CN103235570A - 分布式生产设备监控信息通讯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分布式生产设备监控信息通讯系统，包括主控制器和从设备控制器，所述从设备控制器与所述分布式生产设备连接，其特征在于：在所述主控制器上设置有第一无线通讯模块，在所述从设备控制器上设置有第二无线通讯模块；所述第一无线通讯模块与所述第二无线通讯模块以无线方式进行通讯；所述从设备控制器分成不同的轮询组，所述主控制器通过轮询方式与所述轮询组内的所述从设备控制器进行通讯；所述分成轮询组的方法包括：与具有工序关联关系的所述生产设备连接的所述从设备控制器分成一组。本发明广泛应用于大规模生产设备的管理领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产管理自动化系统，特别涉及生产设备与生产管理中心的通讯系统。
背景技术
为了实现对生产过程的自动化管理，即生产管理中心与生产设备能够进行实时的监控信息通讯，则必须在生产管理中心与生产设备之间建立有效的通讯系统。现在，已经有生产过程自动化管理系统，能够在生产设备和生产管理中心之间建立通讯网络，实现生产管理中心与生产设备之间监控信息的传递。
在很多生产领域，不同生产设备之间存在工序上的关联关系，具体的表现在不同生产设备进行操作的步骤之间应当有时间间隔要求及实时性连锁要求。例如在机械加工过程中，加热的毛坯应当在一定时间内进行下一步的锻造，以符合生产工艺的要求；加热的毛坯要获得锻造工序的准备信号后才能进行毛坯的生产线传递。为此，生产管理中心在获取加热工序的监测信息后，应当在相应的时间范围内控制锻造工序开始操作。当生产设备众多，工艺要求复杂的情况下，生产管理中心不可避免地会形成复杂的管理逻辑，一方面增加了生产管理中心的制造与维护成本，另一方面复杂的管理程序也相应导致无法及时满足生产时间间隔与实时性要求，，延误正常生产。
以食品酿造的生产为例，仅在发酵工艺环节，发酵罐能够达到2000个，占地面积将近20万平米。发酵罐会执行不同的工作任务，且不同的工作任务之间有工艺时限的要求，发酵生产设备数量可达上百个。对这样巨大数量的生产设备进行管理，采用现有的生产自动化管理系统，其生产管理系统的复杂程度非常高、无法满足时间间隔与实时性要求。
发明内容
为了降低生产设备管理中心的复杂程度，相应达到降低建设和维护成本的目的，并满足生产工序时间间隔与实时性要求，保证生产的连续性和稳定性，本发明提供了一种分布式生产设备监控信息通讯系统。
本发明的技术方案如下：
分布式生产设备监控信息通讯系统，包括主控制器和从设备控制器，所述从设备控制器与所述分布式生产设备连接，在所述主控制器上设置有第一无线通讯模块，在所述从设备控制器上设置有第二无线通讯模块；所述第一无线通讯模块与所述第二无线通讯模块以无线方式进行通讯；
所述从设备控制器分成不同的轮询组，所述主控制器通过轮询方式与所述轮询组内的所述从设备控制器进行通讯；
所述分成轮询组的方法包括：与具有工序关联关系的所述生产设备连接的所述从设备控制器分成一组。
所述轮询方式的轮询周期设定在所述组内所述从设备控制器连接的所述生产设备工序限定的时间范围内。
在所述轮询过程中，轮询两个所述生产设备连接的所述从设备控制器的时间间隔符合该两个所述生产设备工序限定的时间间隔。
所述分成轮询组的方法包括：同类型的所述从设备控制器分在同一所述轮询组。
在所述轮询过程中，所述主控制器与所述从设备控制器通讯时间T符合如下公式：
T≥t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7+t8
其中，t1为主控制器运行相应程序的最大时间；
t2为主控制器生成待发送信息的时间；
t3为从所述第一无线通讯模块向所述第二无线通讯模块发送信息所需时间；
t4为所述从设备控制器将接收到的信息进行转换所需时间；
t5为所述从设备控制器运行相应程序所需最大时间；
t6为所述从设备控制器生成待上传信息的时间；
t7为从所述第二无线通讯模块向所述第一无线通讯模块发送信息所需时间；
t8为所述主控制器将接收到的信息进行转换所需时间。
设所述主控制器CPU时钟的时基为CLK，则T≤N×CLK，其中N为整数。
所述第一无线通讯模块与所述轮询组一一对应。
不同的所述轮询组与对应的所述第一无线通讯模块的通讯频率不同。
所述分布式生产设备为食品酿造发酵工艺生产设备。
所述从设备控制器包括：工业控制器、人机交互终端、动力设备控制器和/或仪表。
本发明的技术效果：
本发明的分布式生产设备监控信息通讯系统，包括主控制器和从设备控制器，所述从设备控制器与所述分布式生产设备连接，在所述主控制器上设置有第一无线通讯模块，在所述从设备控制器上设置有第二无线通讯模块；所述第一无线通讯模块与所述第二无线通讯模块以无线方式进行通讯；所述从设备控制器分成不同的轮询组，所述主控制器通过轮询方式与所述轮询组内的所述从设备控制器进行通讯；所述分成轮询组的方法包括：与具有工序关联关系的所述生产设备连接的所述从设备控制器分成一组。其中，主控制器作为生产管理中心，对生产设备进行管理与监控，具体方式是分别在主控制器和从设备控制器上设置无线通讯模块以进行监控信息的通讯，从设备控制器向主控制器上传生产设备状态信息，主控制器向从设备控制器传输控制信息，以便操作相应的生产设备。为了降低主控制器这一端的管理复杂度，本发明根据生产设备之间的工艺关联关系，将生产设备连接的从设备控制器分成轮询组，主控制器周期性轮询该轮询组。通过轮询的方式，使得有工序关联关系的生产设备与主控制器之间的监控信息通讯能够确定在一定周期之内，从而生产设备的生产可以符合工艺上的时限要求。这样使得主控制器无须具备复杂的逻辑程序，仅进行相应的轮询动作就可以保证生产设备以符合工艺要求的状态进行生产，同时还能满足生产工序时间间隔与实时性要求，保证生产的连续性和稳定性，实现了本发明的目的。
附图说明
图1为本发明分布式生产设备监控信息通讯系统的结构原理图。
图2为本发明分布式生产设备监控信息通讯系统的工作流程说明图。
图3为轮询周期原理图。
具体实施方式
对本发明涉及的名称先行说明。
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图1显示了本发明分布式生产设备监控信息通讯系统的一个实例，生产设备是用于食品酿造中的发酵工艺，包括发酵罐及其附属设备。图1所示分布式生产设备监控信息通讯系统包括作为生产管理中心的主控制器和设置在所述生产设备上的从设备控制器。主控制器还与上位机连接。上位机是对更高一层管理系统的统称，主要是指对主控制器进行管理的设备，主控制器向上位机传输生产设备的状态信息，接收上位机发来的控制命令。
主控制器连接有第一无线通讯模块，用于发送和接收监测和控制信息（简称为监控信息）。
从设备控制器根据具体工作任务包括：工业控制器PLC、人机交互终端（如设置有触摸屏显示装置的终端）、动力设备控制器和/或仪表。从设备控制器与生产设备连接，用于获取生产设备的运行状态参数及接收和处理来自主控制器的控制信息。主控制器发来的控制信息可以转换成控制命令对生产设备直接进行操作，也可以通过显示终端将控制命令显示，由操作人员根据情况进行适当的操作。从设备控制器与第二无线通讯模块连接。第一无线通讯模块与第二无线通讯模块以无线通讯的方式进行通讯。通过上述系统结构，能够实现主控制器与从设备控制器之间的监控信息传输。
为了降低主控制器对生产设备控制过程的复杂程度，本发明的分布式生产设备监控信息通讯系统采用了划分轮询组进行轮询通讯的方法。图1中虚线框内的生产设备所连接的从设备控制器为同一轮询组。具体说明如下。首先，将与生产设备连接的从设备控制器进行分组，分组完毕后，主控制器就会通过第一无线通讯模块与轮询组内的从设备控制器上的第二无线通讯模块进行轮询通讯。上述分组的方法包括：将具有工序关联关系的生产设备的从设备控制器分为一个轮询组。这里的工序关联关系是指在工艺流程上，生产设备进行的操作具有关联性，并且在工艺时间上有明确的限定。工艺时间要求主要分两种情况：一种是单个设备进行多次操作，各个操作过程之间具有时限要求，比如搅拌设备，需要进行多次，每次搅拌的间隔时间有严格的规定；另一种情况是不同的生产设备之间，操作过程有时限要求，比如搅拌后加水，搅拌操作和加水操作之间的时间间隔应当符合工艺要求。
分成轮询组后，主控制器对轮询组内的从设备控制器进行周期性轮询，具体的工作过程参见对图2的说明。轮询的周期及周期内的轮询次序安排应当与上述工艺时间要求匹配。具体的包含以下两个方面（针对上述工艺时间要求的两种情况）：
第一、轮询周期设定在所述组内所述从设备控制器连接的所述生产设备工序限定的时间范围内。
这种情况主要针对单一设备进行多次操作，各个操作过程之间的时间间隔有工艺要求，则轮询的周期或若干个周期必须符合工艺上的时间要求。例如，第一次搅拌与第二次搅拌的间隔时间为10分钟，则轮询周期为10分钟，或轮询周期的某个整数倍为10分钟。
第二、在所述轮询过程中，轮询两个所述生产设备连接的所述从设备控制器的时间间隔符合该两个所述生产设备工序限定的时间间隔。
这种情况主要针对不同生产设备的操作之间具有顺序要求，同时操作之间的间隔时间应当符合工艺要求。例如搅拌后加水，搅拌操作和加水操作之间的时间间隔工艺要求为8分钟，而搅拌生产设备和加水生产设备分在同一个轮询组，则在一个周期内，轮询搅拌生产设备和加水设备之间的时间间隔应当为8分钟，或者某个整数倍周期加上轮询搅拌生产设备和加水设备之间的时间间隔应当为8分钟。
上述划分轮询组的方法还包括：同类型生产设备连接的从设备控制器分在同一轮询组；或同类型从设备控制器分在同一轮询组；根据轮询周期的已有限定条件（例如前述轮询周期及轮询次序的“第一”和“第二”），调整生产设备进入到轮询组，以符合轮询周期的已有限定条件。划分轮询组的方法优先应用前述的“与具有工序关联关系的所述生产设备连接的所述从设备控制器分成一组”，前述的其他方法则根据实际条件选择应用。这是本领域技术人员能够知晓的方法，不再赘述。
为了更加高效地实施本发明技术方案，优选针对一个轮询组设置一个第一无线通讯模块，即第一无线通讯模块与所述轮询组一一对应。
为了避免轮询组的通讯不影响其他轮询组的通讯，不同轮询组的通讯频率（第一无线通讯模块与相应的第二无线通讯模块之间的通讯频率）不同。表一给出了一个轮询组通讯频率的例子。
表一
图2显示了本发明分布式生产设备监控信息通讯系统的工作过程。
首先，给出所述轮询过程中，所述主控制器与所述从设备控制器通讯时间T的公式：
T≥t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7+t8
其中，t1为主控制器运行相应程序的最大时间；
t2为主控制器生成待发送信息的时间；
t3为从所述第一无线通讯模块向所述第二无线通讯模块发送信息所需时间；
t4为所述从设备控制器将接收到的信息进行转换所需时间；
t5为所述从设备控制器运行相应程序所需最大时间；
t6为所述从设备控制器生成待上传信息的时间；
t7为从所述第二无线通讯模块向所述第一无线通讯模块发送信息所需时间；
t8为所述主控制器将接收到的信息进行转换所需时间。
下面，结合图2对主控制器与从设备控制器之间的应答过程进行详细说明。图2中虚线以上是主控制器部分的程序，虚线以下是从设备控制器的工作流程。
1、主控制器首先运行相应的程序
主控制器运行相应的程序，启动向从设备控制器发送信息的流程。这一部分对应的时间的最大值为前述公式中的t1。
2、生成待发送信息
主控制器生成待发送信息。这一部分对应的时间为前述公式中的t2。表二给出了待发送信息的一个例子（信息已转换成相应的数据格式）。
表二
| 帧头 | 目的地址 | 源地址 | 帧长度 | 命令类型 | 命令内容 | 校验 | 帧结束 |
| 7EH | 01H | 11H | MM | 01H | XX～XX | XOR | 0DH |
3、发送信息
主控制器向从设备控制器发送信息，通过第一无线通讯模块执行。
4、接收信息
从设备控制器接收步骤3传来的信息，通过第二无线通讯模块进行。步骤3和4对应的时间为前述公式中的t3。
5、是否为该设备对应地址
从设备控制器对接收到的信息进行判断，如果该信息不是发送给其连接的生产设备的，则不进行应当，如果如果该信息是发送给其连接的生产设备的，则执行步骤6。
6、处理信息
从设备控制器对接收到的信息进行相应处理。步骤5和6对应的时间为前述公式中的t4。
7、从设备控制器运行相应程序
从设备控制器运行相应程序，生成待上传给主控制器的信息。这一部分对应的时间的最大值为前述公式中的t5。
8、待上传信息处理
从设备控制器对生成的信息进行处理。
9、上传信息组帧
从设备控制器将待上传的信息组成数据帧。步骤8和9对应的时间为前述公式中的t6。
10、发送上传信息帧
从设备控制器发送生成的上传信息组成的数据帧。表三给出了一个上传信息的数据帧格式的例子。
表三
| 帧头 | 目的地址 | 源地址 | 帧长度 | 命令类型 | 命令内容 | 校验 | 帧结束 |
| 7EH | 11H | 01H | NN | 81H | YY～YY | XOR | 0DH |
11、接收反馈信息
主控制器接收到步骤10传来的数据帧。步骤10和11对应的时间为前述公式中的t7。
12、处理反馈信息
主控制器对接收到的数据帧进行处理。这一部分对应的时间为前述公式中的t8。
主控制器对轮询组进行轮询的过程是通过主控制器的CPU进行控制的，CPU根据其时基计数。图3对这一过程进行了说明。首先，主控制器对轮询组内的第一个从设备控制器进行询问并等待应答（以下简称为询问与应答），这一过程的时间预先设定好，这一时间应当是CPU时基的整数倍。主控制器的CPU计数时基，达到预定的时间，则结束对该从设备控制器的询问与应答，继续对轮询组内下一顺序的从设备控制器进行询问与应答。直到轮询组内所有从设备控制器完成询问与应答过程，进入下一个轮询周期。
如前所述每个从设备控制器与主控制器进行询问与应答的时间可能不同于其他从设备控制器，可以预先估算出来。对应这一估算的时间，主控制器在程序设计时相应设定与该从设备控制器进行询问与应答时CPU计数时基的数量，时基的数量（图3中N1及N1的倍数，N1为整数）与时基的乘积应当大于上述估算的时间。图3所示实例中，每个从设备控制器与主控制器的“询问与应答”时间相同。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
Claims (10)
1.分布式生产设备监控信息通讯系统，包括主控制器和从设备控制器，所述从设备控制器与所述分布式生产设备连接，其特征在于：在所述主控制器上设置有第一无线通讯模块，在所述从设备控制器上设置有第二无线通讯模块；所述第一无线通讯模块与所述第二无线通讯模块以无线方式进行通讯；
所述从设备控制器分成不同的轮询组，所述主控制器通过轮询方式与所述轮询组内的所述从设备控制器进行通讯；
所述分成轮询组的方法包括：与具有工序关联关系的所述生产设备连接的所述从设备控制器分成一组。
2.根据权利要求1所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：所述轮询方式的轮询周期设定在所述组内所述从设备控制器连接的所述生产设备工序限定的时间范围内。
3.根据权利要求1或2所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：在所述轮询过程中，轮询两个所述生产设备连接的所述从设备控制器的时间间隔符合该两个所述生产设备工序限定的时间间隔。
4.根据权利要求3所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：所述分成轮询组的方法包括：同类型的所述从设备控制器分在同一所述轮询组。
5.根据权利要求4所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：在所述轮询过程中，所述主控制器与所述从设备控制器通讯时间T符合如下公式：
T≥t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7+t8
其中，t1为主控制器运行相应程序的最大时间；
t2为主控制器生成待发送信息的时间；
t3为从所述第一无线通讯模块向所述第二无线通讯模块发送信息所需时间；
t4为所述从设备控制器将接收到的信息进行转换所需时间；
t5为所述从设备控制器运行相应程序所需最大时间；
t6为所述从设备控制器生成待上传信息的时间；
t7为从所述第二无线通讯模块向所述第一无线通讯模块发送信息所需时间；
t8为所述主控制器将接收到的信息进行转换所需时间。
6.根据权利要求5所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：设所述主控制器CPU时钟的时基为CLK，则T≤N×CLK，其中N为整数。
7.根据权利要求6所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：所述第一无线通讯模块与所述轮询组一一对应。
8.根据权利要求7所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：不同的所述轮询组与对应的所述第一无线通讯模块的通讯频率不同。
9.根据权利要求8所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：所述分布式生产设备为食品酿造发酵工艺生产设备。
10.根据权利要求9所述分布式生产设备监控信息通讯系统，其特征在于：所述从设备控制器包括：工业控制器、人机交互终端、动力设备控制器和/或仪表。
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