專利名稱：一種有線和無(wú)線熱備冗余多主通信方法與現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)通信，尤其是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
I)現(xiàn)場(chǎng)總線及其多主通信技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS已經(jīng)成熟，逐漸取代原來(lái)的集散型控制系統(tǒng)DCS。FCS具有安裝簡(jiǎn)單，數(shù)字化程度高，具有故障診斷和按缺省值保護(hù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。能為用戶節(jié)約成本，提高自動(dòng)化水平和系統(tǒng)的智慧水平。現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中只有 一個(gè)主機(jī)，其他均為從機(jī)，從機(jī)之間不能相互通信，從機(jī)只與主機(jī)通信。而多主模式下，現(xiàn)場(chǎng)總線中的任一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以成為主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。由于現(xiàn)場(chǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)從總線鏈路上脫離，就會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)通信故障或者斷線故障，造成通信可靠性風(fēng)險(xiǎn)較大的遺憾。所以有的現(xiàn)場(chǎng)總線采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)脫線，環(huán)網(wǎng)拓?fù)渥兂煽偩€拓?fù)?，主機(jī)可以繼續(xù)和非脫線的節(jié)點(diǎn)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(wú)線通信技術(shù)無(wú)線通信技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于其移動(dòng)性好、無(wú)需布線、功耗低、自適應(yīng)組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)得到工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并逐漸走向成熟。從原來(lái)較多的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，到現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)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(wú)線模塊和無(wú)線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)PID算法。艾默生過(guò)程管理自動(dòng)化部門研制的無(wú)線模塊已經(jīng)成功使用在化工、水泥等行業(yè)。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多采用多跳技術(shù)來(lái)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(jìn)行多路由可靠通信。目前使用較多的無(wú)線通信技術(shù)有GPRS通信、WiFi通信和其他如ZigBee等無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)。但總的來(lái)說(shuō)，目前應(yīng)用在工業(yè)的無(wú)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(yuǎn)時(shí)，采用光纖作為通信介質(zhì)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)則常作為有線通信的一個(gè)備用通信網(wǎng)絡(luò)而存在。在廣域網(wǎng)中，有一種有線和無(wú)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(shí)，路由器自動(dòng)切換到另一種網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)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(wú)線移動(dòng)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(dòng)冗余備份功能。該方案的特點(diǎn)是I)屬于廣域網(wǎng)應(yīng)用。2)有路由器進(jìn)行管理，即具有專門的冗余管理設(shè)備。
3)運(yùn)營(yíng)成本較高。如果采用該方案為工業(yè)場(chǎng)站系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)測(cè)控平臺(tái)，則場(chǎng)站中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要一個(gè)IP或者一個(gè)移動(dòng)通信的SIM卡，否則就需要將許多個(gè)儀表信號(hào)連接到一個(gè)設(shè)備上，再將該設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)。這樣的話，從現(xiàn)場(chǎng)儀表點(diǎn)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(chǎng)級(jí)的通信模塊。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)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(chǎng)級(jí)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)2)應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中，則運(yùn)營(yíng)成本太高3)通信的冗余管理需要有專門的模塊，沒(méi)有和現(xiàn)場(chǎng)的儀表點(diǎn)直接連接4)這種冗余網(wǎng)絡(luò)還是不能避免測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的繁瑣的布線安裝等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是，提供一種有線和無(wú)線熱備冗余的多主通信方法，用于搭建現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的低成本冗余測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，并使之具有安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。一種有線和無(wú)線熱備冗余多主通信方法，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的有線和無(wú)線相互備份的雙網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中控制相應(yīng)的被控對(duì)象，獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊的有線通信和無(wú)線通信在工作時(shí)均在線，通常網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進(jìn)行通信；并采用包括以下的步驟相互監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊的工作狀態(tài)I)故障檢測(cè)定位與通信切換方法在有線通信方式下，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送查詢/控制指令給另一節(jié)點(diǎn)模塊而無(wú)回復(fù)，或者回復(fù)內(nèi)容格式不正確時(shí)，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(wú)回復(fù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)模塊則分別向目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊發(fā)送診斷幀，根據(jù)對(duì)診斷幀的回復(fù)情況，對(duì)故障進(jìn)行判斷和定位，具體如下A)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊均無(wú)回復(fù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)模塊認(rèn)為是自身掉線或者有故障，點(diǎn)亮自身的故障指示燈，并切換到無(wú)線方式與想要通信的目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，完成本次查詢/控制任務(wù)；同時(shí)無(wú)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(chǔ)器中的該節(jié)點(diǎn)地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該節(jié)點(diǎn)模塊的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。B)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊均有回復(fù)，且回復(fù)正確時(shí)，認(rèn)為目的節(jié)點(diǎn)模塊有故障或者目的節(jié)點(diǎn)模塊從總線上掉線。發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)。同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告目的節(jié)點(diǎn)模塊有故障，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的該節(jié)點(diǎn)地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該節(jié)點(diǎn)模塊的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。C)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰節(jié)點(diǎn)正確回復(fù)而右鄰模塊無(wú)回復(fù)或回復(fù)不正確時(shí)，認(rèn)為發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)模塊的左邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點(diǎn)到其右鄰節(jié)點(diǎn)之間。則發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)。同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告斷線故障點(diǎn)位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的總線線路編號(hào)地址對(duì)應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該段線路的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。
D)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的右鄰節(jié)點(diǎn)正確回復(fù)而左鄰模塊無(wú)回復(fù)或回復(fù)不正確時(shí)，認(rèn)為發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)模塊的右邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點(diǎn)到其左鄰節(jié)點(diǎn)之間。則發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)。同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告斷線故障點(diǎn)位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的總線線路編號(hào)地址對(duì)應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該區(qū)段線路的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。網(wǎng)關(guān)模塊接收到節(jié)點(diǎn)模塊故障和節(jié)點(diǎn)間線路斷線故障的報(bào)告后，會(huì)向全網(wǎng)通過(guò)無(wú)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(diǎn)，以便網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)調(diào)整與故障點(diǎn)相關(guān)模塊的通信方式。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到該“廣播幀”后，分析故障類型和位置，并采取相應(yīng)的措施保證以后的通信。具體如下A)對(duì)節(jié)點(diǎn)掉線或節(jié)點(diǎn)自身有線通信有故障的，在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器的相應(yīng)故障節(jié) 點(diǎn)對(duì)應(yīng)地址空間添加“節(jié)點(diǎn)故障記錄”，其后與該故障節(jié)點(diǎn)的通信均以無(wú)線方式進(jìn)行。B)對(duì)節(jié)點(diǎn)間線路區(qū)段出現(xiàn)斷線故障的，在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器的相應(yīng)線路故障區(qū)段對(duì)應(yīng)地址空間添加“斷線故障記錄”，如果自身在故障點(diǎn)的左邊，則其后與該故障點(diǎn)右邊的節(jié)點(diǎn)均以無(wú)線方式進(jìn)行通信；如果自身在故障點(diǎn)的右邊，則其后與該故障點(diǎn)左邊的節(jié)點(diǎn)均以無(wú)線方式進(jìn)行通信。2)恢復(fù)有線通信的方法A)節(jié)點(diǎn)故障排除后恢復(fù)有線通信的方法具有有線通信故障的節(jié)點(diǎn)模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)自己的“故障排除標(biāo)志位”，當(dāng)監(jiān)測(cè)到故障已經(jīng)排除時(shí)，則切換到有線通信方式，并發(fā)出可以重新進(jìn)行有線通信的“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)收到該報(bào)告后，在內(nèi)存和存儲(chǔ)器中的從機(jī)地址映射空間添加“節(jié)點(diǎn)故障排除記錄”，并發(fā)送“廣播幀”到全部的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其后該節(jié)點(diǎn)模塊就恢復(fù)到有線通信模式。B)斷線故障排除后恢復(fù)有線通信的方法當(dāng)線路區(qū)段斷線故障排除后，與該區(qū)段相接的左右兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的對(duì)應(yīng)“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送相應(yīng)的“斷線故障排除信號(hào)”。網(wǎng)關(guān)模塊收到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的斷線故障排除信號(hào)后，將自己內(nèi)存和存儲(chǔ)器中的相應(yīng)區(qū)段映射地址處的“斷線故障排除標(biāo)志位”置位，同時(shí)網(wǎng)關(guān)發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到有線通信狀態(tài)。本發(fā)明的目的還在于，為上述有線和無(wú)線熱備冗余的多主通信方法提供予以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊。采用如上的手段，本發(fā)明可方便地用于搭建現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的低成本冗余測(cè)控網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的零成本通信運(yùn)營(yíng)，不需要專門的冗余管理模塊，現(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)儀表點(diǎn)上的測(cè)控節(jié)點(diǎn)自身就具有冗余管理算法，在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)最底層的現(xiàn)場(chǎng)就實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單布網(wǎng)，節(jié)約安裝調(diào)試成本。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)廣域網(wǎng)中有線和無(wú)線相互備份的雙網(wǎng)冗余的方案圖。圖2為本發(fā)明多主通信模式的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的示意圖。圖3為本發(fā)明多主通信模式的網(wǎng)關(guān)工作流程圖圖3a為網(wǎng)關(guān)模塊總的執(zhí)行流程；3b網(wǎng)關(guān)模塊與節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行正常任務(wù)通信的執(zhí)行流程圖。圖4為本發(fā)明多主通信模式的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作流程圖。圖5為本發(fā)明網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明CAN總線作有線通信方式的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例封裝后的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊的對(duì)外關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。在如圖2所示的采用多主通信模式的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)模塊獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊控制相應(yīng)的被控對(duì)象。網(wǎng)關(guān)采用圖3的流程圖，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用圖4所描述有線與無(wú)線熱備通信的方法工作流程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)零成本多主冗余通信。I)故障檢測(cè)定位與通信切換方法在有線通信方式下，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送查詢/控制指令給另一節(jié)點(diǎn)模塊而無(wú)回復(fù)，或者回復(fù)內(nèi)容格式不正確時(shí)，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(wú)回復(fù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)模塊則分別向目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊發(fā)送診斷幀，根據(jù)對(duì)診斷幀的回復(fù)情況，對(duì)故障進(jìn)行判斷和定位，具體如下A)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊均無(wú)回復(fù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)模塊認(rèn)為是自身掉線或者有故障，點(diǎn)亮自身的故障指示燈，并切換到無(wú)線方式與想要通信的目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，完成本次查詢/控制任務(wù)；同時(shí)無(wú)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(chǔ)器中的該節(jié)點(diǎn)地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該節(jié)點(diǎn)模塊的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。B)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊均有回復(fù)，且回復(fù)正確時(shí)，認(rèn)為目的節(jié)點(diǎn)模塊有故障或者目的節(jié)點(diǎn)模塊從總線上掉線。發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)。同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告目的節(jié)點(diǎn)模塊有故障，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的該節(jié)點(diǎn)地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該節(jié)點(diǎn)模塊的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。C)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰節(jié)點(diǎn)正確回復(fù)而右鄰模塊無(wú)回復(fù)或回復(fù)不正確時(shí)，認(rèn)為發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)模塊的左邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點(diǎn)到其右鄰節(jié)點(diǎn)之間。則發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)。同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告斷線故障點(diǎn)位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的總線線路編號(hào)地址對(duì)應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該段線路的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。D)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的右鄰節(jié)點(diǎn)正確回復(fù)而左鄰模塊無(wú)回復(fù)或回復(fù)不正確時(shí)，認(rèn)為發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)模塊的右邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點(diǎn)到其左鄰節(jié)點(diǎn)之間。則發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)。同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告斷線故障點(diǎn)位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的總線線路編號(hào)地址對(duì)應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該區(qū)段線路的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面。
網(wǎng)關(guān)模塊接收到節(jié)點(diǎn)模塊故障和節(jié)點(diǎn)間線路斷線故障的報(bào)告后，會(huì)向全網(wǎng)通過(guò)無(wú)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(diǎn)，以便網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)調(diào)整與故障點(diǎn)相關(guān)模塊的通信方式。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到該“廣播幀”后，分析故障類型和位置，并采取相應(yīng)的措施保證以后的通信。具體如下A)對(duì)節(jié)點(diǎn)掉線或節(jié)點(diǎn)自身有線通信有故障的，在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器的相應(yīng)故障節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)地址空間添加“節(jié)點(diǎn)故障記錄”，其后與該故障節(jié)點(diǎn)的通信均以無(wú)線方式進(jìn)行。B)對(duì)節(jié)點(diǎn)間線路區(qū)段出現(xiàn)斷線故障的，在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器的相應(yīng)線路故障區(qū)段對(duì)應(yīng)地址空間添加“斷線故障記錄”，如果自身在故障點(diǎn)的左邊，則其后與該故障點(diǎn)右邊的節(jié)點(diǎn)均以無(wú)線方式進(jìn)行通信；如果自身在故障點(diǎn)的右邊，則其后與該故障點(diǎn)左邊的節(jié)點(diǎn)均以無(wú)線方式進(jìn)行通信。 2)恢復(fù)有線通信的方法A)節(jié)點(diǎn)故障排除后恢復(fù)有線通信的方法具有有線通信故障的節(jié)點(diǎn)模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)自己的“故障排除標(biāo)志位”，當(dāng)監(jiān)測(cè)到故障已經(jīng)排除時(shí)，則切換到有線通信方式，并發(fā)出可以重新進(jìn)行有線通信的“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)收到該報(bào)告后，在內(nèi)存和存儲(chǔ)器中的從機(jī)地址映射空間添加“節(jié)點(diǎn)故障排除記錄”，并發(fā)送“廣播幀”到全部的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其后該節(jié)點(diǎn)模塊就恢復(fù)到有線通信模式。B)斷線故障排除后恢復(fù)有線通信的方法當(dāng)線路區(qū)段斷線故障排除后，與該區(qū)段相接的左右兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的對(duì)應(yīng)“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送相應(yīng)的“斷線故障排除信號(hào)”。網(wǎng)關(guān)模塊收到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的斷線故障排除信號(hào)后，將自己內(nèi)存和存儲(chǔ)器中的相應(yīng)區(qū)段映射地址處的“斷線故障排除標(biāo)志位”置位，同時(shí)網(wǎng)關(guān)發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到有線通信狀態(tài)。3)網(wǎng)關(guān)模塊系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)模塊就是一個(gè)能和人機(jī)交互界面通信的特殊節(jié)點(diǎn)模塊。網(wǎng)關(guān)模塊的實(shí)現(xiàn)可以采用多種嵌入式平臺(tái)，如采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機(jī)等作微控制器，再配以外圍通信管理單元和通信接口?；蛘呔W(wǎng)關(guān)就是一個(gè)工控PC機(jī)，配以相應(yīng)的通信板卡。一般網(wǎng)關(guān)模塊較現(xiàn)場(chǎng)其他節(jié)點(diǎn)模塊有更高的運(yùn)算速度和更強(qiáng)的通信管理能力，擔(dān)負(fù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)和人機(jī)界面的數(shù)據(jù)交互功能。其中的有線通信單元采取某種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，如CAN總線、PR0FIBUS總線等。其中的無(wú)線通信單元可以采用ZigBee技術(shù)、nRF無(wú)線通信技術(shù)等。網(wǎng)關(guān)模塊的通信單元與其他節(jié)點(diǎn)匹配一致。網(wǎng)關(guān)模塊和人機(jī)界面(HMI)設(shè)備的通信可以有多種方法，如采用有線的RS232、RS485，或者某種現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)等，也可以采用無(wú)線通信技術(shù)，如GPRS、WiFi等。整個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)可以用圖5示意網(wǎng)關(guān)是連接上位機(jī)HMI設(shè)備和從機(jī)的中間設(shè)備。其結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程舉例如下。假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的多主通信方式為CAN總線(有線方式)和ZigBee (無(wú)線方式)熱備冗余，網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)HMI設(shè)備的通信方式是RS485ModbuS。則圖中網(wǎng)關(guān)的有線總線通信接口和管理單元分別為CAN總線的收發(fā)器和控制器。而無(wú)線的接口和管理單元就是ZigBee的收發(fā)天線和通信管理控制器。與上位機(jī)HMI的通信接口就是RS485通信接口電路。
其工作過(guò)程為一般情況下現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊之間、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間均通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，例如網(wǎng)關(guān)通過(guò)CAN收發(fā)器接受和發(fā)送數(shù)據(jù)，其收發(fā)的細(xì)節(jié)過(guò)程由其控制器控制，如通信檢錯(cuò)等。當(dāng)網(wǎng)關(guān)模塊根據(jù)前述“通信故障檢測(cè)和定位方法”獲知現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中的某節(jié)點(diǎn)或線路中的某區(qū)段具有通信故障時(shí)，將該故障記錄到內(nèi)存和存儲(chǔ)器中，形成“通信故障記錄”；并利用“通信的冗余切換方法”系統(tǒng)切換到無(wú)線模式進(jìn)行通信；故障記錄也將上報(bào)給上位機(jī)系統(tǒng)或者人機(jī)交互界面。當(dāng)根據(jù)前述的“故障排除后通信恢復(fù)方法”獲知故障已經(jīng)排除時(shí)，網(wǎng)關(guān)模塊將該故障記錄到 內(nèi)存和存儲(chǔ)器中，形成“通信故障排除記錄”；系統(tǒng)恢復(fù)到有線通信狀態(tài)；并通知給上位機(jī)系統(tǒng)或者人機(jī)交互界面。網(wǎng)關(guān)模塊的供電由供電單元解決。需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，由存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)。一種網(wǎng)關(guān)模塊的實(shí)現(xiàn)如圖6，具體描述如下整個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊采用24VDC供電，原因是，現(xiàn)場(chǎng)的儀表或者執(zhí)行器一般采用24VDC供電方式，如壓力、溫度變送器和電磁閥等。同時(shí)，采用外供電與電池供電相備份的模式，當(dāng)外供電掉線或其他情況不能供電時(shí)，啟用電池組供電。24VDC經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓調(diào)壓后變成3. 3VDC給主控的STM32ARM芯片供電，并實(shí)現(xiàn)RS485通信和與CC2530 (ZigBee通信模塊)的串行通信(USART)。網(wǎng)關(guān)模塊通過(guò)CAN接口和收發(fā)器與有線的CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，而ZigBee無(wú)線模塊通過(guò)天線和通信管理控制器與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，并通過(guò)USART接口與主控ARM芯片進(jìn)行串行通信。網(wǎng)關(guān)模塊利用另一個(gè)USART接口，通過(guò)MAX485轉(zhuǎn)換成RS485接口與人機(jī)交互的HMI設(shè)備通信。封裝后的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊的對(duì)外關(guān)系如圖7所示。本發(fā)明技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果可概括如下I)與現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊一起可以構(gòu)建一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的雙網(wǎng)絡(luò)冗余多主通信的測(cè)控系統(tǒng)。提高了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制的可靠性。2)現(xiàn)場(chǎng)有線無(wú)線雙網(wǎng)絡(luò)冗余通信零成本運(yùn)營(yíng)。3)不需要額外的冗余通信管理設(shè)備，節(jié)約成本，簡(jiǎn)化冗余通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4)有線通信采用可靠工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，一般總線型結(jié)構(gòu)，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)只有一條物理連接線纜。系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、快捷，安裝成本低、周期短。本發(fā)明的基本方案在實(shí)際實(shí)施中還可做出多種變化和等同的選擇，故障檢測(cè)的方法、冗余通信切換方法和故障恢復(fù)方法的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)有所不同。這些與常規(guī)技術(shù)構(gòu)成的可選擇的組配，都是本發(fā)明基本方案在實(shí)施中的具體體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種有線和無(wú)線熱備冗余多主通信方法，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的有線和無(wú)線相互備份的雙網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中控制相應(yīng)的被控對(duì)象，獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊的有線通信和無(wú)線通信在工作時(shí)均在線，網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進(jìn)行通信；并采用包括以下的步驟相互監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊的工作狀態(tài) I)故障檢測(cè)定位與通信切換方法 在有線通信方式下，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送查詢/控制指令給另ー節(jié)點(diǎn)模塊而無(wú)回復(fù)，或者回復(fù)內(nèi)容格式不正確時(shí)，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(wú)回復(fù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)模塊則分別向目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊發(fā)送診斷幀，根據(jù)對(duì)診斷幀的回復(fù)情況，對(duì)故障進(jìn)行判斷和定位，具體如下 A)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊均無(wú)回復(fù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)模塊認(rèn)為是自身掉線或者有故障，點(diǎn)亮自身的故障指示燈，并切換到無(wú)線方式與想要通信的目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，完成本次 查詢/控制任務(wù)；同時(shí)無(wú)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(chǔ)器中的該節(jié)點(diǎn)地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該節(jié)點(diǎn)模塊的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面； B)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰和右鄰模塊均有回復(fù)，且回復(fù)正確時(shí)，認(rèn)為目的節(jié)點(diǎn)模塊有故障或者目的節(jié)點(diǎn)模塊從總線上掉線。發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)；同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告目的節(jié)點(diǎn)模塊有故障，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的該節(jié)點(diǎn)地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該節(jié)點(diǎn)模塊的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面； C)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的左鄰節(jié)點(diǎn)正確回復(fù)而右鄰模塊無(wú)回復(fù)或回復(fù)不正確時(shí)，認(rèn)為發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)模塊的左邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點(diǎn)到其右鄰節(jié)點(diǎn)之間；則發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)；同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告斷線故障點(diǎn)位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的總線線路編號(hào)地址對(duì)應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該段線路的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面； D)當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的右鄰節(jié)點(diǎn)正確回復(fù)而左鄰模塊無(wú)回復(fù)或回復(fù)不正確時(shí)，認(rèn)為發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)模塊的右邊，斷線故障發(fā)生在目的節(jié)點(diǎn)到其左鄰節(jié)點(diǎn)之間；則發(fā)起通信的節(jié)點(diǎn)模塊切換到無(wú)線通信方式與目的節(jié)點(diǎn)模塊通信，完成通信任務(wù)；同時(shí)發(fā)送“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，報(bào)告斷線故障點(diǎn)位置，網(wǎng)關(guān)就在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的總線線路編號(hào)地址對(duì)應(yīng)的映射空間設(shè)置“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成該區(qū)段線路的故障記錄，并報(bào)送給上級(jí)系統(tǒng)或者人機(jī)界面； 網(wǎng)關(guān)模塊接收到節(jié)點(diǎn)模塊故障和節(jié)點(diǎn)間線路斷線故障的報(bào)告后，向全網(wǎng)通過(guò)無(wú)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(diǎn)，以便網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)調(diào)整與故障點(diǎn)相關(guān)模塊的通信方式； 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到該“廣播幀”后，分析故障類型和位置，并采取相應(yīng)的措施保證以后的通信；具體如下 A)對(duì)節(jié)點(diǎn)掉線或節(jié)點(diǎn)自身有線通信有故障的，在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器的相應(yīng)故障節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)地址空間添加“節(jié)點(diǎn)故障記錄”，其后與該故障節(jié)點(diǎn)的通信均以無(wú)線方式進(jìn)行； B)對(duì)節(jié)點(diǎn)間線路區(qū)段出現(xiàn)斷線故障的，在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器的相應(yīng)線路故障區(qū)段對(duì)應(yīng)地址空間添加“斷線故障記錄”，如果自身在故障點(diǎn)的左邊，則其后與該故障點(diǎn)右邊的節(jié)點(diǎn)均以無(wú)線方式進(jìn)行通信；如果自身在故障點(diǎn)的右邊，則其后與該故障點(diǎn)左邊的節(jié)點(diǎn)均以無(wú)線方式進(jìn)行通信； .2)恢復(fù)有線通信的方法 A)節(jié)點(diǎn)故障排除后恢復(fù)有線通信的方法 具有有線通信故障的節(jié)點(diǎn)模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)自己的“故障排除標(biāo)志位”，當(dāng)監(jiān)測(cè)到故障已經(jīng)排除吋，則切換到有線通信方式，并發(fā)出可以重新進(jìn)行有線通信的“報(bào)告幀”給網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)收到該報(bào)告后，在內(nèi)存和存儲(chǔ)器中的從機(jī)地址映射空間添加“節(jié)點(diǎn)故障排除記錄”，并發(fā)送“廣播幀”到全部的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；其后該節(jié)點(diǎn)模塊就恢復(fù)到有線通信模式； B)斷線故障排除后恢復(fù)有線通信的方法 當(dāng)線路區(qū)段斷線故障排除后，與該區(qū)段相接的左右兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的對(duì)應(yīng)“斷線故障排除按鈕”被手工按下，兩節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送相應(yīng)的“斷線故障排除信號(hào)”。網(wǎng)關(guān)模塊收到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的斷線故障排除信號(hào)后，將自己內(nèi)存和存儲(chǔ)器中的相應(yīng)區(qū)段映射地址處的“斷線故障排除標(biāo)志位”置位，同時(shí)網(wǎng)關(guān)發(fā)送“廣播幀”通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到有線通信狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種有線和無(wú)線熱備冗余多主通信方法，其特征在于，所述網(wǎng)關(guān)模塊在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障標(biāo)志”和“斷線故障標(biāo)志”，記錄故障時(shí)間，形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和線路區(qū)段的故障記錄，并將故障記錄通知給全部的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及報(bào)送給上位機(jī)系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種有線和無(wú)線熱備冗余多主通信方法，其特征在于，所述主機(jī)在其內(nèi)存和外存儲(chǔ)器中的該從機(jī)地址的映射空間設(shè)置“節(jié)點(diǎn)故障排除標(biāo)志”和“斷線故障排除標(biāo)志”，記錄故障排除時(shí)間。在“節(jié)點(diǎn)故障排除標(biāo)志”和“斷線故障排除標(biāo)志”置位吋，通知全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)恢復(fù)到原來(lái)的有線通信。
4.一種實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求或I或2或3方法的有線和無(wú)線熱備冗余多主通信現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線通信接ロ，而有線總線通信管理単元在有線總線通信接口和微控制器之間；無(wú)線通信管理單元連接在無(wú)線通信接ロ和微控制器之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述之有線和無(wú)線熱備冗余多主通信現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊，其特征在干，所述微控制器可采用ARM、DSP、MSP430或者51單片機(jī)之一；網(wǎng)關(guān)的有線總線通信接口和管理單元可以是CAN總線的收發(fā)器和控制器；無(wú)線的接口和管理単元可以是ZigBee通信天線和通信管理控制器；網(wǎng)關(guān)模塊還具有存儲(chǔ)器和供電單元。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種有線和無(wú)線熱備冗余多主通信方法與現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)模塊，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的有線和無(wú)線相互備份的雙網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中控制相應(yīng)的被控對(duì)象，獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊的有線通信和無(wú)線通信在工作時(shí)均在線，通常網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊都優(yōu)先選擇有線方式進(jìn)行通信；本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)關(guān)模塊在測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)模塊可以獲取現(xiàn)場(chǎng)儀表的狀態(tài)或者控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，同時(shí)其有線和無(wú)線通信單元可以采用合適算法實(shí)現(xiàn)冗余多主通信，以構(gòu)建一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的雙網(wǎng)絡(luò)冗余多主通信的測(cè)控系統(tǒng)。提高了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的可靠性，并具有零成本通信運(yùn)營(yíng)，不需要額外的冗余管理設(shè)備等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L12/66GK102739456SQ20121024338
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者唐波, 唐磊, 孟祥印, 車小偉 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)