一种有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块制造技术

本实用新型专利技术公开了一种有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块，包括：网络节点模块具有微控制器和直接连接现场传感器和执行器的模拟量输入接口、模拟量输出接口和开关量输入接口、开关量输出接口；模拟量输入接口和微控制器之间具有模数转换单元；模拟量输出接口和微控制器之间具有数模转换单元；开关量输入接口和开关量输出接口与微控制器之间具有隔离单元；同时还具有存储器和供电单元以及将微处理器处理的结果数据送入现场级测控网络的无线通信单元和有线通信单元。本实用新型专利技术的冗余网络节点模块可以直接与仪表或者现场执行器相连接，获取仪表的状态或者控制现场设备,构建现场级的双网络冗余通信的测控系统。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于网络通信，尤其是工业现场测控网络

技术介绍
I)现场总线及其多主通信技术 在工业应用领域，现场总线控制系统FCS已经成熟，逐渐取代原来的集散型控制系统DCS。FCS具有安装简单，数字化程度高，具有故障诊断和按缺省值保护运行等优点。能为用户节约成本，提高自动化水平和系统的智慧水平。现场总线的工作模式分成主从模式和多主模式。主从模式的现场总线网络中只有一个主机，其他均为从机，从机之间不能相互通信，从机只与主机通信。而多主模式下，现场总线中的任一网络节点都可以成为主机与网络中其他节点进行通信。由于现场总线多采用总线型结构，并常用菊花链式连接，所以，如果其中的一个节点从总线链路上脱离，就会产生节点通信故障或者断线故障，造成通信可靠性风险较大的遗憾。所以有的现场总线采用环网结构，一个节点脱线，环网拓扑变成总线拓扑，主机可以继续和非脱线的节点通信，这就是冗余环网技术。但是应用该技术需要环网管理模块，增加了设备成本；并且头尾要相接，增加了安装成本。2)无线通信技术无线通信技术和无线网络技术由于其移动性好、无需布线、功耗低、自适应组网等优点得到工业界的广泛关注，并逐渐走向成熟。从原来较多的无线传感器网络应用，到现在已经开始应用于控制领域。如已经出现了适用于工业无线模块和无线测控网络的改进PID算法。艾默生过程管理自动化部门研制的无线模块已经成功使用在化工、水泥等行业。无线通信网络多采用多跳技术来提高通信的可靠性和环境适应性。很多还采用Mesh网络模式进行多路由可靠通信。目前使用较多的无线通信技术有GPRS通信、WiFi通信和其他如ZigBee等无线局域网通信技术。但总的来说，目前应用在工业的无线通信技术在通信速率、安全性、抗干扰能力等方面与有线通信还是存在一定差距。在大型的尤其是新建的工业网络中，大多还是优先采用有线网络，距离较远时，采用光纤作为通信介质。无线网络则常作为有线通信的一个备用通信网络而存在。在广域网中，有一种有线和无线相互备份的双网冗余方案。主要作用是在一种网络出现故障时，路由器自动切换到另一种网络，从而达到提高通讯的稳定性的作用。如MOXA的F4X33系列产品，其应用体系结构如图I所示F4X33系列产品可支持无线移动网络、普通PPPOE方式或静态IP接入方式的有线网络，并支持自动冗余备份功能。该方案的特点是I)属于广域网应用。2)有路由器进行管理，即具有专门的冗余管理设备。3)运营成本较高。如果采用该方案为工业场站系统构建一个测控平台，则场站中的每个节点都需要一个IP或者一个移动通信的SIM卡，否则就需要将许多个仪表信号连接到一个设备上，再将该设备连入网络。这样的话，从现场仪表点到连入网络的设备间仍需要布线和安装。如此，则支持冗余通信的设备就不是现场级的通信模块。综上所述，现有技术的缺点可概括为I)应用范围多是广域网应用，不适用于现场级的测控网络2)应用在工业现场测控网络中，则运营成本太高3)通信的冗余管理需要有专门的模块，没有和现场的仪表点直接连接4)这种冗余网络还是不能避免测控现场的繁琐的布线安装等问题
技术实现思路
·鉴于现有技术的以上缺点，本技术的目的是，提供一种有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块，用于搭建现场级的低成本冗余测控网络，并使之具有安装方便的优点。本技术的目的是通过如下的手段实现的。一种有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块，包括网络节点模块具有微控制器和直接连接现场传感器和执行器的模拟量输入接口、模拟量输出接口和开关量输入接口、开关量输出接口 ；模拟量输入接口和微控制器之间具有模数转换单元；模拟量输出接口和微控制器之间具有数模转换单元；开关量输入接口和开关量输出接口与微控制器之间具有隔离单元；同时还具有存储器和供电单元以及将微处理器处理的结果数据送入现场级测控网络的无线通信单元和有线通信单元。采用如上的手段，本技术可方便地用于搭建现场级的低成本冗余测控网络并实现测控现场的零成本通信运营，不需要专门的冗余管理模块，现场的每个仪表点上的测控节点自身就具有冗余管理算法，在工业测控系统最底层的现场就实现简单布网，节约安装调试成本。附图说明图I为现有技术广域网中有线和无线相互备份的双网冗余的方案图。图2为多主通信模式的现场级测控网络的示意图。图3a、图3b为多主通信模式的网关模块工作流程图图3a为网关模块总的执行流程图；图3b为网关模块与节点模块进行正常任务通信的工作流程图。图4为多主通信模式的网络节点模块工作流程图。图5为本技术网络节点模块的结构示意图。图6为本技术CAN总线作有线通信方式的网络节点模块实现图。图7为本技术实施例封装后的网络节点模块的对外关系图。具体实施方式以下结合附图和具体实施对本技术作进一步描述。在如图2所示的采用多主通信模式的现场级测控网络中，网关模块通过网络中的节点模块获取监测对象的状态，或者通过网络节点模块控制相应的被控对象。网关采用图3工作流程，网络节点采用图4所描述有线与无线热备通信的方法工作流程，实现现场级零成本多主冗余通信。I)故障检测定位与通信切换方法在有线通信方式下，当某节点模块发送查询/控制指令给另一节点模块而无回复，或者回复内容格式不正确时，重新发送查询/控制指令；当有限次重复发送指令均得不到正确格式的回复或者根本无回复时，该节点模块则分别向目的节点的左邻和右邻模块发送诊断帧，根据对诊断帧的回复情况，对故障进行判断和定位，具体如下A)当目的节点的左邻和右邻模块均无回复时，该节点模块认为是自身掉线或者有故障，点亮自身的故障指示灯，并切换到无线方式与想要通信的目的节点进行通信，完成本次查询/控制任务；同时无线方式与网关通信，告知网关自身有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块 的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。B)当目的节点的左邻和右邻模块均有回复，且回复正确时，认为目的节点模块有故障或者目的节点模块从总线上掉线。发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告目的节点模块有故障，网关就在其内存和外存储器中的该节点地址的映射空间设置“节点故障标志”，记录故障时间，形成该节点模块的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。C)当目的节点的左邻节点正确回复而右邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的左边，断线故障发生在目的节点到其右邻节点之间。则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线故障标志”，记录故障时间，形成该段线路的故障记录，并报送给上级系统或者人机界面。D)当目的节点的右邻节点正确回复而左邻模块无回复或回复不正确时，认为发起通信的节点在目的节点模块的右边，断线故障发生在目的节点到其左邻节点之间。则发起通信的节点模块切换到无线通信方式与目的节点模块通信，完成通信任务。同时发送“报告帧”给网关模块，报告断线故障点位置，网关就在其内存和外存储器中的总线线路编号地址对应的映射空间设置“断线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有线和无线热备冗余通信现场网络节点模块，其特征在于，包括：网络节点模块具有微控制器和直接连接现场传感器和执行器的模拟量输入接口、模拟量输出接口和开关量输入接口、开关量输出接口；模拟量输入接口和微控制器之间具有模数转换单元；模拟量输出接口和微控制器之间具有数模转换单元；开关量输入接口和开关量输出接口与微控制器之间具有隔离单元；同时还具有存储器和供电单元以及将微处理器处理的结果数据送入现场级测控网络的无线通信单元和有线通信单元。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥印，唐磊，唐波，车小伟，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：实用新型
国别省市：