CN109085786B - 双通道现场总线设计方法、控制系统及计算机终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道现场总线设计方法、控制系统、计算机终端及计算机可读存储介质，该设计方法应用于双通道现场总线控制系统，控制系统包括一主站控制器和若干从站设备，设计方法包括：对各从站设备进行通道划分，将所需通讯频率大于预设频率的从站设备划分到高速通道中，余下的从站设备划分到通用通道中；将高速通道与通用通道中的从站设备均通过总线方式连接到主站控制器并建立网络拓扑图；分别设定高速通道与通用通道的通讯频率以形成控制系统的双通道链路。本发明实施例通过建立控制系统的双通道链路，不仅可以满足系统局部高性能需求，还可以兼顾控制更多从站的需求，提高系统工作效率，并降低成本。

Description

双通道现场总线设计方法、控制系统及计算机终端

技术领域

本发明涉及工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种双通道现场总线设计方法、控制系统及计算机终端。

背景技术

在工业运动控制领域中，工业现场总线的应用越来越广泛。与传统的PLC控制方式不同，现场总线的控制方式采用数字通讯的方式，控制主站把命令与数据通过数字的方式，通过总线媒介如网线、RS232，CAN总线等发送到控制从站上，控制从站也通过总线媒介把状态信息反馈回控制主站上。由于现场总线通讯是统一通讯，所以必须要约定一个周期，一般来说，在这个周期内，必须完成至少一次的命令发送及状态反馈，在目前的生产类控制系统应用中，更高的控制频率或者更短的控制/通讯周期，能够更快的完成生产动作。

然而，在自动化的生产中，越来越多的生产动作会集成在一起，那么就会要求在一个控制主站中控制越来越多的控制从站。周期的缩短，控制从站的增多，对控制主站的CPU处理能力，提出了越来越高的要求，但是CPU如果采用最高级的CPU如intel i7系列，那么成本是很大的一个问题，如何在中低端CPU的情况下，达到周期尽可能的短，控制的从站数目尽可能多，成为了一个有意义的研究话题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提出一种双通道现场总线设计方法来解决现有的工业控制系统在主站控制器成本高与控制从站数量多的难题。

本发明实施例提出一种双通道现场总线设计方法，应用于双通道现场总线控制系统，所述控制系统包括一主站控制器和若干从站设备，所述设计方法包括：

对各从站设备进行通道划分，将所需通讯频率大于预设频率的从站设备划分到高速通道中，余下的从站设备划分到通用通道中；

将所述高速通道与所述通用通道中的所述从站设备均通过总线方式连接到所述主站控制器并通过所述主站控制器建立网络拓扑图；

分别设定所述高速通道与所述通用通道的通讯频率以形成所述控制系统的双通道链路。

进一步地，本发明实施例的双通道现场总线设计方法，还包括：设定所述高速通道与所述通用通道为独立关系或耦合关系。

进一步地，使所述主站控制器监测所述高速通道与所述通用通道的运行状态，并当其中任一通道出现异常状态时，根据所述设定的独立关系或耦合关系对另一通道的运行进行相应处理。

进一步地，本发明实施例的双通道现场总线设计方法，还包括：所述高速通道的通讯频率为所述通用通道的通讯频率的整数倍。

进一步地，本发明实施例的双通道现场总线设计方法，还包括：所述通用通道的可连接从站设备数目为所述高速通道的可连接从站设备数目的至少四倍。

进一步地，所述预设频率为4KHz。

进一步地，若所述主站控制器与各通道中的从站设备采用etherCAT总线，则所述双通道链路均为线型链路；

若所述主站控制器与各通道中的从站设备采用RTEX总线，则所述双通道链路均为环型链路。

根据上述的双通道现场总结设计方法，本发明实施例还提出一种双通道现场总线控制系统，包括：一主站控制器和若干从站设备，所述主站控制器与所述从站设备之间设有双通道链路，其中，所述双通道链路的形成采用上述的双通道现场总线设计方法；

所述主站控制器用于通过所述双通道链路向各从站设备发送控制命令，并接收来自所述从站设备的反馈信息；

所述从站设备用于接收来自所述主站控制器发送的控制命令，并在执行所述控制命令后反馈相应的状态信息到所述主站控制器。

本发明又一实施例提出一种计算机终端，所述计算机终端包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机终端执行上述的双通道现场总线设计方法。

本发明又一实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质使计算机执行上述的双通道现场总线设计方法。

本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例通过对各从站设备进行通道划分，将所需通讯频率要求较高的从站设备置于高速通道中，而余下的则置于通用通道中以形成双通道链路，不仅可以兼容控制系统中局部从站的高性能需求，还可以兼容控制更多的从站设备的需求。此外，可充分利用现有的系统资源，提高了系统的工作效率及配置灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明实施例的某些实施例，因此不应被看作是对本发明实施例范围的限定。

图1是本发明实施例1的双通道现场总线设计方法的第一流程示意图；

图2是本发明实施例1的双通道现场总线设计方法的第二流程示意图；

图3是本发明实施例1的双通道现场总线设计方法的一种双通道链路示意图；

图4是本发明实施例2的双通道现场总线控制系统的结构示意图；

图5是本发明实施例3的双通道现场总线控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明实施例的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明实施例。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为达到尽可能多地控制多个从站设备的目的，现有的解决方案往往是将主站的计算量下放到各从站，从而来减轻主站的计算压力，如申请公开号为CN108279630A的专利申请说明书中公开了一种基于总线的分布式运动控制系统及方法等。

通过这种下放计算量到各从站设备的方法，虽然可以减轻主站的运行量，但由于各从站需要进行运动控制运算，这对各从站的CPU性能提出了更高的要求，因此将大大增加了从站的成本，相比通用的伺服从站设备，其单个从站成本可能会增加20％以上。若是这些从站设备数量增多，其成本则将急剧增加。

另一方面，对于通讯频率较高的从站设备，例如采用如RTEX总线的连接方式，其主站所连接的从站设备的数量也不能实现在短周期(如125us)内连接超过8个，这是由于通讯频率受限于RTEX总线协议本身的约束。

为此，本发明人提出一种双通道现场总线设计方法来解决上述问题，通过建立高速通道和通用通道并将各从站设备进行通道划分，利用具有不同通讯频率的双通道来分别控制不同通讯频率需求的各从站设备，从而实现既可以控制多个从站设备而不提高从站CPU成本，又可以满足控制系统的局部高性能需求等等。

下面结合具体的实施例对本发明实施例进行详细说明。

实施例1

请参照图1，本实施例提出一种双通道现场总线设计方法，可用于双通道现场总线控制系统，其中，该双通道现场总线控制系统包括有一主站控制器和若干从站设备，通过设计具有不同通讯频率的高速通道和通用通道，可更加灵活配置网络系统，实现用较低的控制主站成本来满足控制系统的多种需求。下面就该双通道现场总线设计方法进行详细描述。

步骤S100：对各从站设备进行通道划分，将所需通讯频率大于预设频率的从站设备划分到高速通道中，余下的从站设备划分到通用通道中。

考虑到不同的从站设备所需的通讯频率不同，例如，对于数字I/O模块、高速伺服电机、模拟AD模块和编码器反馈模块等从站设备，通常需要较高的通讯频率才能保证正常工作，而对于一些如非高速伺服电机等从站设备由于对通讯频率要求不高，故可采用相对较低的通讯频率进行控制。

本实施例中，将根据各从站设备的通讯频率进行通道划分。具体地，若从站设备的所需通讯频率大于一预设频率，则将该从站设备划分到高速通道中，而余下的从站设备，即所需通讯频率小于或等于该预设频率的从站设备则划分到通用通道中。

其中，所述预设频率作为从站设备的通道划分标准，可根据实际的从站设备最大通讯频率要求及高速从站设备的数量等等来灵活选取，以满足各通道中的从站设备合理分布。示范性地，考虑到现场总线的最大通讯频率可高达8KHz，优选地，该预设频率可设为4KHz，于是有对于所需通讯频率高于4KHz的从站设备则划分到高速通道中，而余下的则划分到通用通道中。

其中，所述通道，也可称为通道链路，即指一个用于连接从站设备的链路，而这些链路将通过现场总线来建立且不同的现场总线将形成不同的类型的链路。示范性地，若主站控制器与从站设备之间采用etherCAT总线连接，则该高速通道链路和通用通道链路均为线型链路；若采用RTEX总线连接，则该双通道链路均为环型链路。

步骤S200：将所述高速通道与所述通用通道中的所述从站设备均通过总线方式连接到所述主站控制器并通过所述主站控制器建立网络拓扑图。

本实施例中，在对各从站设备进行通道划分后进行总线连接，即将各通道中的从站设备采用现场总线连到主站控制器，以便主站控制器能对各从站设备发送控制命令等。示范性地，可采用如etherCAT、POWERLINK、PROFINET、SERCOS、RTEX和CANopen等现场总线进行连接。例如，若采用etherCAT总线进行连接，则可形成如图2所示的双通道链路。

于是在各从站设备通过总线连接到主站控制器后，将通过主站控制器将对各通道的所有从站设备进行扫描以建立网络拓图。而该网络拓扑图将自动存放在主站控制器上，以用于主站控制器与位于不同连接位置的各从站设备之间发送有序的通讯指令等。

步骤S300：分别设定所述高速通道与所述通用通道的通讯频率以形成所述控制系统的双通道链路。

本实施例中，在建立网络拓扑图后将分别设定高速通道与通用通道的通讯频率，以实现这两个通道在不同的通讯频率下进行工作。示范性地，可根据该高速通道中的从站设备所需的最高通讯频率及设备数量选取该高速通道的通讯频率，例如设为8KHz、4KHz等等；而通用通道的通讯频率则可根据设备数量等进行选取，例如设为1KHz、800Hz或500Hz等等。可以理解，这两通道的通讯频率可根据实际需求进行选取，以保证各通道中的从站设备均能正常工作，从而形成该双通道链路。

优选地，该高速通道的通讯频率可为通用通道的通讯频率的整数倍，以便于这两个通道的通讯频率的分频及控制等处理。如上述的高速通道的通讯频率为8KHz，而通用通道的通讯频率可为1KHz或800Hz等。

对于这两个通道，在高速通道中，信息交换的频率非常快，可以达到8KHz甚至是更高，该通道的通讯频率可以满足大部分基于电机控制的模块，如数字I/O模块、高速伺服电机和模拟AD模块等等。而在通用通道中，也可以称为低速通道，用于连接较低频率控制的从站设备。由于通讯频率的降低，运算量相应地降低，则用于处理从站设备的CPU资源则相对高频通讯而言变得较为宽松，因此，通用通道可连接的从站设备的数目将远大于高速通道的从站设备连接数目。具体地，通用通道的从站设备可连接数目可以是高速通道的从站设备可连接数目的4倍及4倍以上。

进一步地，如图3所示，本实施例的双通道现场总线设计方法还可以包括步骤S400，设定所述高速通道与所述通用通道为独立关系或耦合关系。对于建立好的两个通道，这两个通道在工业生产过程中，还可以设定这两个通道的关系是为独立还是耦合。

具体地，当该控制系统开始运行时，可使主站控制器监测该高速通道和通用通道的运行状态，并当其中任一通道出现异常状态时，根据所述设定的独立关系或耦合关系对另一通道的运行进行相应处理。示范性地，若高速通道与通用通道为独立关系，则当其中任一通道出现故障时，将不影响另一通道的正常运行并保持正常运行；若高速通道与通用通道为耦合关系，则当其中任一通道出现故障，另一通道将立即停止运行，以保证生产安全。

本实施例提出的双通道现场总线设计方法，通过建立双通道链路来对不同的通讯频率的从站设备进行区分控制，这样不仅可以兼顾该现场总线控制系统中局部高性能的需求，即部分数量的从站设备需要在高频下才能正常工作，而且由于通用通道的从站设备可连接数目可为高速通道的从站设备可连接数目的至少4倍，因此还可以尽可能多地控制更多从站设备的需求，实现在较低成本的主站控制器及从站设备的基础上满足高频率与多个从站设备的需求，提供一种合理且经济的解决方案，实用性强。此外，本实施例在充分利用现有的系统资源的基础上，不仅提高了控制系统的工作效率，还通过对各从站设备进行通道划分且通道关系设定，可以更加灵活地配置网络系统，更贴切地满足实际生产的需求。

实施例2

请参照图4，本实施例提出一种双通道现场总线控制系统，该系统包括一主站控制器和若干从站设备，该主站控制器与从站设备之间设有双通道链路。其中，该双通道链路的建立采用上述实施例1提出的双通道现场总线设计方法。下面结合具体的主站控制器与从站设备进行说明。

本实施例中，主站控制器采用xilinx的SOC芯片，CPU为ARM双核cortex-A9，主站控制器与各从站设备采用的是etherCAT现场总线的连接方式。其中，所述从站设备的数目为40个，分别是38个倍福伺服电机AX2000和2个数字输入输出模块(IO模块)。而其中6个为倍福伺服电机需要进行高频动作，且这2个数字IO模块需要进行高速输入输出操作，于是根据上述实施例1的方法，有如下操作：

1)将这6个高速伺服电机和2个数字IO模块连接到第一通道，即高速通道，将余下的其他伺服电机连接到第二通道，即通用通道。

2)通过etherCAT现场总线将各通道中的从站设备连接到主站控制器，并使主站控制器对两通道分别进行从站设备扫描以建立网络拓扑图，并将建立的该网络拓扑图自动存放在主站控制器中。

3)设定第一通道的周期为125us，频率为8KHz；第二通道的周期为2000us,频率为500Hz。

4)设定这两个通道之间为耦合关系。

其中，采用etherCAT总线所形成的双通道链路均为线型链路。经过上述操作后，该控制系统可以开始运行，主站控制器根据上述设定的信息进行初始化，并开始对两个通道的从站设备进行控制。示范性地，主站控制器在一个周期内发送运动控制命令到各从站，各从站接收到相应的命令后执行，并将执行后的状态信息反馈到主站控制器。

由于高速通道与通用通道为耦合关系，控制系统将协同这两个通道的动作并监控各自的运行状态，如果其中的一个通道发生异常情况，则另一通道将会立即停止运行，从而保证生产安全。可以理解，这两个通道的关系也可以根据实际需求设定为独立关系。

实施例3

请参照图5，本实施例与上述实施例2的不同之处在于，主站控制器与从站设备之间的控制方式采用的是RTEX现场总线协议，其中，主站控制器为德州仪器公司的am335x芯片，CPU为ARM单核cortex-A8。而从站设备的数目为32个，分别为31个松下的RTEX伺服电机A6N和1个数字输入输出模块(IO模块)。而需要高频动作的从站设备包括3个伺服电机和数字IO模块，其他28个伺服电机对通讯频率要求不高，于是根据上述实施例1提出的方法，有如下操作：

1)将这3个高速伺服电机和1个数字IO模块连接到第一通道，即高速通道，将余下的其他伺服电机连接到第二通道，即通用通道。

2)通过RTEX现场总线将各通道中的从站设备连接到主站控制器，并使主站控制器对两通道分别进行从站设备扫描以建立网络拓扑图，并将建立的该网络拓扑图自动存放在主站控制器中。

3)设定第一通道的周期为125us，频率为8KHz；第二通道的周期为1000us,频率为1000Hz。

4)设定这两个通道之间为独立关系。

其中，采用RTEX总线所形成的双通道链路均为环型链路。经过上述操作后，该控制系统可以开始运行，主站控制器根据上述设定的信息进行初始化，并开始对两个通道的从站设备进行控制。

由于高速通道与通用通道为独立关系，控制系统将并行独立对这两个通道进行控制，若当其中一个通道发生异常情况时，将不影响另一通道的运行。可以理解，这两个通道的关系也可以根据实际需求设定为耦合关系。

本发明实施例还提供一种计算机终端，所述计算机终端包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机终端执行上述实施例1的双通道现场总线设计方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质使计算机执行上述实施例1的双通道现场总线设计方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果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。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种双通道现场总线设计方法，其特征在于，应用于工业现场总线控制系统，所述控制系统包括一主站控制器和若干从站设备，所述设计方法包括：

对各从站设备进行通道划分，将所需通讯频率大于预设频率的从站设备划分到高速通道中，余下的从站设备划分到通用通道中；

将所述高速通道与所述通用通道中的所述从站设备均通过总线方式连接到所述主站控制器并通过所述主站控制器建立网络拓扑图；

分别设定所述高速通道与所述通用通道的通讯频率以形成所述控制系统的双通道链路；

所述高速通道的通讯频率为所述通用通道的通讯频率的整数倍；

所述通用通道的从站设备可连接数目为所述高速通道的从站设备可连接数目的至少四倍；

若所述主站控制器与各通道中的从站设备采用etherCAT总线，则所述双通道链路均为线型链路；

若所述主站控制器与各通道中的从站设备采用RTEX总线，则所述双通道链路均为环型链路。

2.根据权利要求1所述的双通道现场总线设计方法，其特征在于，还包括：

设定所述高速通道与所述通用通道为独立关系或耦合关系。

3.根据权利要求2所述的双通道现场总线设计方法，其特征在于，使所述主站控制器监测所述高速通道与所述通用通道的运行状态，并当其中任一通道出现异常状态时，根据所述设定的独立关系或耦合关系对另一通道的运行进行相应处理。

4.根据权利要求1所述的双通道现场总线设计方法，其特征在于，所述预设频率为4KHz。

5.一种双通道现场总线控制系统，其特征在于，包括：一主站控制器和若干从站设备，所述主站控制器与所述从站设备之间设有双通道链路，其中，所述双通道链路的形成采用权利要求1至4中任一项所述的双通道现场总线设计方法；

所述主站控制器用于通过所述双通道链路向各从站设备发送控制命令，并接收来自所述从站设备的反馈信息；

所述从站设备用于接收来自所述主站控制器发送的控制命令，并在执行所述控制命令后反馈相应的状态信息到所述主站控制器。

6.一种计算机终端，其特征在于，所述计算机终端包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机终端执行根据权利要求1至4中任一项所述的双通道现场总线设计方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质使计算机执行权利要求1至4中任一项所述的双通道现场总线设计方法。

Images