工业无线传感网开关控制系统及方法与流程

本发明涉及一种工业无线传感网开关控制系统及方法。属无线通信和嵌入式系统技术领域。

背景技术：

工业控制系统发展主要经历手动控制、半自动控制和智能化控制三个阶段。手动控制方式没有中控室，控制全凭借经验操作，随意性大。半自动控制方式终端运行参数数据一般通过有线电缆传输，从中控室对其进行设置。终端设备按照设置的参数自动进行作业，在作业过程中，可根据实际情况进行必要的干预，也可以在中控室设置参数或命令通过有线电缆控制作业，或通过装载无线设备进行无线控制。智能化运行方式主要采用远程控制模式，作业人员在中控室中进行控制，发出指令，终端设备按照指令进行工作。工作过程中，作业人员可在中控室进行监控和干预。如果现场场地大，有多台设备的话，人工远程干预将不易实现，因此，该方式一般用于现场设备很少的情况下，如日本北陆电力大田七尾发电所采用这种方式。传统的远程控制基于PLC的有线信号传输控制。每台终端通过自身的PLC进行有线信号的收集和处理，并将处理结果信息通过有线电缆传送到中控室，这种方式长年累月易造成电缆磨损，影响信号传输的稳定性。

针对这种现象，利用无线通信技术，进行控制信息传输，即点对点控制。这里点对点控制采用双向无线智能控制器，可以完全代替终端设备的控制电缆，实现无线控制，从而解决传统控制系统的控制电缆断裂造成严重影响生产的问题，同时维护更换方便，节省了大量的人力、物力和财力。点对点控制需要两台配对使用，相互控制，输入状态控制到对方设备的输出，设备同时具有自诊断功能、检测对方设备是否在线、故障输出告警等功能，具有配置简单、使用方便、实用性强、性能稳定等优点。

点对点双向无线智能控制器避免了有线传输中因电缆损坏或接触不良造成控制信号丢失现象，但是，也带来频段利用率低、效率不高等缺点。通过多个控制终端组建工业无线传感网，实现控制终端开关量输入与控制终端开关量输出间一对一、一对多、多对一、多对多的配置，达到一台控制终端，控制多台输出设备，解决现场终端设备数量多、分布不集中的控制问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术存在的不足，提供一种工业无线传感网开关控制系统及方法。目的在于将监控终端、控制终端组建成工业无线传感网，通过配置，构建控制终端开关输入量与控制终端开关输出量间一对一、一对多、多对一、多对多映射，实现控制终端的联动，提高设备利用效率，增强整个网络生存周期。控制终端只有开关输入量和开关输出量，应用不同领域，可根据应用对象，控制终端连接不同的输入对象(如，断路器、传感器等)及输出对象(如，操作机构、电机等)。控制终端只考虑开关输入量和开关输出量，抛开了具体对象，扩展了工业无线传感网的应用领域。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

一种工业无线传感网开关控制系统，包括监控终端和控制终端，利用无线通信技术，构建工业无线传感网。

具体来说，所述的控制终端设置于靠近开关量设备处，与监控终端通过无线通信方式进行通信，用于开关量信号的采集、处理、传输、转发及控制；

进一步地，所述的监控终端通过有线方式与监控处理中心相连接，用于转发控制终端开关量数据到监控处理中心，以及转发监控处理中心数据或命令到控制终端，实现组网及数据通信。

进一步地，所述的工业无线传感网开关控制系统由一台监控终端和多台控制终端组成，通过星型架构，构建网络，实现多台控制终端信息共享及联动。通过监控终端实现对控制终端配置及控制，以及配置网络，可根据实际情况进行灵活多样的配置，达到资源利用最优。

工业无线传感网开关控制系统的控制方法，其步骤：

步骤一、监控处理中心发送组网控制命令到监控终端；

步骤二、监控终端收到组网控制命令，对多个控制终端进行组网；组网成功后，将组网成功信号发送到监控处理中心，跳转到步骤三；否则，发送组网不成功信号到监控处理中心，跳转到步骤一；

步骤三、监控处理中心将系统配置需要发送给监控终端；

步骤四、监控终端接收到监控处理中心数据，进行解析，并将配置命令转发给各个控制终端；

步骤五、控制终端收到监控终端发送的数据信息，进行解析，并反馈给控制终端应答信号，建立控制终端开关输入量和开关输出量与其它控制终端开关输出量和开关输入量连接关系，形成控制终端的开关输入量与其它控制终端开关输出量间一对一、一对多、多对一、多对多配对；

步骤六、控制终端根据配对关系，将开关输入量信息发送到配对的控制终端开关输出量；同时将开关输入量信息通过监控终端传输到监控处理中心；

步骤七、控制终端开关输出量信息通过监控终端传输到监控处理中心；

步骤八、如果需要调整控制终端开关输入量与其它控制终端开关输出量之间的匹配关系，通过监控处理中心进行设置，然后跳转到步骤三；否则跳转到步骤六。

本发明的优点及效果：与现有技术相比，本发明提供的工业无线传感网开关控制系统通过监控终端实现对控制终端的配置及控制。可实现控制终端的输入开关量与其它控制终端输出开关量间一对一、一对多、多对一、多对多配对，即每个控制终端可临时作为主控制终端用以控制整个网络中其它控制终端的工作状态。避免因个别设备故障，造成所在区域工作无法完成，及系统效率低下；也可以根据现场情况，通过监控终端设置设备工作状态。通过组网方式，实现设备功效最大化。另外，控制终端只有输入开关量和输出开关量，应用不同领域，可根据应用对象，控制终端连接不同的输入对象(如，断路器、传感器等)及输出对象(如，操作机构、电机等)。控制终端只考虑输入开关量和输出开关量，抛开了具体对象，增强了其通用性，扩展了工业无线传感网的应用领域。

附图说明

图1是工业无线传感网开关控制系统的控制终端功能结构图；

图2是工业无线传感网开关控制系统的监控终端功能结构图；

图3是工业无线传感网开关控制系统的网络拓扑结构图；

图4是工业无线传感网开关控制系统的网络配置结构示意图。

具体实施方案

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1是工业无线传感网开关控制系统的控制终端功能结构图。8路开关输入量由两个4路输入量组成，通过光电隔离电路输入到处理单片机，光电隔离电路使开关输入量和处理单片机之间实现电气隔离，增强系统稳定性。指示灯独立显示8个输入开关量的通断状态。无线单片机接收无线信号、转换输入到处理单片机，同时也将处理单片机传来的信息无线发送出去。处理单片机解析无线单片机输送来的信息，并将结果通过光电隔离电路，输出控制8路开关量。DC-DC电路提供给处理单片机、无线单片机、射频信号处理、指示灯、8路开关输入量工作电源。

图2是工业无线传感网开关控制系统的监控终端功能结构图。RS232通信接口、RS232/485通信接口传输有线数据到处理单片机，目的为工业控制中其它模块进行有线通信，起到兼容功能。无线单片机接收无线信号、转换输入到处理单片机，同时也将处理单片机传来的信息无线发送出去。处理单片机解析无线单片机输送来的无线信息，以及通过RS232通信接口、RS232/485通信接口输送来的有线信息。DC-DC电路提供给处理单片机、无线单片机、射频信号处理、指示灯工作电源。

将控制终端、监控终端组合在一起，构建工业无线传感网开关控制系统的网络拓扑结构，如图3所示。工业无线传感网开关控制系统采用3层的分层式星型网络结构，网络拓扑结构的第一层(工作站)，包括监控处理中心和监控终端。第二层是以工作站为核心组成的星型网络结构，采用控制终端作为无线节点。第三层是以第二层中某一节点为核心构成星型网络结构，采用控制终端作为无线节点。监控终端通过RS-232通信接口接收监控处理中心发来的配置命令，进行相应的配置，其中数据通信支持Modbus通信协议。控制终端通过无线接收监控终端发来的IO配对命令，实现控制终端的输入通道远程控制其它控制终端的输出通道。无线传输数据帧总长度为20个字节，包括2个字节的帧头，1个字节的数据类型，16个字节的数据字段和1个字节的结束标识。

图4是工业无线传感网开关控制系统的网络配置结构示意图。从图4可以看出，监控处理中心与监控终端之间通过有线方式传输数据，监控终端与控制终端，控制终端与控制终端之间通过无线传输数据，每个控制终端可临时作为主控制终端用以控制整个网络中其它无线开关量控制终端的工作状态，以及控制终端的输入量与输出量配对情况具有多样性，其实施主要包括以下步骤：

步骤一、监控处理中心发送组网控制命令到监控终端；

步骤二、监控终端收到组网控制命令，对多个控制终端进行组网；组网成功后，将组网成功信号发送到监控处理中心，跳转到步骤三；否则，发送组网不成功信号到监控处理中心，跳转到步骤一；

步骤三、监控处理中心将系统配置需要发送给监控终端；

步骤四、监控终端接收到监控处理中心数据，进行解析，并将配置命令转发给各个控制终端；

步骤五、控制终端收到监控终端发送的数据信息，进行解析，并反馈给控制终端应答信号，建立控制终端开关输入量和开关输出量与其它控制终端开关输出量和开关输入量连接关系，形成控制终端的开关输入量与其它控制终端开关输出量间一对一、一对多、多对一、多对多配对；

步骤六、控制终端根据配对关系，将开关输入量信息发送到配对的控制终端开关输出量；同时将开关输入量信息通过监控终端传输到监控处理中心；

步骤七、控制终端开关输出量信息通过监控终端传输到监控处理中心；

步骤八、如果需要调整控制终端开关输入量与其它控制终端开关输出量之间的匹配关系，通过监控处理中心进行设置，然后跳转到步骤三；否则跳转到步骤六。

例如，控制终端1开关输入量与控制终端n开关输出量配对，则控制终端1采集的开关量控制控制终端n开关输出量，实现1对1配对；在网络运行过程中，如果控制终端1开关输入量改变为与控制终端2和控制终端n开关输出量配对，通过监控处理中心发送新的配置信息给监控终端，监控终端实现控制终端1开关输入量与控制终端2和n开关输出量配对，这样控制终端1采集的开关量同时控制控制终端2和控制终端n开关输出量，实现1对多配对；类似地可实现多对多配置。

综上所述，采用本发明后，能够有效利用无线传输的优势，灵活配置、可靠传输、低成本等。控制终端间无线通信距离最远可达2700m，这在大型堆取料机运动场、港口等场所具有非常广阔的应用前景。