一种有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/O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的低成本现场测控I/O模块，包括模拟量输入接口、开关量I/O接口、A/D转换单元、数字隔离单元、中央处理器、有线通信单元、无线通信单元、D/A转换单元、模拟量输出接口。从机具有I/O接口，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。同时其有线和无线通信单元可以采用上述的算法实现冗余通信，如此则可以构建一个现场级的双网络冗余通信的测控系统。提高了工业现场监测与控制系统的可靠性。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及的是一种有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控i/o模块。
技术介绍
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。但是现场总线多采用总线型结构，如果其中的一个节点脱线，有可能造成总线通 信中断，总线网络中的主机将不能访问中断点之后的节点，造成通信可靠性风险较大的遗憾。所以有的总线采用环网结构，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。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nRF、zigbee等无线局域通信网络。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。而无线网络作为有线通信的一个备用通信网络。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。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，否则就需要将仪表点归总到一个设备上，将该设备连入网络。这样的话，从仪表到连入网络的设备间仍需要布线和安装。则支持冗余通信的设备就不是现场级的通信模块
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/o模块。本技术的技术方案如下一种有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/O模块，包括模拟量输入接口、开关量I/o接口、A/D转换单元、数字隔离单元、中央处理器、有线通信单元、无线通信单元、D/A转换单元、模拟量输出接口，模拟量输入接口用于接收现场模拟量信号设备的模拟量信号、开关量I/O接口用于接收现场开关量信号设备的开关量信号，A/D转换单元用于对现场模拟量信号设备的模拟量信号进行A/D转换后送入中央处理器；数字隔离单元用于对开关量I/O接口用于对现场开关量信号设备的开关量信号进行数字隔离后送入中央处理器进行处理；经中央处理器处理后的结果数据经无线通信单元或有线通信单元送入主机；控制现场的模拟量执行设备的控制指令经D/A转换单元和模拟量输出接口到达模拟量执行设备；控制现场的开关量执行设备的控制指令经数字隔离单元和开关量I/o接口输出到开关量执行设备。所述的有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/O模块，所述无线通信单元为nRF射频,所述有线通信单元为Modbus总线。所述的有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/O模块，所述中央处理器为ARM芯片。本技术的有益效果为从机具有I/O接口，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。同时其有线和无线通信单元可以采用上述的算法实现冗余通信，如此则可以构建一个现场级的双网络冗余通信的测控系统。提高了工业现场监测与控制系统的可靠性。附图说明图I为本技术系统结构示意图；图2为本技术从机结构示意图；图3为本技术主机结构示意图；图4为主机通信流程图；图5为从机通信流程图；图6为以Modbus总线做有线通信方式的I/O模块示意图；图7以Modbus总线做有线通信方式的I/O模块封装后的对外关系图。具体实施方式以下结合具体实施例，对本技术进行详细说明。基于有线和无线热备冗余通信的现场级低成本冗余测控网络(I)应用场合一现场级测控网络在如图I所示的采用主从机通信模式的现场级测控网络中，主机轮询/轮控从机，获取从机和从机监测对象的状态，或者通过从机控制相应的被控对象。(2)从机系统中的从机就是本技术的有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/O模块。参考图2，从机可以采用多种嵌入式平台，如采用ARM、DSP、MSP430或者51单片机等作为中央处理器/控制器，再配以外围I/O及其处理接口和通信接口，就可以组建一个上述的从机。其中的有线通信单元采取某种工业现场总线，如Modbus总线、CAN总线、PROFIBUS总线等。无线通信单元可以采用nRF射频技术、zigbee技术等。从机直接连接现场模拟量信号设备、现场开关量信号设备和模拟量执行设备、开 关量执行设备。现场模拟量信号设备的模拟量信号和现场开关量信号设备的开关量信号通过从机的模拟量输入接口、开关量I/o接口接入从机，再分别经A/D转换单元和数字隔离单元进入从机的中央处理器(或称控制器)进行处理。处理的结果数据经无线、有线冗余通信方式送入主机。从机的处理器或者控制器需要输出模拟量以控制现场的模拟量执行设备时，则控制指令经数模转换单元和模拟量输出接口到达模拟量执行设备，控制模拟量执行设备动作。数模转换单元的任务是将处理器或者控制器输出的数字信号转换成连续的模拟量，如连续的电压信号；而模拟量输出接口是将连续的模拟量调理为现场执行器可以接收的信号，如通过接口将连续的电压信号转换成工业标准4-20mA信号。当从机的处理器或者控制器需要输出开关量以控制现场的开关量执行设备时，则控制指令经数字隔离单元和开关量I/o接口输出到开关量执行设备，控制开关量执行设备动作。整个从机的供电由供电单元提供，需要数据存储的由从机的存储器负责。若以nRF射频做无线通信方式，以Modbus总线做有线通信方式的I/O模块实现如图6所示，整个IO模块采用24VDC供电，24VDC经过稳压调压后变成3. 3VDC给主控的STM32ARM芯片供电，并实现ADC (模数转换)、DAC (数模转换)以及与nRF无线通信模块nRF2401的数据通信。现场的模拟量信号经过I/V(电流/电压)转换后进入ARM芯片的ADC模块，ARM芯片的DAC模块输出的电压信号经过V/I转换后，以标准工业模拟量4 20mA输出到现场的调流阀等模拟量执行器。现场的开关量信号经过光耦隔离后进入主控芯片的GPIO 口，同理，开关量输出也经过继电器隔离输出后控制电磁阀等开关执行器。I/O模块通过RS485接口和Modbus通信管理单元与有线网络Modbus总线进行通信，而nRF射频通信模块通过无线与主机交换数据。要交换的数据通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/O模块，其特征在于，包括模拟量输入接口、开关量I/O接口、A/D转换单元、数字隔离单元、中央处理器、有线通信单元、无线通信单元、D/A转换单元、模拟量输出接口，模拟量输入接口用于接收现场模拟量信号设备的模拟量信号、开关量I/O接口用于接收现场开关量信号设备的开关量信号，A/D转换单元用于对现场模拟量信号设备的模拟量信号进行A/D转换后送入中央处理器；数字隔离单元用于对开关量I/O接口用于对现场开关量信号设备的开关量信号进行数字隔离后送入中央处理器进行处理；经中央处理器处理后的结果数据经无线通信单元或有线通信单元送入主机；控制现场的模拟量执行设备的控制指令经D/A转换单元和模拟量输出接口到达模拟量执行设备；控制现场的开关量执行设备的控制指令经数字隔离单元和开关量I/O接口输出到开关量执行设备。

【技术特征摘要】
1.一种有线和无线热备冗余通信的低成本现场测控I/o模块，其特征在于，包括模拟量输入接口、开关量I/O接口、A/D转换单元、数字隔离单元、中央处理器、有线通信单元、无线通信单元、D/A转换单元、模拟量输出接口，模拟量输入接口用于接收现场模拟量信号设备的模拟量信号、开关量I/O接口用于接收现场开关量信号设备的开关量信号，A/D转换单元用于对现场模拟量信号设备的模拟量信号进行A/D转换后送入中央处理器；数字隔离单元用于对开关量I/O接口用于对现场开关量信号设备的开关量信号进行数字隔离后送入中央处理器进行处理；...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥印，唐磊，孟祥峰，唐波，车小伟，
申请(专利权)人：成都瑞特数字科技有限责任公司，
类型：实用新型
国别省市：