CN105278589A - Pas500控制系统的智能通信模块及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种PAS500控制系统的智能通信模块及其处理方法，包括微控制单元MCU、以太网驱动电路、总线驱动电路、用于与控制层的控制器进行通信的网卡接口和用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信的总线通信接口，微控制单元MCU的第一输入输出端口通过以太网驱动电路与网卡接口电连接，微控制单元MCU的第二输入输出端口通过总线驱动电路与总线通信接口电连接；智能通信模块用于实现与控制层的控制器和输入输出模块组内各IO模块进行相互通信，将各输入模块的数据发送给控制层的控制器，同时解析来自控制器的输出控制指令，分别控制各输出模块的输出。本发明智能通信模块提高了控制器与各IO模块之间的通信速率，兼容性好，运行安全稳定，成本低廉。

Description

PAS500控制系统的智能通信模块及其处理方法

技术领域

本发明属于控制系统，具体涉及一种PAS500控制系统的智能通信模块及其处理方法。

背景技术

PAS500控制系统一般包括输入输出层、控制层和监控层，输入输出层是集散型控制系统的最底层，直接与各类现场仪表、传感器和执行机构等设备等连接，负责现场监测信号采集和系统控制信号输出。输入输出层的主要部件是输入输出模块（简称IO模块）。控制层在系统中还起着承上启下的作用，不仅要实现系统数据的采集和处理功能，而且肩负着控制逻辑运算和控制结果输出以及实现与上层监控层的数据交互功能的重任。监控层负责系统运行管理和监控，主要包括工程师站、操作站和服务器等管理单元和管理计算机。PAS500控制系统的控制器是控制系统的核心部件，随着技术的发展，CPU的性能逐渐提升，提高了控制器的工作效率。如果控制器采用逐一与IO模块通信的方式实现与输入输出模块组的各IO模块的数据交互，无论采取目前何种通信技术，控制器不得不花费很长的时间去处理与IO模块的通信任务，不但影响控制器的工作效率，也制约了控制器挂接IO模块的数量。就目前的通信技术而言，相对控制器的运算效率，控制器与各个IO模块通信的效率是制约控制处理能力的一个瓶颈。又因控制系统中控制器的CPU一般采用的是相对高端的处理器，而IO模块通常采用单片机实现作为CPU。对于高端的处理器来说，更适合使用通信速率较高的通信技术。对于单片机系统，尤其是8位单片机系统来说，高速通信技术显示不适合使用。如果控制器和IO模块之间采用适宜于单片机的通信技术，显然对控制器的运行效率是有很大影响的。如果将IO模块的CPU更换为高性能的处理器，不但增加了系统设计的难度，提高了系统的成本，也不便于实现与原有系统的兼容。如果采用增加各个IO模块的通道数，可以适量减少同样容量系统中IO模块数量，在一定程度上减少控制器与IO模块的通信时间，但是在模块体积趋向小型化的趋势下，增加模块通道数很难实现，甚至是实现不了的。此外，IO模块过多的通道设计不符合集散型控制系统的设计思想，而且增加的各个IO模块的通道数是很有限的，因此通过这个方法提高控制器与IO模块的通信效率的效果也是有限的。

发明内容

本发明的目的之一是为了克服现有技术的不足，提供一种PAS500控制系统的智能通信模块，智能通信模块的结构简单，能提高控制器与各IO模块之间的通信速率，兼容性好，运行安全稳定，成本低廉。

本发明的目的之二提供一种PAS500控制系统的智能通信模块的处理方法，该处理方法能够提高控制器与IO模块的通信效率。

本发明的目的之一可以通过以下技术方案实现：

一种PAS500控制系统的智能通信模块，其特征在于：包括微控制单元MCU、以太网驱动电路、总线驱动电路、用于与控制层的控制器进行通信的网卡接口和用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信的总线通信接口，所述微控制单元MCU的第一输入输出端口通过以太网驱动电路与网卡接口电连接，微控制单元MCU的第二输入输出端口通过总线驱动电路与总线通信接口电连接；所述智能通信模块用于实现与控制层的控制器和输入输出模块组内各IO模块进行相互通信，将各输入模块的数据发送给控制层的控制器，同时解析来自控制器的输出控制指令，分别控制各输出模块的输出。

所述智能通信模块采用Modbus/TCP协议用于与控制层的控制器进行通信；所述智能通信模块Modbus协议用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信。

所述微控制单元MCU采用32位MCU。

所述总线驱动电路均采用RS485驱动电路。

本发明的目的之二可以通过以下技术方案实现：

一种PAS500控制系统的智能通信模块的处理方法，其特征在于：包括权利要求1至4任一所述的智能通信模块，步骤如下：

1）智能通信模块接收到控制器发送的组态指令，根据指令要求设置指令标志并将指令数据存放到指定的缓存区中；

2）智能通信模块根据组态信息对各IO模块进行初始化配置，读取各IO模块的参数和数据，初始化IO模块数据缓冲区，并设置工程运行标志启动工程运行工作流程；

所述工程运行工作流程如下：

a）控制器定时发送IO模块读写指令给智能通信模块，智能通信模块予以应答；

b）智能通信模块根据控制器发送的IO模块读写指令更新IO模块数据缓冲区中输出区数据；

c）智能通信模块按照设置扫描周期读写IO模块数据，所述扫描周期的范围是20毫秒至2秒，即按照模块组态信息将IO模块数据缓冲区中输出区数据发送给输出模块并读取输入模块的数据更新IO模块数据缓冲区中输入区的数据；

3）在工程运行工作过程中，若通信模块接收到控制器发送的停止运行指令或者通信模块超过一定时间未接收到控制器的任何指令，则退出工程运行工作流程。

所述智能通信模块的具体处理步骤如下：

（1）若智能通信模块接收到控制器的组态指令，则智能通信模块设置组态指令标志，则进入步骤（2），否则进入步骤（3）；

（2）智能通信模块根据组态信息对IO模块进行初始化配置，读取IO模块的参数和数据，初始化IO模块数据缓冲区，设置工程运行标志并清除控制器的组态指令标志；

（3）若有工程运行标志，进入步骤（4）,否则进入步骤（9）；

（4）若达到设置的扫描周期，所述扫描周期的范围是20毫秒至2秒，则进入步骤（5），否则进入步骤（6）；

（5）智能通信模块根据组态信息，控制各输出模块的输出和发送读取指令到各输入模块；

（5.1）智能通信模块根据组态信息和IO模块数据缓冲区中输出区的数据，发送输出指令到各输出模块；

（5.2）智能通信模块根据组态信息，发送读取指令到各输入模块并将读取数据存储到IO模块缓冲区中输入区；

（6）若智能通信模块接收到控制器发送的读写指令，则通信模块设置读写指令标志，进入步骤（7），若未收到控制器的读写指令，则进入步骤（8）；

（7）智能通信模块根据读写指令，修改IO模块数据缓冲区中输出区，并清除读写指令标志；

（8）若智能通信模块接收到控制器发送的工程停止运行指令，则通信模块设置工程停止运行指令标志，清除工程停止运行指令标志和工程运行标志,返回步骤（1），否则进入步骤（9）；

（9）若超过2秒钟未接收到控制发送的任何指令，则清除工程运行指令标志，然后返回步骤（1）继续执行。

所述智能通信模块读写IO模块数据的扫描周期采用500毫秒。

所述智能通信模块采用中断方式接收和发送通信数据。

本发明的有益效果：本发明智能通信模块包括微控制单元MCU、以太网驱动电路、总线驱动电路、用于与控制层的控制器进行通信的网卡接口和用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信的总线通信接口，所述微控制单元MCU通过太网驱动电路与控制层的控制器进行通信，微控制单元MCU通过总线和Modbus通信协议与输入输出模块组中各IO模块进行通信，将各输入模块的数据发送给控制层的控制器，同时解析来自控制器的输出控制指令，分别控制各输出模块的输出。采用智能通信模块负责本输入输出模块组内的多个IO模块的数据通信和管理，实现了输入输出模块组内各IO模块与控制器数据的统一交互，也就是说，智能通信模块读取输入输出模块组内所有输入模块数据并打包发送给控制器；控制器将输入输出模块组内所有输出模块的控制信息统一发送给智能通信模块，智能通信模块再将控制输出结果一一发送给组内各IO模块。这样控制器只需通过一次发送和接收通信即可实现所有IO模块的数据交互，这种方式大大减少了控制器与各IO模块数据交互的通信时间。实现集中管理各组IO模块的数据通信和处理功能，减少控制器在处理通信任务上的开销，提高了控制器与各IO模块的通信效率。本发明控制系统结合工控行业和集散型控制系统特定需求，充分考虑了系统的可靠性、安全性以及设计成本、技术难度和与原有产品的兼容性等因素，使控制器与IO模块处理能力得到匹配，实现模块低成本和控制器高效率的良好并存。使用较少的人力和物力成本获取大的性能和容量提升。

所述微控制单元MCU采用32位MCU，相对一般仪表和IO模块，该模块采用性能更高的32位MCU。

本发明智能通信模块的处理方法，所述智能通信模块接收到控制器的指令后，根据控制器的指令要求设置指令标志，将令中的输出数据存放到缓存区内，并将各输入输出模块组的IO模块数据缓冲区中输入区数据返回给控制器；智能通信模块接收到控制器发送的输入输出模块组中各IO模块的组态信息指令标志，根据组态信息读取IO模块的初始状态信息并初始化IO模块缓冲区数据，并设置工程运行标志启动工程运行工作流程，使得智能通信模块能在收到控制器指令后很快地返回数据给控制器，而不用等到执行完一轮IO模块读写通信才给控制器返回数据。

所述智能通信模块采用中断方式接收和发送通信数据。提高了智能通信模块的运行效率。

附图说明

图1为本发明智能通信模块的结构示意图；

图2为本发明智能通信模块的工作流程图；

图3为采用本发明的PAS500控制系统原理框图；

图4为本发明智能通信模块与IO模块的连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

参见图1所示，一种PAS500控制系统的智能通信模块，包括微控制单元MCU1、以太网驱动电路2、总线驱动电路4、用于与控制层的控制器进行通信的网卡接口3和用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信的总线通信接口5，所述微控制单元MCU1采用32位MCU，为现有MCU，智能通信模块采用处理能力介于控制器CPU和IO模块CPU之间的CPU。所述网卡接口3采用RJ45接口，所述总线驱动电路4均采用RS485驱动电路，所述总线通信接口5采用RS485接口；所述微控制单元MCU1的第一输入输出端口通过以太网驱动电路与网卡接口电连接，微控制单元MCU的第二输入输出端口通过总线驱动电路与总线通信接口电连接；所述智能通信模块基于前述硬件平台，实现了与控制层的控制器和输入输出模块组内各IO模块进行相互通信，将各输入模块的数据发送给控制层的控制器，同时解析来自控制器的输出控制指令，分别控制各输出模块的输出。本发明采用以太网和RS485总线两种常用的通信技术的基础上，结合工控行业和集散型控制系统特定需求，充分考虑系统的可靠性、安全性以及设计成本、技术难度和与原有产品的兼容性等因素。通过智能通信模块用解决控制器与IO模块处理能力的匹配问题并在一定程度上分担控制器通信和处理的繁杂任务，实现了系统性能和容量的提升。智能通信模块提高了控制器和IO模块的通信效率并解决控制器与IO模块处理能力不匹配的问题，实现模块低成本和控制器高效率的良好并存。严格遵守了DCS系统“分散集中”的设计思想。采用既有的通信技术，实现起来更为方便。以较少的人力和物力成本获取大的性能和容量提升。

所述智能通信模块采用Modbus/TCP协议用于与控制层的控制器进行通信，是Modbus从节点，即控制器发送指令，智能通信模块予以响应；所述智能通信模块Modbus协议用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信，是Modbus主节点，即智能通信模块发送指令，IO模块响应智能通信模块指令。实现了对控制器的通信和对输入输出模块组内IO模块的通信，并实现输入输出模块组内IO模块数据管理功能，以实现控制器和系统效率和容量的提升。

一种PAS500控制系统的智能通信模块的处理方法，包括权利要求1至4任一所述的智能通信模块；因控制器读写IO模块的数据是周期进行的，基于这一前提，本发明智能通信模块读写IO模块数据的处理流程如下；

1）智能通信模块通过以太网通信接收控制器发送的组态指令，采用中断程序对接收到的组态指令进行处理，根据指令要求设置指令标志并将指令数据存放到指定的缓存区中，所述缓存区为是软件设计时为通信开辟的一段数据缓存区；

2）智能通信模块根据组态信息对各IO模块进行初始化配置，读取各IO模块的参数和数据，初始化IO模块数据缓冲区，并设置工程运行标志启动工程运行工作流程；

所述工程运行工作流程如下：

a）控制器定时发送IO模块读写指令给智能通信模块（命令帧中包含要修改的IO模块数据缓冲区中输出区的数据），通信模块予以应答（应答帧中包含最新的IO模块数据缓冲区中输入区的数据）；

b）智能通信模块根据控制器发送的IO模块读写指令更新IO模块数据缓冲区中输出区数据；

c）智能通信模块按照设置扫描周期读写IO模块数据，所述扫描周期的范围是20毫秒至2秒，即按照模块组态信息将IO模块数据缓冲区中输出区数据发送给输出模块并读取输入模块的数据更新IO模块数据缓冲区中输入区的数据；

3）在工程运行工作过程中，若通信模块接收到控制器发送的停止运行指令或者通信模块超过一定时间未接收到控制器的任何指令，则退出工程运行工作流程。

参见图2所示PAS500控制系统的智能通信模块的具体处理方法如下：

图中“T”表示“是”，“F”表示“否”，

（1）若智能通信模块接收到控制器的组态指令，则智能通信模块设置组态指令标志，则进入步骤（2），否则进入步骤（3）；

（2）智能通信模块根据组态信息对IO模块进行初始化配置，读取IO模块的参数和数据，初始化IO模块数据缓冲区，设置工程运行标志并清除控制器的组态指令标志，这样在下一个运行周期模块就会进入工程运行处理流程中；

（3）若有工程运行标志，进入步骤（4）,否则进入步骤（9）；

（4）若达到设置的扫描周期，所述扫描周期的范围是20毫秒至2秒，本发明控制系统可以适用于不同的应用工程，根据应用工程的不同，扫描周期时间长度可以进行相应设置，本实施例中扫描周期采用500毫秒，则进入步骤（5），否则进入步骤（6）；

5）智能通信模块根据组态信息，控制各输出模块的输出和发送读取指令到各输入模块；

5.1）智能通信模块根据组态信息和IO模块数据缓冲区的输出区的数据，发送输出指令到各输出模块；

5.2）智能通信模块根据组态信息，发送读取指令到各输入模块并将读取数据存储到IO模块缓冲区的输入区；

（6）若智能通信模块接收到控制器发送的读写指令，则通信模块设置读写指令标志，进入步骤（7），若未收到控制器的读写指令，则进入步骤（8）；

（7）智能通信模块根据读写指令，修改IO模块数据缓冲区的输出区，并清除读写指令标志；

（8）若智能通信模块接收到控制器发送的工程停止运行指令，则通信模块设置工程停止运行指令标志，清除工程停止运行指令标志和工程运行标志,返回步骤（1），否则进入步骤（9）；

（9）若超过2秒钟未接收到控制发送的任何指令，则清除工程运行指令标志，然后返回步骤（1）继续执行。

所述智能通信模块采用中断方式接收和发送通信数据，使智能通信模块的微控制单元MCU在处理数据的接收和发送数据的同时还可以并行进行其它任务的处理，而不必一直空等待接收和发送数据任务的完成。

参见图3和图4所示，一种采用本发明的智能通信模块的PAS500控制系统，包括PAS500控制系统的控制层和输入输出层，所述输入输出层设有多个输入输出模块组，各输入输出模块组内设有多个IO模块和一个智能通信模块，或者多个IO模块和一对冗余的智能通信模块，各IO模块是现场信号测量和输出系统控制信号到现场设备。现场设备如计算机、传感器和执行机构等。所述控制层实现输入输出层中输入模块数据的采集，根据组态程序执行控制逻辑，并控制输入输出层中输出模块数据的输出；所述输入输出层用于控制现场信号测量以及系统控制信号的输出，智能通信模块通过RS485总线分别与输入输出模块组内各IO模块电连接，所述输入输出模块组内智能通信模块和IO模块安装在一个模块机架上，智能通信模块与IO模块间的RS485总线固定在机架的底板上。所述各输入输出模块组包括一个或一对冗余智能通信模块CPx和最多15个IO模块，本实施例的输入输出模块组包括一个冗余智能通信模块CPx和15个IO模块IOx1、IOx2、IOx3、IOx4、IOx5、IOx6、IOx7、IOx8、IOx9、IOxA、IOxB、IOxC、IOxD、IOxE和IOxF。第一输入输出模块组包括智能通信模块CP1和IO11、IO12、IO13、IO14、IO15、IO16、IO17、IO18、IO19、IO1A、IO1B、IO1C、IO1D、IO1E和IO1F。第二输入输出模块组包括智能通信模块CP2和IO21、IO22、IO23、IO24、IO25、IO26、IO27、IO28、IO29、IO2A、IO2B、IO2C、IO2D、IO2E和IO2F。其余的输入输出模块组的智能通信模块和IO模块按此方法以此类推。各输入输出模块组的IO模块也可以不挂满15个，根据实际应用需求而定，组态指令包含IO模块的配置信息。IO模块的配置信息包括IO模块个数、种类和相关参数等，是控制器发送给通信模块组态指令的一部分。

所述智能通信模块与控制层的控制器之间采用基于以太网的Modbus/TCP通信协议通信，智能通信模块与输入输出模块组内各IO模块采用基于RS485的Modbus通信协议进行通信，智能通信模块负责组内各IO模块的数据通信和管理，并实现组内IO模块与控制器数据的统一交互。也就是说，智能通信模块读取输入输出模块组内所有输入模块数据并打包发送给控制器；控制器将输入输出模块组内所有输出模块的控制信息统一发送给智能通信模块，智能通信模块再将控制输出结果一一发送给输入输出模块组内各IO模块。对于一组IO模块，在未引进智能通信模块前，控制器要实现与一组IO模块的数据交互不仅需要分别对输入输出模块组内各IO模块进行通信，而且还要解决两者之间通信处理能力的问题。引进通信模块以后，控制器只需要通过一次发送和接收的通信即可实现所有IO模块的数据交互。这样的处理方式就大大减小了控制器与IO模块数据交互的通信时间，使得控制器的性能得到充分的利用。相对于控制器直接与IO模块通信的方式下，控制器完成1个IO模块通信的时间与引入智能通信模块后控制器完成一组IO模块通信的时间为基本相当。显然，控制器与IO模块通信的时间大大缩短。在控制周期要求一定的情况下，1台控制器的IO模块容量也得到大大提高。

Claims (8)

1.一种PAS500控制系统的智能通信模块，其特征在于：包括微控制单元MCU、以太网驱动电路、总线驱动电路、用于与控制层的控制器进行通信的网卡接口和用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信的总线通信接口，所述微控制单元MCU的第一输入输出端口通过以太网驱动电路与网卡接口电连接，微控制单元MCU的第二输入输出端口通过总线驱动电路与总线通信接口电连接；所述智能通信模块用于实现与控制层的控制器和输入输出模块组内各IO模块进行相互通信，将各输入模块的数据发送给控制层的控制器，同时解析来自控制器的输出控制指令，分别控制各输出模块的输出。

2.根据权利要求1所述的PAS500控制系统的智能通信模块，其特征在于：所述智能通信模块采用Modbus/TCP协议用于与控制层的控制器进行通信；所述智能通信模块Modbus协议用于与输入输出模块组内各IO模块进行通信。

3.根据权利要求1所述的PAS500控制系统的智能通信模块，其特征在于：所述微控制单元MCU采用32位MCU。

4.根据权利要求1所述的PAS500控制系统的智能通信模块，其特征在于：所述总线驱动电路均采用RS485驱动电路。

5.一种PAS500控制系统的智能通信模块的处理方法，其特征在于：包括权利要求1至4任一所述的智能通信模块，步骤如下：

1）智能通信模块接收到控制器发送的组态指令，根据指令要求设置指令标志并将指令数据存放到指定的缓存区中；

2）智能通信模块根据组态信息对各IO模块进行初始化配置，读取各IO模块的参数和数据，初始化IO模块数据缓冲区，并设置工程运行标志启动工程运行工作流程；

所述工程运行工作流程如下：

a）控制器定时发送IO模块读写指令给智能通信模块，智能通信模块予以应答；

b）智能通信模块根据控制器发送的IO模块读写指令更新IO模块数据缓冲区中输出区数据；

c）智能通信模块按照设置扫描周期读写IO模块数据，所述扫描周期的范围是20毫秒至2秒，即按照模块组态信息将IO模块数据缓冲区中输出区数据发送给输出模块并读取输入模块的数据更新IO模块数据缓冲区中输入区的数据；

3）在工程运行工作过程中，若通信模块接收到控制器发送的停止运行指令或者通信模块超过一定时间未接收到控制器的任何指令，则退出工程运行工作流程。

6.根据权利要求5所述的智能通信模块的处理方法，其特征在于：所述智能通信模块的具体处理步骤如下：

（1）若智能通信模块接收到控制器的组态指令，则智能通信模块设置组态指令标志，则进入步骤（2），否则进入步骤（3）；

（2）智能通信模块根据组态信息对IO模块进行初始化配置，读取IO模块的参数和数据，初始化IO模块数据缓冲区，设置工程运行标志并清除控制器的组态指令标志；

（3）若有工程运行标志，进入步骤（4）,否则进入步骤（9）；

（4）若达到设置的扫描周期，所述扫描周期的范围是20毫秒至2秒，则进入步骤（5），否则进入步骤（6）；

（5）智能通信模块根据组态信息，控制各输出模块的输出和发送读取指令到各输入模块；

（5.1）智能通信模块根据组态信息和IO模块数据缓冲区中输出区的数据，发送输出指令到各输出模块；

（5.2）智能通信模块根据组态信息，发送读取指令到各输入模块并将读取数据存储到IO模块缓冲区中输入区；

（6）若智能通信模块接收到控制器发送的读写指令，则通信模块设置读写指令标志，进入步骤（7），若未收到控制器的读写指令，则进入步骤（8）；

（7）智能通信模块根据读写指令，修改IO模块数据缓冲区中输出区，并清除读写指令标志；

（8）若智能通信模块接收到控制器发送的工程停止运行指令，则通信模块设置工程停止运行指令标志，清除工程停止运行指令标志和工程运行标志,返回步骤（1），否则进入步骤（9）；

（9）若超过2秒钟未接收到控制发送的任何指令，则清除工程运行指令标志，然后返回步骤（1）继续执行。

7.根据权利要求5或6所述的智能通信模块的处理方法，其特征在于：所述智能通信模块读写IO模块数据的扫描周期采用500毫秒。

8.根据权利要求5或6所述的智能通信模块的处理方法，其特征在于：所述智能通信模块采用中断方式接收和发送通信数据。