多是廣域網(wǎng)應(yīng)用，不適用于現(xiàn)場級的測控網(wǎng)絡(luò)2)應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場的儀表點直接連接4)這種冗余網(wǎng)絡(luò)還是不能避免測控現(xiàn)場的繁瑣的布線安裝等問題
技術(shù)實現(xiàn)思路
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點，本技術(shù)的目的是，提供一種有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊，用于搭建現(xiàn)場級的低成本冗余測控網(wǎng)絡(luò)，并使之具有安裝方便的優(yōu)點。本技術(shù)的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。一種有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊，其特征在于，網(wǎng)關(guān)模塊具有微控制器和與微控制器相接的有線總線通信接口和無線通信接口，而有線總線通信管理單元在有線總線通信接口和微控制器之間；無線通信管理單元連接在無線通信接口和微控制器之間。采用如上的手段，本技術(shù)可方便地用于搭建現(xiàn)場級的低成本冗余測控網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)測控現(xiàn)場的零成本通信運營，不需要專門的冗余管理模塊，現(xiàn)場的每個儀表點上的測控節(jié)點自身就具有冗余管理算法，在工業(yè)測控系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場就實現(xiàn)簡單布網(wǎng)，節(jié)約安裝調(diào)試成本。附圖說明圖I為現(xiàn)有技術(shù)廣域網(wǎng)中有線和無線相互備份的雙網(wǎng)冗余的方案圖。圖2為多主通信模式的現(xiàn)場級測控網(wǎng)絡(luò)的示意圖。圖3為多主通信模式的網(wǎng)關(guān)工作流程圖圖3a為網(wǎng)關(guān)模塊總的執(zhí)行流程圖圖；3b網(wǎng)關(guān)模塊與節(jié)點模塊進行正常任務(wù)通信的執(zhí)行流程圖。圖4為多主通信模式的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作流程圖。圖5為本技術(shù)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本技術(shù)CAN總線作有線通信方式的現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊實現(xiàn)圖。圖7為本技術(shù)實施例封裝后的現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊的對外關(guān)系圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖和具體實施對本技術(shù)作進一步描述。在如圖2所示的采用多主通信模式的現(xiàn)場級測控網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)模塊通過網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點模塊獲取監(jiān)測對象的狀態(tài)，或者通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊控制相應(yīng)的被控對象。網(wǎng)關(guān)采用圖3的流程圖，網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(xiàn)現(xiàn)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(dāng)某節(jié)點模塊發(fā)送查詢/控制指令給另一節(jié)點模塊而無回復(fù)，或者回復(fù)內(nèi)容格式不正確時，重新發(fā)送查詢/控制指令；當(dāng)有限次重復(fù)發(fā)送指令均得不到正確格式的回復(fù)或者根本無回復(fù)時，該節(jié)點模塊則分別向目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊發(fā)送診斷幀，根據(jù)對診斷幀的回復(fù)情況，對故障進行判斷和定位，具體如下A)當(dāng)目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均無回復(fù)時，該節(jié)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(jié)點進行通信，完成本次查詢/控制任務(wù)；同時無線方式與網(wǎng)關(guān)通信，告知網(wǎng)關(guān)自身有故障，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點故障標(biāo)志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。B)當(dāng)目的節(jié)點的左鄰和右鄰模塊均有回復(fù)，且回復(fù)正確時，認為目的節(jié)點模塊有 故障或者目的節(jié)點模塊從總線上掉線。發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告目的節(jié)點模塊有故障，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的該節(jié)點地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點故障標(biāo)志”，記錄故障時間，形成該節(jié)點模塊的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。C)當(dāng)目的節(jié)點的左鄰節(jié)點正確回復(fù)而右鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的左邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其右鄰節(jié)點之間。則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)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(tǒng)或者人機界面。D)當(dāng)目的節(jié)點的右鄰節(jié)點正確回復(fù)而左鄰模塊無回復(fù)或回復(fù)不正確時，認為發(fā)起通信的節(jié)點在目的節(jié)點模塊的右邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點到其左鄰節(jié)點之間。則發(fā)起通信的節(jié)點模塊切換到無線通信方式與目的節(jié)點模塊通信，完成通信任務(wù)。同時發(fā)送“報告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報告斷線故障點位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲器中的總線線路編號地址對應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時間，形成該區(qū)段線路的故障記錄，并報送給上級系統(tǒng)或者人機界面。網(wǎng)關(guān)模塊接收到節(jié)點模塊故障和節(jié)點間線路斷線故障的報告后，會向全網(wǎng)通過無線通信方式發(fā)送“廣播幀”，將故障類型和位置告知網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點，以本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊，其特征在于，網(wǎng)關(guān)模塊具有微控制器和與微控制器相接的有線總線通信接口和無線通信接口，而有線總線通信管理單元在有線總線通信接口和微控制器之間；無線通信管理單元連接在無線通信接口和微控制器之間。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種有線和無線熱備冗余多主通信現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)模塊，其特征在于，網(wǎng)關(guān)模塊具有微控制器和與微控制器相接的有線總線通信接口和無線通信接口，而有線總線通信管理單元在有線總線通信接口和微控制器之間；無線通信管理單元連接在無線通信接口和微控制器之間。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之有線和無線...

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