专利名称：一种工业数据网络通信总线系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业数据通信技术领域，尤其涉及一种工业数据网络通信总线系统。
背景技术：
工业数据通信具有地域分布广、节点分散、环境恶劣、可靠性要求高等特点。工业 数据总线系统包括工业数据总线设备和工业现场设备，工业现场设备用于采集/输入工业 数据，并将工业数据传输给工业数据总线设备，工业数据总线设备之间可进行工业数据的 传输；对于电力配电通信网来说，工业现场设备可以为变压器(或其它配电自动化设备)， 变压器通过RS232或RS485接口与工业数据总线设备连接。工业数据总线设备之间一般 采用现场总线模式进行传输，现场总线包括PROFIBUS， M0DBUS， CAN等类型，由于这些现场 总线技术标准各异，工业数据总线设备之间的兼容性不好，且数据传输速度较慢，可靠性较 差。
实用新型内容本实用新型提供一种兼容性好、可靠性高的工业数据网络通信总线系统。 —种工业数据网络通信总线系统，包括工业现场设备，进一步包括工业数据总线
终结点设备和至少一组弹性分组环设备，弹性分组环设备包括工业数据总线分节点设备、
工业数据总线汇聚点设备，工业数据总线分节点设备包括用于实现工业数据、网管数据与
弹性分组环帧相互转换的弹性分组环帧转换单元，工业数据总线分节点设备的线路接口和
工业数据总线汇聚点设备的线路接口通过弹性分组环连接，工业数据总线分节点设备的业
务接口与工业现场设备连接，工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设备连接。 其中，进一步包括至少2台同步数字传输体系分插复用器，同步数字传输体系分
插复用器组成同步数字传输体系网络，工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设
备分别与同步数字传输体系网络中的同步数字传输体系分插复用器连接。 其中，进一步包括以太网交换机，工业数据总线汇聚点设备通过以太网交换机与
同步数字传输体系分插复用器连接。 其中，进一步包括网管终端，网管终端与工业数据总线终结点设备的网管接口连 接。 其中，工业数据总线分节点设备的业务接口具体为RS232接口 、RS422接口 、RS485 接口或以太网接口。 其中，线路接口为FC型光纤连接器。 从以上的技术方案可以看出，本实用新型包括工业现场设备、工业数据总线终结 点设备和至少一组弹性分组环设备，弹性分组环设备包括工业数据总线分节点设备、工业 数据总线汇聚点设备，工业数据总线分节点设备包括用于实现工业数据、网管数据与弹性 分组环帧相互转换的弹性分组环帧转换单元，工业数据总线分节点设备的线路接口和工业数据总线汇聚点设备的线路接口通过弹性分组环连接，工业数据总线分节点设备的业务接 口与工业现场设备连接，工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设备连接。本实 用新型的工业数据总线汇聚点设备转发工业数据总线分节点设备和工业数据总线终结点 设备之间传输的数据，通过弹性分组环传输工业数据和网管数据，各设备之间的兼容性好、 可靠性高，数据传输速度快，满足工业数据通信的实时性、多业务性的要求。
图1为本实用新型的系统结构示意图； 图2本实用新型的MAC帧格式示意图； 图3为本实用新型的从分节点到终结点映射过程示意图； 图4为本实用新型的从终结点到分节点映射过程示意图。
具体实施方式参见图1至图4，
以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。 —种工业数据网络通信总线系统，包括工业现场设备，进一步包括工业数据总线
终结点设备和至少一组弹性分组环设备，弹性分组环设备包括工业数据总线分节点设备、
工业数据总线汇聚点设备，工业数据总线分节点设备包括用于实现工业数据、网管数据与
弹性分组环帧相互转换的弹性分组环帧转换单元，工业数据总线分节点设备的线路接口和
工业数据总线汇聚点设备的线路接口通过弹性分组环连接，工业数据总线分节点设备的业
务接口与工业现场设备连接，工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设备连接。 本实用新型的工业数据总线汇聚点设备转发工业数据总线分节点设备和工业数
据总线终结点设备之间传输的数据，利用性分组环(RPR，ResilientPacket Ring)自愈保护
特性，通过弹性分组环传输工业数据和网管数据，各设备之间的兼容性好、可靠性高，数据
传输速度快，满足工业数据通信的实时性、多业务性的要求。弹性分组环是一种双向环网结
构，支持双环同时工作和备份工作的方式，并提供动态网络拓扑发现和修正的功能，具有高
可靠性的瞬间自愈功能。 本实施例中，进一步包括至少2台同步数字传输体系(SDH， SynchronousDigital Hierarchy)分插复用器(ADM， Add Drop Multiplexer)，同步数字传输体系分插复用器组成 同步数字传输体系网络，工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设备分别与同步 数字传输体系网络中的同步数字传输体系分插复用器连接。进一步包括以太网交换机，工 业数据总线汇聚点设备通过以太网交换机与同步数字传输体系分插复用器连接。进一步包 括网管终端，网管终端与工业数据总线终结点设备的网管接口连接，网管终端可用于管理 RPR设备。同步数字传输体系使用的是E1通道。 —组弹性分组环设备只有一台工业数据总线汇聚点设备，可有多台工业数据总线
分节点设备。对本系统来说，可以有多组弹性分组环设备。每组弹性分组环设备的工业数
据总线汇聚点设备分别与同步数字传输体系分插复用器连接。为减少电磁干预，可采用铝
金属外壳对工业数据总线汇聚点设备和工业数据总线分节点设备进行屏蔽。 工业数据、网管数据在工业数据总线分节点设备中被转换成弹性分组环帧，在工
业数据总线汇聚点设备中被分离。工业数据、网管数据各走一个E1通道，这两种数据在环中均为2层以太网帧数据，工业数据总线分节点设备之间没有工业数据、网管数据的交流， 这些数据均由工业数据总线汇聚点设备转发到工业数据总线终结点设备。 参考图2，为本方案的MAC帧格式示意图。SA为自身RPR地址，DA为对方RPR地 址，减少HASH过程。对所有分节点而言，DA为汇聚点的RPR地址；对终结点而言，DA为分 节点的RPR地址。PREAMBLE为帧引导头，SFD为帧起始字段，LENGTH/TYPE为长度/类型， DATA 1 n为数据，PAD为填充字段，FCS为校验码，EXTENSION为扩展。BT为DATA字段的 第一个Byte，用于指示Type内容；Manage/rs232为RS232业务信息，P0RTn为数据接口信 息，MCUreg为MCU网管信息，分节点根据BT对这些信息进行RPR封包。该例中使用RS232 接口 ，故称为RS232业务信息、RS232数据，其为工业数据。本文的分节点、汇聚点、终结点分 别为工业数据总线分节点设备、工业数据总线汇聚点设备、业数据总线终结点设备的简称。 参考图3，为从分节点(终端)到终结点(网管中心)映射过程示意图。参考图4， 为从终结点(网管中心)到分节点(终端)映射过程示意图。在这两个图中，汇聚点与终结 点使用以太网传输，以太网只是其中一种形式，还可以使用SDH等网络。串口信息为RS232 信息、工业信息，串口数据为RS232数据、工业数据。 本实施例中，分节点的控制部分主要包括FPGA(Field ProgrammableGate Array, 现场可编程门阵列)芯片和MCU (Micro Controller Unit，微控制单元)。FPGA介绍如下 完成2层封包的业务识别、优先等级分类、封装、拆分，并处理RPR协议。FPGA根据以太网帧 的BT分离RS232业务信息(也称业务数据)、MCU网管信息(也称网管数据)和数据接口 信息，但不改变RS232通道的BT。另一方向，把三种类型接口信息作RPR封包处理并传输。 MCU介绍如下这里可以使用MCU代替昂贵的CPU。串口波特率在19. 2Kbps以下，而网管信 息较简单，总流量较少，有500Kbps带宽足够。MCU直接通信对象为汇聚点CPU，通过8bits 并行总线进行，逻辑上是汇聚点CPU总线上的外设，采用以太网格式进行通信。MCU完成本 设备配置、监控、检测功能。初始配置通过本地RS232端口完成。分节点电路尽量简单，以 适应恶劣环境。功耗尽量低以降低产生的热量。 汇聚点的控制部分主要包括FPGA和CPU(中央处理器)。FPGA介绍如下完成2 层封包的业务识别、优先等级分类、封装、拆分，并处理RPR协议。FPGA根据以太网帧的BT 分离RS232业务信息、MCU网管信息。另一方向，把两种类型接口信息作RPR封包处理并传 输。CPU介绍如下性能较强的CPU,运行SNMP协议，作为分节点和网管中心PC间的代理， 收集、分配分节点网管信息，维护环上设备的即插即用信息，并对本设备提供配置、监控、检 测功能。环上所有分接点的MCU均可视作挂于本CPU总线上的外设，把本地FPGA当作一个 以太网MAC接口使用。本CPU掌握总线的MASTER权，采用以太网格式进行通信。CPU网口 跟网管中心采用TCP/IP协议通信。初始配置通过本地RS232端口进行。汇聚点处于电力 SDH环网机房内，电路相对分节点复杂，但处理的本质上跟分节点类似。网管信息、RS232业 务信息在此分离，分别走不同传输通道向网管中心传输。 终结点的控制部分主要包括FPGA和CPU。 FPGA介绍如下完成RS232业务封包从 El或以太网中解映射或相反地把RS232业务映射到El或以太网的工作。对应工作由MAC 232对应表及BT字节协助。CPU介绍如下作为辅助性网管，负责维护终结点物理RS232端 口到分节点RS232端口间的对应数据库，并对本设备提供配置、监控、检测功能。初始配置 通过本地RS232端口进行。终结点处于电力大楼机房内，终结点与网管中心的网管终端连接。 本实施例中，分节点可实现2+2路RS232或RS485接口至RPR协议转换功能。本 设备提供业务接口 、线路接口 、管理接口 。业务接口为RS232接口 ；当然也可以为RS422 接口、 RS485接口或以太网接口。 RS232最大速率19. 2kbps ;业务接口可配置600bps、 1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、 19. 2kbps速率。线路接口为FC型光纤连接器，类型为 100Base-FX RPR，单模1310nm 30km/多模850nm 6km，单纤/双纤收发可选，线路接口的数 量为两个，它们通过两条双向总线与其它设备线路接口对接组成弹性分组环网络。管理接 口为RS232或RJ45接头，速率为9600bps，作为本地超级终端。 汇聚点可完成40路RS232业务至El或10/100M Ethernet映射功能。本设备 提供业务中继接口、网管接口、管理接口、线路接口。业务中继接口为RJ45、 SDH El或 10/100Base-Tx Ethernet。网管接口为RJ45、 SDH El或10/100Base-Tx Ethernet。管理 接口为RJ45或RS232接口，速率为9600bps，作为本地超级中端。线路接口为FC型光纤连 接器，类型为100Base-FX RPR，单模1310nm 30km/多模850nm 6km，单纤/双纤收发可选。 终结点可完成E1至40路RS232业务的解映射功能。本设备提供业务中继接口 、业 务接口、网管接口、管理接口。业务中继接口为RJ45、SDH El或10/100Base-Tx Ethernet。业 务接口具体为RS232接口。业务接口可配置600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、 19. 2kbps速率。网管接口为RJ45、SDH El或10/100Base-Tx Ethernet。管理接口为RJ45 或RS232接口 ，速率为9600bps，作为本地超级中端。 本实用新型具有以下的优点 (1)工业级恶劣环境下工作稳定性的保证。简化分节点电路、采用高可靠性器件、 降低整机功耗。 (2)简洁网管方式的实现。本系统环上网管信息采用MASTER(汇聚点)-SLAVE (分 接点)于2层模型的逻辑结构，简化环上的管理资源， 一个环只需要一个IP地址，分节点用 单一 MAC地址进行识别，汇聚点做SNMP网管中继。网管中心只需直接面对汇聚点作管理。 当然，还可采用另一种可行的方案，所有分节点均运行TCP/IP协议，分接点、汇聚点都直接 面对网络中心；这种方式会使分节点MCU网络处理性能要求增高，网管软件相对变得复杂， 不利于分节点简洁高效的实现。 (3)混合业务识别和实时性的保证。从FPGA不同界面接入不同业务，在接入点物 理上就把各种业务分开，结合FPGA的并发特性，采用RPR技术对不同界面上的业务进行分 类，且给RS232业务划分保留带宽的方式，使得业务实时性大大增强，环上业务形态是十分 清晰可循的。 (4)即插即用的实现。为了实现设备加入环中无须太多设置过程，可采用以下方 式RPR地址、CPU网管MAC地址、RS232端口识别地址统一处理，简化设备识别方法。分节 点设置简洁的地理位置信息，以供汇聚点CPU和网管中心SNMP软件通信使用；节点介入后 主动请求学习环上汇聚点的MAC地址，并发送本设备的地理位置信息。汇聚点负责收集维 护各个分接点的信息，并植入SNMP私有节点中，供网管中心软件识别并处理网络拓扑。 (5)灵活性的支持。RS232业务只经过FPGA处理，由于传输方法的可控制性强，所 以可以独立于传输媒体采用不同的传输物理接口。另外，通过压縮数据的方式可以让同样 大小的带宽通道承载更多的RS232业务信道。[0035] 此外，本方案还提供另一种方法，直接把RS232数据映射进El 。此方式可以让现有 的PCM设备代替终结点。上述MAC帧中，BT字节的MCUReg信息等同于信息命令类型。 对于电力配电通信网，有如下要求(1)可靠性。可靠性的要求包含设备可靠和网 络可靠，因为配网自动化通信系统的绝大多数通信节点都工作于户外恶劣环境下，要求设 备在高温高湿雷电等恶劣条件下能长期稳定工作，并避免电磁干扰，最好能够在停电时设 备仍能工作。同时要求网络生存性能优越，在节点和路径故障时具有保护路由，保证通信业 务不受影响。(2)经济性。考虑到配电网系统的总体经济效益，通信系统的投资不应过大， 力争充分利用现有的主网通信资源，进行主、配网整体规划，避免重复投资。(3)容易操作和 免维护。(4)组网灵活容易扩展和扩容。同输电网络不同，配电网络根据用户的要求可能随 时发生变化，相应的要求配电通信网络也能随时做节点的增减等等修改，考虑到将来电力 需求的发展，配电网络也应当能够实现方便的扩展和扩容。 本实用新型可满足电力配电通信网的上述要求。对电力配电通信网来说，工业现 场设备可以为变压器、开闭所、柱上断路器、或其它配电自动化设备；这些工业现场设备可 通过局域网利用交换机接入工业数据总线分节点设备，或直接接入工业数据总线分节点设 备。本实用新型在电力配电通信领域具有很大的商业应用价值。需要指出的是，本实用新 型还适用于其它恶劣环境的工业领域的数据通信。 以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实 用新型的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为 对本实用新型的限制。
权利要求一种工业数据网络通信总线系统，包括工业现场设备，其特征在于，进一步包括工业数据总线终结点设备和至少一组弹性分组环设备，弹性分组环设备包括工业数据总线分节点设备、工业数据总线汇聚点设备，工业数据总线分节点设备包括用于实现工业数据、网管数据与弹性分组环帧相互转换的弹性分组环帧转换单元，工业数据总线分节点设备的线路接口和工业数据总线汇聚点设备的线路接口通过弹性分组环连接，工业数据总线分节点设备的业务接口与工业现场设备连接，工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设备连接。
2. 根据权利要求1所述的工业数据网络通信总线系统，其特征在于，进一步包括至少2 台同步数字传输体系分插复用器，同步数字传输体系分插复用器组成同步数字传输体系网 络，所述工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设备分别与同步数字传输体系网 络中的同步数字传输体系分插复用器连接。
3. 根据权利要求2所述的工业数据网络通信总线系统，其特征在于，进一步包括以太 网交换机，所述工业数据总线汇聚点设备通过以太网交换机与同步数字传输体系分插复用 器连接。
4. 根据权利要求1所述的工业数据网络通信总线系统，其特征在于，进一步包括网管 终端，网管终端与所述工业数据总线终结点设备的网管接口连接。
5. 根据权利要求1所述的工业数据网络通信总线系统，其特征在于，所述工业数据总 线分节点设备的业务接口具体为RS232接口 、 RS422接口 、 RS485接口或以太网接口。
6. 根据权利要求1所述的工业数据网络通信总线系统，其特征在于，所述线路接口为 FC型光纤连接器。
专利摘要本实用新型公开了一种工业数据网络通信总线系统，涉及工业数据通信技术领域；本实用新型包括工业现场设备、工业数据总线终结点设备和至少一组弹性分组环设备，弹性分组环设备包括工业数据总线分节点设备、工业数据总线汇聚点设备，工业数据总线分节点设备包括弹性分组环帧转换单元，工业数据总线分节点设备的线路接口和工业数据总线汇聚点设备的线路接口通过弹性分组环连接，工业数据总线分节点设备的业务接口与工业现场设备连接，工业数据总线汇聚点设备与工业数据总线终结点设备连接；本方案通过弹性分组环传输工业数据和网管数据，各设备之间的兼容性好、可靠性高，数据传输速度快。
文档编号H04L12/40GK201467154SQ20092006155
公开日2010年5月12日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者徐名建 申请人:东莞市金之桥通讯科技有限公司