CN107317735A - 控制站用网络拓扑装置、方法和仪控*** - Google Patents

控制站用网络拓扑装置、方法和仪控*** Download PDF

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Abstract

本发明属于自动化控制的技术领域，要解决的技术问题是提供一种通信速率快、可靠性高的控制站用网络拓扑装置、方法和仪控***；所述装置包括：设置在机箱之间的以太网，用于传送主控机箱通信节点和其他机箱通信节点之间的请求信号和应答信号；以及设置在机箱内部的总线，用于传送主控机箱通信节点或者其他机箱通信节点与对应输入/输出卡件之间的通信数据；因此，能够结合以太网技术通信速度较快，现场总线具有布线简单，扩展灵活的特点，充分发挥二者的优点。

Description

控制站用网络拓扑装置、方法和仪控***
技术领域
本发明涉及自动化控制的技术领域，尤其涉及一种工业自动化控制中网络拓扑的技术领域，更具体地，涉及一种控制站用网络拓扑装置、方法和仪控***。
背景技术
网络拓扑结构是DCS(英文全称Distributed Control System，分布式控制***)***的核心设计项之一，它决定着DCS***的规模、整体性能、可靠性等关键指标，而控制站的网络拓扑结构是整体DCS***结构的重要组成部分。现有的技术中，常见的网络结构有三种：环型、星型、总线型，也有这几种拓扑结构的组合。网络拓扑结构与所采用的现场总线是紧密结合的，传统的现场总线有Profibus，CAN，RS485，FF，LonWork等，网络结构多为总线型，随着以太网技术的发展，越来越多的产品开始使用基于以太网技术的工业以太网总线，如Profinet，EtherCAT，PowerLink等，网络结构多为星型。
另一种现有技术，如专利申请号为CN03133876.3的中国专利中记载：一种用于工业现场控制的无线局域网现场总线网络控制站包括：控制主站、输入/输出模块，其控制主站运行无线局域网现场总线协议栈，通过输入/输出模块控制器完成分布式输入/输出控制，还通过无线局域网传输模块收发数据至以太网；输入/输出模块完成现场信号的采集和转换；它是基于无线以太网的智能化控制设备，把DCS集中与分散相结合的集散***结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底分散到现场，依靠网络控制站本身便可以实现控制功能，尤其适合改造传统工业控制***，使老企业自动化***直接进入现场总线时代。
发明人在实现本发明的过程中发现：传统现场总线具有布线简单，扩展灵活的特点，但通信速率相对较慢，而以太网技术通信速度较快，适应了现代化快速的要求，缺点是点对点通信布线复杂，通信时间具有不确定性；虽然工业以太网和无线以太网优化了布线复杂、通信时间不确定等缺点，但往往都需要专用的芯片来实现，开发时间长，成本较高。
发明内容
为了解决现有技术中传统现场总线通信速率较慢、以太网布线复杂、工业以太网开发周期长等技术问题，本发明提供一种通信速率快、可靠性高的控制站用网络拓扑装置、方法和仪控***。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括：
一方面，本发明提供一种控制站用网络拓扑装置，其特征在于，所述装置包括：
设置在机箱之间的以太网，用于传送主控机箱通信节点和其他机箱通信节点之间的请求信号和应答信号；以及
设置在机箱内部的总线，用于传送主控机箱通信节点或者其他机箱通信节点与对应输入/输出卡件之间的通信数据。
本发明实施例优选地，所述主控机箱内通信节点和其他通信机箱内通信节点依次通过以太网为串联的方式连接。
本发明实施例优选地，同一时刻，所述主控机箱通信节点只与其他机箱中一个机箱通信节点通信。
本发明实施例优选地，所述机箱之间的以太网设置有两条冗余的以太网链路。
本发明实施例优选地，每个所述机箱内部的总线设置有两条冗余的CAN网链路。
另一方面，本发明还提供一种仪控***，其特征在于，所述***包括：
主控机箱，其内设置有主控制单元、与主控制单元连接的通信单元和输入/输出卡件；
其他机箱，其内也设置有通信单元和输入/输出卡件；以及
如上述任意一种的控制站用网络拓扑装置；并且所述主控机箱和其他机箱，通过所述网络拓扑装置形成机箱之间通过以太网连接，机箱内部通过总线连接。
本发明实施例优选地，所述主控制单元设置有主控制器和备用控制器，所述主控制机箱内的通信单元设置有分别与主控制器、备用控制器通过以太网连接的主通信节点和备用通信节点；所述主控制机箱内主通信节点和备用通信节点分别通过总线与对应的输入/输出卡件连接。
本发明实施例优选地，所述其他机箱内的通信单元也分别设置有主通信节点和备用通信节点，并且主控机箱主通信节点和其他通信机箱内主通信节点依次通过以太网为串联的方式连接，所述主控机箱备用通信节点和其他通信机箱内备用通信节点依次通过以太网为串联的方式连接；所述其他机箱内主通信节点和备用通信节点分别通过总线与对应的输入/输出卡件连接。
第三方面，本发明还提供一种控制站用网络拓扑方法，其特征在于，所述方法包括：
A、主控机箱内的主控制单元通过以太网与主控机箱内的通信单元传输请求信号；
B、其他机箱内的通信单元通过以太网接收来自主控机箱内的通信单元传输请求信号；
C、机箱内的通信单元通过总线将所述请求信号传输至所述其他机箱内的输入/输出卡件。
本发明实施例优选地，所述步骤A包括：所述主控制单元与主控机箱内的通信单元的以太网通信流程为一问一答的形式，在一个通信周期内，主控制单元先向主控机箱内的通信单元请求数据；以及主控机箱内的通信单元应答；所述步骤B包括：所述主控制单元向其他机箱内的通信单元请求数据，相应的通信单元本发明实施例优选地，所述方法还包括：所述机箱之间的以太网设置有两条冗余的以太网链路，每个所述机箱内部的总线设置有两条冗余的CAN网链路；如果其中一条链路或通信单元发生故障，则自动切换到另一条链路。
采用本发明实施例提供的上述技术方案，可以获得以下有益效果中的至少一种：
1、提供了一种网络拓扑装置、方法和仪控***中，将数量较多的输入/输出卡件分成多个组，即机箱，每个机箱内部有独立的现场总线，因每条现场总线上输入/输出数量有限，所以即使通信速率较低也能满足要求，而总线结构布线非常简单；另一方面，机箱扩展通信因包含所有输入/输出卡件，需要的速率较高，现场总线已不能满足要求；采用网络拓扑的方式采用普通以太网与总线相结合的二层网络结构，能够结合以太网技术通信速度较快，现场总线具有布线简单，扩展灵活的特点，充分发挥二者的优点。
2、以太网通信节点串联连接；不需要每个节点与主控单独布线，机箱扩展时直接再串通信节点即可。
3、所有通信链路和节点采用冗余设计，实现了整条链路的冗余，满足控制***的冗余要求。
发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种网络拓扑装置的结构框图；
图2为本发明实施例一提供的一种网络拓扑控制***的结构框图；
图3为本发明实施例一提供的一种网络拓扑方法的流程图；
图4为本发明实施例二提供的一种网络拓扑控制***的结构框图；
图5为本发明实施例二提供的一种网络拓扑方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释；并且只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组控制器可执行指令的控制***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述：
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种控制站用网络拓扑装置100，该装置包括：
第一类型网络通信链路110，优选地，第一类型的网络通信链路为设置在机箱之间的以太网，用于传送主控机箱通信节点和其他机箱通信节点之间的请求信号和应答信号；以及
第二类型网络通信链路120，优选地，第二类型的网络通信链路为设置在机箱内部的总线(即现场总线)，用于传送主控机箱通信节点或者其他机箱通信节点与对应输入/输出卡件之间的通信数据；其中，本实施例提及的输入/输出卡件可以但不限于模拟量输入端口、数字量输入端口、模拟量输出端口、数字量输出端口，用于周期采集和周期输出的输入/输出数据、诊断信息等。
本实施例中提及的以太网包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，它们都符合IEEE802.3；IEEE802.3规定的包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容；以太网是当前应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准；历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后，千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。常见的802.3应用为：
10M:10base-T(铜线UTP模式)；
100M:100base-TX(铜线UTP模式)；
100base-FX(光纤线)；
1000M:1000base-T(铜线UTP模式)。
本实施例中提及的现场总线(Field Bus)是近年来词发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制***之间的信息传递问题；本实施例优选地，每个机箱(包括下文中的主控机箱和其他机箱)内部的现场总线设置为CAN(控制器局域网络，Controller AreaNetwork的简称；它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络)网链路。
上述网络拓扑装置中，将数量较多的输入/输出卡件分成多个组，即机箱，每个机箱内部有独立的现场总线，因每条现场总线上输入/输出数量有限，所以即使通信速率较低也能满足要求，而总线结构布线非常简单；另一方面，机箱扩展通信因包含所有输入/输出卡件，需要的速率较高，现场总线已不能满足要求；采用网络拓扑的方式采用普通以太网与总线相结合的二层网络结构，能够结合以太网技术通信速度较快，现场总线具有布线简单，扩展灵活的特点，充分发挥二者的优点。
优选地，本实施例提供的控制站用网络拓扑装置100中，机箱数量不会超过8个，采用以太网时，一条链路上的以太网设备最多8个，此时采用一问一答形式，可以保证轮循周期足够短，且避免了以太网的不确定性。
如图2所示，本实施例还提供一种仪控***，该***包括：
主控机箱200，其内设置有主控制单元210、与主控制单元连接的通信单元(附图中简称通信节点)220和输入/输出卡件(附图中简称端口)230；
其他机箱300，即没有设置主控制单元的机箱，其内也设置有通信单元(附图中简称通信节点)310和输入/输出卡件(附图中简称端口)320；以及
上述的控制站用网络拓扑装置；并且主控机箱和其他机箱，通过网络拓扑装置形成机箱之间通过以太网连接，机箱内部通过总线连接。
如图3所示，本实施例还提供一种控制站用网络拓扑方法，该方法包括：
S310、主控机箱内的主控制单元通过以太网与主控机箱内的通信单元传输请求信号；
S320、其他机箱内的通信单元通过以太网接收来自主控机箱内的通信单元传输请求信号；
S330、机箱内的通信单元通过总线将请求信号传输至其他机箱内的输入/输出卡件；其中，输入/输出卡件可以但不限于模拟量输入端口、数字量输入端口、模拟量输出端口、数字量输出端口，用于周期采集和周期输出的输入/输出数据、诊断信息等。
需要说明的是，本实施例提供的控制站用网络拓扑方法中，主控机箱200中的主控制单元210可以向多个其他机箱300通过以太网传输信号，也可以接收多个其他机箱300通过以太网传输的信号；并且不同的机箱之间信号发出和回传之间彼此独立。
因此，本实施例提供了一种网络拓扑装置、方法和仪控***，其中，网络拓扑的方式采用普通以太网与总线相结合的二层网络结构，能够结合以太网技术通信速度较快，现场总线具有布线简单，扩展灵活的特点，充分发挥二者的优点。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上，将网络拓扑装置中的机箱之间的以太网和机箱内部的总线分别都设置成冗余，并且不同机箱之间通信节点通过串联的方式排布。具体地：
如图4所示，主控机箱200内设置有主控制单元210和备用控制单元240，分别与主控制单元210和备用控制单元240连接的通信节点220、240；通信节点220、通信节点240分别通过第二类型网络通信链路120(优选地为CAN总线)连接至不同的端口230、260；并且主控机箱200和第一其他机箱300中的通信节点分别通过第一类型网络通信链路110(优选为以太网)连接；并且第一机箱中也按照冗余思想设置有分别与主控机箱中主控制单元210连接的通信节点220连接的通信节点310、与主控机箱中备用控制单元240连接的通信节点250连接的通信节点330，以及分别与通信结点310、通信结点330连接的端口320、端口320。
本实施例优选地，主控制机箱(也可以简称主机机箱)需要考虑2个设备同时故障的情况，所以主控机箱里交叉连接，是为了避免通信链路切换时，主控也跟着切换；机箱300、400只考虑单个故障，即所谓的单故障原则；所以机箱的节点不需要像主控机箱200内那样交叉连接。
本实施例优选地，主控机箱内通信节点和其他通信机箱内通信节点依次通过以太网为串联的方式连接；机箱之间的以太网设置有两条冗余的以太网链路，每个机箱内部的总线设置有两条冗余的CAN网链路。
本实施例优选地，主控制单元设置有主控制器和备用控制器，主控制机箱内的通信单元设置有分别与主控制器、备用控制器通过以太网连接的主通信节点和备用通信节点；主控制机箱内主通信节点和备用通信节点分别通过总线与对应的输入/输出卡件连接。具体的，如图4所示，不同其他机箱300、400之间也通过第一类型网络通信链路110连接，而不同其他机箱300、400内部也分别都按照冗余思想设计的通信节点310、330、410、430、第二类型网络通信链路120和端口320、340、420、440。
本实施例优选地，同一时刻，主控机箱通信节点只与其他机箱中一个机箱通信节点通信。
本实施例优选地，其他机箱内的通信单元也分别设置有主通信节点和备用通信节点，并且主控机箱主通信节点和其他通信机箱内主通信节点依次通过以太网为串联的方式连接，主控机箱备用通信节点和其他通信机箱内备用通信节点依次通过以太网为串联的方式连接；其他机箱内主通信节点和备用通信节点分别通过总线与对应的输入/输出卡件连接。
如图5所示，本实施例优选地，主控制单元与主控机箱内的通信单元的以太网通信流程为一问一答的形式，在一个通信周期内，主控制单元先向主控机箱内的通信单元请求数据；以及主控机箱内的通信单元应答；主控制单元向其他机箱内的通信单元请求数据，相应的通信单元本发明实施例优选地，方法还包括：机箱之间的以太网设置有两条冗余的以太网链路，每个机箱内部的总线设置有两条冗余的CAN网链路；如果其中一条链路或通信单元发生故障，则自动切换到另一条链路。
进一步优选地，每个机箱的通信节点有一个唯一的地址，通过寻址可以找到；在机箱之间串联结构下，例如，如果主控制器要与第5个机箱通信，需要依次经过第1、2、3、4个机箱，才能到达第5个机箱。在每个机箱的通信节点上的延时非常小，例如40ns，但是这种40ns的延时相对于在我们的应用中的50ms周期几乎可以忽略不计；因此不会影响整体的通信效率。
采用本发明实施例提供的上述技术方案，可以获得以下有益效果中的至少一种：
1、提供了一种网络拓扑装置、方法和仪控***，其中，网络拓扑的方式采用普通以太网与总线相结合的二层网络结构，能够结合以太网技术通信速度较快，现场总线具有布线简单，扩展灵活的特点，充分发挥二者的优点。
2、以太网通信节点串联连接；不需要每个节点与主控单独布线，机箱扩展时直接再串通信节点即可。
3、所有通信链路和节点采用冗余设计，实现了整条链路的冗余，满足控制***的冗余要求。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (11)

1.一种控制站用网络拓扑装置，其特征在于，所述装置包括：
设置在机箱之间的以太网，用于传送主控机箱通信节点和其他机箱通信节点之间的请求信号和应答信号；以及
设置在机箱内部的总线，用于传送主控机箱通信节点或者其他机箱通信节点与对应输入/输出卡件之间的通信数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控机箱内通信节点和其他通信机箱内通信节点依次通过以太网为串联的方式连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，同一时刻，所述主控机箱通信节点只与其他机箱中一个机箱通信节点通信。
4.根据权利要求1至3中任意一种所述的装置，其特征在于，所述机箱之间的以太网设置有两条冗余的以太网链路。
5.根据权利要求1至3中任意一种所述的装置，其特征在于，每个所述机箱内部的总线设置有两条冗余的CAN网链路。
6.一种仪控***，其特征在于，所述***包括：
主控机箱，其内设置有主控制单元、与主控制单元连接的通信单元和输入/输出卡件；
其他机箱，其内也设置有通信单元和输入/输出卡件；以及
如权利要求1-5中任意一种的控制站用网络拓扑装置；并且所述主控机箱和其他机箱，通过所述网络拓扑装置形成机箱之间通过以太网连接，机箱内部通过总线连接。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述主控制单元设置有主控制器和备用控制器，所述主控制机箱内的通信单元设置有分别与主控制器、备用控制器通过以太网连接的主通信节点和备用通信节点；所述主控制机箱内主通信节点和备用通信节点分别通过总线与对应的输入/输出卡件连接。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述其他机箱内的通信单元也分别设置有主通信节点和备用通信节点，并且主控机箱主通信节点和其他通信机箱内主通信节点依次通过以太网为串联的方式连接，所述主控机箱备用通信节点和其他通信机箱内备用通信节点依次通过以太网为串联的方式连接；所述其他机箱内主通信节点和备用通信节点分别通过总线与对应的输入/输出卡件连接。
9.一种控制站用网络拓扑方法，其特征在于，所述方法包括：
A、主控机箱内的主控制单元通过以太网与主控机箱内的通信单元传输请求信号；
B、其他机箱内的通信单元通过以太网接收来自主控机箱内的通信单元传输请求信号；
C、机箱内的通信单元通过总线将所述请求信号传输至所述其他机箱内的输入/输出卡件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：所述主控制单元与主控机箱内的通信单元的以太网通信流程为一问一答的形式，在一个通信周期内，主控制单元先向主控机箱内的通信单元请求数据；以及主控机箱内的通信单元应答；
所述步骤B包括：所述主控制单元向其他机箱内的通信单元请求数据，相应的通信单元应答，直到最后一个机箱的请求数据和应答数据完成。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述机箱之间的以太网设置有两条冗余的以太网链路，每个所述机箱内部的总线设置有两条冗余的CAN网链路；如果其中一条链路或通信单元发生故障，则自动切换到另一条链路。
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