CN105094089B - 一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于编码器/播放器体系架构的工业控制系统，属于工业控制及自动化技术领域。本发明所述服务器设备利用编码器对终端机器或设备的运动轨迹和逻辑控制信号序列分别转换成运动比特流和逻辑控制比特流进行存储。每个终端机器或设备作为一个客户端，通过网络下载存储在服务器或云端的运动比特流和逻辑控制比特流进行播放。对比特流进行解码，计算各个运动轴的运动指令和各个控制装置的逻辑控制信号。本发明在保证较合理的存储空间消耗和通信带宽占用量的前提下，可大大减少终端机器或设备的工作量，简化终端机器或设备并实现多个终端机器或设备的同步协调运作，尤其适合于用以太网连接各个设备和功能模块的自动化系统应用场合。

Description

一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统

技术领域

本发明涉及工业控制及自动化技术领域，尤其涉及一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统。

背景技术

自从第三次科技革命以来，信息技术领域持续的蓬勃发展促进了各行各业的不断革新。在互联网技术主导的信息时代，受益于通信带宽和速率的不断增加，数据传输的瓶颈不断放宽，大量的信息化设备从原先相互孤立的状态通过网络互联而成为相互联系、共享信息并具有分布式协同工作能力的联合体。在这样的背景下，物联网、云计算、大数据等概念和相应技术应运而生。另一方面，由于信息化设备以处理数字化信息为主，因此数字信号处理、数据转换等技术也在不断地进步，并在视频/音频处理等领域获得了广泛的应用。然而，在工业控制技术领域，先进的信息技术还没有获得充分的借鉴和发挥，许多设备仍然处于孤立的工作状态，设备之间的数据交互方式和数据格式也没有获得较好的统一。这一缺陷使得工业控制系统内部难以形成数据交互反馈的闭环，且难以实现多个设备的协同运作，制约了生产效率的进一步提升。

为了加强设备之间的信息共享和有效利用、提升生产效率，有一些技术人员已经尝试将先进的信息技术应用于工业控制系统。申请号为201210249423.8，名称为《云数控系统》的专利提供了一种具有CAD/CAPP/CAM/CNC集成和协同配套装配等功能的云数控系统。申请号为201310096448.3，名称为《一种基于STEP-NC的智能数控系统》的专利使用STEP-NC标准作为数控系统各个相关装置之间通讯的数据格式，以克服CAD/CAM与CNC之间的数据交换瓶颈。申请号为201210106343.7，名称为《具有分布式运动规划的工业控制系统》的专利通过网络实现计算机与多个马达的运动规划器之间的任务协调。这些方案虽然实现了多个设备之间的互联，但也给各个设备带来了较多额外的工作量，没有对各个设备新增工作量进行分配规划，不利于一些小型终端机器或设备的功能和规模简化。

工业控制系统的设备间互连给大量数据的共享带来了便利，同时也带来了数据存储和转换的问题。为此，一些专利提供了工业控制系统数据的存储和读取方法。申请号为200910023473.2，名称为《一种适用于工业过程控制中的数据存储和读取方法》的专利提供了一种由矩阵型数据流存储工业过程控制数据的方法，然而该方法仅适用于数据量较小的场合。申请号为201010542716.6，名称为《时序数据实时高效线性压缩与解压缩方法》的专利提供了一种对工业控制系统所产生的数据进行滤波、压缩和解压缩的算法，以降低数据流量和存储空间消耗。然而该方法仅考虑了采集系统数据的应用场合，未考虑当工业控制系统需要实时利用数据执行任务的应用场合。

有鉴于日益成熟的视频/音频数字信号处理技术，以及不断提升的硬件存储和计算性能，本专利旨在开发一种基于编码器/播放器体系架构的工业控制系统，在保证较合理的存储空间消耗和带宽占用量的前提下，大大减少终端机器或设备的工作量，从而在简化终端机器或设备的同时实现设备的同步协调运作。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于编码器/播放器体系架构的工业控制系统，在保证较合理的存储空间消耗和通信带宽占用量的前提下，大大减少终端机器或设备的工作量，简化终端机器或设备并实现多个终端机器或设备的同步协调运作。

本发明的特征在于，服务器设备利用编码器将终端机器或设备的运动轨迹和逻辑控制信号序列分别转换成运动比特流和逻辑控制比特流(统称为比特流)，按照特定的编码方式进行编码和压缩存储。每个终端机器或设备作为一个客户端，从服务器端下载事先编码、压缩、存储的运动比特流与逻辑控制比特流文件，利用播放器对运动比特流和逻辑控制比特流进行播放。具体的播放工作为：对比特流进行解压缩、解码，获得各个运动轴的运动指令和各个装置的逻辑控制信号。编码器和播放器的关系如图1所示。

本发明的架构示意图如图2所示，一个服务器包含一个或多个针对不同客户端的编码器，而客户端则包含一个与服务器的某个编码器对应的播放器。服务器和客户端之间可通过以太网、USB、CAN总线等方式连接、由编码器向播放器传输运动比特流和逻辑控制比特流。终端机器或设备的同步协调运作通过以下方式实现：每个客户端(即每个终端机器或设备)通过对运动比特流进行解码和计算由该客户端控制的各个运动轴的运动指令，并通过对逻辑控制比特流进行解码以获得逻辑控制信号；在同一时刻，所有需要协同运作的客户端将运动指令发送至相应的运动轴的驱动装置中、将逻辑控制信号发送至客户端所要控制的装置中。编码器的工作本质上是对插补结果和逻辑控制信号的压缩，以减少对存储空间和带宽的占用。播放器的工作则是对压缩数据进行解压缩，以还原出原始信号。这与当今互联网行业中普遍运用的视频和音频的压缩/解压缩技术有相似之处。

在服务器中，每个编码器将其所对应的所有客户端的运动轨迹使用申请号为201210328234.X的专利所述的单位弧长增量法、或申请号为201410148051.9的专利所述的广义单位弧长法增量法等插补算法对运动轨迹曲线进行插补，即实现对运动轨迹的原子级数字化，以生成该编码器所对应的各个运动轴的一系列的位移增量。单位弧长增量法或广义单位弧长增量法插补算法可使得每步插补沿曲线轨迹运动一个脉冲当量(BLU)，而各轴位移增量的绝对值不大于一个脉冲当量(BLU)，只能是-1,0或+1BLU。这一特点使得单位弧长增量法和广义单位弧长增量法插补算法可以获得很高的插补精度，即实现进给轨迹的“原子级”插补精度，而且各轴位移增量的方向和距离值可以通过简单的二进制编码进行存储。一系列的位移增量按照插补顺序经过二进制编码后形成运动比特流。由于单位弧长增量法和广义单位弧长增量插补法的每步插补沿进给轨迹曲线的弧长参数增量恒为1BLU，有利于在播放器中通过调节单位时间内的步数即进给速率来调节运动速度。对于逻辑控制信号，可将每个I/O接口的状态作为一个比特位进行存储，也可将所有逻辑状态进行统一编号、并存储编号的二进制形式。

比特流可以存储于不同的存储装置中，视比特流数据量的大小而定。当数据量较小时，可以在服务器生成比特流后直接将其发送至客户端；当数据量较大时，可以先将比特流存储于服务器中，在客户端需要播放时再向服务器请求发送比特流；当数据量特别大时，可将比特流存储于云端，在客户端需要播放时再向云端服务器请求发送比特流。

客户端在接收到运动比特流后，在每个运动指令更新周期(一般为伺服周期)从运动比特流中取出一部分比特位(称为运动子比特流)进行解码，还原出该运动子比特流所对应的各轴位移增量(它是一步或多步脉冲增量插补法插补的叠加结果)，并发送至该客户端所控制的运动轴驱动装置中，由驱动装置驱动所对应运动轴执行动作。与此同时，客户端对接收到的逻辑控制比特流也进行解码，并生成逻辑控制信号发送至所要控制的装置。客户端作为终端机器或设备，可以是机床数控系统、机器人控制器、自动换刀系统控制器、PLC，或是其它具有运动或逻辑控制功能的设备。各个客户端的运动控制和逻辑控制在服务器的调度下协同运作，实现对工业系统的控制。

需要说明的是，每台设备在整个架构中的角色(是服务器还是客户端)不是固定不变的，“服务器/客户端”仅是一个相对的概念。例如，当设备A接收来自设备B的比特流并进行解码时，设备A是客户端、设备B是服务器；与此同时，若设备A对设备C的运动和逻辑控制进行编码、并向设备C发送比特流，则设备A是服务器、设备C是客户端。

与传统方法在终端机器或设备中同时执行进给速度控制和曲线轨迹逼近两项工作的方式不同，本发明将曲线轨迹逼近的工作交给服务器内的编码器离线执行，获得沿曲线运动轨迹的高精度运动比特流；将进给速度控制的工作交给客户端内的播放器执行，通过调节单位时间播放的步数及进给速率实现进给速度的控制。因此，本发明中的进给速度控制和曲线轨迹逼近是完全解耦的，有助于实现根据工艺过程来调节进给速度的功能，满足诸如电火花加工、线切割加工等进给速度取决于间隙放电状态的特殊工艺需求，也适用于切削加工中根据主轴功率、切削力、颤振等信号来在线优化进给速率的情形。由于工具进给轨迹的“原子级”高精度插补工作已经在服务器中完成，客户端不再需要执行对复杂轨迹的插补运算，因此客户端的功能可以大幅度简化，因此对终端机器或设备硬件系统的要求比传统架构的要求更低。

本发明采用了服务器/客户端式的架构，尤其适合于用以太网连接各个设备和功能模块的应用场合。每个服务器所连接的客户端(终端机器或设备)数量可以灵活调整，实现规模可伸缩的工业控制系统，适用于各类自动化生产线，有助于实现车间级的自动化。层次化的网络模型，使得物联网的接入变得更为简单，有利于在工业控制系统中应用云计算和大数据处理等现代信息技术，从而使得工业控制系统具备实施工业4.0的基础。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的编码器与播放器的关系示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的架构示意图；

图3是本发明的一个具体实施例的工业控制系统(包括一部分辅助功能和外围设备)的整体架构。

具体实施方式

本发明的一个具体实施例的工业控制系统(包括一部分辅助功能和外围设备)的整体架构如图3所示。服务器在收到由CAM(Computer Aided Manufacturing)系统与后处理模块生成的运动轨迹后，使用单位弧长增量插补法或广义单位弧长增量插补法对运动轨迹进行原子级数字化即插补。编码器将插补所得的位移增量编码成运动比特流。此外，编码器还将逻辑控制信号的序列编码成逻辑控制比特流。编码结果可使用云端存储，或直接发送至客户端中，供播放器处理。客户端的播放器在人机界面和传感器的指示下，在规定的时间节点对运动比特流和逻辑控制比特流进行解码，从而还原出位移增量和逻辑控制信号。播放器利用位移增量计算运动指令，并发送至执行机构的驱动装置中，使执行机构产生运动；与此同时，将逻辑控制信号发送至相应装置中，实现运动机构的动作或工艺参数的改变。执行机构内的各个模块协同运作，以实施整个工艺过程。工艺过程可以由传感器进行监控，并由传感器将采集的信号反馈至客户端的人机界面和播放器中，从而实现对工艺过程的监视和工艺过程控制。

为具体展示本发明的核心部分(即编码器/播放器)的工作机制，在此结合一个较为简单的实施例进行说明。在本实施例中，一台服务器与两个客户端相连，每个客户端为一台终端设备。其中一台终端设备为三轴联动数控机床，包含三个运动轴X，Y和Z(设各轴最小运动步长为0.001mm，即脉冲当量为0.001mm/BLU)，位置伺服周期为1ms。另一台终端设备为自动换刀装置，能通过四个I/O通道的逻辑控制实现取刀、送刀、装夹和收回四个动作。要使两台设备实现一个动作序列：机床从坐标(10BLU,0,0)处开始沿以坐标点(0,0,0)为圆心、10BLU为半径的圆弧逆时针运动至(0,10BLU,0)处，运动速度为2mm/s；自动换刀系统取刀，送刀，装夹，收回。

步骤一、编码

具体地，服务器对动作序列进行分解，然后对轨迹运动进行编码、生成运动比特流，并对逻辑控制信号序列进行编码，生成逻辑控制比特流。

以单位弧长增量法对三轴联动机床的圆弧轨迹进行插补，其详细过程和插补结果参见申请号为201210328234.X、名称为《单位弧长增量插补法》的专利中的第一个实施例。插补步数为16。将每步插补结果的各轴位移增量(均为绝对值不大于1的整数)转化为二进制形式，并依照Δx₁，Δy₁，Δz₁，Δx₂，Δy₂，Δz₂，……，Δx₁₆，Δy₁₆，Δz₁₆的次序排列，形成一条运动比特流。

自动换刀系统的取刀，送刀，装夹和收回四个动作信号分别对应1～4号I/O通道。将四个动作分别编码为0001、0010、0100、1000，并依照该次序排列，形成一条逻辑控制比特流。

随后，服务器向三轴联动机床客户端发送所生成的整条运动比特流，并向自动换刀装置客户端发送整条逻辑控制比特流。

步骤二、播放

首先，服务器指示三轴联动数控机床客户端开始播放运动比特流。由于运动速度为2mm/s(不考虑加减速)、位置伺服周期为1ms且脉冲当量为0.001mm/BLU，故每伺服周期沿圆弧的运动距离为2BLU、需要通过对运动比特流解码取出6个整数(＝2BLU*3轴)，并将每个运动轴解码所得2个位移增量相加，即可获得当前伺服周期内的各轴位移增量。将各轴位移增量分别累加入各轴的指令位置中，生成运动指令并驱动电机，实现沿圆弧轨迹的运动。

在沿圆弧轨迹运动完成后，服务器指示自动换刀装置客户端开始播放逻辑控制比特流自动换刀装置首先从逻辑控制比特流中截取第1～4位(在本例中为0001)，解码后知该动作为取刀，将1号I/O通道设为高电平以发送取刀信号。在取刀动作完成后，将1号I/O通道设为低电平。随后，与取刀的过程类似，从逻辑控制比特流中依次截取第5～8位、第9～12位、第13～16位，依次解码并执行对应的动作，完成自动换刀过程。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，作为服务器的设备利用编码器，将以不同曲线描述的运动轨迹统一以脉冲当量作为步长进行逼近后转换成运动比特流，并将逻辑控制信号序列转换成逻辑控制比特流，将所述运动比特流和所述逻辑控制比特流进行编码及存储；终端设备作为所述服务器的一个客户端，每个所述终端设备的工作过程被配置为根据需要从所述服务器下载已编码存储的代表所述终端设备运动及逻辑控制的运动比特流和逻辑控制比特流文件，根据运动速度与运动比特流，利用所述终端设备上的播放器功能对所下载的所述运动比特流和所述逻辑控制比特流文件进行播放，其中

所述逻辑控制比特流是由所述服务器的所述编码器根据组合逻辑和时序逻辑控制真值表、依照安排动作发生的序列生成的；所述逻辑控制比特流被配置为根据不同的控制任务从所述服务器动态下载并执行；

所述服务器和所述客户端之间被配置为通过以太网、USB、CAN总线方式连接，传输二进制信号的协议，由所述编码器向所述播放器传输运动比特流和逻辑控制比特流；

所述客户端对接收到的所述逻辑控制比特流进行解码，生成逻辑控制信号发送至所要控制的客户端装置。

2.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，一个所述服务器包含一个或多个针对不同所述客户端的编码器，而所述客户端则包含一个与所述服务器的某个编码器对应的播放器。

3.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所述播放的具体为：根据指令进给速度、以及所述指令进给速度与所述运动比特流播放步数之间的线性关系，对所述运动比特流和所述逻辑控制比特流进行解码，从而获得各个运动轴的所述运动轨迹增量和各个装置的所述逻辑控制信号。

4.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所述运动比特流是由单位弧长增量法或广义单位弧长增量法对所述运动轨迹进行以脉冲当量为步长对所述以不同曲线描述的运动轨迹进行逼近所得的各轴每一步位移增量、并对位移增量仅有的三种可能(-1，0或+1)以二进制方式进行编码后所得。

5.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所述运动比特流和所述逻辑控制比特流视数据量的大小被配置为存储于不同的存储装置中；所述存储装置被配置成存在于所述服务器中、所述客户端中或云端。

6.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所述客户端在接收到所述运动比特流后，在每个运动指令更新周期，又称伺服周期，直接根据所述指令进给速度与所述运动比特流播放步数之间的线性关系，从每个轴的所述运动比特流中取出播放步数个比特位，又称为运动子比特流，进行解码，还原出所述运动子比特流所对应的各轴位移增量，所述各轴位移增量是一步或多步脉冲增量插补法插补的叠加结果，并发送至所述客户端所控制的运动轴驱动装置中，由所述驱动装置驱动所对应运动轴执行动作。

7.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所述客户端是具有运动或逻辑控制功能的设备。