CN103353750B - 一种基于多总线的微波冶金控制方法 - Google Patents

一种基于多总线的微波冶金控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多总线的微波冶金控制系统及方法。系统包括主控计算机、数据库、多个可编程控制器、各种传感器、继电器及微波冶金装置，主控计算机上有多个通信端口，可编程控制器与主控计算机之间以多总线方式连接。主控计算机包括：界面显示模块、缓冲区创建模块、数据采集模块、控制决策模块、指令发送模块、Web查询服务模块。数据采集、指令发送、用户界面管理及控制决策运行在不同的线程中，线程之间通过全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表交互数据和协调一致。本发明采用这种多线程双缓冲的机制，有效的提高了多总线控制系统的数据通信能力和处理能力；采用这种双缓冲机制，优化了程序结构，减少了程序模块之间的耦合度。

Description

一种基于多总线的微波冶金控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于多总线的微波冶金控制系统及方法，属控制技术领域。
背景技术
由于微波冶金或干燥加热装置数据采集点和控制点非常多，为提高控制系统的性能和数据处理能力，在专利ZL 201220630008.2提出了一种多总线的微波冶金控制系统，这种多总线结构有效的提高了主控计算机与可编程控制器之间的通信能力，提高了系统的性能。主控计算机在与多总线上的可编程控制器进行通信时，通常采用轮询通信端口的方式，而由于总线上可编程控制器控制的设备不同，有的响应速度快，有的响应速度慢，而在一些需要建立应答机制的设备控制中，就会出现因某一个通信端口的等待而使得整个控制系统陷入等待的情况，从而将使得这种多总线结构的通信系统的性能急剧下降，也就是说，轮询方式很难充分发挥这种多总线结构的优势。为提高通信性能，往往采用多线程方式来提高通信性能，然而多线程系统往往是比较复杂的系统，如果组织不当可能得不到预期的效果，也就无法充分发挥多线程系统的性能。因此，需要建立有效的组织结构来配合这种多线程技术，才能充分发挥多线程技术的优势以提升这种多总线系统的通信能力和处理能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述现有多总线微波冶金控制系统中通信性能以及处理能力不高的缺陷，提供一种新的基于多总线的微波冶金控制系统及方法。
本发明的技术方案是：一种基于多总线的微波冶金控制系统，包括主控计算机、数据库、多个可编程控制器、各种传感器、继电器及微波冶金装置，主控计算机上有多个的通信端口，可编程控制器与主控计算机之间采用多总线方式连接，主控计算机接入到网络中，主控计算机包括：
缓冲区创建模块，用于建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表；
数据采集模块，用于实时采集各个总线上的可编程控制器向主控计算机发送的数据，具体包括：针对每一通信端口建立一个数据采集线程，用于采集所述通信端口的数据，并将采集到的数据放入全局数据接收缓冲列表中；
控制决策模块，用于将采集到的可编程控制器的数据进行加工处理，具体包括：从全局数据接收缓冲列表读取实时数据、解析数据，将数据保存到数据库中，并将数据从全局接收缓冲列表中移除；结合实时数据与数据库中历史数据进行分析，根据设定好的控制算法、策略生成控制指令后，将控制指令发送到全局指令发送缓冲列表；
指令发送模块，用于向相关可编程控制器下达各种控制指令，具体包括：针对每一通信端口建立一个控制指令发送线程，从全局指令发送缓冲列表中取出指令后发送到所述通信端口上；当指令成功发送后，将指令从指令发送缓冲列表中移除；
界面显示模块，用于提供用户界面，将数据库中保存的各种传感器的最新状态和参数在界面上显示出来。
所述界面显示模块和控制决策模块运行在主线程中。
所述全局指令发送缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、指令通信包、发送时间、应答时间；所述全局数据接收缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、数据通信包、接收时间、应答时间。
Web查询服务模块，用于接收、解析基于HTTP协议的远程查询指令，查询数据库，并将查询结果动态封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
Web查询服务模块包括一个网络监听线程，监听网络客户端HTTP请求，当每次接收到客户端网络请求后，针对每一请求建立一个请求处理线程，查询数据库，并将查询结果封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
一种基于多总线的微波冶金控制方法，主控计算机上有多个通信端口，可编程控制器与主控计算机之间采用多总线方式连接，包括：
主控计算机中建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表；
主控计算机针对每一通信端口建立一个数据采集线程，用于采集可编程控制器发送到所述通信端口的数据，并将采集到的数据放入全局数据接收缓冲列表中；
主控计算机在主线程中从全局数据接收缓冲列表读取实时数据、解析数据，将数据保存到数据库中，并将数据从全局接收缓冲列表中移除；结合实时数据与数据库中历史数据进行分析，根据设定好的控制算法、策略生成控制指令后，将控制指令发送到全局指令发送缓冲列表；将数据库中保存的各种传感器的最新状态和参数显示在用户界面上；
主控计算机针对每一通信端口建立一个控制指令发送线程，从全局指令发送缓冲列表中取出指令后发送到所述通信端口连接的可编程控制器上，由可编程控制器控制继电器执行动作；当指令成功发送后，将指令从指令发送缓冲列表中移除；
所述全局指令发送缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、指令通信包、发送时间、应答时间；所述全局数据接收缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、数据通信包、接收时间、应答时间。
主控计算机接收、解析基于HTTP协议的远程查询指令，查询数据库，并将查询结果动态封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
Web查询服务运行在一个单独的网络监听线程中，监听网络客户端HTTP请求，当每次接收到客户端网络请求后，针对每一请求建立一个请求处理线程，查询数据库，并将查询结果封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
本发明的有益效果是：本发明针对多总线结构采用了一种多线程双缓冲的机制，有效避免了轮询方式因某一个通信端口的等待而使得整个监控系统陷入等待的情况，提高了多总线控制系统的数据通信能力，提高了主控计算机的并发能力、处理能力和CPU的利用率；在系统中通过建立全局缓冲区，屏蔽了基于多线程的多总线系统的复杂性，对业务逻辑层来说，仍然类似一个单总线系统；采用这种双缓冲机制，优化了程序结构，减少了程序模块之间的耦合度，提高了系统的可扩展性；使用多线程机制的远程HTTP查询服务，提升了服务性能以及更加方便了用户的使用。本发明提出的这种多线程双缓冲机制适用于多数的多总线系统（如多串口短信猫通信系统）具有广泛实用价值。
附图说明
图1为本发明基于多总线的微波冶金控制系统实施例的硬件组成结构示意图；
图2为本发明的主控计算机的功能模块示意图；
图3为本发明基于多总线的微波冶金控制方法实施例的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
一种基于多总线的微波冶金控制系统，包括主控计算机、数据库、多个可编程控制器、各种传感器、继电器及微波冶金装置，主控计算机上有多个的通信端口，可编程控制器与主控计算机之间采用多总线方式连接，主控计算机接入到网络中，主控计算机包括：
缓冲区创建模块，用于建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表；
数据采集模块，用于实时采集各个总线上的可编程控制器向主控计算机发送的数据，具体包括：针对每一通信端口建立一个数据采集线程，用于采集所述通信端口的数据，并将采集到的数据放入全局数据接收缓冲列表中；
控制决策模块，用于将采集到的可编程控制器的数据进行加工处理，具体包括：从全局数据接收缓冲列表读取实时数据、解析数据，将数据保存到数据库中，并将数据从全局接收缓冲列表中移除；结合实时数据与数据库中历史数据进行分析，根据设定好的控制算法、策略生成控制指令后，将控制指令发送到全局指令发送缓冲列表；
指令发送模块，用于向相关可编程控制器下达各种控制指令，具体包括：针对每一通信端口建立一个控制指令发送线程，从全局指令发送缓冲列表中取出指令后发送到所述通信端口上；当指令成功发送后，将指令从指令发送缓冲列表中移除；
界面显示模块，用于提供用户界面，将数据库中保存的各种传感器的最新状态和参数在界面上显示出来。
所述界面显示模块和控制决策模块运行在主线程中。
所述全局指令发送缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、指令通信包、发送时间、应答时间；所述全局数据接收缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、数据通信包、接收时间、应答时间。
Web查询服务模块，用于接收、解析基于HTTP协议的远程查询指令，查询数据库，并将查询结果动态封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
Web查询服务模块包括一个网络监听线程，监听网络客户端HTTP请求，当每次接收到客户端网络请求后，针对每一请求建立一个请求处理线程，查询数据库，并将查询结果封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
一种基于多总线的微波冶金控制方法，主控计算机上有多个通信端口，可编程控制器与主控计算机之间采用多总线方式连接，包括：
主控计算机中建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表；
主控计算机针对每一通信端口建立一个数据采集线程，用于采集可编程控制器发送到所述通信端口的数据，并将采集到的数据放入全局数据接收缓冲列表中；
主控计算机在主线程中从全局数据接收缓冲列表读取实时数据、解析数据，将数据保存到数据库中，并将数据从全局接收缓冲列表中移除；结合实时数据与数据库中历史数据进行分析，根据设定好的控制算法、策略生成控制指令后，将控制指令发送到全局指令发送缓冲列表；将数据库中保存的各种传感器的最新状态和参数显示在用户界面上；
主控计算机针对每一通信端口建立一个控制指令发送线程，从全局指令发送缓冲列表中取出指令后发送到所述通信端口连接的可编程控制器上，由可编程控制器控制继电器执行动作；当指令成功发送后，将指令从指令发送缓冲列表中移除；
所述全局指令发送缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、指令通信包、发送时间、应答时间；所述全局数据接收缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、数据通信包、接收时间、应答时间。
主控计算机接收、解析基于HTTP协议的远程查询指令，查询数据库，并将查询结果动态封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
Web查询服务运行在一个单独的网络监听线程中，监听网络客户端HTTP请求，当每次接收到客户端网络请求后，针对每一请求建立一个请求处理线程，查询数据库，并将查询结果封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
如图1所示，为本实施例基于多总线的微波冶金控制系统的硬件组成结构示意图。该系统包括：主控计算机1、可编程控制器2、传感器3、继电器4、微波冶金装置5、数据库6以及查询请求客户端7。其中，可编程控制器2、传感器3和继电器4为多个，传感器3、继电器4固定在微波冶金装置5中。主控计算机1上有多个通信端口，其通信端口为串口，主控计算机1的串口与可编程控制器2之间通过RS485总线连接，RS485总线可连接多个可编程控制器2。主控计算机1接收各个可编程控制器2采集的传感器3的数据并显示在界面上，同时，主控计算机1通过RS485总线向各个可编程控制器2发送指令，再由可编程控制器2控制连接在其上的继电器4执行动作。
如图2所示，是图1中主控计算机1的功能模块结构图。所述主控计算机1包括：
缓冲区创建模块201，用于建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表。
所述全局指令发送缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、指令通信包、发送时间、应答时间；所述全局数据接收缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、数据通信包、接收时间、应答时间。
数据采集模块202，用于实时采集各个RS485总线上的可编程控制器2向主控计算机发送的数据，具体包括：针对每一串口建立一个数据采集线程，用于采集所述串口的数据，并将采集到的数据放入全局数据接收缓冲列表中；
控制决策模块203，用于将采集到的可编程控制器2的数据进行加工处理，具体包括：从全局数据接收缓冲列表读取实时数据、解析数据，将数据保存到数据库6中，并将数据从全局接收缓冲列表中移除；结合实时数据与数据库6中历史数据进行分析，根据设定好的控制算法、策略生成控制指令后，将控制指令发送到全局指令发送缓冲列表；
指令发送模块204，用于向相关可编程控制器2下达各种控制指令，具体包括：针对每一串口建立一个控制指令发送线程，从全局指令发送缓冲列表中取出指令后发送到串口上；当指令成功发送后，将指令从指令发送缓冲列表中移除；
界面显示模块205，用于提供用户界面，将数据库6中保存的各种传感器3的最新状态和参数显示在用户界面上；
Web查询服务模块206，接收、解析基于HTTP协议的查询请求客户端7的查询指令，查询数据库6，并将查询结果动态封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求客户端7。
Web查询服务模块206包括一个网络监听线程，监听查询请求客户端7的HTTP请求，当每次接收到查询请求客户端7请求后，针对每一请求建立一个请求处理线程，查询数据库6，并将查询结果封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求客户端7。
其中，界面显示模块205、控制决策模块203运行在主线程中；
如图3所示为本发明基于多总线的微波冶金控制方法实施例的工作流程图：
首先，建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表。所述全局指令发送缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、指令通信包、发送时间、应答时间；所述全局数据接收缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、数据通信包、接收时间、应答时间。本实施例中，通信端口为串口。通常串口号为COM1、COM2、COM3等等，通过串口号，指令发送模块204的各个控制指令发送线程可以根据串口号来识别是否属于本线程的数据；控制决策模块203也根据串口号和可编程控制器地址码来识别是哪个可编程控制器2发送的数据，并根据串口号和可编程控制器地址码进行应答。可编程控制器地址码，用以区分同一总线上的不同的可编程控制器2，往往根据所采用的通信协议来设定，例如Modbus通信协议的数据格式分为两种，其中RTU帧格式的地址码往往是一个字节的数字。指令通信包、数据通信包都是按照通信协议封装好的指令或者读取到的数据（步骤S301）。
数据采集模块202针对每一串口建立了一个数据采集线程，用于采集所述串口的数据，此时，如果有可编程控制器2采集到连接在其上的传感器的参数，通过RS485总线发送到相应的串口上，则数据采集模块202中对应串口的数据采集线程采集数据并将采集到的数据放入全局数据接收缓冲列表中（步骤S302）。
控制决策模块203运行在主线程中，从全局数据接收缓冲列表读取各总线上可编程控制器2传来的实时数据、解析数据，根据串口号、可编程控制器地址码识别出相应的可编程控制器2的各个传感器的参数或状态后，将数据保存到数据库6中，并结合数据库6中历史数据进行分析，根据设定好的控制算法、策略生成控制指令后，将控制指令发送到全局指令发送缓冲列表，并将接收到的数据从全局接收缓冲列表中移除；将数据库6中保存的各种传感器的最新状态和参数显示在用户界面上（步骤S303）。
指令发送模块204也针对每一串口建立了一个控制指令发送线程，此时，指令发送模块204中的指令发送线程从全局指令发送缓冲列表中取出指令后，根据指令的串口号和可编程控制器2的地址码发送到指定的串口上的可编程控制器2上，可编程控制2控制继电器4执行动作。对于需要进行应答的指令，指令发送线程等待应答，并根据应答超时与否来判断是否发送成功；当指令成功发送后，将指令从指令发送缓冲列表中移除（步骤S304）。
如果查询请求客户端7通过网络向主控计算机1发出查询请求，Web查询服务模块206的接收、解析基于HTTP协议的查询请求客户端7的查询指令，查询数据库6，并将查询结果动态封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求客户端7。具体过程为，Web查询服务在一个单独的网络监听线程中，监听网络HTTP请求，当每次接收到查询请求客户端7的HTTP请求后，针对每一请求建立一个请求处理线程，查询数据库6，并将查询结果封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求客户端7（步骤S305）。
在整个工作流程中，在主线程中进行控制决策与调度、用户界面管理，主线程中发送控制指令时并不直接发送到串口，而是发送到全局指令发送缓冲列表，主线程不直接从串口读取数据，而是从全局数据接收缓冲列表中读取数据；对应每一个串口建立一个控制指令发送线程和数据采集线程，指令发送线程从全局指令发送缓冲列表中读取本串口的指令，通过串口发送到本串口的可编程控制器，数据采集线程采集本端口的数据并存入全局数据接收缓冲列表中。
本发明的基本思路是将控制指令的发送、接收与通信端口的通信进行分离，在主线程中进行控制、调度和提供用户界面接口，主线程中发送的控制指令是发送到全局控制指令发送队列，主线程从全局采集数据接收队列中读取数据；指令发、数据采集等通信端口的操作运行在不同的线程中。也就是说，数据采集、指令发送、用户界面管理、控制决策与调度运行在不同的线程中；各个线程之间通过建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表来交互数据和协调一致；对应每一个串口建立一个控制指令发送线程和数据采集线程，分别与连接在本端口上的可编程控制器通信，实现采集数据和发送控制指令。本发明针对多总线结构采用了一种多线程双缓冲的机制，避免了轮询机制在多总线系统中可能出现的等待情况，有效的提高了多总线控制系统的数据通信能力，提高了主控计算机的并发能力和处理能力，以及提高了主控计算机CPU的利用率；同时，采用这种双缓冲机制，屏蔽了常规采用的多线程系统的复杂性，优化了程序结构，减少了程序模块之间的耦合度。这种多线程机制尤其适用于多核处理器，对基于多核处理器的多总线系统，其处理能力将得到大幅提升，同时，使用多线程机制的远程HTTP查询服务，提升了服务性能和更加方便了用户。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于多总线的微波冶金控制方法，主控计算机上有多个通信端口，可编程控制器与主控计算机之间采用多总线方式连接，其特征在于，包括：
主控计算机中建立全局指令发送缓冲列表和全局数据接收缓冲列表；
主控计算机针对每一通信端口建立一个数据采集线程，用于采集可编程控制器发送到所述通信端口的数据，并将采集到的数据放入全局数据接收缓冲列表中；
主控计算机在主线程中从全局数据接收缓冲列表读取实时数据、解析数据，将数据保存到数据库中，并将数据从全局接收缓冲列表中移除；结合实时数据与数据库中历史数据进行分析，根据设定好的控制算法、策略生成控制指令后，将控制指令发送到全局指令发送缓冲列表；将数据库中保存的各种传感器的最新状态和参数显示在用户界面上；
主控计算机针对每一通信端口建立一个控制指令发送线程，从全局指令发送缓冲列表中取出指令后发送到所述通信端口连接的可编程控制器上，由可编程控制器控制继电器执行动作；当指令成功发送后，将指令从指令发送缓冲列表中移除。
2.根据权利要求1所述的基于多总线的微波冶金控制方法，其特征在于：所述全局指令发送缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、指令通信包、发送时间、应答时间；所述全局数据接收缓冲列表包括：通信端口号、可编程控制器地址码、数据通信包、接收时间、应答时间。
3.根据权利要求1所述的基于多总线的微波冶金控制方法，其特征在于：主控计算机接收、解析基于HTTP协议的远程查询指令，查询数据库，并将查询结果动态封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
4.根据权利要求3所述的基于多总线的微波冶金控制方法，其特征在于：Web查询服务运行在一个单独的网络监听线程中，监听网络客户端HTTP请求，当每次接收到客户端网络请求后，针对每一请求建立一个请求处理线程，查询数据库，并将查询结果封装成HTML文本格式，通过HTTP协议发送到查询请求端。
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