一种自带冗余信号采集的多客户端独立总线设备服务器的制作方法

本实用新型专利涉及的领域为工业自动化信号采集与通讯，特别涉及一种自带冗余信号采集的多客户端独立总线设备服务器。

背景技术：

在工业控制领域中，几乎所有涉及通讯总线的都是采用RS485两线制总线的形式，RS485这种形式的优点是：

一、采用差分信号负逻辑，逻辑"0”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑"1"以两线间的电压差为-(2～6)V表示。接口信号电平低不容易损坏芯片。

二、RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

三、RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

四、RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，最大的可以支持到400个节点。

因为以上各种优点，本硬件形式总线结构被广泛应用于各种工业控制，智能仪表等领域。在这种总线形式上的数据传输，一般都采用Modbus协议格式，这种协议的好处是标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，而不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。并且数据具备CRC校验，传输不会出错。

就单纯这总线结构和协议格式来看是简单、可靠并且有效的一种通信方式。在实际的系统中，我们的一个单元系统获取采集数据的过程有以下几种方式：

方式1，由客户端去读取第一智能仪表的数据后获取，其它RTU客户端只能通过RTU主机进行转发，实现数据的共享，这样总线结构与协议只能通过这种方式去实现数据共享。

这种总线网络优点是：

1、线路简单容易实现。

这种总线网络缺点是：

1、RTU1#客户端如果出现故障全部失去采集信号，安全级别低；

2、针对于图1，3种转发还是需要增加设备成本。

3、三套系统共用一个探头，系统没有冗余存在安全隐患。

方式2，1#客户端通过第一智能仪表去获取第一信号探头的信号，2#客户端通过第二智能仪表去获取第二信号探头的信号，3#客户端通过第三智能仪表去获取第三信号探头的信号。

这种总线网络优点是：

1、针对三个客户端对同一个点独立信号采集，系统安全、有冗余设计。

这种总线网络缺点是：

1、线路较复杂；

2、同一点安装三套一样的采集探头现场不一定具备安装条件；

3、设备成本高、安装实施成本高、售后维护成本高；

4、如1#系统的探头坏，2#系统的客户端坏两路系统都不能运行。系统不能相互备用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，提出一种利用标准通讯协议格式的自带冗余信号采集的多客户端独立总线设备服务器方案，实现信号冗余和多个客户端间的相互备用的一种总线的自带冗余信号采集的多客户端独立总线设备服务器。本实用新型中冗余设计指的是，每个功能类型信号探头都为1主1备的方式设计，每个信号采集单元都为1主1从设计，每个RTU客户端都有一根独立通讯线路接入到本设备服务器，相互不干扰。

为实现本实用新型目的，提供了以下技术方案：一种自带冗余信号采集的多客户端独立总线设备服务器，包括信号探头组、信号采集单元以及若干个RTU客户端，信号探头组包括若干个主信号探头以及与每个主信号探头相对应的备用信号探头，信号采集单元包括主信号采集单元以及从信号采集单元，主信号采集单元包括一个主机可编程网关单元和若干个从机可编程网关单元，主机可编程网关单元数量与从机可编程网关单元的总和与主信号探头数量相对应；从信号采集单元包括与主信号采集单元数量相同的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元，还包括一个能够管理从信号采集单元并监测主信号采集单元每个可编程网关单元信号的可编程网关管理单元；所述主信号采集单元上的每个可编程网关单元与从信号采集单元上的可编程网关单元一一对应并进行串联。

作为优化，所述每个可编程网关单元上均设有一个用于进行数据传输的RTU。

作为优化，所述主信号采集单元的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元相互之间并联后再与可编程网关管理单元串联。

作为优化，相对应的主信号采集单元上的可编程网关单元和从信号采集单元上的可编程网关单元串联后在串联节点接入能够接收主信号采集单元和从信号采集单元上的信号的RTU客户端。

作为优化，每个主信号探头与与其对应的主信号单元的可编程网关单元连接，每个备用信号探头与与其对应的从信号单元的可编程网关单元连接。

RTU服务器为现有技术，RTU服务器是一款专用于总线扩张应用的、可编程的、能驱动标准RTU总线设备并支持各种主流人机界面接入的卡片轨道模块。此款电路具备的功能：1、RTU总线可编程型服务器功能，用户可根据自己的需要设置主机、从机、站号以及相应的功能选择。2、RTU服务器有两组0-24V电源供电，X₀,X₁端口为数字信号输入，X_I端口为模拟信号输入用于采集，C₁和Y₀、C₂和Y₁端口为继电器输出，A₁和B₁、A₂和B₂端口为两组通讯，4个LED指示灯和一个通讯孔。

工作原理：主信号采集单元中，主机可编程网关单元设置成主机，从机可编程网关单元设置成从机站。主机可编程网关单元负责读取从机可编程网关单元和可编程网关管理单元采集到的数据，在读取到采集到的数据后，连同自己的采集的数据，再写入到从机可编程网关单元和可编程网关管理单元中，这样可编程网关单元都获得了主采集数据,同时从信号采集单元上的主机可编程网关单元也获得了主信号采集单元的信号的数据和备用采集数据。从信号采集单元中可编程网关管理单元设置成主机，从信号采集单元中的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元都设置成从机站。由可编程网关管理单元负责从从信号采集单元上的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元中读取到备用采集数据后，并汇总后加上主信号端可编程网关单元发来的主采集信号再发送到从站从信号采集单元上的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元中，这样从信号采集单元上的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元都获得了备用采集数据和主采集数据。经过这一步后全部的可编程网关中都具备了采集数据。

主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0能正常时，从信号采集单元的可编程网关管理单元B0充当备用组B的主机可编程网关单元，当A0出故障时，从信号采集单元的可编程网关管理单元B0会得到信号并将信号发送给，从信号采集单元的主机可编程网关单元B1甚至是其他的可编程网关单元，但是最终是启用从信号采集单元的主机可编程网关单元B1代替主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0的作用，启用从信号采集单元的主机可编程网关单元B1的信号探头组。

RTU客户端通过常规标准的RS485总线形式分别获取到从信号采集单元上的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元同时采集到的采集数据。

RTU服务器有如下优点：

1、RTU服务器自带有物理采集功能(各类信号采集探头组直接与RTU服务器相连，不需要经过智能仪器)。

2、每个可编程网关单元使用一个RTU，RTU客户端直接单向控制每个可编程网关单元的RTU，然后由RTU分级对柜内的元器件进行通讯，大幅度提高了通讯质量；

3、可编程，针对可编程网关单元可通过不同的程序进行电路控制。可根据现场实际情况选择端口数量，若现场出现损坏，只需更换相应端口，提高效率，节约成本；

4、为自动安全冗余系统的快速搭建提供条件。

本实用新型有益效果：本实用新型与现有技术相比：

1、采用线路并联方式，实现数据共享；

2、设备成本低、安装实施易于实现、售后维护成本低；

3、无论是信号探头组、信号采集单元或是RTU客户端任一组中的设备出现问题，都有相应的备用设备来替代，不影响数据采集，安全级别高。

附图说明

图1为现有技术一的示意图；

图2为现有技术二的示意图；

图3为本实用新型系统示意图；

图4为可编程网关单元结构示意图。

具体实施方式

实施例1

一种自带冗余信号采集的多客户端独立总线设备服务器，包括信号探头组、信号采集单元以及若干个RTU客户端，信号探头组包括若干个主信号探头以及与每个主信号探头相对应的备用信号探头，信号采集单元包括主信号采集单元以及从信号采集单元，主信号采集单元包括一个主机可编程网关单元A0和两个从机可编程网关单元A1、A2，主机可编程网关单元数量与从机可编程网关单元的总和与主信号探头数量相对应；从信号采集单元包括与主信号采集单元数量相同的主机可编程网关单元和从机可编程网关单元，还包括一个能够管理从信号采集单元并监测主信号采集单元每个可编程网关单元信号的可编程网关管理单元B0；所述主信号采集单元上的每个可编程网关单元与从信号采集单元上的可编程网关单元一一对应并进行串联。即主信号采集单元的主机可编程网关单元A0对应从信号采集单元上的主机可编程网关单元B1，主信号采集单元的从机可编程网关单元A1对应从信号采集单元上的从机可编程网关单元B2，主信号采集单元的从机可编程网关单元A2对应从信号采集单元上的从机可编程网关单元B3。

所述每个可编程网关单元上均设有一个用于进行数据传输的RTU。

所述主信号采集单元的主机可编程网关单元A0和从机可编程网关单元A1、A2相互之间并联后在与可编程网关管理单元B0串联。

相对应的主信号采集单元上的可编程网关单元和从信号采集单元上的可编程网关单元串联后在串联节点接入能够接收主信号采集单元和从信号采集单元上的信号的RTU客户端。

即：主信号采集单元上的主机可编程网关单元A0和从信号采集单元上的主机可编程网关单元B1串联后在串联节点接入能够接收主信号采集单元和从信号采集单元上的信号的RTU客户端C0。

主信号采集单元上的从机可编程网关单元A1和从信号采集单元上的从机可编程网关单元B2串联后在串联节点接入能够接收主信号采集单元和从信号采集单元上的信号的RTU客户端C1。

主信号采集单元上的从机可编程网关单元A2和从信号采集单元上的从机可编程网关单元B3串联后在串联节点接入能够接收主信号采集单元和从信号采集单元上的信号的RTU客户端C2。

每个主信号探头与与其对应的主信号单元的可编程网关单元连接，每个备用信号探头与与其对应的从信号单元的可编程网关单元连接。

具体操作方法为：主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0设置成主机，主信号采集单元中的从机可编程网关单元A1、A2设置成从机1号和2号站。主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0负责读取主信号采集单元中的从机可编程网关单元A1、A2和从信号采集单元的可编程网关管理单元B0采集到的数据，在读取到采集到的数据后，连同自己的采集的数据，再写入到主信号采集单元中的从机可编程网关单元A1、A2和从信号采集单元的可编程网关管理单元B0中，这样三台可编程网关单元都获得了三个主采集数据,同时从信号采集单元的可编程网关管理单元B0也获得了主信号采集单元的3组信号的数据和三个备用采集数据。

主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0能正常时，从信号采集单元的可编程网关管理单元B0充当备用组B的主机可编程网关单元，当A0出故障时，从信号采集单元的可编程网关管理单元B0会得到信号并将信号发送给，从信号采集单元的主机可编程网关单元B1甚至是其他的可编程网关单元，但是最终是启用从信号采集单元的主机可编程网关单元B1代替主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0的作用，启用从信号采集单元的主机可编程网关单元B1的信号探头组。

从信号采集单元的可编程网关管理单元B0设置成主机，从信号采集单元的可编程网关单元B1、B2、B3都设置成从机1号、2号、3号站。由从信号采集单元的可编程网关管理单元B0负责从从信号采集单元的可编程网关单元B1、B2、B3中读取到三个备用采集数据后，并汇总后加上主信号端可编程网关单元发来的主采集信号再发送到从站从信号采集单元的可编程网关单元B1、B2、B3中，这样三台从信号采集单元的可编程网关单元B1、B2、B3都获得了三个备用采集数据和三个主采集数据。经过这一步后全部的可编程网关单元中都具备了6个采集数据。

RTU客户端(C0、C1、C2)通过常规标准的RS485总线形式分别获取到备用信号从信号采集单元的可编程网关单元B1、B2、B3同时采集到的6个采集数据。双冗余RTU设备服务器出现故障的功能流向分析：

所述信号探头组，包括常规型温度探头、4～20MA电流型信号变送型探头、DC0～10V、DC0～5V等直流电压型信号变送器探头。

主信号探头组V0包括1#信号探头V0-1、2#信号探头V0-2、3#信号探头V0-3；

备用信号探头组V1包括1#信号探头V1-1、2#信号探头V1-2、3#信号探头V1-3；

主信号探头连接：

1#信号探头V0-1连接到主信号采集单元的主机可编程网关单元A0的信号接入端，2#信号探头V0-2连接到主信号采集单元的从机可编程网关单元A1的信号接入端，3#信号探头V0-3连接到主信号采集单元的从机可编程网关单元A2的信号接入端。

备用信号探头连接：

1#信号探头V1-1连接到从信号采集单元的主机可编程网关单元B1的信号接入端，2#信号探头V1-2连接到从信号采集单元的从机可编程网关单元B2的信号接入端，3#信号探头V1-3连接到从信号采集单元的从机可编程网关单元B3的信号接入端。

一、信号探头损坏

当1#信号探头V0-1出现损坏时，主信号采集单元的主机可编程网关单元A0会采集并写入故障信号，全部的可编程网关单元通过各自的RTU都会采集到此信号。此时从信号采集单元的主机可编程网关单元B1启用1#信号探头V1-1来代替1#信号探头V0-1工作，并将信息传送给主信号采集单元的主机可编程网关单元A0和从信号采集单元的主机可编程网关单元B1串联后串联节点接入的RTU客户端进行维修。2#信号探头V0-2、3#信号探头V0-3以此类推。

二、可编程网关损坏

(1)当从信号采集单元的可编程网关管理单元B0获取不到主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0和从机可编程网关单元A1、A2的数据时，默认主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0出现损坏，此时主信号采集单元中的从机可编程网关单元A1、A2自动关闭通讯端口。从信号采集单元的可编程网关管理单元B0启用从信号采集单元的可编程网关单元B1、B2、B3来代替主信号采集单元中的可编程网关单元A0、A1、A2工作，并将信息传送给RTU客户端设备进行维修。

(2)当主信号采集单元中的从机可编程网关单元A1出现损坏时，主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0获取不到相应的读写信息。此时主信号采集单元中的主机可编程网关单元A0将主信号采集单元中的从机可编程网关单元A1的无响应信息反馈给从信号采集单元的可编程网关管理单元B0，由从信号采集单元的可编程网关管理单元B0启用从信号采集单元的从机可编程网关单元B2来代替主信号采集单元中的从机可编程网关单元A1工作，并将信息传送给RTU客户端设备进行维修。主信号采集单元中的从机可编程网关单元A2出现损坏的情况以此类推。

三、RTU客户端数据被截断或损坏

RTU客户端是常规标准的RS485总线形式客户端设备。因为RTU客户端C0、C1、C2都能独立获取到所有点位的数据和故障信号，并不相互干扰，所以当RTU客户端C0的数据被截断或损坏时，RTU客户端C1、C2正常获取到6个采集数据。RTU客户端C1或RTU客户端C2的数据被截断或损坏的情况以此类推。

对比例1

方式1如附图1，由客户端3去读取第一智能仪表2的数据后获取，其它RTU客户端4和5只能通过RTU主机3进行转发，实现数据的共享，这样总线结构与协议只能通过这种方式去实现数据共享。

这种总线网络优点是：

1、线路简单容易实现。

这种总线网络缺点是：

1、RTU1#客户端如果出现故障全部失去采集信号，安全级别低；

2、针对于图1，3种转发还是需要增加设备成本。

3、三套系统共用一个探头，系统没有冗余存在安全隐患。

对比例2

方式2如附图2，1#客户端3通过第一智能仪表2去获取第一信号探头1的信号，2#客户端4通过第二智能仪表6去获取第二信号探头9的信号，3#客户端5通过第三智能仪表8去获取第三信号探头7的信号。

这种总线网络优点是：

1、针对三个客户端对同一个点独立信号采集，系统安全、有冗余设计。

这种总线网络缺点是：

5、线路较复杂；

6、同一点安装三套一样的采集探头现场不一定具备安装条件；

7、设备成本高、安装实施成本高、售后维护成本高；

如1#系统的探头坏，2#系统的客户端坏两路系统都不能运行。系统不能相互备用。