CN1268995C - 无线局域网现场总线网络控制站 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自动控制领域，具体说是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、I/O模块，其控制主站运行无线局域网现场总线协议栈，通过I/O模块控制器完成分布式I/O控制，还通过无线局域网通讯模块收发数据至以太网；I/O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。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，具体说是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。
背景技术
现场总线控制***(FCS，Fieldbus Control System)由于其开放性、分散性和可互操作性等特点而成为未来新型工业控制***的发展方向之一。然而，目前现场总线技术的发展还存在诸多问题，最主要的是没有形成一个统一的协议标准。由于不同现场总线通信协议之间千差万别，要实现不同总线产品间的互联和互操作非常困难，这不但使现场总线控制***的优越性难以体现，而且增加了用户应用的技术和投资风险，不利于现场总线技术的发展和推广应用。
在现有技术中，现场控制***包括基地式气动仪表控制***、电动单元组合式模拟仪表控制***、集中式数字控制***、集散控制***，其中主要是集散控制***(DCS)。DCS是采用一个或多个控制单元对多回路进行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每个控制板上有一个或多个回路。在DCS***形成的过程中，由于受计算机***早期存在的***封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成体系，不同厂家的设备不能互连在一起，这种基于封闭、专用的解决方案难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络***存在很多困难。
与此形成鲜明对比的是，商用计算机通信领域的主流技术之———以太网却发展得非常迅速，得到全球的技术和产品支持。以太网由于开放性好、应用广泛、价格低廉等特点，不但基本垄断了商业领域的网络通信市场，而且在工业控制领域(主要是在企业管理层和控制层)也得到了大规模的应用。同时，以无线局域网(IEEE 802.11b)为代表的无线通信技术经过了几年的发展，无论是协议自身的完善，还是产品性能的稳定和兼容性，都有了长足的进步，已经可以满足工业控制使用的要求；更重要的是在以太网和无线局域网之间可以通过接入点(AP，Access Point)实现无缝互联，从而为无线局域网设备提供了便利的条件。目前将无线以太网应用于现场总线控制尚未见报道。
发明内容
为了克服通信由专用网络的封闭***来实现所造成的缺陷，本发明的目的是提供了一种无线局域网现场总线网络控制站，它把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。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明涉及以下几项关键技术：
1)如何将离散I/O(输入/输出)模块无缝接入无线局域网，且可以通过无线局域网连接以太网，从而在以太网中可以透明访问各I/O模块；
2)主站I/O管理模块提供诊断和动态管理I/O模块的功能；
3)无线局域网通信模块与I/O模块中间具有相同的内部通讯接口；
4)支持I/O模块的热插拔和即插即用技术。
本发明包括控制主站、I/O模块两部分，其中：
-控制主站，运行无线局域网现场总线协议栈，通过I/O模块控制器管理I/O模块，完成分布式I/O控制，还通过其无线局域网通讯模块收发数据至以太网，实现数据的无线传输和有效范围内的任意移动，并与以太网实现无缝互联；
-I/O模块，通过通用I/O端子底座与控制主站相连，完成现场信号的采集和转换，每个I/O模块都支持热插拔及即插即用；
其中所述I/O模块控制器包括：
-第1中央处理器负责管理I/O模块，并将I/O模块采集的现场数据送往双口存储器；
-双口存储器，完成所述第1中央处理器和所述无线局域网通信模块的第2中央处理器之间的数据交换；
-存储器，包括第1随机存储器和第1可编程只读存储器，其中第1随机存储器用来作为第1中央处理器进行工作时所需要的内存，第1可编程只读存储器则用来存放操作***内核和无线局域网现场总线协议栈；
-复杂可编程逻辑器，与中央处理器及双口存储器相连接，通过I/O内部总线与I/O模块进行通讯，完成I/O模块的识别、连接操作。
所述无线局域网通信模块，提供符合无线局域网标准的接口，由第2中央处理器、第2随机存储器、第2可编程只读存储器相连进行数据交换，并经接入点与以太网连接，包括：相互连接的无线局域网介质访问控制器，无线局域网基带模块，调制解调器，功率放大器和天线，并通过接入点和以太网相连；所述无线局域网通信模块既可以作为无线以太网现场主设备的通讯接口，也可作为从设备的通讯接口，无线局域网通信模块可以通过其无线局域网介质访问控制器对发送和接收的数据进行编码，同时在接收数据过程中能自动地利用无线局域网介质访问控制器对接收数据进行帧校验；
所述无线局域网现场总线协议栈运行于无线局域网通信模块上，负责对无线局域网的报文进行处理，由现场总线管理层模块、现场总线应用层模块、现场总线套接字模块组成，现场总线管理层模块和现场总线应用层模块通过主机卡访问I/O模块控制器中的双口存储器，经过主机驱动程序与上位机应用程序连接；现场总线套接字模块与现场总线管理层模块、现场总线应用层模块相互通讯，又通过TCP/IP将数据输出至无线局域网接口，然后通过接入点传输到以太网上；
所述现场总线管理层模块完成地址分配、标志定位及应用时钟同步功能，具体流程为：首先从***管理管道中取数据，然后判断取数状态成功与否，如果没成功则回到***管理管道，如果成功则判断何种原语；若是请求原语，则判断服务请求种类，其中判断式为设定设备属性，清除设备属性，查询设备物理位号，设备确认；如果是指示原语，则对现场总线套接字模块送来的协议数据单元解码，分下列情况进行响应，具体判断式为设定设备属性响应，清除设备属性响应，查询设备物理位号应答，设备确认响应；
所述现场总线应用层模块是为用户应用进程间的数据通信提供的接口，主要负责三种服务：域管理、变量访问和事件管理；用户应用进程在调用现场总线应用层服务时，提供所有服务所需要的参数，然后由现场总线应用层服务将数据经过编码后，传给现场总线套接字模块，调用TCP数据传输服务把数据发送出去；在接收时，现场总线套接字模块负责监听TCP的通信端口，收到来自通信端口的数据后，上传给现场总线应用层服务，由现场总线应用层服务根据服务报文中目的功能块实例，将接收到的数据传送到用户层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步的处理；
具体流程为：首先从应用层管理管道中取数据，然后判断取数状态成功与否，如果没成功回到应用层管理管道，如果成功则判断何种原语，若是请求原语，则判断服务请求种类，其中判断式为域上载服务，事件报告服务，读服务，信息发布服务；如果是指示原语，则对现场总线套接字模块送来的协议数据单元解码，分下列情况进行响应，具体判断式为设定域下载服务，确认时间报告服务，改变事件条件监视服务，写服务。
本发明是用来完成过程自动化或制造自动化领域中现场数据采集与控制的无线局域网现场总线控制设备。网络控制站的核心技术——无线局域网现场总线通信协议，以无线局域网标准IEEE 802.11b为基础，结合TCP(UDP)/IP协议、现场总线协议，是适用于工业现场控制的开放的无线现场设备通信协议。它具有如下优点：
1.应用广泛。可以应用于化工、石化、制药、冶金、采矿、电力、食品加工、能源、数控***等行业的自动化控制领域。
2.具有分散控制特点。本发明废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的控制功能和DCS的输入/输出功能分散到网络上的现场设备，从而构成虚拟控制站，实现了彻底的分散控制，体现了***结构的高度分散性。
3.具有自动化综合能力。本发明突破了DCS***中由专用网络的封闭***采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接来实现所造成的弊端，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，由于采用了本发明，能够把原先DCS***中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场设备，便于将规范的自动化设备通过无线以太网络连成***，实现综合自动化的各种功能。
4.具有***的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。由于本发明通信协议一致公开，各个不同厂家的设备之间可实现信息交换。本发明致力于建立统一的工厂底层网络的开放***，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的***，能够通过本产品构筑自动化领域的开放互联***。
5.具有互操作性与互用性。本发明所具有的互操作性，是指实现互联设备之间、***间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
6.具有现场设备的智能化与功能自治性。本发明将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备就可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状态。
7.具有良好的可移动性。由于采用无线局域网技术，使用无线电磁波作为传输媒介，所以本发明可以在接入点(AP)的有效范围内任意移动，不受通信线缆的制约。
8.与以太网无缝集成。由于AP的作用，无线设备可以通过AP和以太网互通互联。并且因为以太网和无线局域网都是在TCP(UDP)/IP之下的协议，所以对于上层用户来说是透明的，可以轻易实现与以太网的无缝集成。
由于本发明有以上特点，特别是现场总线***结构的简化和无线局域网的使用，是控制***从设备、安装到正常运行及其检修维护，都体现出优越性。如：
1.节省硬件数量与投资。由于本发明分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS***的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂连接，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。
2.节省安装费用。由于采用了无线局域网技术，一个AP可以覆盖直径100米(加装功率放大器后可以到达1000米)内的所有现场设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设备与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，即可直接使用，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。
3.节省维护开销。由于本发明具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间；同时由于***结构简化，减少连线而减少了维护工作量。
4.用户具有高度的***集成主动权。采用本发明用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成***，避免因选择了某一品牌的产品而被限定了使用设备的选择范围，不会因为***集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使***集成权牢牢掌握在用户的手中。
5.提高了***的准确性与可靠性。由于本发明的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差；同时由于***的结构简化和无线局域网技术的使用，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了***的工作可靠性。
6.易于管理、监控。由于以太网和无线局域网的无缝集成，现场数据可以无障碍的直接传送到管理层，便于企业管理人员检索数据，监控设备运行状况。
附图说明
图1是本发明硬件结构框图。
图2-1是本发明控制主站电路框图。
图2-2是图2-1的电路原理图。
图3是本发明现场总线协议栈程序结构框图。
图4是本发明现场总线管理层程序流程图。
图5是本发明现场总线应用层程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括控制主站、I/O模块两部分，即：
控制主站运行无线局域网现场总线协议栈，通过I/O模块控制器管理I/O模块完成分布式I/O控制，同时还负责通过无线局域网通讯模块收发数据至以太网；实现数据的无线传输和有效范围内的任意移动，并与以太网实现无缝互联。
I/O模块，通过通用I/O端子底座与控制主站相连，完成现场信号的采集和转换，每个I/O模块都支持热插拔及即插即用；每个I/O模块中都包括一个配置信息存储器(含有模块类型、通道数、序列号等信息)供控制主站控制管理时读取；每个I/O模块可提供128个I/O地址范围；在组成***时，主站模块地址由协议分配，而各模块地址由主站模块自动分配；一旦组成了***，则每个I/O模块就分配了唯一的地址，因此各I/O模块在总线中将是透明的；当重新安装了某一种I/O模块，都可以在带电情况下，进行热交换，而且都会自动地将模块的配置信息上载到控制主站；因此可以在***运行期间，置换有故障的I/O模块，主站会自动地校验其新安装的模块是否与原模块兼容；如果兼容，则自动加入到主站配置信息中，整个过程不需用上位机干预，不会影响其它模块的正常运行。
控制主站最大可动态地控制、管理八个不同的I/O模块，本实施例如图1所示列出了7种不同的I/O模块，即为：符合现场总线协议标准的各I/O模块如：八/十六通道模拟输入模块AI、八/十六通道模拟输出模块AO、八/十六通道数字输入模块DI、八/十六通道数字输出模块DO、八/十六通道热电偶模块TC、八/十六通道电阻温度传感模块RTD、八/十六通道脉宽调制模块PWM。
通用I/O端子底座负责连接控制主站与I/O模块，构成控制主站与I/O模块之间的数据传输的高速通道，并动态组织I/O模块的数据分配和地址分配，持I/O模块的热交换。
如图2-1、2-2所示，本发明控制主站包括I/O模块控制器、无线局域网通讯模块，I/O模块控制器组成为：
-第1中央处理器CPU1，负责管理I/O模块；并将I/O模块采集的现场数据送往双口存储器DPRAM；
-双口存储器DPRAM，完成所述第1中央处理器CPU1和所述无线局域网通信模块的第2中央处理器CPU2之间的访问；
-存储器，包括第1随机存储器RAM1和第1可编程只读存储器EPROM1，其中第1随机存储器RAM1用来作为第1中央处理器CPU1进行工作时所需要的内存，第1可编程只读存储器EPROM1则用来存放操作***内核和无线局域网现场总线协议栈；
-复杂可编程逻辑器CPLD，与中央处理器及双口存储器DPRAM相连接，通过I/O内部总线与I/O模块进行通讯，完成I/O模块的识别、连接操作；
所述无线局域网通信模块，提供符合无线局域网标准的接口，由第2中央处理器CPU2、第2随机存储器RAM2、第2可编程只读存储器EPROM2相连，其中：第2随机存储器RAM2用来作为第2中央处理器CPU2进行工作时所需要的内存，并经接入点AP与以太网连接，提供标准的无线局域网访问连接；包括相互连接的无线局域网介质访问控制器CHIP1，采用ISL3873D芯片，无线局域网基带模块CHIP2，采用HFA3783芯片，调制解调器CHIP3，采用ISL3685芯片，功率放大器CHIP4采用ISL3984芯片和天线Antenna，并通过接入点AP和以太网相连。
其中：第1～2随机存储器RAM1～RAM2采用CY7C109芯片，第1～2可编程只读存储器EPROM1～EPROM2采用28SF040芯片，第1中央处理器CPU1采用i386EX芯片和第2中央处理器CPU2采用AT9140080芯片，复杂可编程逻辑器CPLD采用XC9572芯片，双口存储器DPRAM采用IDT7133芯片。
无线局域网通信模块既可以作为无线以太网现场主设备的通讯接口，也可作为从设备的通讯接口，无线局域网通信模块可以通过其无线局域网介质访问控制器CHIP1对发送和接收的数据进行编码，同时在接收数据过程中能自动地利用无线局域网介质访问控制器CHIP1对接收数据进行帧校验。负责I/O管理的第1中央处理器CPU1与负责操作***和无线局域网现场总线协议栈运行的第2中央处理器CPU2经双口存储器DPRAM进行数据交换，并通过复杂可编程逻辑器CPLD经I/O内部总线控制I/O模块。
如图3所示，所述无线局域网现场总线协议栈，运行于无线局域网通信模块上，负责对无线局域网的报文进行处理，由现场总线管理层模块SM、现场总线应用层模块APP、现场总线套接字模块Socket组成，现场总线管理层模块SM和现场总线应用层模块APP通过主机卡访问I/O模块控制器中的双口存储器DPRAM，经过主机驱动程序与上位机应用程序连接；现场总线套接字模块Socket与现场总线管理层模块SM、现场总线应用层模块APP相互通讯，又通过TCP(UDP)/IP将数据输出至无线局域网接口(无线局域网标准IEEE 802.11b)，然后通过接入点AP传输到以太网上。
如图4所示，现场总线管理层模块SM完成地址分配、标志定位及应用时钟同步等功能，具体流程为：首先从***管理管道中取数据，然后判断取数状态成功与否，如果没成功则回到***管理管道，如果成功则判断何种原语。若是请求原语，则判断服务请求种类，其中判断式为设定设备属性，清除设备属性，查询设备物理位号，设备确认；如果是指示原语，则对现场总线套接字模块送来的协议数据单元解码，分下列情况进行响应，具体判断式为设定设备属性响应，清除设备属性响应，查询设备物理位号应答，设备确认响应。
如图5所示，现场总线应用层模块APP是为用户应用进程间的数据通信提供的接口，它主要负责三种服务：域管理、变量访问和事件管理；用户应用进程在调用现场总线应用层服务时，应该提供所有服务所需要的参数，然后由现场总线应用层服务将数据经过编码后，传给现场总线套接字模块Socket，调用TCP(UDP)数据传输服务把数据发送出去。
在接收时，现场总线套接字模块Socket负责监听TCP(UDP)的通信端口，收到来自通信端口的数据后，上传给现场总线应用层服务，由现场总线应用层服务根据服务报文中目的功能块实例，将接收到的数据传送到用户层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步的处理。
具体流程为：首先从应用层管理管道中取数据，然后判断取数状态成功与否，如果没成功回到应用层管理管道，如果成功则判断何种原语，若是请求原语，则判断服务请求种类，其中判断式为域上载服务，事件报告服务，读服务，信息发布服务；如果是指示原语，则对现场总线套接字模块送来的协议数据单元解码，分下列情况进行响应，具体判断式为设定域下载服务，确认时间报告服务，改变事件条件监视服务，写服务。
Claims (5)
1.一种无线局域网现场总线网络控制站，包括控制主站、I/O模块两部分，其中：
-控制主站，运行无线局域网现场总线协议栈，通过I/O模块控制器管理I/O模块完成分布式I/O控制，还通过其无线局域网通讯模块收发数据至以太网，实现数据的无线传输和有效范围内的任意移动，并与以太网实现无缝互联；
-I/O模块，通过通用I/O端子底座与控制主站相连，完成现场信号的采集和转换，每个I/O模块都支持热插拔及即插即用；
其特征在于：
所述I/O模块控制器包括：
-第1中央处理器(CPU1)负责管理I/O模块，并将I/O模块采集的现场数据送往双口存储器(DPRAM)；
-双口存储器(DPRAM)，完成所述第1中央处理器(CPU1)和所述无线局域网通信模块的第2中央处理器(CPU2)之间的数据交换；
-存储器，包括第1随机存储器(RAM1)和第1可编程只读存储器(EPROM1)，其中第1随机存储器(RAM1)用来作为第1中央处理器(CPU1)进行工作时所需要的内存，第1可编程只读存储器(EPROM1)则用来存放操作***内核和无线局域网现场总线协议栈；
-复杂可编程逻辑器(CPLD)，与中央处理器及双口存储器(DPRAM)相连接，通过I/O内部总线与I/O模块进行通讯，完成I/O模块的识别、连接操作；
所述无线局域网通信模块，提供符合无线局域网标准的接口，由第2中央处理器(CPU2)、第2随机存储器(RAM2)、第2可编程只读存储器(EPROM2)相连进行数据交换，并经接入点(AP)与以太网连接，包括：相互连接的无线局域网介质访问控制器(CHIP1)，无线局域网基带模块(CHIP2)，调制解调器(CHIP3)，功率放大器(CHIP4)和天线，并通过接入点(AP)和以太网相连；
所述无线局域网现场总线协议栈运行于无线局域网通信模块上，负责对无线局域网的报文进行处理，由现场总线管理层模块(SM)、现场总线应用层模块(APP)、现场总线套接字模块(Socket)组成，现场总线管理层模块(SM)和现场总线应用层模块(APP)通过主机卡访问I/O模块控制器中的双口存储器(DPRAM)，经过主机驱动程序与上位机应用程序连接；现场总线套接字模块(Socket)与现场总线管理层模块(SM)、现场总线应用层模块(APP)相互通讯，又通过TCP(UDP)/IP将数据输出至无线局域网接口，然后通过接入点(AP)传输到以太网上。
2.按照权利要求1所述无线局域网现场总线网络控制站，其特征在于：所述无线局域网通信模块可以通过其无线局域网介质访问控制器(CHIP1)对发送和接收的数据进行编码，同时在接收数据过程中能自动地利用无线局域网介质访问控制器(CHIP1)对接收数据进行帧校验。
3.按照权利要求1所述无线局域网现场总线网络控制站，其特征在于：所述现场总线管理层模块(SM)完成地址分配、标志定位及应用时钟同步功能，具体流程为：首先从***管理管道中取数据，然后判断取数状态成功与否，如果没成功则回到***管理管道，如果成功则判断何种原语；若是请求原语，则判断服务请求种类，其中判断式为设定设备属性，清除设备属性，查询设备物理位号，设备确认；如果是指示原语，则对现场总线套接字模块送来的协议数据单元解码，分下列情况进行响应，具体判断式为设定设备属性响应，清除设备属性响应，查询设备物理位号应答，设备确认响应。
4.按照权利要求1所述无线局域网现场总线网络控制站，其特征在于：所述现场总线应用层模块(APP)是为用户应用进程间的数据通信提供的接口，主要负责三种服务：域管理、变量访问和事件管理；用户应用进程在调用现场总线应用层服务时，提供所有服务所需要的参数，然后由现场总线应用层服务将数据经过编码后，传给现场总线套接字模块(Socket)，调用TCP(UDP)数据传输服务把数据发送出去；在接收时，现场总线套接字模块(Socket)负责监听TCP(UDP)的通信端口，收到来自通信端口的数据后，上传给现场总线应用层服务，由现场总线应用层服务根据服务报文中目的功能块实例，将接收到的数据传送到用户层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步的处理；
具体流程为：首先从应用层管理管道中取数据，然后判断取数状态成功与否，如果没成功回到应用层管理管道，如果成功则判断何种原语，若是请求原语，则判断服务请求种类，其中判断式为域上载服务，事件报告服务，读服务，信息发布服务；如果是指示原语，则对现场总线套接字模块送来的协议数据单元解码，分下列情况进行响应，具体判断式为设定域下载服务，确认时间报告服务，改变事件条件监视服务，写服务。
5.按照权利要求1所述无线局域网现场总线网络控制站，其特征在于：所述控制主站最大可动态地控制、管理的I/O模块为八个，可以为：八/十六通道模拟输入模块(AI)、八/十六通道模拟输出模块(AO)、八/十六通道数字输入模块(DI)、八/十六通道数字输出模块(DO)、八/十六通道热电偶模块(TC)、八/十六通道电阻温度传感模块(RTD)和/或八/十六通道脉宽调制模块(PWM)。
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