CN102339046A - 一种互联型控制系统ics - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对控制对象，设计实现硬件模块化组合，软件功能化组合，通信开放化集合的一种互联型控制系统ICS，采用开放的控制器和控制系统结构，以具体运用和功能为对象，将软件中面对对象编程的思想扩展到控制器和控制系统中，针对控制对象，其核心单元为互联型可编程功能模块IPFB，硬件采用单片机MCU为核心单元，配以光纤以太网接口，以单片机MCU自带的通用输入/输出GPIO为基础，功能化配置如数字量IO接口模板、模拟量IO接口模板、正交编码器输入接口模板多种功能模板、复合功能模板，由客户按控制对象定制的功能模板。

Description

一种互联型控制系统ICS

一、技术领域

本发明涉及一种互联型控制系统ICS。

二、背景技术

目前，自动化控制大多以PLC、DCS为主，近年也出现了集合了PLC或DCS的优点，并接合现代通信技术，人机界面，实时多任务等功能的PAC和PCC等控制器。

PLC(Programmable Logic Controller)可编程序逻辑控制器实际在20世纪70至80年代一直简称为PC(Programmable Controller)可编程控制器。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC)。PLC在20世纪70年代被发明出来时主要以代替原来由继电器完成的顺序控制，而经过40多年的发展，现代的PLC已经不光具有顺序控制的功能，而是成了包括逻辑运算，数学运算，通信等多功能的复杂系统，很多高端的PLC甚至已经开始进入一些传统DCS的市场了。

DCS(Distributed Control System)分布式控制系统，在国内自控行业又称之为集散控制系统。1975年由美国霍尼威尔(Honeywell)发明。初以PC-BASE为构架基础，主要针对过程控制以取代传统仪表。经过近40年的发展，现代DCS系统已经不光具有过程控制功能，而且吸收PLC和其他信息技术的优点，形成了包含过程控制，顺序控制，批量控制等多种控制功能的复杂系统。

然而，现在用户的需求成多样化复杂化发展。对于简单设备或机构的生产商来说，需求的是少量的IO，简单的控制，而包含多种功能的PLC和DCS显然不是性价比最好的选择；对于集合各设备或机构以实现某种工艺流程或生产线的客户来说集成无疑已经成为整合生产体系、提高效率及工厂信息化的重要途径。但由于各设备厂商使用不同的控制器和通信方式，使得设备间通信和与上层信息系统接口变得复杂和难以实现。所以急需满足这些需求的自动化产品和系统，其不但应具有良好的内部集成能力，更应该具有良好的向第三方开放的集成能力，只有这样的体系结构才能帮助最终用户的设备运行至更高的水平。专利200710181144.1为一种可编程控制器，CPU单元和多个功能单元通过I/O总线而互相连接，并且各功能单元的每个可以通过连接器而对I/O总线进行安装、拆卸，进而，CPU单元根据需要而通过I/O总线访问到各个功能单元，从而实现有关该功能单元的功能，其特征在于，该可编程控制器包括：状态存储器，具有按每个连接器的存储区域，同时连动于关于某一个连接器而进行功能单元的拆卸操作，在有关该连接器的存储区域中存储第一状态；并且连动于关于某一个连接器而进行功能单元的安装操作，在有关该连接器的存储区域中存储第二状态；第一控制部件，在CPU单元通过某一个连接器而访问到功能单元时检测到异常响应时，参照有关该连接器的状态存储器的存储内容，同时在该存储内容被判定为第一状态时，为了原样继续可编程控制器的运行，同时关于所指定的连接器而可以拆卸功能单元，执行在拆卸单元时所需的处理，另一方面，在判定为第二状态时，执行规定的通信异常时处理；以及第二控制部件，在关于某一个连接器判定为状态存储器的存储内容从第一状态变化为第二状态时，为了原样继续可编程控制器的运行，同时关于所指定的连接器而可以安装功能单元，执行在安装单元时所需的处理。专利200710181144.1为一种可编程控制器，CPU单元和多个功能单元通过I/O总线而互相连接，并且各功能单元的每个可以通过连接器而对I/O总线进行安装、拆卸，进而，CPU单元根据需要而通过I/O总线访问到各个功能单元，从而实现有关该功能单元的功能，其特征在于，该可编程控制器包括：状态存储器，具有按每个连接器的存储区域，同时连动于关于某一个连接器而进行功能单元的拆卸操作，在有关该连接器的存储区域中存储第一状态；并且连动于关于某一个连接器而进行功能单元的安装操作，在有关该连接器的存储区域中存储第二状态；第一控制部件，在CPU单元通过某一个连接器而访问到功能单元时检测到异常响应时，参照有关该连接器的状态存储器的存储内容，同时在该存储内容被判定为第一状态时，为了原样继续可编程控制器的运行，同时关于所指定的连接器而可以拆卸功能单元，执行在拆卸单元时所需的处理，另一方面，在判定为第二状态时，执行规定的通信异常时处理；以及第二控制部件，在关于某一个连接器判定为状态存储器的存储内容从第一状态变化为第二状态时，为了原样继续可编程控制器的运行，同时关于所指定的连接器而可以安装功能单元，执行在安装单元时所需的处理。专利200680041703.2提供一种分布式系统，其无需使用仅在现场设备内有效的任务优先级，就可以实现对分布式应用的硬件资源分配。该分布式系统使经由网络(N)相互连接的多台现场设备并行地运行多个分布式应用(分布式AP)，该分布式系统包括：重要度调整部(3)，其基于分布式AP重要度和分布式AP内部相对值，计算表示现场设备内任务的优先级的设备内部相对值，其中，该分布式AP重要度是针对每个分布式AP指定的，表示分布式AP的优先级，该分布式AP内部相对值是针对构成分布式AP的每个任务指定的，表示在分布式AP内的任务的优先级；以及资源分配部(13)，其按照由重要度调整部(3)计算出的设备内部相对值，向构成分布式AP的各个任务分配各现场设备的硬件资源。专利200410046423.3为一种分布式控制系统，包括安装在铲车上的多个控制器(4-8)和在所述铲车内的多个控制器(4-8)之间提供链接的网络(9)。将所述多个控制器(4-8)中的第一控制器配置成用以响应从所述多个控制器(4-8)中的第二控制器接收到的接口信号(sai-sfi)，以控制所述功能。当在预定的时间段期间未接收到所述接口信号(sai-sfi)时，所述第一控制器利用存储在所述第一控制器中的数据代替所述接口信号(sai-sfi)，对所述功能进行控制。专利01814487.X为一种用于通过电信媒介(4)在标准以太网数据泵(8)和以太网媒介访问控制器(7)之间传输数据的以太网适配设备，包括：(a)双模式媒介独立接口(9)，它以PHY模式仿真标准以太网数据泵，并以MAC模式仿真以太网媒介访问控制器；(b)与电信媒介(4)相连接的数据泵；和(c)数据缓冲器(11)，用于存储至少一个要在标准数据泵(8)和以太网媒介访问控制器(7)之间传输的以太网数据分组。一种用于通过电信媒介(4)在标准以太网数据泵(8)和以太网媒介访问控制器(7)之间传输数据的以太网适配设备，包括：(a)双模式媒介独立接口(9)，它以PHY模式仿真标准以太网数据泵，并以MAC模式仿真以太网媒介访问控制器，(b)与电信媒介(4)相连接的数据泵(10)，和(c)数据缓冲器(11)，用于存储至少一个要在标准数据泵(8)和以太网媒介访问控制器(7)之间传输的以太网数据分组。

三、发明内容

本发明涉及一种自动化控制器和控制系统，尤其在控制方式上由传统PLC等集中控制变成分散控制(并非由单一CPU集中运算，现场总线与分布IO通信模式)，以单个功能或几个功能集合为控制对象，硬件和软件按控制对象构成为一个功能模块独立完成控制功能，多个功能模块以互联网络为通信基础，协同工作以实现设备，生产线或其他运用的控制，并可与现有的互联网络实现无缝连接。为了克服现有的PLC和DCS控制型号种类繁多，低端运用性价比不高，复杂系统中又互相集成困难，通信组网分层复杂，技术门槛高等问题，本发明技术提出了一种完全开放的控制器和控制系统结构，以具体运用和功能为对象，将软件中面对对象编程的思想扩展到控制器和控制系统中，针对控制对象，设计实现硬件模块化组合，软件功能化组合，通信开放化集合的互联型控制系统(ICS Interconnected Control System)，其核心单元就是互联型可编程功能模块(IPFB Interconnected Programmable Function Block)。

一种互联型控制系统ICS，其特征在于：采用开放的控制器和控制系统结构，以具体运用和功能为对象，将软件中面对对象编程的思想扩展到控制器和控制系统中，针对控制对象，设计实现硬件模块化组合，软件功能化组合，通信开放化集合的互联型控制系统ICS，其核心单元为互联型可编程功能模块IPFB，硬件采用单片机MCU为核心单元，配以光纤以太网接口，以单片机MCU自带的通用输入/输出GPIO为基础，功能化配置如数字量IO接口模板、模拟量IO接口模板、正交编码器输入接口模板多种功能模板、复合功能模板，由客户按控制对象定制的功能模板；软件上除集成通信所用基础协议TCP/IP协议和互联消息邮箱功能外，还可按用户编程习惯集成符合IEC61131-3编程的软PLC内核，Java运行核，BASIC运行核，或直接用C或汇编代码写功能软件；这样IPFB功能模块在面对点数少，控制简单的机械和运用时基本上和单片机，单板机几乎没有区别；采用互联型可编程控制功能块的用户可很容易地将这个功能块连入工厂信息自动化系统或互联网中。

互联型控制系统ICS是由多个IPFB通过以太网互联形成的系统；IPFB可分布于控制现场各处，主要采用光纤作为以太网通信的物理通道，辅以无线以太网连接以满足不同的需求；互联型控制系统既不像传统集中IO的系统需要大把电缆连接设备各处的传感器和执行元件，也不同于现场总线系统把分布式IO信息传给CPU，由CPU计算后再通过现场总线传回分布式IO；互联型控制系统的基本单元是互联型可编程功能模块，每个功能模块既有CPU计算单元又有IO，同时也具备通信功能；单个模块可完成一种或几种简单功能，多个模块组合即可完成复杂功能；每个IPFB独立控制，相互间通过信息传递驱动各功能运行，所以在互联控制系统中并不存在用于过程控制或顺序控制的集中处理单元，每个模块间也不存在主从关系，没有主控器；在互联型控制系统中各功能模块是独立对等的关系，以服务和客户模式协同工作，每个功能模块间是互为服务端和客户端。

ICS系统采用分布控制，每个IPFB针对控制对象都是本地控制，没有集中控制的主控单元，是分布运算与分布IO结合而成的控制系统。ICS系统中IPFB是针对控制对象的软硬件组合，IPFB可按执行元件生产商和简单功能机构生产商的需求模块化组合，可满足简单机构和功能的运用，同时又可以联入ICS系统中满足生产设备，生产线，工艺流程等最终客户的需求。ICS系统中每个IPFB独立工作，IPFB中是否使用实时多任务操作系统软件，整个ICS系统都是一个实时多任务系统，同一个时刻不同的IPFB在完成不同的任务。

四、附图说明

图1是本发明中的IPFB原理图。

图2是本发明中的ICS系统构成图。

图3是IPFB消息邮箱的结构。

图4是ICS信息系统的运用实例。

五、具体实施方式

下面结合附图和运用例对本发明进一步说明。在图1中，模块1为以太网通信接口，可选光纤和无线；模块2为MCU单元(主要采用ARM Cortex-M3为内核的32位单片机)；模块3为功能软件，包括基础通信的TCP/IP协议栈、消息邮箱、IO驱动等固件初始化程序，可选的软PLC内核软件、Java运行软件、Basic运行软件，用户编写的控制程序等。模块1、2、3的集合称为基本功能模块(图5为基本功能模块的实例图片)。模块4为扩展模块，由于MCU单元的GPIO可实现开关量，模拟量，高速计数、脉冲输出等功能，实际上扩展模块主要是隔离电路，放大电路等组合的接口电路以实现外部信号与GPIO的连接。按功能可分为开关量接口模块，模拟量接口模块，正交编码器接口模块，电机控制功能接口模块、触摸显示屏接口模块，通信功能接口模块等。

在图2中，A、B、C、D分别表示ICS系统中的无线、光纤双环、光纤单环、星型，4种以太网连接方式，其中标号为5的IPFB为带有无线以太网接口的功能模块；标号为6的IPFB为同时带有双光纤接口和以无线以太网接口的交换功能模块；标号为7的IPFB是带有双光纤接口的功能模块，标号为8的是带有7个以上光纤接口的交换功能模块，标号为9的IPFB是带有一个光纤接口的功能模块。对于外部传感器的信号采集和对执行机构的控制主要由5、7、9这样的功能模块来完成，标号为6、8这样的模块主要完成交换机的功能。光纤部分主要以塑料光纤为主，其百兆带宽和两点间百米的距离可满足大部分控制的需求，组网价格也很低廉。如果有超百米的需求可采用中继方式或转换为单模或多模玻璃光纤，传输距离可达1公里以上，带宽也可扩展至GB或TB级，为以扩展留有足够的空间。

在图3所示的是IPFB消息邮箱软件结构，图中标号为10的是收发功能块，主要实现与TCP/IP协议栈的接口，实现收发消息的功能。标号为11的是收件箱功能块，主要实现接受消息队列，等待消息处理。标号为12的是消息处理功能块，主要实现与用户程序的接口功能。标号为13的是发件箱功能块，主要实现发送消息队列。在消息邮箱中如果收到外来消息，将自动发送一个收条确认消息收到并将消息放入接收消息队列等待处理并标记为未处理，如果用户程序接受并处理该消息，则将该消息标记为已处理并且最终被挤出接收消息队列；如果用户程序接收该消息但没有该消息请求功能时，则将该消息标记为已处理，并发送出错报警消息(可发给人机界面，也可发给数据库服务器)。

在图4中所示为ICS消息系统运用实例，图中14、16号传送带和15号机械手共同完成传送17号工件的功能。18号IPFB控制14号传送带，19号IPFB控制15号机械手，20号IPFB控制16号传送带。当17号工件被送到23号位置时，18号IPFB向19号IPFB发送抓取请求消息(编号21)，19号IPFB控制15号机械手将工件17从23号位置抓到24号位置时，向20号IPFB发送请求放下的消息(编号22)，工件17被放在24号位置，20号IPFB控制16号皮带将工件17继续传送。在这个实例中，14、16号传送带也可以改成滚筒线、板连线、小车或其他传送装置，其发送的消息可以不变，对15号机械手来说并无影响；或者15号机械手的移动可为气缸、电机或其他驱动方式，对14、16号传送带来说也没什么区别。

互联型可编程功能模块IPFB，硬件采用单片机(MCU)为核心单元，配以光纤以太网接口(也可采用无线以太网模块)，以MCU的自带GPIO为基础，功能化配置如数字量IO接口模板、模拟量IO接口模板、正交编码器输入接口模板等多种功能模板或复合功能模板，或者由客户按控制对象定制的功能模板；软件上除集成通信所用基础协议TCP/IP协议和互联消息邮箱功能外，还可按用户编程习惯集成符合IEC61131-3编程的软PLC内核，Java运行核，BASIC运行核，或直接用C或汇编代码写功能软件。这样IPFB功能模块在面对点数少，控制简单的机械和运用时基本上和单片机，单板机几乎没有区别，而且，对于传统PLC用户来说，使用IPFB同样可采用梯形图(LD)，语句表(IL)，功能块图(FBD)等IEC61131-3编程方式，得到与单片机控制一样性价比的控制方案。同时，采用互联型可编程控制功能块的用户也可很容易地将这个功能块连入工厂信息自动化系统或互联网中。

互联型控制系统(ICS)，是由多个IPFB通过以太网互联形成的系统。但由于自动化控制尤其是工业自动化控制场合电磁环境复杂，很多处于强电磁干扰环境，所以本方案主要采用光纤作为以太网通信的物理通道，辅以无线以太网连接以满足不同的需求。采用光纤主要有两个好处，一是避免电磁干扰，二是光纤组网既可采用星型连接又可采用令牌环网结构，组网方式十分灵活。使用光纤并非本系统独有，不论是现在高端的PLC系统还是DCS系统，包括近年来新出现的PAC、PCC等加入许多新技术新概念的控制器都有光纤网络结构的运用。互联型控制系统与这些现有控制系统的最大区别在于该系统中并不存在集中处理的CPU单元(没有主控器)。互联型控制系统既不像传统集中IO的系统需要大把电缆连接设备各处的传感器和执行元件，也不同于现场总线系统把分布式IO信息传给CPU，由CPU计算后再通过现场总线传回分布式IO。互联型控制系统的基本单元是互联型可编程功能模块，每个功能模块既有CPU计算单元又有IO，同时也具备通信功能。单个模块可完成一种或几种简单功能，多个模块组合即可完成复杂功能。每个功能模块都能独立工作，所以在互联控制系统中并不存在用于过程控制或顺序控制的集中处理单元，每个模块间也不存在主从关系，也就没有主控器了。在互联型控制系统中各功能模块是独立对等的关系，以服务和客户模式协同工作，或者说每个功能模块间是互为服务端和客户端。所以互联型控制系统的技术特征就是互联。

在ICS系统中，IPFB可分布于控制现场各处，与传统拥有主控器的集成控制相比减少布线。

ICS系统虽然采用分布控制，但区别于FCS、DCS系统，每个IPFB针对控制对象都是本地控制，没有集中控制的主控单元，是分布运算与分布IO结合而成的控制系统。

由于每个IPFB独立控制，不再会出现由于传统控制系统中的主控器故障而出现全系统故障的问题。

ICS系统中各IPFB独立控制，相互间通过信息传递驱动各功能运行，是典型的事件驱动型系统，而非传统的时间驱动型系统。所以网络中很少有各IO状态和控制信号的实时数据传递，减少了对物理传输的带宽需求，使得每个消息的发送和响应更加迅速，加快了系统的响应速度。

由于ICS系统中IPFB是针对控制对象的软硬件组合，所以就整个系统而言，各工艺段或各设备不需要了解其他工艺段或设备的具体控制实现的方法或结构，所以为整个系统的设计、改造、扩展提供了灵活而开放的结构。

IPFB可按执行元件生产商和简单功能机构生产商的需求模块化组合，可满足简单机构和功能的运用，同时又可以联入ICS系统中满足生产设备，生产线，工艺流程等最终客户的需求。

由于ICS系统中IPFB只针对简单的控制对象进行控制，所以IPFB里只需要简单的循环或中断嵌套就可以完成，操作系统(包括“实时多任务操作系统”)变得可有可无，而整个ICS系统却是一个不折不扣的实时多任务系统，同一个时刻不同的IPFB在完成不同的任务。ICS减少了设备商对“实时多任务操作系统”投入成本，同时却提供了一个完全的实时多任务系统。

Claims (4)

1.一种互联型控制系统ICS，其特征在于：采用开放的控制器和控制系统结构，以具体运用和功能为对象，将软件中面对对象编程的思想扩展到控制器和控制系统中，针对控制对象，设计实现硬件模块化组合，软件功能化组合，通信开放化集合的互联型控制系统ICS，其核心单元为互联型可编程功能模块IPFB，硬件采用单片机MCU为核心单元，配以光纤以太网接口，以单片机MCU自带的通用输入/输出GPIO为基础，功能化配置如数字量IO接口模板、模拟量IO接口模板、正交编码器输入接口模板多种功能模板、复合功能模板，由客户按控制对象定制的功能模板；软件上除集成通信所用基础协议TCP/IP协议和互联消息邮箱功能外，还可按用户编程习惯集成符合IEC61131-3编程的软PLC内核，Java运行核，BASIC运行核，或直接用C或汇编代码写功能软件；这样IPFB功能模块在面对点数少，控制简单的机械和运用时基本上和单片机，单板机几乎没有区别；采用互联型可编程控制功能块的用户可很容易地将这个功能块连入工厂信息自动化系统或互联网中；

互联型控制系统ICS是由多个IPFB通过以太网互联形成的系统；IPFB可分布于控制现场各处，主要采用光纤作为以太网通信的物理通道，辅以无线以太网连接以满足不同的需求；互联型控制系统既不像传统集中IO的系统需要大把电缆连接设备各处的传感器和执行元件，也不同于现场总线系统把分布式IO信息传给CPU，由CPU计算后再通过现场总线传回分布式IO；互联型控制系统的基本单元是互联型可编程功能模块，每个功能模块既有CPU计算单元又有IO，同时也具备通信功能；单个模块可完成一种或几种简单功能，多个模块组合即可完成复杂功能；每个IPFB独立控制，相互间通过信息传递驱动各功能运行，所以在互联控制系统中并不存在用于过程控制或顺序控制的集中处理单元，每个模块间也不存在主从关系，没有主控器；在互联型控制系统中各功能模块是独立对等的关系，以服务和客户模式协同工作，每个功能模块间是互为服务端和客户端。

2.根据权利要求1所述的一种互联型控制系统ICS，其特征在于：ICS系统采用分布控制，每个IPFB针对控制对象都是本地控制，没有集中控制的主控单元，是分布运算与分布IO结合而成的控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种互联型控制系统ICS，其特征在于：ICS系统中IPFB是针对控制对象的软硬件组合，IPFB可按执行元件生产商和简单功能机构生产商的需求模块化组合，可满足简单机构和功能的运用，同时又可以联入ICS系统中满足生产设备，生产线，工艺流程等最终客户的需求。

4.根据权利要求1所述的一种互联型控制系统ICS，其特征在于：ICS系统中每个IPFB独立工作，整个ICS系统是一个实时多任务系统，同一个时刻不同的IPFB在完成不同的任务。

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