CN2640135Y - 连接高速以太网与hart总线的网络互联单元 - Google Patents

连接高速以太网与hart总线的网络互联单元 Download PDF

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曹正平
刘守会
耿东汉
周勇
王长密
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Abstract

一种连接高速以太网与HART总线的网络互联单元，是由高速以太网(HSE)部分和HART接口板组成，两部分通过高速冗余的串行接口连接；由于本实用新型存在两个完全一样的电路，其中在运行状态时，一个为主控单元，另一个为备用单元。当一个电路部分出现问题时，可以迅速地切换到另一块电路板。而且，***的设计为可以热拔插的，在***中拔插任一个模块都不会对***有任何的影响。所以说本***有极高的可靠性、极短的维护时间、可不断电的长期工作能力。可以广泛的应用与化工、电力、核能等应用场合中。

Description

连接高速以太网与HART总线的网络互联单元
技术领域
本实用新型涉及工业自动化过程控制领域，特别是一种连接高速以太网与HART总线的网络互联单元。
背景技术
多种现场总线的出现导致了传统控制***的变革，如何组建一个开放的、信息集成化的多总线并存的控制***成为当今自动化领域重点研究课题。要达到多总线信息集成，关键必须解决各种现场总线网段之间、现场总线网段与其它网段之间的信息交换问题。因此，研究和开发符合过程实时控制需要的现场总线网络互联单元是完成现场总线***集成的首要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提供一种连接高速以太网与HART总线的网络互联单元。由于本实用新型设计实现以硬件为主的软硬结合的无扰动冗余切换，本实用新型中存在两个完全一样的电路，其中在运行状态时，一个为主控单元，另一个为备用单元，从而有极高的可靠性、极短的维护时间、可不断电的长期工作能力。
本实用新型的目的是这样实现的：一种连接高速以太网与HART总线的网络互联单元，是由高速以太网(HSE)部分和HART接口板组成，两部分通过高速冗余的串行接口连接；其中，每一个高速以太网(HSE)接口板可以和32个非冗余的HART接口板连接或与16个冗余的HART接口板连接；每个HART接口板可以和16个仪表连接；高速以太网部分是由两块高速以太网接口板构成，两块高速以太网接口板分别通过高速以太网接口与以太网段连接，两块高速以太网接口板之间分别通过每一块高速以太网接口板内的冗余控制电路和数据通道连接。
-所述的高速以太网接口板是由32位的ARM CPU、数据和程序FLA SH存储器、大容量高速RAM存储器、冗余的高速以太网(HSE)接口1、2，电源故障检测电路、供电电路、冗余控制电路和数据通道、看门狗电路1、2、与HART板连接的高速串行通讯口1、2组成；其中，高速以太网(HSE)接口1、2分别与以太网段及32位的ARM CPU连接，电源故障检测电路分别与冗余24V电源及32位的ARM CPU连接，数据和程序FLA SH存储器及大容量高速RAM存储器分别与32位的ARM CPU连接，看门狗电路1、2分别与冗余控制电路和数据通道及32位的ARM CPU连接，冗余控制电路和数据通道接另一块高速以太网(HSE)接口板，高速串行通讯口1、2分别与HART板及32位的ARM CPU连接。
-所述的HART接口板是由80C51单片机、与高速以太网(HSE)接口板连接的高速串行通讯口1、2，供电电路、光电隔离电路、HART接口电路、用于HART数字通讯的模拟开关1、用于16个通道的电流所需的模拟开关2；ADC部分；低通滤波器1-16；用于HART数字通讯的隔直电容1-16；看门狗电路；其中，高速串行通讯口1、2分别与高速以太网(HSE)接口板及80C51单片机连接，看门狗电路分别与冗余控制电路及80C51单片机连接，冗余控制电路连接另一块HART板，HART接口电路分别与80C51单片机及模拟开关1连接，模拟开关1通过变压器1-16及隔直电容1-16分别连接16路HART接口板及滤波器1-16；光电隔离电路分别与80C51单片机、模拟开关2及ADC部分连接。
本实用新型共有两个部分组成，其中一个为HSE部分，另外一部分是HART部分，两个部分通过高速冗余的串行接口连接，其中一个HSE(包含冗余)可以和32个非冗余的HART部分或16个冗余的HART部分。每个HART接口部分可以和16个仪表相连接，所以***最大在不冗余时可以接32*16＝512个HART仪表，或者可以冗余的情况下连接16*16＝256个HART仪表。由于***设计实现以硬件为主的软硬结合的无扰动冗余切换，***中存在两个完全一样的电路，其中在运行状态时，一个为主控单元，另一个为备用单元。当一个电路部分出现问题时，可以迅速地切换到另一块电路板，例如：若为主控的设备出现故障，不需要***的切换，只需要换下处于备用的电路；若***的主控单元出现故障，***自动地把现在的备用单元当作主控单元，原来的主控单元变为备用单元，这时就可以更换有故障的主单元。而且，***的设计为可以热拔插的，在***中拔插任一个模块都不会对***有任何的影响。所以说本***有极高的可靠性、极短的维护时间、可不断电的长期工作能力。可以广泛的应用与化工、电力、核能等应用场合中。
附图说明
图1本实用新型总框图；
图2本实用新型高速以太网(HSE)部分的框图；
图3本实用新型HART接口板的框图。
具体实施方式
参见图1，高速以太网与HART总线的网络互联单元，是由高速以太网(HSE)部分和HART接口板组成，两部分通过高速冗余的串行接口连接；其中，每一个高速以太网(HSE)接口板可以和32个非冗余的HART接口板连接或与16个冗余的HART接口板连接；每个HART接口板可以和16个仪表连接；高速以太网部分是由两块高速以太网接口板构成，两块高速以太网接口板分别通过高速以太网接口与以太网段连接，两块高速以太网接口板之间分别通过每一块高速以太网接口板内的冗余控制电路和数据通道连接。
参见图2；HSE主要的部分有：32位的ARM CPU，程序FLASH一个，用于HART DD数据FLASH一个，冗余的高速以太网(HSE)协议接口，冗余控制接口，用于冗余的带有校验的HDLC数据接口，和HART连接带有故障检测的高速隔离的串行接口，供电电路，看门狗电路。
参见图3；HART主要的部分有：8051的单片机；和HSE连接带有故障检测的高速隔离的串行接口；为CPU提供电源、为串行接口提供电源和为模拟数字转换部分提供电源的供电电路；CPU和模拟数字转换所需的光电隔离部分；HART接口部分；用于HART数字通讯的模拟开关；用于16个通道的电流所需的模拟开关；ADC部分；低通滤波器；用于HART数字通讯的隔直电容；看门狗电路。
***中冗余控制的基本原理和要求
1.上电时，***的两个单元竞争出主单元和备用单元。
2.在备用单元输出备用和正常状态信号的前提下，主控机出现如下故障之一时则切换为备用机状态：上电、看门狗复位、电源故障或失效、软件自检输出故障信号(CPU根据各个故障源和自检作出判断)；同时，备用机将接管主控权。
3.***只有一个单元时，***处于单板运行的状态。
4.当在检测到对方为备用机且对方输出故障状态时(与无备板状态相同)，本机即使出现故障也只能作为主控机。
5、不出现两个CPU卡同时得到或放弃***控制权的现象。
6、可带电热拔插维护(冗余状态)。
7、实现硬件冗余控制切换功能(切换延时≤200μS，不含检错时间如看门狗溢出时间)
8、面板上设有五个指示灯，分别表示电源(绿，正常亮)、故障状态(红，故障亮)、主备标志(黄，主亮)、现场通讯状态(绿，正常通讯时闪烁，通讯不正常常亮或常灭)、HSE通讯状态(绿，正常亮或间歇闪烁--考虑PHY特性和实际需求配置可选PHY输出或ARM软件指示)
***中冗余的数据交换：
1、HSE和用于操作和控制的计算机有两个以太网口进行通讯，若主控单元有一个以太网口工作不正常，也能确保命令和数据准确无误的传送，同时可以切换至无故障的备用单元；若两个工作都不正常，则可以通过冗余切换至至无故障的备用单元，这确保了***和计算机可靠的数据通路。
2、HSE冗余的两个单元通过带有查错功能的高速同步串行口来实现的，在***上电时，HSE的两个高速同步串行口没有连接，只有***的程序完全正常工作后，才开始通讯，避免了产生上电时通讯不可靠现象的出现。
3、***中HSE和HART的数据交换是通过冗余的隔离的高速异步串行口来实现的，***使用时可以热插拔，而且带有带有检查线路故障的功能。
4、***中HART通讯的可靠性，是靠主备单元的两个HART接口来完成的。***使用时，只能有主单元发送HART命令，而备用单元检测主单元和HART仪表的通讯，若主单元发送的不正确，说明主单元存在故障；若HART仪表应答不正确或没有应答，说明HART仪表存在故障。
5、HART模拟数字转换部分的实现。HART单元有一个基准源，同时给ADC和模拟开关提供基准信号，若采集基准信号时，得到不正确的数据，说明ADC部分或模拟开关部分存在故障，HART单元输出故障信息，同时进行主备的切换；否则说明，ADC部分正常，可以采集仪表的电流值，同时，两个单元比较数据。

Claims (3)

1、一种连接高速以太网与HART总线的网络互联单元，其特征在于：是由高速以太网(HSE)部分和HART接口板组成，两部分通过高速冗余的串行接口连接；其中，每一个高速以太网(HSE)接口板可以和32个非冗余的HART接口板连接或与16个冗余的HART接口板连接；每个HART接口板可以和16个仪表连接；高速以太网部分是由两块高速以太网接口板构成，两块高速以太网接口板分别通过高速以太网接口与以太网段连接，两块高速以太网接口板之间分别通过每一块高速以太网接口板内的冗余控制电路和数据通道连接。
2、根据权利要求1所述的连接高速以太网与HART总线的网络互联单元，其特征在于：所述的高速以太网接口板是由32位的ARM CPU、数据和程序FLA SH存储器、大容量高速RAM存储器、冗余的高速以太网(HSE)接口1、2，电源故障检测电路、供电电路、冗余控制电路和数据通道、看门狗电路1、2、与HART板连接的高速串行通讯口1、2组成；其中，高速以太网(HSE)接口1、2分别与以太网段及32位的ARMCPU连接，电源故障检测电路分别与冗余24V电源及32位的ARM CPU连接，数据和程序FLA SH存储器及大容量高速RAM存储器分别与32位的ARM CPU连接，看门狗电路1、2分别与冗余控制电路和数据通道及32位的ARM CPU连接，冗余控制电路和数据通道接另一块高速以太网(HSE)接口板，高速串行通讯口1、2分别与HART板及32位的ARMCPU连接。
3、根据权利要求1所述的连接高速以太网与HART总线的网络互联单元，其特征在于：所述的HART接口板是由80C51单片机、与高速以太网(HSE)接口板连接的高速串行通讯口1、2，供电电路、光电隔离电路、HART接口电路、用于HART数字通讯的模拟开关1、用于16个通道的电流所需的模拟开关2；ADC部分；低通滤波器1-16；用于HART数字通讯的隔直电容1-16；看门狗电路；其中，高速串行通讯口1、2分别与高速以太网(HSE)接口板及80C51单片机连接，看门狗电路分别与冗余控制电路及80C51单片机连接，冗余控制电路连接另一块HART板，HART接口电路分别与80C51单片机及模拟开关1连接，模拟开关1通过变压器1-16及隔直电容1-16分别连接16路HART接口板及滤波器1-16；光电隔离电路分别与80C51单片机、模拟开关2及ADC部分连接。
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