本發(fā)明涉及一種工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)及方法。屬無線通信和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展主要經(jīng)歷手動控制、半自動控制和智能化控制三個階段。手動控制方式?jīng)]有中控室，控制全憑借經(jīng)驗(yàn)操作，隨意性大。半自動控制方式終端運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)一般通過有線電纜傳輸，從中控室對其進(jìn)行設(shè)置。終端設(shè)備按照設(shè)置的參數(shù)自動進(jìn)行作業(yè)，在作業(yè)過程中，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要的干預(yù)，也可以在中控室設(shè)置參數(shù)或命令通過有線電纜控制作業(yè)，或通過裝載無線設(shè)備進(jìn)行無線控制。智能化運(yùn)行方式主要采用遠(yuǎn)程控制模式，作業(yè)人員在中控室中進(jìn)行控制，發(fā)出指令，終端設(shè)備按照指令進(jìn)行工作。工作過程中，作業(yè)人員可在中控室進(jìn)行監(jiān)控和干預(yù)。如果現(xiàn)場場地大，有多臺設(shè)備的話，人工遠(yuǎn)程干預(yù)將不易實(shí)現(xiàn)，因此，該方式一般用于現(xiàn)場設(shè)備很少的情況下，如日本北陸電力大田七尾發(fā)電所采用這種方式。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制基于PLC的有線信號傳輸控制。每臺終端通過自身的PLC進(jìn)行有線信號的收集和處理，并將處理結(jié)果信息通過有線電纜傳送到中控室，這種方式長年累月易造成電纜磨損，影響信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

針對這種現(xiàn)象，利用無線通信技術(shù)，進(jìn)行控制信息傳輸，即點(diǎn)對點(diǎn)控制。這里點(diǎn)對點(diǎn)控制采用雙向無線智能控制器，可以完全代替終端設(shè)備的控制電纜，實(shí)現(xiàn)無線控制，從而解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制電纜斷裂造成嚴(yán)重影響生產(chǎn)的問題，同時維護(hù)更換方便，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力。點(diǎn)對點(diǎn)控制需要兩臺配對使用，相互控制，輸入狀態(tài)控制到對方設(shè)備的輸出，設(shè)備同時具有自診斷功能、檢測對方設(shè)備是否在線、故障輸出告警等功能，具有配置簡單、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

點(diǎn)對點(diǎn)雙向無線智能控制器避免了有線傳輸中因電纜損壞或接觸不良造成控制信號丟失現(xiàn)象，但是，也帶來頻段利用率低、效率不高等缺點(diǎn)。通過多個控制終端組建工業(yè)無線傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制終端開關(guān)量輸入與控制終端開關(guān)量輸出間一對一、一對多、多對一、多對多的配置，達(dá)到一臺控制終端，控制多臺輸出設(shè)備，解決現(xiàn)場終端設(shè)備數(shù)量多、分布不集中的控制問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)及方法。目的在于將監(jiān)控終端、控制終端組建成工業(yè)無線傳感網(wǎng)，通過配置，構(gòu)建控制終端開關(guān)輸入量與控制終端開關(guān)輸出量間一對一、一對多、多對一、多對多映射，實(shí)現(xiàn)控制終端的聯(lián)動，提高設(shè)備利用效率，增強(qiáng)整個網(wǎng)絡(luò)生存周期。控制終端只有開關(guān)輸入量和開關(guān)輸出量，應(yīng)用不同領(lǐng)域，可根據(jù)應(yīng)用對象，控制終端連接不同的輸入對象(如，斷路器、傳感器等)及輸出對象(如，操作機(jī)構(gòu)、電機(jī)等)?？刂平K端只考慮開關(guān)輸入量和開關(guān)輸出量，拋開了具體對象，擴(kuò)展了工業(yè)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)，包括監(jiān)控終端和控制終端，利用無線通信技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)無線傳感網(wǎng)。

具體來說，所述的控制終端設(shè)置于靠近開關(guān)量設(shè)備處，與監(jiān)控終端通過無線通信方式進(jìn)行通信，用于開關(guān)量信號的采集、處理、傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)及控制；

進(jìn)一步地，所述的監(jiān)控終端通過有線方式與監(jiān)控處理中心相連接，用于轉(zhuǎn)發(fā)控制終端開關(guān)量數(shù)據(jù)到監(jiān)控處理中心，以及轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控處理中心數(shù)據(jù)或命令到控制終端，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)通信。

進(jìn)一步地，所述的工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)由一臺監(jiān)控終端和多臺控制終端組成，通過星型架構(gòu)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多臺控制終端信息共享及聯(lián)動。通過監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)對控制終端配置及控制，以及配置網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活多樣的配置，達(dá)到資源利用最優(yōu)。

工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的控制方法，其步驟：

步驟一、監(jiān)控處理中心發(fā)送組網(wǎng)控制命令到監(jiān)控終端；

步驟二、監(jiān)控終端收到組網(wǎng)控制命令，對多個控制終端進(jìn)行組網(wǎng)；組網(wǎng)成功后，將組網(wǎng)成功信號發(fā)送到監(jiān)控處理中心，跳轉(zhuǎn)到步驟三；否則，發(fā)送組網(wǎng)不成功信號到監(jiān)控處理中心，跳轉(zhuǎn)到步驟一；

步驟三、監(jiān)控處理中心將系統(tǒng)配置需要發(fā)送給監(jiān)控終端；

步驟四、監(jiān)控終端接收到監(jiān)控處理中心數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析，并將配置命令轉(zhuǎn)發(fā)給各個控制終端；

步驟五、控制終端收到監(jiān)控終端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行解析，并反饋給控制終端應(yīng)答信號，建立控制終端開關(guān)輸入量和開關(guān)輸出量與其它控制終端開關(guān)輸出量和開關(guān)輸入量連接關(guān)系，形成控制終端的開關(guān)輸入量與其它控制終端開關(guān)輸出量間一對一、一對多、多對一、多對多配對；

步驟六、控制終端根據(jù)配對關(guān)系，將開關(guān)輸入量信息發(fā)送到配對的控制終端開關(guān)輸出量；同時將開關(guān)輸入量信息通過監(jiān)控終端傳輸?shù)奖O(jiān)控處理中心；

步驟七、控制終端開關(guān)輸出量信息通過監(jiān)控終端傳輸?shù)奖O(jiān)控處理中心；

步驟八、如果需要調(diào)整控制終端開關(guān)輸入量與其它控制終端開關(guān)輸出量之間的匹配關(guān)系，通過監(jiān)控處理中心進(jìn)行設(shè)置，然后跳轉(zhuǎn)到步驟三；否則跳轉(zhuǎn)到步驟六。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)通過監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)對控制終端的配置及控制?？蓪?shí)現(xiàn)控制終端的輸入開關(guān)量與其它控制終端輸出開關(guān)量間一對一、一對多、多對一、多對多配對，即每個控制終端可臨時作為主控制終端用以控制整個網(wǎng)絡(luò)中其它控制終端的工作狀態(tài)。避免因個別設(shè)備故障，造成所在區(qū)域工作無法完成，及系統(tǒng)效率低下；也可以根據(jù)現(xiàn)場情況，通過監(jiān)控終端設(shè)置設(shè)備工作狀態(tài)。通過組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備功效最大化。另外，控制終端只有輸入開關(guān)量和輸出開關(guān)量，應(yīng)用不同領(lǐng)域，可根據(jù)應(yīng)用對象，控制終端連接不同的輸入對象(如，斷路器、傳感器等)及輸出對象(如，操作機(jī)構(gòu)、電機(jī)等)?？刂平K端只考慮輸入開關(guān)量和輸出開關(guān)量，拋開了具體對象，增強(qiáng)了其通用性，擴(kuò)展了工業(yè)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的控制終端功能結(jié)構(gòu)圖；

圖2是工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的監(jiān)控終端功能結(jié)構(gòu)圖；

圖3是工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖4是工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

圖1是工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的控制終端功能結(jié)構(gòu)圖。8路開關(guān)輸入量由兩個4路輸入量組成，通過光電隔離電路輸入到處理單片機(jī)，光電隔離電路使開關(guān)輸入量和處理單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。指示燈獨(dú)立顯示8個輸入開關(guān)量的通斷狀態(tài)。無線單片機(jī)接收無線信號、轉(zhuǎn)換輸入到處理單片機(jī)，同時也將處理單片機(jī)傳來的信息無線發(fā)送出去。處理單片機(jī)解析無線單片機(jī)輸送來的信息，并將結(jié)果通過光電隔離電路，輸出控制8路開關(guān)量。DC-DC電路提供給處理單片機(jī)、無線單片機(jī)、射頻信號處理、指示燈、8路開關(guān)輸入量工作電源。

圖2是工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的監(jiān)控終端功能結(jié)構(gòu)圖。RS232通信接口、RS232/485通信接口傳輸有線數(shù)據(jù)到處理單片機(jī)，目的為工業(yè)控制中其它模塊進(jìn)行有線通信，起到兼容功能。無線單片機(jī)接收無線信號、轉(zhuǎn)換輸入到處理單片機(jī)，同時也將處理單片機(jī)傳來的信息無線發(fā)送出去。處理單片機(jī)解析無線單片機(jī)輸送來的無線信息，以及通過RS232通信接口、RS232/485通信接口輸送來的有線信息。DC-DC電路提供給處理單片機(jī)、無線單片機(jī)、射頻信號處理、指示燈工作電源。

將控制終端、監(jiān)控終端組合在一起，構(gòu)建工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)采用3層的分層式星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第一層(工作站)，包括監(jiān)控處理中心和監(jiān)控終端。第二層是以工作站為核心組成的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用控制終端作為無線節(jié)點(diǎn)。第三層是以第二層中某一節(jié)點(diǎn)為核心構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用控制終端作為無線節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控終端通過RS-232通信接口接收監(jiān)控處理中心發(fā)來的配置命令，進(jìn)行相應(yīng)的配置，其中數(shù)據(jù)通信支持Modbus通信協(xié)議。控制終端通過無線接收監(jiān)控終端發(fā)來的IO配對命令，實(shí)現(xiàn)控制終端的輸入通道遠(yuǎn)程控制其它控制終端的輸出通道。無線傳輸數(shù)據(jù)幀總長度為20個字節(jié)，包括2個字節(jié)的幀頭，1個字節(jié)的數(shù)據(jù)類型，16個字節(jié)的數(shù)據(jù)字段和1個字節(jié)的結(jié)束標(biāo)識。

圖4是工業(yè)無線傳感網(wǎng)開關(guān)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)示意圖。從圖4可以看出，監(jiān)控處理中心與監(jiān)控終端之間通過有線方式傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端與控制終端，控制終端與控制終端之間通過無線傳輸數(shù)據(jù)，每個控制終端可臨時作為主控制終端用以控制整個網(wǎng)絡(luò)中其它無線開關(guān)量控制終端的工作狀態(tài)，以及控制終端的輸入量與輸出量配對情況具有多樣性，其實(shí)施主要包括以下步驟：

步驟一、監(jiān)控處理中心發(fā)送組網(wǎng)控制命令到監(jiān)控終端；

步驟二、監(jiān)控終端收到組網(wǎng)控制命令，對多個控制終端進(jìn)行組網(wǎng)；組網(wǎng)成功后，將組網(wǎng)成功信號發(fā)送到監(jiān)控處理中心，跳轉(zhuǎn)到步驟三；否則，發(fā)送組網(wǎng)不成功信號到監(jiān)控處理中心，跳轉(zhuǎn)到步驟一；

步驟三、監(jiān)控處理中心將系統(tǒng)配置需要發(fā)送給監(jiān)控終端；

步驟四、監(jiān)控終端接收到監(jiān)控處理中心數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析，并將配置命令轉(zhuǎn)發(fā)給各個控制終端；

步驟五、控制終端收到監(jiān)控終端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行解析，并反饋給控制終端應(yīng)答信號，建立控制終端開關(guān)輸入量和開關(guān)輸出量與其它控制終端開關(guān)輸出量和開關(guān)輸入量連接關(guān)系，形成控制終端的開關(guān)輸入量與其它控制終端開關(guān)輸出量間一對一、一對多、多對一、多對多配對；

步驟六、控制終端根據(jù)配對關(guān)系，將開關(guān)輸入量信息發(fā)送到配對的控制終端開關(guān)輸出量；同時將開關(guān)輸入量信息通過監(jiān)控終端傳輸?shù)奖O(jiān)控處理中心；

步驟七、控制終端開關(guān)輸出量信息通過監(jiān)控終端傳輸?shù)奖O(jiān)控處理中心；

步驟八、如果需要調(diào)整控制終端開關(guān)輸入量與其它控制終端開關(guān)輸出量之間的匹配關(guān)系，通過監(jiān)控處理中心進(jìn)行設(shè)置，然后跳轉(zhuǎn)到步驟三；否則跳轉(zhuǎn)到步驟六。

例如，控制終端1開關(guān)輸入量與控制終端n開關(guān)輸出量配對，則控制終端1采集的開關(guān)量控制控制終端n開關(guān)輸出量，實(shí)現(xiàn)1對1配對；在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，如果控制終端1開關(guān)輸入量改變?yōu)榕c控制終端2和控制終端n開關(guān)輸出量配對，通過監(jiān)控處理中心發(fā)送新的配置信息給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)控制終端1開關(guān)輸入量與控制終端2和n開關(guān)輸出量配對，這樣控制終端1采集的開關(guān)量同時控制控制終端2和控制終端n開關(guān)輸出量，實(shí)現(xiàn)1對多配對；類似地可實(shí)現(xiàn)多對多配置。

綜上所述，采用本發(fā)明后，能夠有效利用無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，靈活配置、可靠傳輸、低成本等?？刂平K端間無線通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)2700m，這在大型堆取料機(jī)運(yùn)動場、港口等場所具有非常廣闊的應(yīng)用前景。