CN100409128C - 通用工业控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用工业控制器，包括通用工业计算机、控制总线和控制器，控制器包括现场总线扫描器、目标对象管理器、控制策略扫描器和冗余对管理器，现场总线扫描器实现控制总线上的实时数据的接受及发送，目标对象管理器对控制总线上各节点的全部实时数据进行透明的访问，并可动态的增减节点的数量；控制策略扫描器使控制总线中各节点根据不同的功能采用不同的通用工业计算机运行，并实时在线地管理和调度各控制功能块；冗余对管理器实现热备用的双机间进行相互交互，来判断对方的状态和自身状态并相互通报，必要时进行切换，并传输备用机功能块反演算时所需的数据。本发明可靠性好；通用性强，具有良好的在线实时组态功能。

Description

通用工业控制器

一、技术领域

本发明涉及一种工业自动化控制系统核心组件，具体地说是一种通用工业控制器。

二、背景技术

随着工业自动化技术的发展，分散控制系统(DCS)开始大规模进入各种自动化控制领域。高可靠性、可用性的DCS控制器是整个分散控制系统的核心组件，只有在高可靠的DCS控制器的支撑下才能构建强大的稳定的DCS控制系统。作为分散控制系统的核心，其过程控制器(DPU)要求很高的可靠性，且随着工程规模的扩大，同一种系统要实现不同规模的应用，要求系统具有灵活的伸缩性。一方面，一套系统投运后，会因为环境或需求的变化需要控制系统进行修改，如增加新的节点，控制策略的变更等，如果没有良好的在线实时组态的功能，则系统的灵活性将大打折扣，控制系统能够在线实时组态也会方便系统调试，缩短系统调试时间。另一方面，当今计算机硬件技术的发展突飞猛进，有可能现在采用的控制系统硬件两年后将退出市场，如果控制系统的升级软硬件相互独立，那么就可以避免这种问题，使产品线有更长的生命周期。

目前在工业自动化控制系统中应用的工业控制器，可靠性差；缺少通用性，没有良好的在线实时组态的功能。

三、发明内容

为了克服现有工业控制器的缺点，本发明的目的是提供一种依托通用工业计算平台和实时嵌入式软件系统构建一个完整的通用工业控制器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种通用工业控制器，包括通用工业计算机、控制总线和控制器，其特征在于：所述控制器包括现场总线扫描器、目标对象管理器、控制策略扫描器和冗余对管理器，现场总线扫描器实现控制总线上的实时数据的接受及发送，并通过对控制总线的检查实现冗余现场总线的切换，并把相关检测信息通报给控制策略扫描器，再通过目标对象管理器将报警或检测信息输出至控制总线的相关节点；目标对象管理器是控制总线上进行数据传输标准化的通用接口，可对控制总线上各节点的全部实时数据进行透明的访问，并可动态的增减节点的数量；基于虚拟机的原理构建的控制策略扫描器使控制总线中各节点根据不同的功能采用不同的通用工业计算机运行，并实时在线地管理和调度各控制功能块；冗余对管理器实现热备用的双机间进行相互交互，来判断对方的状态和自身状态并相互通报，必要时进行切换，并传输备用机功能块反演算时所需的数据。

本发明所述控制总线采用高速冗余的RS485串行总线，该控制总线可最大限度的降低通用工业计算机的通信负荷。采用通用工业计算平台----PC104结构计算机，控制总线采用高速冗余的RS485串行总线，专门为PC104平台设计的RS485总线控制器最大限度的降低主CPU的通信负荷。双冗余的IO总线为过程数据采集保证通讯链路的冗余。

本发明所述控制器控制总线采用双冗余的工业以太网，在嵌入式实时系统基础上特别优化的以太网协议栈，采用短以太网数据帧，配合交换式网络架构，有效的降低了网络冲突，提高了控制系统的实时性。

双机热备冗余通讯部件包括双机仲裁器和高速通信通道，其部件采用低功耗，高速的电路精心设计而成，双机桥接器采用无源设计，在没有桥接器的情况下，控制器单机工作。

本发明中采用低功耗的工业级CPU，存储设备采用高速CF卡，整机采用加固处理，密封在金属机壳内，使控制器本身具有优良的防尘，防电磁干扰功能。以上措施使的基于通用工业计算平台的控制器具有很高的可用性。

本发明中控制器部分是控制结构的核心，也是本发明的主要特征。

从图1中容易看出本控制器包含4个可裁减组件：现场总线扫描器、目标对象管理器、控制策略扫描器及冗余对管理器。对于全功能的冗余控制器，这四个组件是必须的；对于冗余的通讯控制器，只需要现场总线扫描器、目标对象管理器和冗余对管理器组件；对于冗余网络接口机，需要目标对象管理器、目标对象管理器和冗余对管理器组件，即采用两个目标对象管理器以实现网络隔离。对于不需要冗余的控制单元，可以裁减相应的冗余对管理器组件。

下面对控制器中的四个组件分别加以说明：

1、现场总线扫描器

现场总线扫描器的作用是实现现场总线上的实时数据的接受及发送，硬件上应设计为冗余的双现场总线。其通讯协议可采用标准的现场总线通讯协议也可采用私有通讯协议。若采用私用通讯协议，其传输效率较高且可以根据需要实现一些高级的管理功能，但与其他数据采集系统(如智能仪表等)的通讯需通过专用的通讯接口模件挂接在现场总线上来实现。其结构见图2。

当采用标准现场总线协议时，不同数据采集系统可通过标准协议直接挂接在现场总线上。在该组件中需要实现具体的现场总线通信协议，并通过对总线的检查实现冗余现场总线的切换，并把相关检测信息通报给策略扫描器，再通过对象管理器将报警或检测信息输出至控制总线的相关节点。其设计的关键在于相关通讯协议的实现及冗余网络的切换策略。该组件是DPU实现正确策略运算的基础。

2、目标对象管理器

目标对象管理器是实现DPU在控制总线上进行数据传输标准化的通用接口，透过目标对象管理器，各处理机形成一条透明软总线，各节点挂接在这条虚拟软总线上，形成逻辑上的一个大的虚拟主机，本地DPU对远程数据对象的存取就和本地存取一样，即控制策略扫描器所需的数据对控制策略扫描器本身来说并不需要区分是本地数据还是远程数据。通过目标对象管理器，控制总线上的各节点可透明的进行数据交互，而无需知道数据究竟在什么地方，数据的唯一性标记就是数据的TAG名，即通过TAG名，控制总线上各节点可透明的访问全部实时数据。目标对象管理器的另一好处就是可以动态的增减节点的数量。因为对节点的增减实质就是对控制总线上目标对象管理器数量的增减。各分散的目标对象管理器通过自己的网络及数据管理协议来实现规模的动态增减。

目标对象管理器实现的关键部分是节点动态管理协议和对象交互访问协议，本发明中将数据，指令，信息，报警，管理操作等统一作为对象。

节点动态管理协议的作用就是及时发现节点的增减及节点的状态和相关信息，如包含哪些数据，是什么样的节点等。目标对象管理器实现了对象交互访问协议，该协议维护网络全局实时数据库，又具体分为本地目标管理和远程目标管理，两者通过统一的接口实现对象的透明访问。该协议实现中包含三个子协议：

1)数据及命令交互协议

2)数据请求交互协议

3)全局数据管理协议

3、控制策略扫描器

在此模型中控制策略扫描器是组成控制器的核心组件，也是实现本发明升级互不影响的关键所在。

该控制策略扫描器是基于虚拟机的原理构建的，类似于Java虚拟机可以使Java字节码程序跨平台运行而不需任何转换，同样策略扫描器中的虚拟机可以使组态的控制策略跨平台运行而不必关心具体的平台细节，简单的例子就是不管是采用ARM、POWERPC，x86还是MIPS处理器的DPU其控制策略是统用的，可以直接使用的。因此在控制总线中各节点根据不同的功能完全可以采用不同的计算机平台，可以有效的降低成本而不影响系统的稳定性和效率。

另一方面，控制策略扫描器在设计是就是可以动态收缩的，实时在线组态的功能也以该种性能为基础。控制策略扫描器在外层结构上管理各控制功能块，根据不同功能块要求的控制周期进行调度，同时为实现平衡CPU负荷的考虑，各功能块通过周期及相位来调度。控制策略扫描器在算法设计上为一二叉树结构，主结点为组合模块结点(COMPOUND)，各组合模块的子结点为控制功能块，算法上采用链表的结构。典型结构见图3：

在图3的二叉树形结构中通过TAG名(COMPOUDN：BLOCK.PARAMETER)很容易定位到一个具体的数据，同时与目标对象管理器间的通讯接口会很简便。各功能块间参数的传递和应用通过指针直接访问，因为目标对象管理器的存在，会将远程数据映射到本地控制器，对远程数据的访问仍采用指针方式。

对于二叉树型的功能块管理结构，对控制策略的修改最终转变为对控制功能块的增减或参数的改变，而在此结构上增减功能块的操作就是链表的打断，删除或插入以及重新链接的过程。

控制策略扫描器与目标对象管理器间组态相关的操作简化为四个命令：插入、删除、修改参数和当前状态存贮。前三个指令的实现作为控制策略扫描器与目标对象管理器的三条基本操作原语，即这三个指令的执行是占先的，不可打断的。第四条指令将当前控制器各功能块参数存入ROM中，该条指令在利用虚拟控制器进行仿真系统的构建时对工况的回放特别有用，因为该指令将功能块中间变量也进行了存储，那么恢复后的控制策略扫描器内存映像和保存工况时的状态是完全一样的。

从对上述结构的分析可以看出，对于单一DPU，其控制策略的增减可以动态实现，只要不超过工程要求，在足够的处理器速度和足够的内存空间下，其功能块的增加可以说是无限的。同时，在不同COMPOUND名下，完全可以采用相同的BLOCK名，这样对于组态的拷贝及相关逻辑的实现是非常方便的。从该结构可以看出，对于低档处理器和网络，只要裁减功能块数目即可满足要求，对高档处理器和网络就可容纳更多的功能块。通过简单的处理器和网络接口升级，即可完成DPU的升级。

对跨平台的实现是通过控制策略扫描器中的虚拟机实现的。虚拟机实现了一个特定功能的处理器。在该虚拟机中，除了通常的逻辑及算术运算指令外，还特别加入了一些时间相关性指令如RS触发器指令，脉冲及延时指令等。该虚拟机的实现采用基于栈的的虚拟机算法。所有运算在虚拟机的栈中运行，采用递归树的形式，这一点与编译过程中的语法树解析类似。这样设计指令及指令运行方式有个好处就是便于在上位机组态时采用图形化或是结构化文本及汇编指令的组态工具。在图形化的组态方式中，组态实质就是对功能块的组合及参数设定，仔细分析不难发现其就是一个语法递归树的搜索过程，搜索完成，虚拟机的相关指令就编译完毕。

4、冗余对管理器

冗余对管理器的主要作用是实现热备用的双机间进行相互交互，来判断对方的状态和自身状态并相互通报，必要时触发控制器切换，另一作用是传输备用机功能块反演算时所需的数据。其具体实现包含两个协议：心跳协议和检查点更新协议。两种协议分别对应冗余对管理器上述两个功能。

1)心跳协议

心跳协议定期执行自身网络和控制器自检，将异常情况彼此通知，通过目标对象管理器将异常作为报警发给相关的站，严重情况将置控制器状态位，触发控制器切换，并通知控制策略扫描器实现扫描方式变更，而目标对象管理器和现场总线扫描器通过检测控制策略扫描器的状态，接管现场总线和控制总线，实现冗余切换。该协议的执行周期决定冗余控制器对的切换时间。

2)检查点更新协议

备用机上电或进行组态初始化或在热备用状态时，通过此协议来实现冗余对的同步，相关数据由此通道在冗余对间进行交互。在硬件实现上，通过冗余对专用的高速通信通道来传输。

本发明的操作平台采用稳定的经过验证的实时嵌入式操作系统，在实时嵌入式操作系统基础上实现了上述各个组件的协调运行。对控制总线和IO总线在驱动程序级设计了双口冗余模块，可以实现高速无扰的总线通信切换。

本发明可靠性好；通用性强，具有良好的在线实时组态功能。由于其通用性强，本发明可用于大多数自动控制领域，可以替代PLC进行工业过程控制，又可组网构成分散控制系统，具有极高的应用价值，可以有效的提高工业自动化水平。

四、附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中现场总线扫描器的通讯接口模件结构图；

图3是本发明中控制策略扫描器采用链表算法的结构图。

五、具体实施方式

一种本发明所述的通用工业控制器，包括通用工业计算机、控制总线和控制器，控制器包括现场总线扫描器1、目标对象管理器2、控制策略扫描器3和冗余对管理器4。现场总线扫描器1实现控制总线上的实时数据的接受及发送，并通过对控制总线的检查实现冗余现场总线的切换，并把相关检测信息通报给控制策略扫描器3，再通过目标对象管理器2将报警或检测信息输出至控制总线的相关节点；目标对象管理器2是控制总线上进行数据传输标准化的通用接口，可对控制总线上各节点的全部实时数据进行透明的访问，并可动态的增减节点的数量；基于虚拟机的原理构建的控制策略扫描器3使控制总线中各节点根据不同的功能采用不同的通用工业计算机运行，并实时在线地管理和调度各控制功能块；冗余对管理器4实现热备用的双机间进行相互交互，来判断对方的状态和自身状态并相互通报，必要时进行切换，并传输备用机功能块反演算时所需的数据。

本发明作为一种通用工业控制器，包含了冗余的IO总线接口、冗余的控制总线接口、双机同步通信接口、通用工业计算机平台；控制器部分包含IO总线扫描器、控制策略扫描器、目标对象管理器、冗余对管理器。本控制器结合相应的组态软件和监控软件，能够实现在线组态，在线监控。通过本控制器的过程数据访问API，远程结点均可透明的访问控制器内的过程数据。

本发明在硬件上尽量采用成熟的通用器件，有效降低了硬件平台的设计复杂性，提高了硬件平台的稳定性；控制器部分各组件紧密配合，结合硬件，极大的提高了本发明的整体性能。

由于其通用性，本发明可用于大多数自动控制领域，可以替代PLC进行工业过程控制，又可组网构成分散控制系统，具有极高的应用价值，可以有效的提高工业自动化水平。

Claims (4)

1. 一种通用工业控制器，包括通用工业计算机、控制总线和控制器，其特征在于：所述通用工业控制器中所述的控制器包括现场总线扫描器(1)、目标对象管理器(2)、控制策略扫描器(3)和冗余对管理器(4)；现场总线扫描器(1)实现控制总线上的实时数据的接受及发送，并通过对控制总线的检查实现冗余现场总线的切换，并把相关检测信息通报给控制策略扫描器(3)，再通过目标对象管理器(2)将报警或检测信息输出至控制总线的相关节点；目标对象管理器(2)是控制总线上进行数据传输标准化的通用接口，可对控制总线上各节点的全部实时数据进行透明的访问，并可动态的增减节点的数量；基于虚拟机的原理构建的控制策略扫描器(3)使控制总线中各节点根据不同的功能采用不同的通用工业计算机运行，并实时在线地管理和调度各控制功能块；冗余对管理器(4)实现热备用的双机间进行相互交互，来判断对方的状态和自身状态并相互通报，在异常时进行切换，并传输备用机功能块反演算时所需的数据。

2. 根据权利要求1所述的通用工业控制器，其特征在于：所述现场总线扫描器(1)中的通讯协议采用标准的现场总线通讯协议或采用私有通讯协议。

3. 根据权利要求1所述的通用工业控制器，其特征在于：所述目标对象管理器(2)通过数据及命令交互协议、数据请求交互协议和全局数据管理协议维护控制总线上各节点的全部实时数据。

4. 根据权利要求1所述的通用工业控制器，其特征在于：所述冗余对管理器(4)包含心跳协议和检查点更新协议，心跳协议定期执行自身状态检查，并相互通报，在异常时进行切换；检查点更新协议在备用机上电或进行组态初始化或在热备用状态时，实现冗余对的同步，并传输备用机功能块反演算时所需的数据。

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