CN103592880A - 用于大型工程类设备的智能控制器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型工程类设备的智能控制器系统，包括主板、信号采集单元和自适应PLC通信模块；在所述主板上设置有基于嵌入式并行处理架构的CPU，所述主板通过信号采集单元连接大型工程类设备中的传感器或者仪表，采集传感器或者仪表检测输出的设备运行状态信号或者检测数据，并输出控制指令至大型工程类设备中的受控器件，控制受控器件自动运行；所述主板通过自适应PLC通信模块与外围设备中的PLC连接通信，形成物联网，对PLC进行组态监控，并采用分布式数据存储技术同步备份物联网中周边控制器中的所有数据。本发明的智能控制器系统数据处理速度快，系统运行稳定性强，安全、高效，简化了系统设计、开发和后期维护的难度。

Description

用于大型工程类设备的智能控制器系统

技术领域

本发明属于工程设备技术领域，具体地说，是涉及一种适用于大型工程类设备的智能控制器系统的设计。

背景技术

所谓大型工程类设备，一般是指规模庞大、涉及因素众多，影响深远的工程设备，例如矿山、油气田的开发设备、建筑工程设备、水利工程设备、钢铁冶炼设备、化工处理设备等等。在现今的大型工程类设备中，所使用的中央控制器大多为可编程逻辑控制器，即PLC，其缺点主要体现在以下三方面：

其一，大型工程类设备运行环境复杂，通常需要与很多外围设备配套使用，这些外围设备会使用不同品牌的PLC作为控制器，而不同厂家生产的PLC往往无法直接进行通讯，但大型工程类设备与外围设备间又需要进行数据交换，这就给工程设备的选型、建设及实施带来很多不便。

其二，在传统的PLC中，通常会集成PID控制算法函数，供控制功能开发人员调用，但不同工程品质要求对参数控制的精度、数据调整的速度等因素不同，使得同一种PID控制算法无法满足不同工程的需求，设计人员也无法选择或更改PLC中固有的PID算法，这就要求在控制系统的设计过程中必须针对不同类型的控制需求来选择使用不同品牌的PLC控制器，这给系统的设计、开发和后期的维护工作都带来很多麻烦。

其三，在现有的PLC中，CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，控制指令是按照“顺序扫描、不断循环”的工作方式执行的，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被连通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作；程序集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。当输入端口关闭，程序进入执行阶段时，即便是输入端口有新状态，新状态也不会立刻被读入，只有程序进行到下一次扫描时，新状态才被读入，并通过梯形图实现控制逻辑的编写。这种工作方式决定了PLC在程序执行时，指令必须短小精悍，以便在尽可能短的扫描周期内执行完所有指令，否则扫描周期越长，滞后现象越严重，且只能串行，无法并行处理指令。这就限制了PLC的控制实现，使其无法实现复杂的控制算法和控制功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大型工程类设备的智能控制器系统，采用嵌入式并行处理架构的CPU作为控制核心，并配合外围电路形成智能控制系统，以取代传统的PLC实现与外围设备的数据交互，由此不仅提高了整个工程设备的运行效率，而且使得设备的控制功能更加丰富、高效。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于大型工程类设备的智能控制器系统，包括主板、信号采集单元和自适应PLC通信模块；在所述主板上设置有基于嵌入式并行处理架构的CPU，所述主板通过信号采集单元连接大型工程类设备中的传感器或者仪表，采集传感器或者仪表检测输出的设备运行状态信号或者检测数据，并输出控制指令至大型工程类设备中的受控器件，控制受控器件自动运行；所述主板通过自适应PLC通信模块与外围设备中的PLC连接通信，形成物联网，对PLC进行组态监控，并采用分布式数据存储技术同步备份物联网中周边控制器中的所有数据。

优选的，在所述信号采集单元中设置有AD/DA转换模块和数字采集模块，所述主板通过AD/DA转换模块连接输出模拟信号的传感器和仪表，通过数字采集模块连接输出数字信号的传感器和仪表。

为了在物联网中的某个控制器发生故障需要更换时，更新后的新控制器可以即可代替原控制器恢复系统的原有运行模式，本发明在接入到所述物联网中的每个控制器中均设置一状态参数，所述状态参数在控制器首次运行时置为初始值，在控制器投入运行后修改为设定值；当物联网中的其他控制器检测到有状态参数为初始值的控制器接入时，判定为更新后的新控制器，然后读取该新控制器的产品ID，所述产品ID与新控制器所替换的原控制器的产品ID一致，物联网中的其他控制器根据新控制器的产品ID将自身保存的与该产品ID相对应的存储数据发送至新控制器，对新控制器进行数据恢复。

为了保证设备运行的稳定性和安全性，所述智能控制器系统以及物联网中的其他控制设备将自身的运行状态数据发送至物联网，使物联网中的其他设备感知；当其中一个控制设备发生故障时，其他控制设备自动调整自身参数，屏蔽故障设备，重组系统，这种机制可以使得整个成套设备间形成一种动态平衡。

为了实现智能控制器系统与各种类型PLC的连接通信功能，在所述自适应PLC通信模块中集成有多种通讯接口和多种PLC通讯协议，根据接入的PLC类型自动进行协议匹配，建立通讯链接。

为了达到远程监控的目的，在所述智能控制器系统中还设置有网络通讯模块，所述主板通过网络通讯模块与远程的运维平台连接通信，通过远程的运维平台对所述大型工程类设备及其外围设备的运行状态进行监控，方便远程管理。

优选的，所述网络通讯模块通过GPRS网络或者3G网络与远程的运维平台进行移动通信，或者通过WiFi接入局域网，通过局域网与运维平台进行数据通信。

为了方便数据保存，在所述智能控制器系统中还设置有硬盘，连接所述的主板，通过主板采集到的数据经由CPU处理后，写入硬盘进行保存。

进一步的，在所述智能控制器系统中还设置有显示器，连接所述的主板，显示所述工程类设备的运行信息，并接收操作人员的操作指令。

优选的，所述主板为嵌入式X86或者ARM主板。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明以物联网感知技术、嵌入式并行处理技术、在线智能控制技术为基础，采用嵌入式并行处理架构的CPU，取代传统的单片机、PLC等串行处理架构的处理器，形成系统的控制核心，对任务进行并行处理，既具备了传统单片机、PLC的高稳定性、高精度的特点，同时又提高了整个系统的运行效率，使得系统的控制功能更加丰富、高效。此外，通过采用分布式数据存储技术、故障的自我诊断技术以及设备参数的自动调整技术，保证了整个系统运行的稳定性和健壮性。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的用于大型工程类设备的智能控制器系统的一种实施例的系统架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例的智能控制器系统以嵌入式主板为核心，配合信号采集单元、自适应PLC通信模块、网络通讯模块、硬盘、显示器等外围部件进行系统电路的整体设计，参见图1所示。主板上通过采用嵌入式并行处理架构的CPU取代传统的单片机、PLC，实现任务的并行处理功能，在显著提高系统运行效率的同时，丰富系统的控制功能。

在本实施例中，所述主板优选采用嵌入式X86或者ARM主板，连接所述的信号采集单元，并通过信号采集单元连接大型工程类设备中的传感器、仪表等检测设备，采集传感器或者仪表检测输出的设备运行状态信号或者检测数据，以实现对工程设备自身运行状况的实时检测和故障的自我诊断功能。

作为本实施例的一种优选设计方案，在所述信号采集单元中设置有AD/DA转换模块和数字采集模块，参见图1所示，其中，主板通过AD/DA转换模块连接工程设备中输出模拟信号的传感器和仪表，采集该类传感器和仪表检测输出的模拟量的状态信号和检测信号，并转换成数字信号输出至主板。主板通过数字采集模块连接工程设备中输出数字信号的传感器和仪表，采集该类传感器和仪表检测输出的数字量的状态信号和检测数据。主板上的CPU利用预设程序对接收到的状态信号和检测数据进行判断和计算，自动生成控制指令，分别通过AD/DA转换模块和数字采集模块发送至工程设备中的受控器件，实现自动控制。当然，操作人员也可以通过系统中的显示屏人为地输入操作指令，传输至主板，经由主板生成控制指令，通过AD/DA转换模块和数字采集模块发送至相应的受控器件，以响应用户的操作。

对于主板采集到的状态信号和检测数据还可以通过显示屏显示给操作者，以监控设备的运行状况。同时，主板还可以将采集到的状态信号和检测数据写入到与主板相连接的硬盘中，实现数据的存储。在硬盘中也可以存储一些常见的设备处理方案，以供CPU调用，实现对工程设备当前运行状况的自我判断，以支持故障预警功能。

由于工程设备在运行时，往往需要与外围设备进行数据交互，而很多外围设备仍会沿用传统的PLC作为控制器。针对这一情况，本实施例在智能控制器系统中设置自适应PLC通信模块，连接所述的主板，如图1所示。在所述自适应PLC通信模块中设置有多种类型的通讯接口（例如PCI接口、RJ45接口、RS232接口、RS485接口等）和多种PLC通讯协议。主板通过标准通讯口1与自适应PLC通讯模块上的标准通讯口连接通信，并选用自适应PLC通讯模块上的各种通讯接口与不同外围设备中的PLC连接通信。所述自适应PLC通讯模块具有通讯协议自动匹配功能，可根据与之通讯的PLC设备的通讯协议，自动进行协议匹配，建立通讯连接，实现智能控制器系统对外围PLC设备的组态监控。

本实施例通过采用自适应PLC网络通讯技术，将复杂的现场总线通讯接口抽象成单一通讯接口，在接口上使用自适应现场总线通讯协议，根据外部通讯接口的变化自动匹配与之相对应的现场总线协议，打通多现场总线间的通讯壁垒，形成物联网。

由于大型工程类设备涉及到的控制设备（子设备）较多，为了在某个子设备中的控制器出现问题时，能够及时地更换新的控制器，以快速恢复系统的正常运行，本实施例采用分布式数据存储技术同步备份物联网中周边控制器中的所有数据。即，设备中的控制器除了存储自身的运行数据外，还通过物联网存储与其相关的周边控制器的运行数据，以便在某个控制器出现故障时，可以利用物联网中的其他控制器对更新后的新控制器进行快速地数据恢复。

具体设计方式是：在接入到物联网中的每个控制器中均设置一状态参数，所述状态参数在控制器首次运行时被置为初始值，在控制器投入运行后可以自动修改为设定值。当物联网中的其他控制器检测到有状态参数为初始值的控制器接入网络时，即可判定网络中有新的控制器接入，然后读取该新控制器的产品ID。在本实施例中，所述产品ID应与新控制器所替换的原控制器的产品ID相同，物联网中的其他控制器根据新控制器的产品ID将自身保存的与该产品ID相对应的存储区域的数据发送至所述的新控制器，对新控制器进行数据恢复，以保证系统能够继续正常运行。

传统的PLC控制器，其过程控制逻辑、集成优化算法，故障诊断等功能都是集中在工作站中完成的，PLC控制器只能实现自身被控设备的控制功能，存储瞬时数据，控制器与系统中其他相关控制器进行联动时，必须通过工作站进行中转。而本实施例所提出的分布式数据存储技术，是同时将智能控制器中的数据分布存储在各个子控制器中，这样可保证当智能控制器发生故障需要更换控制器时，周边控制器内存中存储的数据可以快速同步备份到更新后的新控制器的数据库中，备份内容既是原智能控制器最后一次正常工作之前的所有数据，从而使得整个控制系统恢复到故障前的状态，达到分散控制、分散操作的目的，保证当系统中任何一个控制器出现问题，其他相关控制器都能迅速地针对问题进行自我调整，保障整个控制系统的稳定性、健壮性。

此外，本实施例的智能控制器系统在软件方面与传统控制器软件设计的最大不同是：本实施例的智能控制器是集成在大型工程成套设备内部的，替代传统的PLC、DCS等控制器实现对设备的控制、监测、预警等功能。智能控制器通过底层驱动与AD/DA转换模块通讯，实时采集传感器和仪表的检测数据，捕获设备运行时自身状态与外部环境因素的变化；通过物联网感知技术，感知网络中的其他成套装备，并将自身的运行状态数据传送过去，同时捕获其他控制设备发送的数据，进而根据工艺流程分析被感知设备间数据的相关性，控制设备调整自身参数。当网络中的某个控制设备出现故障时，控制设备启用自身的故障检测功能，对故障原因、故障部位进行分析判断、报警，并可以启用应急处理模式进行自我修复。与此同时，出现故障的控制设备将自身的运行状态数据发送至物联网中，使其他控制设备感知到并自动调整自身参数，屏蔽故障设备，重组系统。通过这种机制，可以使得整个成套设备间形成一种动态平衡，保证其功能安全、高效、稳定。

为了进一步达到远程监控的设计目的，本实施例在所述智能控系统中还设置了网络通讯模块，参见图1所示。主板通过其标准通讯口2连接网络通讯模块，通过网络通讯模块与远程的运维平台连接通信。远程的技术人员可以通过运维平台对所述的大型工程类设备及其外围设备的运行状态进行监控，实现远程管理。

作为本实施例的一种优选设计方案，在所述网络通讯模块中可以设置GPRS/3G网络模块或者WiFi网络模块等基于移动或者互联网的通信模块，通过GPRS网络或者3G网络的移动通信网络与远程的运维平台进行移动通信，或者通过WiFi接入局域网，通过局域网与运维平台进行数据通信，以满足远程技术人员对设备进行运行监控、故障预知等需求。

本发明以物联网感知技术、嵌入式并行处理技术、在线智能控制技术为基础，通过对嵌入式并行处理系统架构和任务并行协同处理技术的研究，采用嵌入式并行处理架构的CPU，取代传统的单片机、PLC等串行处理架构的CPU，作为控制系统的控制核心，结合增强型的DSP指令集，增加了对并行任务处理的支持、快速的中断处理和硬件I/O口的支持、单周期内操作的多个硬件地址产生器的支持，比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍，即具备了传统单片机、PLC的高稳定性、高精度的特点，同时又提高了整个系统的运行效率，使得整个系统的控制功能更加丰富、高效。

此外，本发明采用增强型DSP指令集，拥有汇编/链接C编译器、C源码调试器，支持常见的高级编程语言，取代传统PLC的梯形图编程方式，降低了准入门槛和编程难度，提高了编程效率，可以帮助系统设计开发人员非常方便地完成系统控制功能的开发。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：包括主板、信号采集单元和自适应PLC通信模块；在所述主板上设置有基于嵌入式并行处理架构的CPU，所述主板通过信号采集单元连接大型工程类设备中的传感器或者仪表，采集传感器或者仪表检测输出的设备运行状态信号或者检测数据，并输出控制指令至大型工程类设备中的受控器件，控制受控器件自动运行；所述主板通过自适应PLC通信模块与外围设备中的PLC连接通信，形成物联网，对PLC进行组态监控，并采用分布式数据存储技术同步备份物联网中周边控制器中的所有数据。

2.根据权利要求1所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：在接入到所述物联网中的每个控制器中均设置有一状态参数，所述状态参数在控制器首次运行时置为初始值，在控制器投入运行后修改为设定值；当物联网中的其他控制器检测到有状态参数为初始值的控制器接入时，判定为更新后的新控制器，然后读取该新控制器的产品ID，所述产品ID与新控制器所替换的原控制器的产品ID一致，物联网中的其他控制器根据新控制器的产品ID将自身保存的与该产品ID相对应的存储数据发送至新控制器，对新控制器进行数据恢复。

3.根据权利要求1所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：所述智能控制器系统以及物联网中的其他控制设备将自身的运行状态数据发送至物联网，使物联网中的其他设备感知；当其中一个控制设备发生故障时，其他控制设备自动调整自身参数，屏蔽故障设备，重组系统。

4.根据权利要求1所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：在所述自适应PLC通信模块中集成有多种通讯接口和多种PLC通讯协议，根据接入的PLC类型自动进行协议匹配，建立通讯链接。

5.根据权利要求1所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：在所述信号采集单元中设置有AD/DA转换模块和数字采集模块，所述主板通过AD/DA转换模块连接输出模拟信号的传感器和仪表，通过数字采集模块连接输出数字信号的传感器和仪表。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：在所述智能控制器系统中还设置有网络通讯模块，所述主板通过网络通讯模块与远程的运维平台连接通信，通过远程的运维平台对所述大型工程类设备及其外围设备的运行进行监控。

7.根据权利要求6所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：所述网络通讯模块通过GPRS网络或者3G网络与远程的运维平台进行移动通信，或者通过WiFi接入局域网，通过局域网与运维平台进行数据通信。

8.根据权利要求6所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：在所述智能控制器系统中还设置有硬盘，连接所述的主板，通过主板采集到的数据经由CPU处理后写入硬盘进行保存。

9.根据权利要求6所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：在所述智能控制器系统中还设置有显示器，连接所述的主板，显示所述工程类设备的运行信息，并接收操作人员的操作指令。

10.根据权利要求6所述的用于大型工程类设备的智能控制器系统，其特征在于：所述主板为嵌入式X86或者ARM主板。

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