专利名称：冗余式智能型网络通讯控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是现场总线控制系统FCS中的网络通讯控 制器，它广泛应用于电力、石油、化工、冶金、制药、造纸等相关 行业的自动化过程控制领域。
技术背景随着智能仪表、网络技术和数据通信技术的发展，现场总线 控制技术已成为当今自动化控制技术的发展主流，它替代了现有的 分散型控制系统DCS成为自动化控制领域的关键技术手段，但现场总线控制系统存在的主要技术问题是1、均采用单机装置，当装置本身或现场总线出现故障时，均会影响整个系统的正常运行，不能满足具有高可靠性、冗余要求的应用场合；2、大多采用网关， 即协议转换装置，由于站控层网络速率一般不低于10M,而现场间 隔层的现场总线速率一般低于1M，因此当现场总线子站设备即网络节点较多时，由于总处于等待子站设备数据更新，因而会大大降低整个系统的实时性，不能满足大数据量、高实时性能的应用场合；3、现有的该类产品大多采用低速的下行现场接口，接口总线速率 不高于38.4K，不能满足当今国际工业主流的H2类高速现场总线 的应用及标准①DeviceNet总线，GB / T18858. 3-2002的要求， ②Profibus - DP总线，IEC 6 1 158 : 2003中TYPE III的要 求，③Modbus/TCP工业以太网，GB / Z19582. 1-2004第1部分的 要求；4、目前该技术领域的产品大多采用工控机及WINDOWS操作 系统来完成的，但由于具有风扇、硬盘等诸多外围接插器件，硬件 及软件均存在不稳定因素。综上所述，现有技术面临的关键技术问 题是保证其可靠性、实时性以及现场总线的规范性，目前上述技术 问题均没有得到有效的解决，制约了现场总线控制系统FCS的广泛 应用。实用新型内容本实用新型专利申请的发明目的在于提供一种可靠性高、通 讯传输速率高、并可基于标准化的H2类高速现场总线网络组成现 场总线控制系统FCS的冗余式智能型网络通讯控制器。本实用新型 专利申请提供的冗余式智能型网络通讯控制器技术方案，其主要技 术内容是 一种冗余式智能型网络通讯控制器，由结构构成相同 的主通讯控制器和备用通讯控制器连接组成，每组通讯控制器中设有中央控制CPU单元和电源单元，其I/O总线分别设置连接以 太网接口总线单元、HI类低速现场接口总线单元和H2类高速现 场接口总线单元，主通讯控制器和备用通讯控制器之间由I/O总 线作为监测信号端经光电隔离耦合器件连接。上述的两部智能型网络通讯控制器可与主用控机和备用控机 组成冗余式现场总线控制系统，其主用控机具有装置的优先管理控 制权，同时主通讯控制器每200MS以脉冲方式光隔离输出通知备用 控机。无论何种原因，当主用控机出现故障，既备用通讯控制器 在设定的500MS内没有检测到主用控机的脉冲信号，则备用控机接 管整个系统的控制权，包括以太网、现场总线等的硬件冗余处理和 软件数据处理；待主用控机修复或恢复正常后，备用控机自动将系 统控制管理权交还给主用控机，然后自动退出，保证整个系统的"无 缝"过渡。本实用新型技术方案还基于分层分布式的现场总线网络 架构模式实现硬件网络拓扑应用，以软件设计将每个现场总线接口 均分配独立的工作线程，下行现场总线采集数据实时更新到本冗余 式智能型网络通讯控制器的用户数据区，可以根据用户要求配置文 件，实现各种数据编程、归纳、整理和计算，上行以太网仅对用户 数据区进行数据交换，极大提高了网络数据的实时性，尤其是现场 总线子站设备即网络节点较多的应用场合。本实用新型方案具有多 种现场总线接口，包括4路标准H1类低速现场总线；标准H2类高 速现场总线接口，其中包括10M/100M自适应工业以太网接口 2路， Profibus-DP或DeviceNet总线接口 4路。本冗余式智能型网络 通讯控制器的操作系统采用实时多任务操作系统LINUX, CPU采用 ARM9，主频266MHz,无硬盘、无风扇设计，从硬件角度不但进一 步提高可靠性，从软件角度也可免除计算机病毒的困扰。
图1和图2分别为将本实用新型冗余式智能型网络通讯控制 器连接为主用控机和备用控机方式的现场总线控制系统的双网和 单网结构图图3为本冗余式智能型网络通讯控制器的电路结构框图。
具体实施方式
本实用新型的冗余式智能型网络通讯控制器，如图3所示， 其主要技术内容是本冗余式智能型网络通讯控制器由结构构成 相同的主通讯控制器(A)和备用通讯控制器(B)连接组成，每 组通讯控制器中均设有中央控制CPU单元A、B和电源单元a、 b， 其中选用ARM9作为其中央控制CPU单元的中央处理器，其I/O总 线分别分配连接设置有以太网接口总线单元1A、 1B、 HI类低速 现场接口总线单元2A.3A、 2B.3B，以及H2类高速现场接口总线 单元4A.5A、 4B.5B,主通讯控制器(A)和备用通讯控制器(B) 之间由各自分配的I/O总线作为监测信号端、经光电隔离耦合器 件连接。其中的中央处理器1、 CPU IDT 79R32438- 266， MIP32 Core 266MHz;2、 Flash Memory: 8M Bytes，用于存放用户配置文件；3、 SDRAM 32M Bytes,用于CPU与现场总线进行通讯的内存；4、 EEPROM; 512K Bytes,用于存放系统程序。 现场总线接口1、 2路以太网接口 1A、 IB:采用10/100M自适应以太网，RJ45 接口，通讯协议采用MODBUS/TCP，符合国标GB/Z19582. 1-2004基 于MODBUS协议的工业自动化网络规范第1、 3部分；2、 4路HI类低速现场总线接口 2A.3A、2B.3B:采用标准RS-485 或RS-422接口，最高通讯速率可达38. 4K，通讯协议采用MODBUS RTU，符合国标GB/Z19582. 1-2004基于MODBUS协议的工业自动化 网络规范第1、 2部分；3、 4路H2类高速现场总线接口 4A.5A、 4B.5B: 具备以下现场总线接口卡，主/从站可选择，其中 Profibus-DP总线通讯速率187. 5K/500K/1500K/3000K可选； DeviceNet总线-通讯速率125K/250K/500/謂0K可选； LonWorks总线 通讯速率125K/250K/500/1000K可选。其系统数据处理能力；16位模拟量遥测总量8192点数据可配置；32位模拟量遥脉总量4096点数据可配置； 开关量输入遥信总量8192点数据可配置；
开关量输出遥控总量4096点数据可配置。其系统运行及维护1、 LED指示灯电源1个；运行1 个；以太网10M/100M各2个；现场总线工作状态收/发各8个。2、系统配置端口 RS-232通讯口. 1个(DB9孔)；3、实时时钟。下面叙述本冗余式智能型网络通讯控制器的工作原理一、 装置的配置文件 本实用新型冗余式智能型网络通讯控制器的硬件均采用两套独立的硬件配置，两套装置的工作模式是根据用户的配置文件来完 成的，用户配置文件包括1、 主通讯控制器(A)和备用通讯控制器(B)的工作模式2、 Hl类低速现场总线的通讯协议、子站数量及地址、数据类型、数据量、通讯速率及接线方式等。3、 H2类高速现场总线的总线类型、子站数量及地址、数据类 型、数据量、通讯速率等。4、 以太网的IP地址、端口号、子站掩码、网关地址、数据类 型、数据量、通讯协议等。二、 工作过程正常情况下主通讯控制器(A)具有装置的优先系统管理权及现场总线的通讯控制权，既"主通讯控制器(A)"处于正常工作状态，负责现场总线的调度和管理工作，同时"主通讯控制器(A)"通过光电隔离耦合器件，每200mS输出一个脉冲信号到"备 用通讯控制器(B)",供备用通讯控制器(B)监视"主通讯控制 器(A)"是否工作正常之用，无论何种原因，当主通讯控制器(A) 出现故障，如电源故障、CPU故障或现场总线故障等等时，主通讯 控制器(A)输出脉冲信号停止，当备用通讯控制器(B)在500MS 内没有检测到主通讯控制器(A)的脉冲信号；备用通讯控制器(B) 自动接管整个系统的控制权，包括以太网、现场总线等的硬件管理 和软件数据处理；由备用通讯控制器(B)接替主通讯控制器(A) 的调度和管理工作；当主通讯控制器(A)修复或恢复正常后，备 用通讯控制器(B)自动将系统控制管理权交给主通讯控制器(A) 后，自动退出，实现整个现场总线软、硬件的"无逢"过渡。1、 装置正常状态下，"主通讯控制器(A)"具有系统控制权，主要调 度和管理事件如下①主通讯控制器(A)的HI类现场总线接口 2A、 3A的负责总线数据采集、控制；备用通讯控制器(B)的HI 类现场总线接口 2B、 3B处于等待状态，不工作；②主通讯控制器(A)的H2类现场总线接口 4A、 5A的负责总线数据处理、控制； 备用通讯控制器(B)的H2类现场总线接口 4B、 5B处于等待状态， 不工作；由于H2类高速总线类型较多，如Profibus-DP、 DeviceNet、 LonWorks等，它们的硬件接口及数据报文访问机制不 同，因此本实施例中采用了具有双口 RAM接口的智能现场总线模 块，其外型尺寸均为72*48*16mm,其双口 RAM的读写格式及现场 总线数据区均是相同的，因此，对于不同的H2类现场总线，可选 择对应的智能现场总线模块；软件驱动是完全相同的，仅需要修改 装置的配置文件中现场总线类型既可。③的以太网口 1A的网络数 据处理及控制；备用通讯控制器(B)的的以太网口 1B处于等待 状态，不工作； 的I/O数据处理及控制通过I/O数据线，每 200mS输出一个脉冲信号到光电隔离耦合器件，该光电隔离耦合器 件输出信号连接到的光电隔离耦合器件输入。备用通讯控制器(B) 的1/0数据处理及控制通过1/0数据线，每250mS读取一次脉冲 输入信号，如果500mS内未检测到主通讯控制器(A)的脉冲信号； 备用通讯控制器(B)自动接管整个系统的控制权，包括以太网、 现场总线等的硬件管理和软件数据处理；由备用通讯控制器(B) 接替主通讯控制器(A)的调度和管理工作。2、装置异常状态下，"备用通讯控制器(B)"具有系统控制权，主要调度和管理事件 如下①备用通讯控制器(B)的Hl类现场总线接口 2B、 3B的负 责总线数据采集、控制；主通讯控制器(A)的H1类现场总线接 口 2A、 3A处于等待状态或不工作；②备用通讯控制器(B)的H2 类现场总线接口(4B、 5B)的负责总线数据处理/控制；主控单元的 H2类现场总线接口 4A、 5A处于等待状态或不工作；H2类高速总 线工作原理同上页"主通讯控制器(A)的H2类现场总线接口 "。 ③备用通讯控制器(B)的以太网口 1B的网络数据处理及控制； 主通讯控制器(A)的以太网口 1A处于等待状态或不工作；④备 用通讯控制器(B)的1/0数据处理及控制通过1/0数据线，每 250mS读取一次由主通讯控制器(A)发出的脉冲输入信号，如果 1000niS内连续检测到3个或以上的脉冲信号，表示主通讯控制器 (A)已经恢复正常工作，备用通讯控制器(B)将立即自动退出 整个系统的控制权，包括以太网、现场总线等的硬件管理和软件 数据处理；由主通讯控制器(A)负责系统的调度和管理工作。本实用新型具有如下优点1 .具有高可靠性。硬件的CPU、 现场总线接口及电源均采用相同且独立的硬件装置，主备冗余工作模式，软件采用LINUX嵌入式操作系统；无论出现何种故障，如电 源故障、CPU故障、现场总线故障或软件故障等，均不影响装置的正常工作。可广泛应用在工业过程自动化和工业制造自动化领域，包括冶金、化工、电力、制药、造纸等相关行业，尤其在连续生 产的自动化过程控制领域。2 .具有分散控制特点。本实用新型废弃了 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，从而构成现场总线控制站，控制功能 由现场设备实现，从而实现彻底的分散控制，体现了系统结构的高 度分散性。3 .具有自动化综合能力。本实用新型突破了 DCS系统中通 信由专用网络的封闭系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别 进行硬线连接来实现所造成的弊端，可节约大量通讯线缆；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 于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制 模块、各输入输出模块下放到现场设备，便于将规范的自动化设备 通过现场总线网络连成系统，实现综合自动化的各种功能。4 .具有高实时性。本实用新型废弃了以往"网关"式透明数 据访问机制，硬件网络拓扑应用基于分层分布式的现场总线网络架 构，软件技术采用每个现场总线接口均分配独立的工作线程，下行 现场总线采集数据实时更新到用户数据区，根据用户配置文件，可 编程、归纳、整理和计算各种数据，上行以太网仅对用户数据区进 行数据交换；极大提高了网络数据的实时性，尤其是现场总线子站 设备，即网络节点较多的应用场合。5 .具有系统的开放性。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。 一个开放系统，是指它可以与世 界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。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.本实用新型致力
于建立统一的工厂底层网络的开放系统，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系统，通过本实用新 型构筑自动化领域的开放互连系统。6 .具有互操作性与互用性.本实用新型的互操作性，是指 实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同 生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。7 .具有现场设备的智能化与功能自治性。本实用新型将传 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，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断 设备的运行状态。8 .具有对现场环境的适应性.本实用新型工作在生产现场 前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的， 可支持双纹线，同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有 较强的抗干扰能力。9.节省硬件数量与投资。由于本实用新型分散在现场的智能 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 系统的信号调理、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。10 .节省安装费用。本实用新型的接线十分简单， 一对双纹 线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥 架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少.当 需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有 的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。11 .节省维护开销。由于本实用新型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，同时由于系统结构简化， 连线简单而减少了维护工作量。12 .用户具有高度的系统集成主动权.采用本实用新型用户 可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统.避免因选择了某 一品牌的产品而被"框死"了使用设备的选择范围，不会为系统集
成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成权牢牢掌握在用户手中。13 .提高了系统的准确性.由于本实用新型的智能化、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，由于系统的结构简化，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，进一步提高了系统 的工作可靠性。
权利要求1、一种冗余式智能型网络通讯控制器，其特征在于它由结构构成相同的主通讯控制器和备用通讯控制器连接组成，每组通讯控制器中设有中央控制CPU单元和电源单元，其I/O总线分别连接设置有以太网接口总线单元(1A、1B)、H1类低速现场接口总线单元和H2类高速现场接口总线单元，主通讯控制器和备用通讯控制器之间由I/O总线作为监测信号端、经光电隔离耦合器件连接。
专利摘要本实用新型涉及的是现场总线控制系统FCS中的网络通讯控制器。为提高现场总线控制系统工作的可靠性和实时性，本实用新型提供的冗余式智能型网络通讯控制器，它由结构构成相同的主通讯控制器和备用通讯控制器连接组成，每组通讯控制器中设有中央控制CPU单元和电源单元，其I/O总线分别连接设置有以太网接口总线单元、H1类低速现场接口总线单元和H2类高速现场接口总线单元，主通讯控制器和备用通讯控制器之间由I/O总线作为监测信号端、经光电隔离耦合器件连接。本技术方案具有高可靠性和实时性等技术优点。
文档编号H04L1/22GK201048386SQ20062009382
公开日2008年4月16日 申请日期2006年10月30日 优先权日2006年10月30日
发明者刘海波, 苑智伟 申请人:丹东华通测控有限公司