一种应用于控制系统的环网控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一种应用于控制系统的环网控制方法。该控制方法使本地主控模块和远程通信模块替代常规的管理环网设备和环网设备。


背景技术：

2.随着工业自动化的领域的不断发展，对现场控制设备的高可靠性、稳定性有了更高的要求，目前控制系统采用控制器冗余，模件冗余，通信链路冗余，电源冗余，网络设备冗余等方式提高系统的可靠性。
3.其中网络设备冗余，当某一条网络链路中的某一段线路或某一个网络节点设备出现故障后，其冗余的另外一条网络链路开始工作，保障控制系统可以稳定的运行。其中常见的网络设备冗余的方式为：常规的星型网络模型、环形网络模型。其常规的星型网络模型虽然可以保障网络故障，但是网络拓扑错综复杂，当出现网络故障后不方便排查问题，维护工作变得困难。目前常见的环形网络模型，大多为借助支持环网自愈的工业交换机组成的环形自愈网络拓扑，因使用了大量的交换机，使得系统成本增加，问题排查也较为复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了减少环形网络拓扑的复杂程度，方便后期的网络维护。本发明通过将环网状态的判断及处理放在本地主控模块和远程通信模块上，使得主控模块的功能更加强大，减少对其他网络扩展设备的依赖，提高控制系统的稳定性，采用本发明控制系统对不同的工业应用场合具有更高的适用性。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种应用于控制系统的环网控制方法，该控制系统通过本地主控模块与多个远程通信模块级联构成环网；本发明环网控制方法通过主控模块的控制器内置处理器实现环网状态判断及网口控制命令下发，并通过远程通信模块根据下发的命令控制i/o设备及环网报文的传递；
7.主控模块的处理器对环网状态判断及处理如下：处理器定时通过以太网接口将带有自己身份标识的检测报文发出，并对另一个以太网接口接收的报文进行环网检测报文判断，同时与自己身份标识进行比较，判断是否为本处理器发送的检测报文；如是，则判断此时控制系统处于环网状态，处理器向交换芯片下发控制命令，由交换芯片控制两个以太网接口，使一个以太网接口可以正常收发数据，另一个以太网接口阻塞仅能接收环网检测报文；如在一段时间内没有接收到自身发出的检测报文，则判断此时环网网络存在故障，处理器向交换芯片下发控制命令，交换芯片将两个以太网接口全部打开，数据沿着两个以太网接口的方向进行双向传输。
8.本发明以本地主控模块作为管理设备，实现环网状态的判断及网口控制命令下发。并由控制器内置的处理器进行控制命令报文及环网检测报文的解析，解析处理后的报文交由交换芯片进行统一收发，以此构建环形网络拓扑。
9.不同于传统借助支持环网自愈的工业交换机组成的环形自愈网络拓扑，因过于依赖外部的网络扩展模块，控制器的处理器并不能对网络扩展模块进行统一的管理，当控制系统出现问题后，处理器接收不到反馈信息做出及时处理。本发明由处理器对交换芯片的统一管理，报文的处理都交给运算能力比较强大的处理器，由处理器决定报文传输方向及状态，交换芯片负责接收处理器下发的控制命令及环网检测报文，按照处理器给出的执行命令执行数据的转发，使处理器做到一个统一的管理，有效提高了报文传输效率及系统稳定性。
10.进一步的，处理器定时发送的检测报文带有自身mac地址。带有自身mac地址的目的是为了防止一个控制系统中有多个控制器造成环网状态的误判，导致网络瘫痪。
11.进一步的，上述环网控制方法通过远程通信模块的控制器内置处理器，实现对环网检测报文的应答，主控模块的处理器根据报文分析定位网络故障位置；网络故障的定位逻辑包括：当远程通信模块的处理器接收到本地主控模块的环网检测报文后，产生带有自己身份标识的应答报文，发送给主控模块的处理器，主控模块的处理器根据应答报文定位产生网络通信故障的位置。
12.本发明还提供了一种控制系统，该控制系统由一个本地主控模块和多个远程通信模块构建而成环形网络拓扑；主控模块及远程通信模块的控制器均包括：
13.处理器，实现控制器控制逻辑并对环网逻辑进行分析，下发相应动作指令；
14.交换芯片，根据处理器下发的命令实现对以太网接口的控制；
15.以太网接口，两个，作为控制器的控制命令及环网检测报文的传输接口。
16.其中控制器的控制命令报文及环网检测报文的处理方式为由处理器进行解析，交换芯片对以太网端口进行统一管理，处理器解析处理后的报文交由交换芯片进行统一收发，以其构建环形网络拓扑，主要目的是解决提高报文传输效率及系统稳定性。
17.进一步的，各处理器通过mii接口搭接对应的交换芯片，通过smi通信协议管理通信接口。
18.进一步的，各交换芯片通过rgmii接口与phy相连，进而控制以太网接口。交换芯片将采集到的检测报文通过通信接口转发给处理器，由处理器进行分析处理报文，根据环网的判断逻辑分析的结果确定交换芯片动作，当某一处网络通信产生故障时，处理器根据报文分析，并对网络故障位置进行定位。
19.进一步的，远程通信模块通过ebus总线实现对i/o设备的控制。
20.本发明相比现有技术具有以下优点：
21.1)由处理器直接参与环网检测报文的收发，提高系统的稳定性。
22.2)远程通信模块可实现对环网检测报文的应答，处理器根据应答报文可实现对网络故障位置的精确定位，方便网络的维护。
附图说明
23.图1为本发明本地主控模块及远程通信模块控制方式拓扑结构。
24.图2为本发明正常通信时的网络拓扑结构。
25.图3为本发明某一处通信故障时网络路径改变的示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
27.本发明是一种应用于控制系统的环网控制方法，该方法应用在本地主控模块和远程通信模块组成的环形网拓扑上。该方法的主要目的为在不影响本地主控模块和远程通信模块原有功能的基础上，增加处理器对报文的处理能力，在不借助其他网络扩展模块的情况下，主控模块实现对环网报文的收发、状态判断，本地主控模块实现环网报文的收发、报文解析及相应动作处理，实现自愈环网拓扑，并根据远程通信模块反馈的报文，对网络故障位置实现精确定位，降低系统成本，增加系统稳定性。该方法通过对本地主控模块和远程通信模块的a、b网口多级级联组成自愈环网拓扑，当某一处网络故障时，本地主控模块可判断并改变网络通信路径继续通信，在控制系统保持正常运行并网络通信得到冗余保障的同时，使网络拓扑方式也更加简洁明了。
28.如图1，本发明包括本地主控模块和远程通信模块，这两个模块通过以太网端口进行数据的收发，这两个模块都有两个以太网接口，通过将对应的接口连接，组成了最简单的环形网络拓扑，其中本地主控模块的处理器11负责整个控制逻辑的处理，监控设备的通信，现场设备的控制，同时将控制数据及环网检测数据经由mii接口传输至交换芯片，交换芯片12通过rgmii接口将数据传输至以太网接口14，然后再主动传输至远程通信模块，远程通信模块的交换芯片通过rgmii接收到本地主控模块通过以太网接口14发送来的控制数据，通过mii接口上传给远程通信模块的处理器，进而实现控制i/o设备进行工作，并且该处理器将产生环网检测的应答报文，将这个报文与从以太网接口24接收来的控制数据与环网检测数据传输给交换芯片，交换芯片再根据转发规则，将这些数据通过以太网接口23全部转发至本地主控模块的处理器，由于此时的环网检测报文由本地主控模块的处理器发出，而又被接收到，因此判断此时网络状态处于环网状态，如果接收不到上个周期由此模块发送的环网检测报文，那么处理器判断为此时环形网络中的某一处网络出现了故障，并根据远程通讯模块发来的应答报文进行故障位置的定位。
29.当本地主控模块的处理器判断此时网络状态为环网状态时，本地主控模块的处理器给交换芯片发送端口阻塞的控制命令，此时交换芯片控制以太网接口14使其原有功能保持不变，继续执行控制数据及环网检测报文的收发，控制以太网接口13进行阻塞，使其只能接收环网检测报文，避免了从本身发出的数据再流回本身产生的网络风暴问题。
30.当本地主控模块的处理器判断环形网络的某一处网络通信产生故障后，其处理器给交换芯片发送控制命令改变其通信路径，交换芯片将以太网接口13、以太网接口14全部打开，使其都可以正常的收发数据，如果是以太网接口13至以太网接口23连接的网线出现了故障，那么本地主控模块可通过以太网接口14、24达到网络通信的目的，同理可知，当出现一处网络故障时，不会影响控制系统的正常运行。
31.如图2所示，为本地主控模块和远程通信模块组成的环形网络为正常通信时的示意图，该网络拓扑正常通信时，由本地主控模块开始将控制数据报文及环网检测报文通过以太网端口向先传输，数据每经过一个远程通信模块，其通信模块便会解析其控制命令报文，然后对其i/o模块进行控制，如果接收到环网检测报文，那么便会产生一个应答报文向本地主控模块传输，依次类推，直至数据流向本地主控模块的另外一个端口，然后主控模块对其端口进行阻塞，将控制数据报文全部丢失，只保留环网检测报文，至此，形成一条完成
的网络通信链路。
32.如图3所示，为本地主控模块和远程通信模块组成的环形网络中间出现网络故障时的示意图，当环形网络拓扑出现问题后，本地主控模块将接收不到自身发出的环网检测报文，此时本地主控模块的处理器将给交换芯片发送改变网络通信路径的控制命令，本地主控模块将开始沿着两个端口的通信方向进行传输，至此该控制系统形成两条完整的网络通信链路，对控制系统的稳定运行并没有影响。并且，当环形网络拓扑出现问题后，本地主控模块的处理器接收到的远程通信模块的应答报文也将变得不再完整，处理器通过解析该应答报文，判断出环形网络拓扑出现问题的具体位置，便于出现问题后的维护。
33.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种应用于控制系统的环网控制方法，其特征在于，该控制系统通过本地主控模块与多个远程通信模块级联构成环网；所述环网控制方法通过主控模块的控制器内置处理器实现环网状态判断及网口控制命令下发，并通过远程通信模块根据下发的命令控制i/o设备及环网报文的传递；主控模块的处理器对环网状态判断及处理如下：处理器定时通过以太网接口将带有自己身份标识的检测报文发出，并对另一个以太网接口接收的报文进行环网检测报文判断，同时与自己身份标识进行比较，判断是否为本处理器发送的检测报文；如是，则判断此时控制系统处于环网状态，处理器向交换芯片下发控制命令，由交换芯片控制两个以太网接口，使一个以太网接口可以正常收发数据，另一个以太网接口阻塞仅能接收环网检测报文；如在一段时间内没有接收到自身发出的检测报文，则判断此时环网网络存在故障，处理器向交换芯片下发控制命令，交换芯片将两个以太网接口全部打开，数据沿着两个以太网接口的方向进行双向传输。2.根据权利要求1所述的应用于控制系统的环网控制方法，其特征在于，所述环网控制方法通过远程通信模块的控制器内置处理器，实现对环网检测报文的应答，主控模块的处理器根据报文分析定位网络故障位置；网络故障的定位逻辑包括：当远程通信模块的处理器接收到本地主控模块的环网检测报文后，产生带有自己身份标识的应答报文，发送给主控模块的处理器，主控模块的处理器根据应答报文定位产生网络通信故障的位置。3.采用权利要求1或2所述环网控制方法的控制系统，其特征在于，所述控制系统由一个本地主控模块和多个远程通信模块构建而成环形网络拓扑；主控模块及远程通信模块的控制器均包括：处理器，实现控制器控制逻辑并对环网逻辑进行分析，下发相应动作指令；交换芯片，根据处理器下发的命令实现对以太网接口的控制；以太网接口，两个，作为控制器的控制命令及环网检测报文的传输接口。4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述处理器通过mii接口搭接对应的交换芯片。5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述交换芯片通过rgmii接口与phy相连，进而控制以太网接口。6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述远程通信模块通过ebus总线实现对i/o设备的控制。

技术总结
本发明公开了一种应用于控制系统的环网控制方法，该控制系统通过本地主控模块与多个远程通信模块级联构成环网；本发明环网控制方法通过主控模块的控制器内置处理器实现环网状态判断及网口控制命令下发，并通过远程通信模块根据下发的命令控制I/O设备及环网报文的传递。本发明由处理器对交换芯片的统一管理，报文的处理都交给运算能力比较强大的处理器，由处理器决定报文传输方向及状态，交换芯片负责接收处理器下发的控制命令及环网检测报文，按照处理器给出的执行命令执行数据的转发，使处理器做到一个统一的管理，有效提高了报文传输效率及系统稳定性。输效率及系统稳定性。输效率及系统稳定性。


技术研发人员：祖利辉 周幸福 陈闯 辛克廷 方正
受保护的技术使用者：南京科远智慧科技集团股份有限公司
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/23