一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/O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的低成本現場測控I/O模塊，包括模擬量輸入接口、開關量I/O接口、A/D轉換單元、數字隔離單元、中央處理器、有線通信單元、無線通信單元、D/A轉換單元、模擬量輸出接口。從機具有I/O接口，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。同時其有線和無線通信單元可以采用上述的算法實現冗余通信，如此則可以構建一個現場級的雙網絡冗余通信的測控系統。提高了工業現場監測與控制系統的可靠性。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及的是一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控i/o模塊。
技術介紹
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。但是現場總線多采用總線型結構，如果其中的一個節點脫線，有可能造成總線通 信中斷，總線網絡中的主機將不能訪問中斷點之后的節點，造成通信可靠性風險較大的遺憾。所以有的總線采用環網結構，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。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nRF、zigbee等無線局域通信網絡。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。而無線網絡作為有線通信的一個備用通信網絡。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。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，否則就需要將儀表點歸總到一個設備上，將該設備連入網絡。這樣的話，從儀表到連入網絡的設備間仍需要布線和安裝。則支持冗余通信的設備就不是現場級的通信模塊
技術實現思路
本技術所要解決的技術問題是針對現有技術的不足提供一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/o模塊。本技術的技術方案如下一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/O模塊，包括模擬量輸入接口、開關量I/o接口、A/D轉換單元、數字隔離單元、中央處理器、有線通信單元、無線通信單元、D/A轉換單元、模擬量輸出接口，模擬量輸入接口用于接收現場模擬量信號設備的模擬量信號、開關量I/O接口用于接收現場開關量信號設備的開關量信號，A/D轉換單元用于對現場模擬量信號設備的模擬量信號進行A/D轉換后送入中央處理器；數字隔離單元用于對開關量I/O接口用于對現場開關量信號設備的開關量信號進行數字隔離后送入中央處理器進行處理；經中央處理器處理后的結果數據經無線通信單元或有線通信單元送入主機；控制現場的模擬量執行設備的控制指令經D/A轉換單元和模擬量輸出接口到達模擬量執行設備；控制現場的開關量執行設備的控制指令經數字隔離單元和開關量I/o接口輸出到開關量執行設備。所述的有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/O模塊，所述無線通信單元為nRF射頻,所述有線通信單元為Modbus總線。所述的有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/O模塊，所述中央處理器為ARM芯片。本技術的有益效果為從機具有I/O接口，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。同時其有線和無線通信單元可以采用上述的算法實現冗余通信，如此則可以構建一個現場級的雙網絡冗余通信的測控系統。提高了工業現場監測與控制系統的可靠性。附圖說明圖I為本技術系統結構示意圖；圖2為本技術從機結構示意圖；圖3為本技術主機結構示意圖；圖4為主機通信流程圖；圖5為從機通信流程圖；圖6為以Modbus總線做有線通信方式的I/O模塊示意圖；圖7以Modbus總線做有線通信方式的I/O模塊封裝后的對外關系圖。具體實施方式以下結合具體實施例，對本技術進行詳細說明。基于有線和無線熱備冗余通信的現場級低成本冗余測控網絡(I)應用場合一現場級測控網絡在如圖I所示的采用主從機通信模式的現場級測控網絡中，主機輪詢/輪控從機，獲取從機和從機監測對象的狀態，或者通過從機控制相應的被控對象。(2)從機系統中的從機就是本技術的有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/O模塊。參考圖2，從機可以采用多種嵌入式平臺，如采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機等作為中央處理器/控制器，再配以外圍I/O及其處理接口和通信接口，就可以組建一個上述的從機。其中的有線通信單元采取某種工業現場總線，如Modbus總線、CAN總線、PROFIBUS總線等。無線通信單元可以采用nRF射頻技術、zigbee技術等。從機直接連接現場模擬量信號設備、現場開關量信號設備和模擬量執行設備、開 關量執行設備。現場模擬量信號設備的模擬量信號和現場開關量信號設備的開關量信號通過從機的模擬量輸入接口、開關量I/o接口接入從機，再分別經A/D轉換單元和數字隔離單元進入從機的中央處理器(或稱控制器)進行處理。處理的結果數據經無線、有線冗余通信方式送入主機。從機的處理器或者控制器需要輸出模擬量以控制現場的模擬量執行設備時，則控制指令經數模轉換單元和模擬量輸出接口到達模擬量執行設備，控制模擬量執行設備動作。數模轉換單元的任務是將處理器或者控制器輸出的數字信號轉換成連續的模擬量，如連續的電壓信號；而模擬量輸出接口是將連續的模擬量調理為現場執行器可以接收的信號，如通過接口將連續的電壓信號轉換成工業標準4-20mA信號。當從機的處理器或者控制器需要輸出開關量以控制現場的開關量執行設備時，則控制指令經數字隔離單元和開關量I/o接口輸出到開關量執行設備，控制開關量執行設備動作。整個從機的供電由供電單元提供，需要數據存儲的由從機的存儲器負責。若以nRF射頻做無線通信方式，以Modbus總線做有線通信方式的I/O模塊實現如圖6所示，整個IO模塊采用24VDC供電，24VDC經過穩壓調壓后變成3. 3VDC給主控的STM32ARM芯片供電，并實現ADC (模數轉換)、DAC (數模轉換)以及與nRF無線通信模塊nRF2401的數據通信。現場的模擬量信號經過I/V(電流/電壓)轉換后進入ARM芯片的ADC模塊，ARM芯片的DAC模塊輸出的電壓信號經過V/I轉換后，以標準工業模擬量4 20mA輸出到現場的調流閥等模擬量執行器。現場的開關量信號經過光耦隔離后進入主控芯片的GPIO 口，同理，開關量輸出也經過繼電器隔離輸出后控制電磁閥等開關執行器。I/O模塊通過RS485接口和Modbus通信管理單元與有線網絡Modbus總線進行通信，而nRF射頻通信模塊通過無線與主機交換數據。要交換的數據通本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/O模塊，其特征在于，包括模擬量輸入接口、開關量I/O接口、A/D轉換單元、數字隔離單元、中央處理器、有線通信單元、無線通信單元、D/A轉換單元、模擬量輸出接口，模擬量輸入接口用于接收現場模擬量信號設備的模擬量信號、開關量I/O接口用于接收現場開關量信號設備的開關量信號，A/D轉換單元用于對現場模擬量信號設備的模擬量信號進行A/D轉換后送入中央處理器；數字隔離單元用于對開關量I/O接口用于對現場開關量信號設備的開關量信號進行數字隔離后送入中央處理器進行處理；經中央處理器處理后的結果數據經無線通信單元或有線通信單元送入主機；控制現場的模擬量執行設備的控制指令經D/A轉換單元和模擬量輸出接口到達模擬量執行設備；控制現場的開關量執行設備的控制指令經數字隔離單元和開關量I/O接口輸出到開關量執行設備。

【技術特征摘要】
1.一種有線和無線熱備冗余通信的低成本現場測控I/o模塊，其特征在于，包括模擬量輸入接口、開關量I/O接口、A/D轉換單元、數字隔離單元、中央處理器、有線通信單元、無線通信單元、D/A轉換單元、模擬量輸出接口，模擬量輸入接口用于接收現場模擬量信號設備的模擬量信號、開關量I/O接口用于接收現場開關量信號設備的開關量信號，A/D轉換單元用于對現場模擬量信號設備的模擬量信號進行A/D轉換后送入中央處理器；數字隔離單元用于對開關量I/O接口用于對現場開關量信號設備的開關量信號進行數字隔離后送入中央處理器進行處理；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孟祥印，唐磊，孟祥峰，唐波，車小偉，
申請(專利權)人：成都瑞特數字科技有限責任公司，
類型：實用新型
國別省市：