CN103176417A - 一种兼容epics的可编程自动化控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容EPICS的可编程自动化控制方法及装置，该方法包括S1获取被控对象的输入信号，并通过CA协议从网络上读取辅助控制信息；S2将输入信号和辅助控制信息传递给与用户配置相应的插件和脚本，并根据插件和脚本对输入信号和辅助控制信息进行处理得到输出信号和用于发布的辅助控制信息；S3将输出信号输出并通过CA协议在网络上发布辅助控制信息；S4根据用户配置的频率重复执行步骤S1至S3直至用户暂停或停止PAC。本发明支持EPICS CA协议，可以方便的集成且使用方便，远程监控简单；可以实现用插件进行功能扩展，只需按照简单的说明，用户即可开发自己的扩展插件，上传至PAC主机即可，功能扩展十分方便。

Description

一种兼容EPICS的可编程自动化控制方法及装置
技术领域
本发明属于工业控制领域，更具体地，涉及一种兼容EPICS的可编程自动化控制方法及装置。
背景技术
实验物理和工业控制系统软件（Experimental Physics and IndustrialControl System，EPICS）目前已在大型实验物理和加速器装置中得到广泛应用。兼容EPICS的控制系统具有可扩展性、可重用性、可移植性强、技术成熟、性能稳定等特点。
IO扩展是可编程自动化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）以及其它工业控制器的重要功能。之前的IO扩展多半是通过RS-232、RS-485技术实现。这种扩展方式的好处是简单可靠，但是在传输速度上十分有限。
常见的工业控制器如可编程逻辑控制器（Programmable LogicController，PLC）以及PAC发展多年来，多半是采用单片机或者ARM等嵌入式硬件平台，运行专用的语言，使用专用的指令或者梯形图进行编程。虽然得到了广泛的应用，但是由于不同产品使用不同的开发工具和语言，采用不同的通讯标准，没有使用公开的硬件标准，导致扩展和兼容性较差。同时很多应用所需的计算量已经超过了这些控制器提供的性能。
同时现有的工业控制器都不支持EPICS CA（Channel Access）协议，无法直接在EPCIS控制系统中应用，需要额外的设备进行接口，增加了设备部署的难度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种兼容EPICS的可编程自动化控制方法，旨在解决现有技术扩展和兼容性较差且不支持EPICS CA协议的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种兼容EPICS的可编程自动化控制方法，包括下述步骤：
S1：获取被控对象的输入信号，并通过CA协议从网络上读取辅助控制信息；
S2：将输入信号和辅助控制信息传递给与用户配置相应的插件和脚本，并根据插件和脚本对输入信号和辅助控制信息进行处理得到输出信号和用于发布的辅助控制信息；
S3：将输出信号输出并通过CA协议在网络上发布辅助控制信息；
S4：根据用户配置的频率重复执行步骤S1至S3直至用户暂停或停止PAC。
更进一步地，在步骤S2中，用户使用Python脚本编写控制任务。
本发明还提供了一种实现上述的控制方法的装置，包括PAC主机以及与所述PAC主机连接的IO扩展模块；所述PAC主机包括控制功能模块，用于根据用户需求实现控制任务；所述IO扩展模块用于连接被控对象并给用户提供输入输出接口。
更进一步地，所述控制功能模块包括：
EPICS通信模块，用于通过EPICS的CA协议实现远程通信和控制；
功能扩展插件控制模块，用于控制和调用内置的或者用户提供的用于扩展PAC功能的插件；
用户脚本执行模块，用于执行用户编写的控制任务；
用户配置处理模块，用于在主机启动时加载用户配置；
IO控制模块，用于控制IO扩展模块进行输入输出；以及
分别与EPICS通信模块、功能扩展插件控制模块、用户脚本执行模块、用户配置处理模块和IO控制模块连接的管理模块，用于控制上述模块工作并实现各个模块之间的数控共享。
更进一步地，所述IO扩展模块通过USB总线与所述PAC主机连接。
更进一步地，所述PAC主机为基于x86处理器的ITX主机板。
更进一步地，所述PAC主机与外部的操作界面之间通过以太网进行EPICS CA协议通信。
更进一步地，所述PAC主机和所述IO扩展模块安装于19寸标准机架中。
更进一步地，用户使用Python脚本编写控制任务。
本发明支持EPICS CA协议，可以方便的集成到已经大量应用的基于EPICS的控制系统中；大量的基于EPICS的软件可以与其配合使用，集成以及使用方便，远程监控简单。本发明只用Python编写用户控制程序，简单易学，大部分基础功能已有核心控制软件完成，用户控制脚本简洁，无需编译，下载即可运行，可在线修改无需重启。本发明中的控制功能模块，可以实现用插件进行功能扩展，只需按照简单的说明，用户即可开发自己的扩展插件，上传至PAC主机即可，功能扩展十分方便。本发明使用基于x86的处理器，其处理能力强，可以使用更灵活的应用，更快的进行数据处理，以及灵活的网络通信功能。本发明硬件结构较为简单，组件较少，成本较低可以方便的进行大量部署。此PAC主机以及IO扩展模块使用标准19英寸机架机箱，安装方便，主机和IO模块均内置独立电源，布线简单，扩展容易。同时IO模块的线性电源可以提高IO模块输出的精度。本发明采用USB总线进行IO扩展，数据传输速度快，支持IO数量多，插拔方便。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于X86-EPICS的兼容EPICS的可编程自动化控制装置的模块结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于X86-EPICS的兼容EPICS的可编程自动化控制装置中控制功能模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的基于X86-EPICS的兼容EPICS的可编程自动化控制装置中控制功能模的运行流程图；
图4是本发明实施例提供的基于X86-EPICS的兼容EPICS的可编程自动化控制装置中各个模块的位置关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
EPICS CA协议是EPICS控制系统软件采用的基于以太网通讯协议；它是EPICS的核心，所有兼容EPICS CA协议的控制软件可以方便地进行通信组成一个兼容EPICS的控制系统。
本发明主要应用于工业控制以及大型物理实验装置控制系统等领域；本发明实现了在这个领域缺乏的一种功能强大，可快速开发部署，扩展能力强，支持EPICS，可直接安装与标准机架的可编程控制方法及装置。
本发明实施例提供的兼容EPICS的可编程自动化控制方法具体包括下述步骤：
S1：获取被控对象的输入信号，并通过CA协议从网络上读取辅助控制信息；其中，辅助控制信息具体包括：用户对PAC的指令、其它设备通过CA协议发布的状态信息。
S2：将输入信号和辅助控制信息传递给与用户配置相应的插件和脚本，并根据插件和脚本对输入信号和辅助控制信息进行处理得到输出信号和用于发布的辅助控制信息；
S3：将输出信号输出并通过CA协议在网络上发布辅助控制信息；
S4：根据用户配置的频率重复执行步骤S1至S3直至用户暂停或停止PAC；用户可以通过CA协议向PAC发送停止指令，或者关闭PAC电源。
其中，在步骤S2中，用户使用Python脚本编写控制任务。
本发明实施例提供的兼容EPICS的可编程自动化控制方法可以用于流量控制系统，传感器为流量计，PAC通过输出控制阀门：（1）PAC通过IO卡获取流量计输出的电压信号，通过CA协议从网络获取操作员设定的流量；（2）根据用户配置，第一步中获取的流量计电压信号被送入插件中处理得到实际流量信号，并且通过用户配置的脚本，如PID控制算法处理实际流量信号以及操作员给定流量，得到阀门开度信号。（3）将阀门开度信号通过IO卡输出控制阀门开度大小，同时把上述步骤得到的流量、阀门开度信号通过CA协议在网络上发布，以便操作员监视系统运行状态。
如图1所示，本发明实施例提供的实现上述的控制方法的装置包括PAC主机201以及与PAC主机201连接的IO扩展模块202；PAC主机201包括控制功能模块203，控制功能模块203用于根据用户需求实现控制任务；IO扩展模块202用于连接被控对象并给用户提供输入输出接口。该装置通过上述模块实现了采集处理信号，输出控制信号等工业控制功能；同时支持EPICS CA通信协议的，支持用户插件扩展功能。
在本发明实施例中，被控对象包括执行器和传感器，其中执行器可以为阀门、泵等元件。
在本发明实施例中，PAC主机为基于x86处理器的ITX主机板。PAC主机与外部的操作界面10之间通过以太网进行EPICS CA协议通信。PAC主机提供了实现IO数据处理、数据采集、信号处理、控制输出等功能的硬件平台。同时提供了通过以太网进行EPICS CA协议通信的硬件平台。处理器采用Intel公司Atom处理器，功率小，适合长时间用于工业控制。同时性能远高于单片机、Arm等处理器，可以实现复杂的信号处理以及网络功能，适用于灵活性要求高的工业控制领域。
在本发明实施例中，IO扩展模块是实现信号输入输出的模块。PAC通过IO扩展模块获取输入信号，IO模块会传递给PAC主机，再输出PAC主机发来的控制信号。PAC主机可以连接多个IO扩展模块。PAC主机以及IO扩展模块均采用标准19寸机架1U机箱设计，无需任何配件即可安装在标准19寸机架中。其中，IO扩展模块202可以通过USB总线与PAC主机连接。使用USB总线实现IO扩展可以带来更高的性能，实现热插拔，同时安装方便等好处。
如图2所示，控制功能模块203包括：EPICS通信模块、功能扩展插件控制模块、用户脚本执行模块、用户配置处理模块、IO控制模块和分别与EPICS通信模块、功能扩展插件控制模块、用户脚本执行模块、用户配置处理模块和IO控制模块连接的管理模块；EPICS通信模块用于通过EPICS的CA协议实现远程通信和控制；功能扩展插件控制模块用于控制和调用内置的或者用户提供的用于扩展PAC功能的插件；用户脚本执行模块用于执行用户编写的控制任务；用户配置处理模块用于在主机启动时加载用户配置；IO控制模块用于控制IO扩展模块进行输入输出；管理模块用于控制上述模块工作并实现各个模块之间的数控共享。控制功能模块试运行在PAC主机上的模块，它通过一定的算法实现了数据处理，操作IO扩展模块，完成用户设定任务，以及执行以及管理用户扩展功能插件和EPICSCA协议网络通讯的功能。
在本发明实施例中，用户可以使用Python脚本编写控制任务。用户只需通过简单的脚本编写用户功能，上传到PAC上即可。再将此PAC通过RJ45接口接入普通的以太网，控制室中的操作员可以通过支持EPICS CA协议的操作界面远程监视和控制PAC的运行状态，向PAC下达指令。EPICS用户群体众多，支持EPICS让此PAC的使用更加方便。
如图3所示，控制功能模块203的运行流程如下：PAC启动后，控制功能模块进行初始化操作，根据用户设定进行相应的配置。用户配置处理模块加载用户配置文件，解析后将具体的配置信息发送给EPICS通信模块，功能扩展插件控制模块，用户脚本执行模块，IO控制模块。之后，EPICS通信模块根据接收到的配置信息在网络上建立EPICS记录，发布和监控辅助控制信息，具体包括用户对PAC的指令、其它设备通过CA协议发布的状态信息；功能扩展插件控制模块根据配置信息加载指定的插件，并将插件所需的初始化信息传递给相应插件；用户脚本执行模块根据配置信息加载指定的脚本，并将脚本所需的初始化信息传递给相应脚本；IO控制模块先自检IO模块工作状况是否正常，再根据配置信息初始化IO模块，设定各端口的工作参数，建立与EPICS记录之间的对应关系。
初始化操作完成后，控制功能模块开始执行用户设定的控制任务。IO控制模块控制IO模块获取被控对象的输入信号，EPICS通讯模块从通过CA协议从网络上读取辅助控制信息；功能扩展插件控制模块和用户脚本执行模块，将输入信号和辅助控制信息传递给相应的插件和脚本，经过用户开发的具体算法对数据进行处理后，得到输出信号和用于发布的辅助控制信息，并传递给IO控制模块和EPICS通讯模块；IO控制模块通过IO模块输出计算得到的输出信号，EPICS通讯模块通过CA协议在网络上发布辅助控制信息。以上完成了一次控制周期，控制功能模块将按用户配置的频率不断地执行控制周期，直至用户暂停或停止PAC，具体方式有通过CA协议向PAC发送停止指令、关闭PAC电源。
本PAC兼容EPICS CA协议，用户可以在远程的操作机上通过任何支持EPICS CA协议的客户端监视PAC的运行，或修改配置对PAC进行控制。EPICS在国内外大型物理实验装置以及天文望远镜领域大量应用，本PAC可以方便的部署到以上环境中。本PAC可以很方便的与常用的EPICS客户端开发工具，例如MEDM，Control System Studio等客户端进行通讯。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的装置，现参照图4并结合具体实例详述如下：
PAC主机201主要包括1U机箱，内置电源模块2013，ITX主机板2011，固态存储器2012，散热装置2014。IO模块202主要由1U机箱，内置电源模块2022，USB核心IO主板2021，接线端子2024，散热装置2023。
其中PAC主机电源采用标准1UATX电源2013为PAC主机201供电。PAC主机板采用Intel公司Atom处理器ITX主板2011，并配置DDR2内存。PAC使用32G固态存储器2012，可根据应用需求更换其它容量存储器。PAC主机内部采用温控散热风扇2014，整机功率较小，可保证PAC长期正常运行。扩展接口包括多个RS-232串口，和多个USB2.0接口。PAC主机外壳采用标准的1U机箱，机身占用空间小，无需任何配件安装已19寸标准机架中，安装以及维护都十分方便。机箱具有较好的抗腐蚀、抗磨损、防震、抗衰、电磁屏蔽性能。PAC主机内部运行的是控制功能模块，用于实现具体的控制控制任务。
IO扩展模块202主内置5V线性电源2022，使用线性电源可以减少电源波动产生的纹波，减少对IO模块模拟输入输出的干扰。IO扩展模块核心是USB-6009OEM数据采集板2021。使用该采集板，IO扩展模块可以实现16路14位精度48kS/s模拟输入通道，4路12位精度150S/s模拟输出，24路数字IO。可以满足绝大多数工业控制需求。IO扩展模块202外壳也采用标准的1U机箱。此外本发明中IO扩展模块202通过USB总线接入PAC主机201，USB总线仅负责数据通信，原有的供电功能不再使用，但是当IO扩展模块电源出现故障时，USB总线可以最多为2个IO扩展模块202提供冗余供电。IO扩展模块202通过端子连接外部信号。信号通过端子引入IO扩展模块202后进行转换，通过USB总线传入PAC主控器。输出信号由主机通过USB总线传输给IO扩展模块202。IO扩展模块202进行转换后通过端子排2024输出到外部的执行器和传感器。
控制功能模块试运行在PAC主机上的一个模块，它负责根据用户配置的实现具体提供之任务。控制功能模块主要包括一下子模块：EPICS通信模块，实现了支持EPICS的CA协议，用实现远程通信和控制；功能扩展插件控制模块，用于控制和调用内置的或者用户提供的用于扩展PAC功能的插件；用户脚本执行模块，用于执行用户编写的控制任务；用户配置处理模块，在主机启动的时候负责加载用户配置；IO控制模块，用于控制IO扩展模块进行输入输出。用户只需要通过提供的图形界面对输入输出进行配置，然后根据输入输出使用Python脚本编写控制程序然后下载到PAC上即可。Python是一种简单易学的脚本语言，用户可以使用它快速开发控制应用。控制功能模块通过多个不同功能的软件模块，按照一定的流程与算法实现了根据用户需求执行控制任务，提供EPICS支持以及允许用户对PAC功能进行扩展等功能。
本发明支持EPICS CA协议，可以方便的集成到已经大量应用的基于EPICS的控制系统中。大量的基于EPICS的软件可以与其配合使用，集成以及使用方便，远程监控简单。本发明只用Python编写用户控制程序，简单易学，大部分基础功能已有核心控制软件完成，用户控制脚本简洁，无需编译，下载即可运行，可在线修改无需重启。本发明中的控制功能模块，可以实现用插件进行功能扩展，只需按照简单的说明，用户即可开发自己的扩展插件，上传至PAC主机即可，功能扩展十分方便。本发明使用基于x86的处理器，其处理能力强，可以使用更灵活的应用，更快的进行数据处理，以及灵活的网络通信功能。本发明硬件结构较为简单，组件较少，成本较低可以方便的进行大量部署。此PAC主机以及IO扩展模块使用标准19英寸机架机箱，安装方便，主机和IO模块均内置独立电源，布线简单，扩展容易。同时IO模块的线性电源可以提高IO模块输出的精度。本发明采用USB总线进行IO扩展，数据传输速度快，支持IO数量多，插拔方便。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种兼容EPICS的可编程自动化控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：获取被控对象的输入信号，并通过CA协议从网络上读取辅助控制信息；
S2：将输入信号和辅助控制信息传递给与用户配置相应的插件和脚本，并根据插件和脚本对输入信号和辅助控制信息进行处理得到输出信号和用于发布的辅助控制信息；
S3：将输出信号输出并通过CA协议在网络上发布辅助控制信息；
S4：根据用户配置的频率重复执行步骤S1至S3直至用户暂停或停止PAC。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，用户使用Python脚本编写控制任务。
3.一种实现权利要求1或2所述的控制方法的装置，其特征在于，包括PAC主机以及与所述PAC主机连接的IO扩展模块；所述PAC主机包括控制功能模块，用于根据用户需求实现控制任务；所述IO扩展模块用于连接被控对象并给用户提供输入输出接口。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制功能模块包括：
EPICS通信模块，用于通过EPICS的CA协议实现远程通信和控制；
功能扩展插件控制模块，用于控制和调用内置的或者用户提供的用于扩展PAC功能的插件；
用户脚本执行模块，用于执行用户编写的控制任务；
用户配置处理模块，用于在主机启动时加载用户配置；
IO控制模块，用于控制IO扩展模块进行输入输出；以及
分别与EPICS通信模块、功能扩展插件控制模块、用户脚本执行模块、用户配置处理模块和IO控制模块连接的管理模块，用于控制上述模块工作并实现各个模块之间的数控共享。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述IO扩展模块通过USB总线与所述PAC主机连接。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述PAC主机为基于x86处理器的ITX主机板。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述PAC主机与外部的操作界面之间通过以太网进行EPICS CA协议通信。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述PAC主机和所述IO扩展模块安装于19寸标准机架中。
9.如权利要求3所述的装置，其特征在于，用户使用Python脚本编写控制任务。
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