CN104243172A - 一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法。涉及计算机应用领域；解决了现有被控对象设备类型不同引进的软件稳定性差和版本维护成本高的问题。该装置包括协议层和传输层，所述协议层向DPU控制器提供多种应用层接口，所述协议层通过统一接口调用所述传输层通讯；所述协议层将所述多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由所述统一接口调用所述传输层传输；所述协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至所述DPU控制器。本发明提供的技术方案适用于DCS，实现了通用的控制器与被控对象之间的连接方式。

Description

一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法

技术领域

本发明涉及计算机应用领域，尤其涉及一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法。

背景技术

扩展输入输出层（EIO）是全新定义的控制器与被控对象、第三方设备等外围设备的信息交互方式，是分散控制信息（DCS）底层面向控制设备的智能控制系统，采用全双工的交换式以太网，为实时信息和非实时信息提供透明传输通道。EIO向上兼容控制器和虚拟控制器，向下兼容基于传统IO卡件的本地I/O，基于EIO协议的网络I/O、通过协议转换器接入的其它标准现场总线装置。实现对本地I/O、网络I/O、现场总线设备的集中控制，为不同类型I/O接入提供统一的软件接口。EIO技术的引入，颠覆了传统DCS的过程控制站体系结构，系统开放性获得极大提高。

在以往技术方案中，软件没有实现总的架构和统一的接口，每接入一种新类型的I/O或者新类型设备，需要开发人员现写接口程序，这样的接口程序不具有通用性和可复用性，不利于软件的稳定运行和版本的维护，不符合软件的基本设计原则。

发明内容

本发明提供了一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法，解决了现有被控对象设备类型不同引进的软件稳定性差和版本维护成本高的问题。

一种分散控制系统的扩展输入输出装置，包括：

包括协议层和传输层，所述协议层向DPU控制器提供多种应用层接口，所述协议层通过统一接口调用所述传输层通讯；

所述协议层将所述多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由所述统一接口调用所述传输层传输；

所述协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至所述DPU控制器。

优选的，所述协议层包括：扩展输入输出（EIO）子层（EioLayer）、设备子层（Device）和协议（Protocol）子层；

所述EIO子层包括对应用层的各种接口；

所述设备子层包括全部设备；

所述协议子层包括与所述设备子层各设备对应的协议模块，协议模块对不同设备对应的数据进行编码和解码。

优选的，所述传输层包括：传输子层和驱动子层；

所述传输子层为所述协议层调用所述传输层提供统一接口；

所述驱动子层为底层传输通道提供驱动，供所述传输子层调用。

优选的，该装置还包括：缓冲区；

所述缓冲区独立于远程智能节点的缓冲区。

本发明还提供了一种分散控制系统的扩展输入输出实现方法，包括：

EIO的协议层将多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由与EIO的传输层之间的统一接口调用所述传输层传输；

所述EIO的协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至DPU控制器。

优选的，EIO的协议层将多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由与EIO的传输层之间的统一接口调用所述传输层传输包括：

EIO的协议层接受所述DPU按照扫描周期周期性输出的数据；

所述协议层使用所述数据相应的协议调用所述统一接口，向所述传输层发送数据；

所述传输层根据所述数据相应的协议，将所述数据发送到第三方设备或现场总线智能节点。

优选的，所述协议层包括EIO子层、设备子层和协议子层，所述协议层使用所述数据相应的协议调用所述统一接口，向所述传输层发送数据包括：

所述EIO子层的接口接收DPU输出的数据之后，根据预置的算法，将所述数据定位到所述设备子层中相应的设备，将所述数据写入该设备的缓冲区；

当输出周期到达时，所述设备根据当前使用的协议，通过所述协议子层调用所述传输层的统一接口，向所述传输层发送数据。

优选的，所述传输层包括传输子层和驱动子层，所述传输层根据所述数据相应的协议，将所述数据发送到第三方设备或现场总线智能节点包括：

传输子层根据所述子层提供的参数，选择所述驱动子层中对应的驱动；

所述传输子层调用所述驱动的通讯函数，将所述数据发送到第三方设备或者现场总线智能节点。

优选的，所述EIO的协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至DPU控制器包括：

所述协议层根据预置执行周期，周期性的调用所述传输层从第三方设备或现场总线智能节点获取数据；

所述协议层接收所述DPU控制器的调用，将获取的数据返回给所述DPU控制器。

优选的，所述协议层根据预置执行周期，周期性的调用所述传输层从第三方设备或现场总线智能节点获取数据包括：

所述设备子层中的设备，根据配置的协议类型，通过所述协议子层调用所述传输子层的通讯接口；

所述传输子层根据所述协议子层提供的参数配置，从所述驱动子层中选择相应的驱动，调用该驱动提供的发送和接口函数，从第三方设备或现场总线智能节点获取数据；

将所述数据缓存至所述设备的缓冲区中。

优选的，所述协议层接收所述DPU控制器的调用，将获取的数据返回给所述DPU控制器包括：

所述EIO子层接受所述DPU控制器的调用，定位到对应的设备子层设备；

所述设备子层从所述设备的缓冲区中读取数据，并通过所述EIO子层返回给所述DPU控制器。

本发明提供了一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法，包括协议层和传输层，所述协议层向DPU控制器提供多种应用层接口，所述协议层通过统一接口调用所述传输层通讯，所述协议层将所述多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由所述统一接口调用所述传输层传输，所述协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至所述DPU控制器。实现了通用的控制器与被控对象之间的连接方式，解决了现有被控对象设备类型不同引进的软件稳定性差和版本维护成本高的问题。

附图说明

图1为本发明的实施例一提供的一种分散控制系统的扩展输入输出装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例二提供的一种DCS系统的结构示意图。

具体实施方式

在以往技术方案中，软件没有实现总的架构和统一的接口，每接入一种新类型的I/O或者新类型设备，需要开发人员现写接口程序，这样的接口程序不具有通用性和可复用性，不利于软件的稳定运行和版本的维护，不符合软件的基本设计原则。

为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法。EIO网上接入的控制设备一侧主要是控制器、现场的智能节点、第三方设备等。可用于控制策略分布式计算，EIO网络有一种静态组态和三种动态执行方式。这三种动态执行方式包括：全DPU扫描SAMA图；DPU以主从式分布扫描SAMA图；DPU只组态、跟踪控制策略的执行状态，EIO智能节点自主分布式执行SAMA图。EIO实现了三大功能：实现接口站功能，通过EIO实现DPU与多种第三方设备通讯，同时还支持仿真功能；支持Profibus等现场总线的接入方式，协议转换；实现分布式计算在底层各节点内部完成，DPU只负责上层的工作。

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

首先结合附图，对本发明的实施例一进行说明。

本发明实施例提供了一种分散控制系统的扩展输入输出装置，其逻辑结构如图1所示，采用分层设计，把整个EIO分成协议层和传输层。EIO内部实现多种数据传输方案，对外提供统一的接口，可实现DPU控制器根据不同的应用需求选择EIO对应的接口。

所述协议层包括：扩展输入输出（EIO）子层（EioLayer）、设备（Device）子层和协议（Protocol）子层；所述EIO子层包括对应用层的各种接口；所述设备子层包括全部设备；所述协议子层包括与所述设备子层各设备对应的协议模块，协议模块对不同设备对应的数据进行编码和解码。所述传输层包括：传输（Transpor）子层和驱动（Driver）子层；所述传输子层为所述协议层调用所述传输层提供统一接口；所述驱动子层为底层传输通道提供驱动，供所述传输子层调用。

优选的，所述分散控制系统的扩展输入输出装置还包括缓冲区；

所述缓冲区独立于远程智能节点的缓冲区。

其中，EioLayer用于组织内部各功能（如读取输入数据、写输出数据、设备工厂管理、传输驱动管理、各种具体协议的组织与管理等）和所有的Device（Device子层实际上包括多个细化的模块，每个模块对应一个实体的硬件底层Device），每个Device有对应的Protocol（Protocol子层支持多种Protocol），Protocol子层负责具体编码、解码以及与协议有关的任务调度和组织工作。在分散控制系统的扩展输入输出装置内部每个Device由单独的线程负责，不同Device间相互独立，且可同时运行，实现DPU控制器可同时监控多个智能节点或同时与多个第三方设备通讯。

传输层为控制器能实时监控智能节点提供多种通讯机制。Transport子层属于协议层和传输层之间的接口，管理底层所有传输通道，为协议层提供调用传输层通讯机制的统一接口。Driver子层提供TCP/IP、UDP等不同网络协议的接入方式。应用层和传输层对扩展新协议的开发人员透明，若需要支持一种新类型的智能节点或第三方设备，开发人员只需要对EIO的协议层进行扩展，在Device子层添加新的Device、在Proctocol子层添加新的Protocol。

本发明的实施例提供的分散控制系统的扩展输入输出装置的工作原理如下：

DPU根据算法设置的扫描周期周期性读、写EIO层数据，EIO根据预定义的执行周期与现场总线智能节点或第三方设备进行数据交互。EIO中每个Device有自己的线程完成实时数据的输入和输出。主要包括DPU对底层设备进行控制和DPU获取底层设备数据两个流程，具体如下：

1、DPU实现对底层设备进行控制的流程：EIO的协议层将多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由与EIO的传输层之间的统一接口调用所述传输层传输；

DPU按照扫描周期周期性的把输出数据送到协议层，协议层接受所述DPU按照扫描周期周期性输出的数据，协议层使用所述数据相应的协议调用所述统一接口，向所述传输层发送数据。具体的，调用EioLayer提供的接口接收DPU输出的数据之后，由EioLayer根据预置的算法，将所述数据定位到所述设备子层中相应的设备，将所述数据写入该设备的缓冲区。

当输出周期到达时，所述设备根据当前使用的协议（Device根据当前使用的Protocol），通过所述Protocol子层调用所述传输层的统一接口，向所述传输层发送数据（传输层根据Protocol子层提供的参数选择正确的Driver子层中的Driver，调用Driver提供的通讯函数，然后会把输出数据发送到第三方设备或者现场总线智能节点），实现DCS对现场总线智能节点或第三方设备的控制。

各种驱动程序的实现是一个动态连接库，运行在本地的接口服务（接口服务由EioLayer控制）加载后，主动注册和申请自己的资源，建立起与本地和远方的连接。

2、DPU获取底层设备数据的流程：所述EIO的协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至DPU控制器；

首先，Device子层中的Device，根据配置的协议类型，通过所述协议子层调用所述传输子层的通讯接口。具体的，EIO的每个Device根据预定义的执行周期，定期从第三方设备或者现场总线智能节点获取数据输入数据，并把这些数据数据保存到对应Device的正确缓冲区中，和EIO往底层设备写输出数据类似，EIO的每个Device配置的Protocol类型，通过该Protocol调用Transport实现的通讯接口。

然后，协议层根据预置执行周期，周期性的调用所述传输层从第三方设备或现场总线智能节点获取数据。传输子层根据所述协议子层提供的参数配置，从所述驱动子层中选择相应的驱动，调用该驱动提供的发送和接收函数，从第三方设备或现场总线智能节点获取数。具体的，Transprot子层根据Protocol子层提供的参数配置选择Driver子层中相应的Driver，进而调用Driver子层提供的发送和接收函数，实现从第三方设备或现场总线智能节点获取数据数据，DPU的算法则周期性的调用EioLayer的读取数据接口，EioLayer再根据算法参数定位到对应的Device，由Device负责从正确的缓冲区中读取数据并返回给算法，最终显示在控制界面上。

分散控制系统的扩展输入输出装置的缓冲区，用于实现控制器与分散控制系统的扩展输入输出装置、分散控制系统的扩展输入输出装置与远程智能节点之间数据交换相互独立，DCS与不同智能节点间信息交互的缓冲区也互相独立。由于DCS与不同智能结点之间的数据交互相互独立，实现DCS对现场智能结点的分布式控制

此外，本发明的实施例提供的分散控制系统的扩展输入输出装置为现场设备组态和调整信息提供传递隧道，为实时信息和非实时信息提供透明传输通道。

本发明的实施例提供的分散控制系统的扩展输入输出装置支持冗余通讯，包括主机冗余和网络冗余。支持从站、主站两种工作模式，如DCS和第三方设备通讯，DCS侧做主站，对方做从站，或者DCS侧做从站，对方做主站。且分散控制系统的扩展输入输出装置同时支持同步、异步、半同步等多种通讯模式，满足DCS对现场总线智能节点的不同控制需求。

在实际运行时，本发明的实施例提供的分散控制系统的扩展输入输出装置还可以记录软件实时运行种的各种日志，按照类别、严重等级记录日志信息，帮助调试人员在遇到调试问题时快速定位并解决问题。

下面结合附图，对本发明的实施例二进行说明。

本发明实施例提供了一种DCS系统，其结构如图2所示，包括至少一个DPU控制器201和至少两个支持不同类型协议的设备202，所述DPU控制器201与所述设备202通过EIO网络203连接；

所述EIO网络203使用同一接口与所述至少两个支持不同类型协议的设备202连接。

本发明实施例所提供的EIO网络203即为图1中所示的分散控制系统的扩展输入输出装置。

本发明实施例中，两个以上的DPU控制器可以同时管理一个EIO网段，控制器可以在同一EIO网段上堆叠，从而实现控制功能在同一EIO网段上的扩充和重新分配。一个DPU控制器可以同时和多种终端设备交互数据，实现一个DPU的分布式控制功能。

优选的，所述至少两个支持不同类型协议的设备包括以下设备类型：

本地I/O、第三方设备（DEH、PLC等第三方系统）、仿真系统、现场总线智能节点。

优选的，所述仿真系统与所述DPU控制器连接到同一个交换机或以点到点直连的方式接入同一个网络。

优选的，所述现场总线智能节点具体为支持Profibus现场总线设备，所述现场总线智能节点通过协议转换器接入所述EIO网络，或通过以太网接入所述EIO网络。目前支持Profibus现场总线设备及其它自定义协议执行机构接入，现场总线设备可以通过协议转换器接入EIO网络，或者直接通过以太网接入EIO网络，EIO层（即本发明实施例提供的分散控制系统的扩展输入输出装置）定义相应的Device，DPU层对现场总线设备对应的虚拟卡件进行组态，数据在DPU、EIO、现场总线节点之间实时交互，从而实现DPU通过EIO对现场总线智能节点的实时监控。

优选的，所述第三方设备直接接入以太网，或，

以485或232串行线接到串口服务器，再通过串口服务器接入以太网。

优选的，所述本地I/O包括：基于PC104总线IOBUS卡的本地I/O、基于以太网IOBUS卡的网络I/O、基于现场总线协议的网络I/O。EIO网络的信息标准化，实现控制信息的统一描述和统一接口，兼容传统的基于PC104总线IOBUS卡的本地I/O、基于以太网IOBUS卡的网络I/O、基于现场总线协议的网络I/O。通过两种形式的IOBUS卡，透明访问以传统IO卡件方式实现的现场总线协议转换器。EIO网络还可同时为现场设备组态和调整信息提供传递隧道。

优选的，所述EIO网络与MCN网运行于同一物理网络上。EIO网的逻辑网络，可以和MCN网同时运行于同一物理网络上，DPU控制器需要处理EIO网的信息可以在MCN网交换机上直接接入（如PLC信息、通过虚拟DPU接入的信息），可以简化物理网络、使外部信息接入方式更加灵活。

优选的，所述DPU控制器通过所述MCN网的交换机接入所述EIO网络。

EIO层集成仿真系统，EIO网络接入如DEH、PLC第三方设备：EIO实现接口站功能，有两种接入方式，一是DCS侧的真实DPU或虚拟DPU与第三方设备直接接入以太网，双方基于TCP/IP或UDP通讯；二是第三方设备以485或232串行线接到串口服务器，然后串口服务器和DPU接入以太网，第三方设备和串口服务器之间采用串行通讯，串口服务器和DPU之间采用UDP通讯，在这里，串口服务器只起到数据转发作用，不对双方通讯的数据作任何封装或解析。两者共同的是，程序初始化时，分别加载对应Device设备，不同的是是否采用串口服务器作为转换器或直接接入以太网通讯。

控制功能可以在DPU控制器、EIO网络接入设备（如PLC、数字执行机构、DEH等，具有EIO网络功能的设备。这些设备要满足EIO网络接入标准，使用EIO支持的协议）间分布实现、统一管理。

本发明的实施例提供了一种分散控制系统的扩展输入输出装置和方法，包括协议层和传输层，所述协议层向分散处理单元（DPU）控制器提供多种应用层接口，所述协议层通过统一接口调用所述传输层通讯，所述协议层将所述多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由所述统一接口调用所述传输层传输，所述协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至所述DPU控制器。实现了通用的控制器与被控对象之间的连接方式，解决了现有被控对象设备类型不同引进的软件稳定性差和版本维护成本高的问题。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的全部或部分步骤可以使用计算机程序流程来实现，所述计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中，所述计算机程序在相应的硬件平台上（如系统、设备、装置、器件等）执行，在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用集成电路来实现，这些步骤可以被分别制作成一个个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元可以采用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，也可以分布在多个计算装置所组成的网络上。

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的计算机可读取存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种分散控制系统的扩展输入输出装置，其特征在于，包括协议层和传输层，所述协议层向分散处理单元（DPU）控制器提供多种应用层接口，所述协议层通过统一接口调用所述传输层通讯；

所述协议层将所述多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由所述统一接口调用所述传输层传输；

所述协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至所述DPU控制器。

2.根据权利要求1所述的分散控制系统的扩展输入输出装置，其特征在于，所述协议层包括：扩展输入输出（EIO）子层（EioLayer）、设备子层（Device）和协议（Protocol）子层；

所述EIO子层包括对应用层的各种接口；

所述设备子层包括全部设备；

所述协议子层包括与所述设备子层各设备对应的协议模块，协议模块对不同设备对应的数据进行编码和解码。

3.根据权利要求1所述的分散控制系统的扩展输入输出装置，其特征在于，所述传输层包括：传输子层和驱动子层；

所述传输子层为所述协议层调用所述传输层提供统一接口；

所述驱动子层为底层传输通道提供驱动，供所述传输子层调用。

4.根据权利要求3所述的分散控制系统的扩展输入输出装置，其特征在于，该装置还包括：缓冲区；

所述缓冲区独立于远程智能节点的缓冲区。

5.一种分散控制系统的扩展输入输出实现方法，其特征在于，包括：

EIO的协议层将多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由与EIO的传输层之间的统一接口调用所述传输层传输；

所述EIO的协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至DPU控制器。

6.根据权利要求5所述的分散控制系统的扩展输入输出实现方法，其特征在于，EIO的协议层将多种应用层接口对应的不同设备的数据进行相应的协议转换后，经由与EIO的传输层之间的统一接口调用所述传输层传输包括：

EIO的协议层接受所述DPU按照扫描周期周期性输出的数据；

所述协议层使用所述数据相应的协议调用所述统一接口，向所述传输层发送数据；

所述传输层根据所述数据相应的协议，将所述数据发送到第三方设备或现场总线智能节点。

7.根据权利要求6所述的分散控制系统的扩展输入输出实现方法，其特征在于，所述协议层包括EIO子层、设备子层和协议子层，所述协议层使用所述数据相应的协议调用所述统一接口，向所述传输层发送数据包括：

所述EIO子层的接口接收DPU输出的数据之后，根据预置的算法，将所述数据定位到所述设备子层中相应的设备，将所述数据写入该设备的缓冲区；

当输出周期到达时，所述设备根据当前使用的协议，通过所述协议子层调用所述传输层的统一接口，向所述传输层发送数据。

8.根据权利要求7所述的分散控制系统的扩展输入输出实现方法，其特征在于，所述传输层包括传输子层和驱动子层，所述传输层根据所述数据相应的协议，将所述数据发送到第三方设备或现场总线智能节点包括：

传输子层根据所述子层提供的参数，选择所述驱动子层中对应的驱动；

所述传输子层调用所述驱动的通讯函数，将所述数据发送到第三方设备或者现场总线智能节点。

9.根据权利要求8所述的分散控制系统的扩展输入输出实现方法，其特征在于，所述EIO的协议层通过所述统一接口接收所述传输层的数据，经协议转换为不同协议类型的数据，并经由相应的应用层接口传输至DPU控制器包括：

所述协议层根据预置执行周期，周期性的调用所述传输层从第三方设备或现场总线智能节点获取数据；

所述协议层接收所述DPU控制器的调用，将获取的数据返回给所述DPU控制器。

10.根据权利要求9所述的分散控制系统的扩展输入输出实现方法，其特征在于，所述协议层根据预置执行周期，周期性的调用所述传输层从第三方设备或现场总线智能节点获取数据包括：

所述设备子层中的设备，根据配置的协议类型，通过所述协议子层调用所述传输子层的通讯接口；

所述传输子层根据所述协议子层提供的参数配置，从所述驱动子层中选择相应的驱动，调用该驱动提供的发送和接口函数，从第三方设备或现场总线智能节点获取数据；

将所述数据缓存至所述设备的缓冲区中。

11.根据权利要求10所述的分散控制系统的扩展输入输出实现方法，其特征在于，所述协议层接收所述DPU控制器的调用，将获取的数据返回给所述DPU控制器包括：

所述EIO子层接受所述DPU控制器的调用，定位到对应的设备子层设备；

所述设备子层从所述设备的缓冲区中读取数据，并通过所述EIO子层返回给所述DPU控制器。