CN101533263B - 一种计算机可编程自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机可编程自动控制系统及其控制方法，所述系统包括应用层、实时调度层和实时控制层；其中所述应用层用于开发并编译程序，实现远程通讯以及网络人机界面交互功能；所述实时调度层用于实时运行所述应用层的程序，并实时调度所述实时控制层上的操作指令，对硬件进行操作；所述实时控制层用于执行所述操作指令，以完成控制操作。本发明通过采用统一的软硬件结合的系统平台，将PLC控制模式、机器人控制模式等控制方式整合在一个系统中，且能提供逻辑、运动、处理等功能，使用本系统，用户可以更灵活、更开放地进行升级或者转换控制方式。

Description

一种计算机可编程自动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种工业控制系统及其控制方法，尤其涉及一种计算机可编程自动控制系统及其控制方法。

背景技术

目前应用于工业控制的控制器有可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，PLC)和计算机控制器(Personal Computer，PC)等控制器。通常PC的通用操作系统不能提供用于控制足够的稳定性。安装基于PC控制的设备会迫使处理系统崩溃和未预料到的重启。由于PC带有旋转的磁性硬盘和非工业性牢固的部件，如电源，这使得它更容易出现故障。工厂操作人员需要具备在维护和排除故障时恢复系统的能力。使用梯形逻辑，他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态，并能快速修补受影响的代码以快速恢复系统。然而，PC系统需要操作人员学习新的更高级的工具。PLC主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制，相对于单片机它功耗要大，但比较稳定。

然而，传统工业控制器单一的工业控制模式无法实现在一个平台上处理逻辑、运动、比例微分积分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制、驱动中的至少两种以上功能，已经不能满足越来越多的工业控制要求。

因此，现有技术有待改进和提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺点，提供一种能同时实现两种以上工业控制模式的计算机可编程自动控制系统及其控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种计算机可编程自动控制系统，所述系统包括应用层、实时调度层和实时控制层；其中，

所述应用层用于开发并编译程序，实现远程通讯以及网络人机界面交互功能；

所述实时调度层用于实时运行所述应用层的程序，并实时调度所述实时控制层上的操作指令，对硬件进行操作；

所述实时控制层用于执行所述操作指令，完成控制操作。

本发明所述的系统，其中，所述应用层包括：功能接口模块，I/O组态模块和人机交互模块；其中，

所述I/O组态模块用于配置组态信息，并将组态信息发送到所述实时调度层；

所述功能接口模块用于给所述实时调度层提供功能模块资源；

所述人机交互模块用于生成人机交互界面，以显示所述实时控制层的操作信息。

本发明所述的系统，其中，所述功能接口模块包括文件译码单元，用于将输入的文件编译成所述计算机可编程自动控制系统可读的数据格式；

所述实时调度层包括实时运行系统，所述实时运行系统包括代码编译模块，所述代码编译模块用于解析所述文件译码单元所编译的数据格式；

所述实时运行系统还包括复杂算法模块，用于完成所述代码编译模块解析所得到的数据结果的复杂算法运算，得到所述实时运行系统可识别的输入信息。

本发明所述的系统，其中，所述实时运行系统还包括配置模块，用于接收来自所述I/O组态模块的组态信息，并根据所述组态信息，调用所述功能接口模块中的功能模块资源进行参数配置。

本发明所述的系统，其中，所述实时运行系统还包括数据交互模块，用于将所述实时控制层的硬件信息传输到所述应用层的人机交互界面进行显示。

本发明所述的系统，其中，所述实时控制层包括运动控制模块，用于实现直线、曲线操作或运动跟踪；

逻辑控制模块，用于完成逻辑控制操作；

机器视觉模块，用于完成图像采集、图像处理以或图像解析操作。

本发明所述的系统，其中，所述实时运行系统还包括故障诊断模块，用于实时采集所述实时控制层的故障信号，并将所述故障信号传输至所述应用层的人机交互界面进行显示。

本发明还提供了一种计算机可编程自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

A、计算机可编程自动控制系统初始化；

B、用户选择至少一个控制模式，并对各控制模式进行对应的参数配置；

C、所述计算机可编程自动控制系统进入所选择控制模式对应的子系统，并根据所述参数配置完成操作控制。

本发明所述的控制方法，其中，所述步骤C具体包括以下步骤：

C11、当所述步骤B中所述的参数配置的输入方式为专用输入时，用户输入需要执行的专用文件，所述应用层的文件译码单元将输入的文件编译成所述计算机可编程自动控制系统可读的数据格式；

所述实时调度层上的代码编译模块解析所述应用层上的文件译码单元所编译的数据格式，实时调度层上的复杂算法模块完成对所述代码编译模块解析所得到的数据结果的复杂算法运算，得到所述实时运行系统可识别的输入信息；

所述实时调度层下载并运行所述应用层的程序，并根据所述复杂算法模块得到的输入信息，通过调度所述实时控制层的操作指令来执行相应的操作。

本发明所述的控制方法，其中，所述步骤C具体还包括以下步骤：

C21、当所述步骤B中所述的参数配置的输入方式为通过设置I/O信号输入时，用户通过所述应用层的I/O组态模块管理并定时刷新外部I/O信号；

所述实时调度层下载并运行所述应用层的程序，并根据所述外部I/O信号，调度所述实时控制层的操作指令来执行所述外部I/O信号对应的操作。

本发明所述的控制方法，其中，所述步骤C具体还包括以下步骤：

C22、用户采用梯形图语言、文本语言、功能块语言或流程图语言对I/O编程，并将所述应用层的程序下载到所述实时调度层，以所述外部I/O信号作为输入信息，运行程序并输出数据，并通过所述实时调度层的数据交互模块，将输出的数据传输到所述应用层的人机交互界面上进行显示。

本发明通过采用统一的软硬件结合的系统平台，将PLC控制模式、机器人控制模式等控制方式整合在一个系统中，且能提供逻辑、运动、处理等功能，使用本发明的系统，用户可以更灵活、更开放地进行升级或者转换控制方式。

附图说明

图1为本发明实施例的计算机可编程自动控制系统框图；

图2为本发明实施例的计算机可编程自动控制系统结构图；

图3为本发明实施例的计算机可编程自动控制系统的控制方法流程图；

图4为本发明实施例的数字控制模式下的控制方法流程图；

图5为本发明实施例的可编程逻辑控制模式下的控制方法流程图；

图6为本发明实施例的机器人模式下的控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的较佳实施例加以详细说明。

本发明实施例中，计算机可编程自动控制系统的系统框图如图1所示，其包括应用层、实时调度层和实时控制层。各层的功能及实现方式描述如下。

用户在应用层通过网络服务器，开发并编译应用程序和人机交互界面，界面实现远程通讯以及网络人机界面交互功能。用户可以从应用层输入各种需要执行的文件，如G代码文件、或者机器人坐标系动作示教文件等。也可以通过应用层配置组态信息。

用户在应用层开发的编译后的程序代码，如应用程序和人机界面程序，通过以太网下载到实时调度层的实时运行系统上实时运行。实时调度层以应用层的输入文件或相关设置作为输入信息，运行程序，并实时调度实时控制层上的操作指令来执行相应的操作。

在实时运行系统上执行的应用程序，最终通过访问固化在实时控制层的操作指令，如固化在DSP、FPGA或者高速摄相头上的操作指令，对硬件进行操作。实时控制层响应实时调度层的调度，执行相应的操作指令完成操作控制。

该系统的三层之间通过内部总线进行通讯，以完成操作控制。

本发明实施例中，如图2所示，应用层包括功能接口模块、I/O组态模块和人机交互模块。其中人机交互模块用于生成人机交互界面，以显示实时控制层的硬件操作信息和故障信息，实现人机实时交互。用户可以通过应用层的I/O组态模块根据使用需要给系统配置组态信息，功能接口模块用于给实时调度层提供功能资源。实时调度层中的实时运行系统根据组态信息从功能接口模块中调用相关资源，最终通过访问固化在实时控制层的DSP、FPGA以及高速摄相头上的操作指令，对硬件进行操作。

本发明实施例中，如图2所示，功能接口模块还包括文件译码单元，用户将需要执行的文件输入本发明的计算机可编程自动控制系统，如G代码文件或者机器人坐标系动作示教文件，文件译码单元将输入的文件编译成计算机可编程自动控制系统可识别的数据格式，并发送给实时调度层。实时调度层包括实时运行系统，该系统是一个实时嵌入式系统，其包括代码编译模块，用于将应用层的文件译码单元所编译的数据格式进行解析。该实时运行系统还包括复杂算法模块，用于完成代码编译模块解析所得到的数据结果的复杂算法运算，得到实时运行系统可识别的输入信息。该复杂算法模块可以包括速度预处理、曲线拟合、复杂运动轨迹描述等子模块，用于完成对用户输入信息的进一步解析，以便实时运行系统有效识别并执行。

本发明实施例中，如图2所示，实时调度层的实时运行系统还包括配置模块，用户通过应用层中的I/O组态模块配置组态信息，并通过内部总线把该组态信息发送到实时调度层的配置模块。实时运行系统根据复杂算法模块得到的输入信息，以及配置模块接收到的组态信息，调度实时控制层上对应的操作指令来执行对应的操作。

本发明实施例中，如图2所示，实时调度层的实时运行系统还包括数据交互模块，应用层还包括故障诊断模块。在实时调度层的实时运行系统运行过程中，数据交互模块实时监测实时控制层执行的硬件信号，并将其传输到应用层的人机交互界面上进行显示。故障诊断模块则实时采集实时控制层硬件执行的故障信号，并将故障信号传输至应用层的人机交互界面进行显示，以实现更好的过程控制。本发明所述的实时控制层的操作信息包括故障信号和硬件信息。

本发明实施例中，如图2所示，实时控制层包括运动控制模块、逻辑控制模块和，机器视觉模块。其中运动控制模块中包括点位运动、连续轨迹运动和高速同步运动，分别完成专用的直线运动、曲线运动和运动跟踪。逻辑控制模块可由实时调度层的实时运行系统管理，也可由实时控制层的运动控制模块管理，用于完成逻辑控制操作。基于高速摄相头的机器视觉模块通过内部总线，将图像信息实时更新给实时调度层的实时运行系统。机器视觉模块内部集成了图像采集，图像处理和图像解析等功能模块，以完成图像采集、图像处理和图像解析等功能。

本发明还提供了一种可编程控制系统的控制方法，其控制流程图如图3所示，详细描述如下：

步骤S101、初始化计算机可编程自动控制系统，根据需要输入执行的专用文件，或进行相关I/O设置；

步骤S102、用户在计算机可编程自动控制系统中，根据实际控制需要，选择至少一个控制模式，计算机可编程自动控制系统进入所选择的控制模式对应的子系统，对各个控制模式进行相对应的参数配置；计算机可编程自动控制系统的应用层根据参数配置定义需要执行的任务；计算机可编程自动控制系统的应用层、实时调度层和实时控制层执行定义的任务。

当步骤S102中的控制模式为数字控制(Numerical Control，NC)模式时，该模式的参数配置的输入方式为专用输入。用户输入需要执行的专用文件，通过应用层的I/O组态模块配置组态信息，选择需要的对象类型，如CPU主频、轴通道数、I/O点数等。随后，在计算机可编程自动控制系统的应用层上定义任务。具体任务及操作如图4所示。

任务11、使用应用层的文件译码单元，将输入文件编译成系统可读的数据格式。再应用实时调度层上的代码编译模块，对文件译码单元输出的数据进行解析。然后使用实时调度层上的复杂算法模块完成对代码编译模块解析所得到的数据结果的复杂算法运算，得到实时运行系统可识别的输入信息。应用层对生成的应用程序和人机界面交互程序进行编译，并将编译后的程序下载到实时调度层运行。最终，由实时调度层的实时运行系统，根据复杂算法运算得到的输入信息，通过调度实时控制层上对应的操作指令来执行对应的操作。

任务12、应用实时运行系统实时采集实时控制层的硬件信号，并通过数据交互模块，将硬件信号传输到应用层的人机界面上显示。

任务13、应用实时调度层的实时运行系统实时采集故障信号，并通过实时调度层上的故障诊断模块，将故障信号传输到应用层的人机界面上显示。

当步骤S102中的控制模式为可编程逻辑控制模式时，该模式的参数配置的输入方式为通过设置I/O信号输入，用户通过应用层的I/O组态模块配置组态信息，选择需要的对象类型，如CPU主频、轴通道数、I/O点数等。随后，在系统的应用层上定义任务。具体任务及操作如图5所示。

任务21、应用I/O组态模块对外部I/O进行管理，并将应用层的编译程序下载到实时调度层执行，并定时刷新所有的外部I/O信号。最终，由实时调度层的实时运行系统，根据外部I/O信号，通过调度实时控制层对应的操作指令来执行外部I/O信号对应的操作。

任务22、在应用层用户采用梯形图语言、文本语言、功能块语言或流程图语言对I/O编程，将应用层的程序下载到实时运行系统实时，首先得到任务21的输入I/O信号，然后运行程序，再更新任务21的输出信号，并通过数据交互模块，将输出信号传输到应用层的人机界面上显示。

任务23、实时控制层根据执行I/O信号对应的操作指令，并通过数据交互模块，将实际硬件操作信息传输到应用层的人机交互界面上显示。

当步骤S102中的控制模式为机器人模式时，该模式的参数配置的输入方式为专用输入。用户输入专用的机器人关节动作示教文件，通过应用层的I/O组态模块配置组态信息，选择需要的对象类型，如CPU主频、轴通道数、I/O点数等。随后，在系统的应用层上定义任务。具体任务及操作如图6所示。

任务31、实时调度层的实时运行系统实时采集实时控制层的硬件信号，并通过数据交互模块，将硬件信号传输到应用层的人机界面上显示。

任务32、由实时调度层的实时运行系统通过调度实时控制层对应的操作指令来执行机器人单关节动作。

任务33、应用层上的文件译码单元将机器人关节动作示教文件编译成系统可读的数据格式，并发送到实时调度层的代码编译模块，代码编译模块完成对文件译码单元编译数据结果的解析。实时调度层下载应用层的程序，并根据代码编译模块解析结果，运行程序。最终，由实时运行系统通过调度实时控制层上对应的操作指令来执行对应的连续关节动作。

任务34、应用实时控制层上的代码编译模块，由实时运行系统通过调度对应的操作指令来执行机器人单坐标系动作。

任务35、应用层上的文件译码单元将机器人关节动作示教文件编译成系统可读的数据格式，并发送到实时调度层的代码编译模块，代码编译模块完成对文件译码单元编译数据结果的解析。然后，使用实时调度层上的复杂算法模块，完成对代码编译模块解析所得到的数据结果的复杂算法运算，得到实时运行系统可识别的输入信息。实时调度层下载应用层的程序，并根据复杂算法运算得到的输入信息，运行程序。最终，由实时运行系统通过调度实时控制层上对应的操作指令来执行对应的连续坐标系动作。

综上所述，本发明通过采用统一的软硬件结合的系统平台，将PLC控制模式、机器人控制模式等控制方式整合在一个系统中。本发明的系统及其控制方法能提供逻辑、运动、处理等功能控制，而且价格并不昂贵、易于集成，为多平台的应用提供空前的自由度。使用本系统，用户可以更灵活、更开放地进行升级或者转换控制方式。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种计算机可编程自动控制系统，所述系统包括应用层、实时调度层和实时控制层；其中，

所述应用层用于开发并编译程序，实现远程通讯以及网络人机界面交互功能；

所述实时调度层用于实时运行所述应用层的程序，并实时调度所述实时控制层上的操作指令，对硬件进行操作；

所述实时控制层用于执行所述操作指令，完成控制操作；

其中，所述应用层包括功能接口模块，所述功能接口模块用于给所述实时调度层提供功能模块资源；所述实时调度层包括实时运行系统，所述实时调度层中的实时运行系统根据组态信息从功能接口模块中调用相关资源，最终通过访问固化在实时控制层的DSP、FPGA上的操作指令，对硬件进行操作；

实时调度层的实时运行系统包括数据交互模块，应用层还包括故障诊断模块，在实时调度层的实时运行系统运行过程中，数据交互模块实时监测实时控制层执行的硬件信号，并将其传输到应用层的人机交互界面上进行显示，故障诊断模块则实时采集实时控制层硬件执行的故障信号，并将故障信号传输至应用层的人机交互界面进行显示。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应用层包括：I/O组态模块和人机交互模块；其中，

所述I/O组态模块用于配置组态信息，并将组态信息发送到所述实时调度层；

所述人机交互模块用于生成人机交互界面，以显示所述实时控制层的操作信息。 

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述功能接口模块包括文件译码单元，用于将输入的文件编译成所述计算机可编程自动控制系统可读的数据格式；

所述实时运行系统包括代码编译模块，所述代码编译模块用于解析所述文件译码单元所编译的数据格式；

所述实时运行系统还包括复杂算法模块，用于完成所述代码编译模块所解析得到的数据结果的复杂算法运算，得到所述实时运行系统可识别的输入信息。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述实时运行系统还包括配置模块，用于接收来自所述I/O组态模块的组态信息，并根据所述组态信息，调用所述功能接口模块中的功能模块资源进行参数配置。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述实时运行系统还包括数据交互模块，用于将所述实时控制层的硬件信息传输到所述应用层的人机交互界面进行显示。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述实时控制层包括运动控制模块，用于实现直线、曲线操作或运动跟踪；

逻辑控制模块，用于完成逻辑控制操作；

机器视觉模块，用于完成图像采集、图像处理以或图像解析操作。

7.一种计算机可编程自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

A、计算机可编程自动控制系统初始化；

B、用户选择至少一个控制模式，并对各控制模式进行相应的参数配置；

C、所述计算机可编程自动控制系统进入所选择控制模式对应的子系统，并根据所述参数配置完成操作控制；

其中，实时调度层中的实时运行系统根据组态信息从功能接口模块中调用相关资源，最终通过访问固化在实时控制层的DSP、FPGA上的操作指 令，对硬件进行操作；

在实时调度层的实时运行系统运行过程中，实时监测实时控制层执行的硬件信号，并将其传输到应用层的人机交互界面上进行显示，应用层实时采集实时控制层硬件执行的故障信号，并将故障信号传输至应用层的人机交互界面进行显示。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤C具体包括以下步骤：

C11、当所述步骤B中所述的参数配置的输入方式为专用输入时，用户输入需要执行的专用文件，所述应用层的文件译码单元将输入的文件编译成所述计算机可编程自动控制系统可读的数据格式；

所述实时调度层上的代码编译模块解析所述应用层上的文件译码单元所编译的数据格式，实时调度层上的复杂算法模块完成对所述代码编译模块解析所得到的数据结果的复杂算法运算，得到所述实时运行系统可识别的输入信息；

所述实时调度层下载并运行所述应用层的程序，并根据所述复杂算法模块得到的输入信息，通过调度所述实时控制层的操作指令来执行相应的操作。

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤C具体还包括以下步骤：

C21、当所述步骤B中所述的参数配置的输入方式为通过设置I/O信号输入时，用户通过所述应用层的I/O组态模块管理并定时刷新外部I/O信号；

所述实时调度层下载并运行所述应用层的程序，并根据所述外部I/O信号，调度所述实时控制层的操作指令来执行所述外部I/O信号对应的操作。

10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤C具体还包括以下步骤： 

C22、用户采用梯形图语言、文本语言、功能块语言或流程图语言对I/O编程，并将所述应用层的程序下载到所述实时调度层，以所述外部I/O信号作为输入信息，运行程序并输出数据，并通过所述实时调度层的数据交互模块，将输出的数据传输到所述应用层的人机交互界面上进行显示。 

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