CN109960225A - 一种可组合的分布式控制系统以及实现方法 - Google Patents

一种可组合的分布式控制系统以及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可组合的分布式控制系统以及实现方法，包括作为系统核心部分的分布式控制系统主机；以及实现各个单一功能的分别独立的从机1‑分布式系统通信；从机2‑分布式系统数字IO；从机3‑分布式系统模拟量IO……；主机和从机初始化并处于待工作状态，主机通过识别从机的单一ID号实现主机与从机的交流。从机的单一ID号保证了从机与从机之间相互独立，从而保证在可分布式控制系统中，可以根据不同的系统级别功能来搭建所需的系统从机和主机逻辑即可。

Description

一种可组合的分布式控制系统以及实现方法
技术领域
本发明涉工业控制领域，尤其涉及一种可组合的分布式控制系统的实现方法。
背景技术
当前无论是大型的工业控制系统领域还是小型的家电、智能家居领域，系统的构成和复杂程度已经远远超过几年前的系统，由此带来的系统过于庞大和复杂造成系统运行速度过慢和系统不稳定的问题接踵而至。
庞大和复杂的系统面对运行速度过慢和运行不稳定不能一味地追求处理速度更快的处理器来解决，即便是通过更快速的CPU来解决系统庞大和复杂的问题，但是随之而来的是系统代码的进一个量级的增加，这样也增加了软件系统的隐藏BUG的危险。这样的庞大和复杂系统无论对于硬件工程师还是软件工程师都都要耗费巨大的开发时间和成本，然而最后的开发效果还不一定能达到预期的要求。因此不能通过一味增加CPU处理速度来解决这个问题，问题的根本在于过于庞大的复杂系统应拆开成彼此相对独立的小系统，通过稳定的小系统再连接成大系统，这样无论是小系统还是通过小系统组合起来的大系统均不需要过快的CPU，系统复杂程度被削弱了，因此无论是软件系统还是硬件系统都便于组合，来实现最终庞大的系统功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可组合的分布式控制系统及实现方法，根据此系统和方法来实现工业控制系统的快速开发和个性化产品定制体验。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种可组合的分布式控制系统平台，包括分布式控制系统主机；从机1-分布式系统通信，所述从机1-分布式通信系统还包括WIFI模块、433模块、2/3/4G模块；从机2-分布式系统数字IO，所述从机2-分布式系统数字IO还包括IO输入模块、IO输出模块、串口模块；从机3-分布式系统模拟量IO，所述从机3-分布式系统模拟量IO还包括AD采集模块、DA输出模块、PWM/PUL模块。
所述分布式系统主机，是可组合的分布式控制系统的核心主机；
所述从机1-分布式系统通信，是可组合的分布式控制系统的一个从机，该从机可实现无线形式的通信，确保系统可以通过无线进行对外部的数据传输功能；
所述从机2-分布式系统数字IO，是可组合的分布式控制系统的一个从机，该从机可以实现数字量的输入、和输出以及串口通信，确保系统可以进行对于外界数字IO信号的输入量读取以及对于外界数字IO信号的输出量进行输出驱动外设；同时数字串口可以通过串口对外界设备进行串口通信，实现数字形式的串口通信；
所述从机3-分布式系统模拟量IO，是可组合的分布式控制系统的一个从机，该从机可以实现模拟量的输入和输出以及PWM/PUL输出和输入，确保系统可以进行对于外界模拟量IO信号的输入量读取以及对于外界模拟量IO信号的输出量进行输出驱动外设；同时通过PWM信号进行对于外界数字脉宽形式的外设进行驱动以及通过PUL信号进行对于外界数字脉宽形式的外设进行信号的读取功能；
本发明的有益效果是：通过系统的主机和从机分开，使之系统主机和系统从机之间只有可靠的通信而没有实际的连接，那这样就确保了主机和从机的物理的独立性，主机和从机的系统单独失效并不会互相影响以及从机和从机之间互相影响；同时系统主机脱离了系统从机的具体工作，可以进行系统主机的核心系统算法和逻辑运算，能大大降低CPU的处理工作量以及保证了CPU的专一性，并提升了系统主机的工作效率，让系统主机只做其擅长的。而系统从机脱离了系统主机的运算和算法的束缚，可以专心的进行单一功能的实现，每一个系统从机只实现一种功能，功能单一并专一，造成了系统从机对于功能上的实现的简单化，大幅度提升外设的相应速度和功能上的完善性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述分布式系统主机是该系统的唯一主机；
进一步，所述分布式系统主机是不受系统从机控制的；
采用上述进一步方案的有益效果是：系统主机是可组合的分布式控制系统的核心，是不可受外界干扰的，这样可以大大提升系统的可靠性。
进一步，所述分布式系统主机和从机之间采用MODBUS通信协议；
采用上述进一步方案的有益效果是：通过MODBUS通信协议可以避免系统主机和系统从机之间的通信干涉，采用一问一答形式的MODBUS通信协议可以轮询的进行对从机的有效通信。
进一步，所述系统主机和系统从机之间进行通讯采用的是485总线；
采用上述进一步方案的有益效果是：通过485通信可以减少通信的线根数；通过485传输可以使数据抗干扰能力大大加强；通过485通信可以把通信距离大大延长，长距离的传输是适合分布式控制系统的；
进一步，所述从机1-分布式系统通信中的WIFI模块，可以通过该模块通过WIFI无线网络把系统连接到互联网中，把分布式系统组建成了物联网系统；
进一步，所述从机1-分布式系统通信中的433模块，可以通过该模块进行中短距离的无线信号传输，与其他433无线系统进行数据之间的传输；
进一步，所述从机1-分布式系统通信中的2/3/4G模块，可以通过该模块实现2G、3G、4G网络远距离的数据加密传输；
采用上述进一步方案的有益效果是：通过含有WIFI模块、433模块、2/3/4G通信模块的从机系统，主机可以不进行外设的操作只需要通过总线对通信从机的操控即可轻松实现各种类型的无线数据的传输；使分布式控制系统在无线通信领域无盲点式的覆盖。
进一步，所述从机2-分布式数字IO中的IO输入模块，是可实现数字类型的IO输入检测，通过该模块可以进行外界数字IO信息流的交换；
进一步，所述从机2-分布式数字IO中的IO输出模块，是可实现数字类型的IO输出驱动，通过该模块可以进行对外界数字IO设备的驱动；
进一步，所述从机2-分布式数字IO中的串口模块，是可实现串口通信的模块，通过串口通信可以实现从机对串口通信类型的外设进行数字信息流的交换；
采用上述进一步方案的有益效果是：通过分布式系统数字IO模块从机，实现了分布式系统的数字量的输入和输出操作，保证整个分布式控制系统对于数字IO的检测、驱动之间的无缝连接。
进一步，所述从机3-分布式模拟量IO中的AD采集模块，是可实现模拟量类型的模拟量输入检测，通过该模块可以进行外界模拟量信息流的采集工作；
进一步，所述从机3-分布式模拟量IO中的DA输出模块，是可实现数字类型的模拟量输出驱动，通过该模块可以进行对外界模拟量设备的驱动；
进一步，所述从机3-分布式模拟量IO中的PWM/PUL模块，是可实现PWM脉宽调制输出以及PUL脉宽调制输入检测的模块，通过该模块可以进行对于PWM/PUL设备的驱动和检测；
采用上述进一步方案的有益效果是：通过分布式系统模拟量IO从机，实现了整个分布式系统的模拟量处理以及PWM/PUL功能的处理，由于模拟量的检测和输出需要系统的可靠的独立性和绝缘性，因此用单一的从机来实现模拟量的处理会保证模拟量的精度问题。
进一步，分布式系统从机和从机之间是有不同的ID号，分布式系统主机和从机之间的信息流交互的身份认证采用的就是唯一ID号的甄别，通过唯一的ID号系统主机方可识别系统从机所反馈回来的数据流的类型和内容；通过唯一的ID号码不同的系统从机只会针对属于自己的ID号码对应的数据流进行相应，避免了分布式系统中从机系统混乱的问题；
采用上述进一步方案的有益效果是：通过唯一的分布式系统从机ID号码，实现了系统的有效识别问题，避免了庞大的分布式系统的通讯混乱问题。
进一步，由于分布式系统的从机和从机之间通过ID号码互不干涉，因此从机和从机之间以及从机和主机之间是互不干涉的，主机是必须要有的，而从机并不一定是需要的，因此可组合的分布式控制系统是可以排列组合的，根据不同的系统级别功能来搭建所需的系统从机和主机逻辑即可，通过可以完成不同功能的系统从机可以完成独立功能的单一功能，主机调取所需要的系统从机信息即可；主机只关心通信信息流的正确性即可，不需要过问系统从机的信息是通过何种方式来实现的。因此可组合的分布式控制系统可以根据系统级别的需求来搭建专属性个性化的产品搭积木式的搭建，当根据不同的系统功能可以组合出不同的系统从机挂接，每一种从机实现一种功能，当系统需要此功能的时候则挂接此从机系统，如不需要当前所述的从机功能则不需要挂接此从机系统，因此系统的数量和组合是根据系统的功能而定的。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过不同功能的分布式系统从机的组合，实现系统的个性化开发，避免产品的单一性问题的出现。
可组合的分布式控制系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤1，系统主机初始化，系统上电后主机系统进行系统代码初始化以及进行系统自检；
步骤2，从机初始化,待主机系统初始化后，从机进行统代码初始化以及进行系统自检；
步骤3，系统主机通过总线与从机进行数据交互，主机系统和从机系统通过MODBUS协议进行传输数据；
步骤4，从机执行命令和上传数据，从机1-分布式系统通信、从机2-分布式系统数字IO以及从机3-分布式系统模拟量IO在接收到分布式系统主机发送过来的查询指令后进行数据的上传，以及在接收到分布式系统主机发送过来的执行命令后立即执行预设指令。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种可组合的分布式控制系统，用以实施上述的可组合的分布式控制系统实现方法。上述可组合的分布式控制系统的实现方法部分的说明均适用于本发明的可组合的分布式控制系统。
附图说明
图1为本发明中可组合的分布式控制系统的实现方法系统程序流程图；
图2为本发明中可组合的分布式控制系统的结构图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
101、分布式控制系统主机，201、从机-分布式系统通信，202、从机2-分布式系统数字IO，203、从机-分布式系统模拟量IO，301、WIFI模块，302、433模块，303、2/3/4G模块，401、IO输入模块，402、IO输出模块，403、串口模块，501、AD采集模块，502、DA输出模块，503、PWM/PUL。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，为本发明一种可组合的分布式控制系统，包括101、分布式控制系统主机，201、从机-分布式系统通信，202、从机2-分布式系统数字IO，203、从机-分布式系统模拟量IO，301、WIFI模块，302、433模块，303、2/3/4G模块，401、IO输入模块，402、IO输出模块，403、串口模块，501、AD采集模块，502、DA输出模块，503、PWM/PUL；
可组合的分布式控制系统包含了一个唯一的分布式系统主机101，该系统主机主要负责整个分布式控制系统的所有算法和逻辑处理，以及对于众多从机的信息流处理。
分布式控制系统主机101通过485总线与从机1-分布式系统通信201、从机2-分布式系统数字IO 202以及从机3-分布式控制系统模拟量IO 203连接成一个复杂的分布式控制系统；
其中分布式控制系统主机101与从机1-分布式系统通信201、从机2-分布式系统数字IO 202以及从机3-分布式控制系统模拟量IO 203通过MODBUS RTU模式进行通信连接，采用该通信协议定义了明确的系统主机以及系统从机，系统从机之间通过唯一ID号进行区分；
与此同时所述的从机之间互不干涉，主机采用点名式的轮询与分布式系统的各个分机进行信息流的信息交换处理，包括从分机读取分机的数据以及发送指令给分机进行指令操作。
上述分布式控制系统主机101与从机1-分布式系统通信201、从机2-分布式系统数字IO 202以及从机3-分布式控制系统模拟量IO 203通过标准的485进行物理有线连接；
上述分布式控制系统主机101与从机1-分布式系统通信201、从机2-分布式系统数字IO 202以及从机3-分布式控制系统模拟量IO 203之间采用485有线连接的主要目的是提升系统之间的信息传送速率，提升数据传输效率；并且由于485是根据两根差分线的电压差来区分数字量的，因此具有较高的通信传输可靠性；
上述分布式控制系统主机101与从机1-分布式系统通信201、从机2-分布式系统数字IO 202以及从机3-分布式控制系统模拟量IO 203之间采用485有线连采用单工工作方式就足以满足MODBUS RUT的工作模式，使系统走线更加合理。
所述从机1-分布式系统通信是包含了WIFI模块301、433模块302、2/3/4G模块303，通过这三种无线通信模块的作用把从机1-分布式系统通信201变成了集成三种常见无线通信方式的系统从机，通过该系统从机可以实现无线网络的系统之间的信息流的传输功能；
所述WIFI模块301，是可以通过WIFI无线网络接入到互联网的模组，通过该模组的功能使从机1-分布式系统通信201可以顺利接入互联网，通过从机1-分布式系统通信201与分布式系统主机101的信息交互把分布式系统主机101所要在互联网上传或下载的功能实现出来；
所述433模块302，是可以通过固定频率的无线电网络把数据传输到有相同装置的网络系统中，通过该模组的功能使从机1-分布式系统通信201可以顺利接入其他433设备中，通过从机1-分布式系统通信201与分布式系统主机101的信息交互把分布式系统主机101所要在其他433网络设备中传输数据实现了出来。
从机2-分布式系统数字IO 202包含了IO输入模块401、IO输出模块402以及串口模块403，通过IO输入输出以及串口模块使从机2-分布式系统数字IO可以完成对于数字量的系统处理，可以接入其他外设数字IO的信息输入以及通过数字IO进行外设的驱动，同时还兼备数字串口UART功能，通过串口模块可以与外设进行全双工的双向高速数据交换；
所述IO输入模块401，是单向的高速数字IO，可以感受外设的IO输出变化；
所述IO输出模块402，是单向的高速数字IO，可以驱动IO外设设备；
所述串口模块403,是全双工的数字串口，可以与任意带有数字串口的外设设备进行数据交换。
从机3-分布式系统模拟量IO包含了AD采集模块501、DA输出模块502以及PWM/PUL模块503；通过AD输入、DA输出以及PWM/PUL功能的实现把从机3-分布式系统模拟量IO从机变成了专用的模拟量数据处理从机；
所述AD采集模块501，是具有14bit高精度的AD采集IO，可以精准地采集到以基准电压为参考的模拟量；
所述DA输出模块502，是具有14bit高精度的DA输出IO，可以输出精准的模拟量数值；
所述PWM/PUL模块503，是具有高速的PWM脉宽调制器以及PUL脉冲输入器；
通过AD采集模块501、DA输出模块502以及PWM/PUL模块503的配合，使从机3-分布式系统模拟量IO从机变成一个专有的高精度的模拟量采集与输出系统。
如图1所示，可组合的分布式控制系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤1，系统主机初始化602，整个系统刚开始上电，系统的主机优先进行初始化，初始化的内容为系统主机自检；
步骤2，从机初始化603,在系统主机初始化完毕后进行系各个统从的从机初始化，从机初始化内容为从机系统自检；
步骤3，系统主机通过总线与从机进行数据交互604，系统主机和系统从机之间通过MODBUS RUT进过单工485双线进行数据高效精准传输；
步骤4，从机执行命令和上传数据605，从机1-分布式系统通信201、从机2-分布式系统数字IO 202以及从机3-分布式系统模拟量IO 203在接收到分布式系统主机101发送过来的查询指令后进行数据的上传，以及在接收到分布式系统主机101发送过来的执行命令后立即执行预设指令。
同时，该分布式控制系统是可组合的，当根据不同的系统功能可以组合出不同的系统从机挂接，每一种从机实现一种功能，当系统需要此功能的时候则挂接此从机系统，如不需要当前所述的从机功能则不需要挂接此从机系统，因此系统的数量和组合是根据系统的功能而定的。
本发明提出了一种可组合的分布式控制系统，用以实施上述的可组合的分布式控制系统实现方法。上述可组合的分布式控制系统的实现方法部分的说明均适用于本发明的可组合的分布式控制系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可组合的分布式控制系统，其特征在于，包括分布式控制系统主机；从机1-分布式系统通信，所述从机1-分布式通信系统还包括WIFI模块、433模块、2/3/4G模块；从机2-分布式系统数字IO，所述从机2-分布式系统数字IO还包括IO输入模块、IO输出模块、串口模块；从机3-分布式系统模拟量IO，所述从机3-分布式系统模拟量IO还包括AD采集模块、DA输出模块、PWM/PUL模块。
2.根据权利要求1所述的一种可组合的分布式控制系统，其特征在于：
所述分布式系统主机，是可组合的分布式控制系统的核心主机；
所述从机1-分布式系统通信，可实现无线形式的通信，确保系统可以通过无线进行对外部的数据传输功能；
所述从机2-分布式系统数字IO，可以实现数字量的输入、和输出以及串口通信；
所述从机3-分布式系统模拟量IO，可以实现模拟量的输入和输出以及PWM/PUL输出和输入。
3.根据权利要求1所述的一种可组合的分布式控制系统，其特征在于：所述分布式系统主机是该系统的唯一主机；所述分布式系统主机是不受系统从机控制的；所述分布式系统主机和从机之间采用MODBUS通信协议；所述系统主机和系统从机之间进行通讯采用的是485总线。
4.根据权利要求1所述的一种可组合的分布式控制系统，其特征在于：所述从机1-分布式系统通信中的433模块，可以通过该模块进行中短距离的无线信号传输，与其他433无线系统进行数据之间的传输；所述从机1-分布式系统通信中的2/3/4G模块，可以通过该模块实现2G、3G、4G网络远距离的数据加密传输；所述从机2-分布式数字IO中的IO输入模块，是可实现数字类型的IO输入检测；所述从机2-分布式数字IO中的IO输出模块，是可实现数字类型的IO输出驱动；所述从机2-分布式数字IO中的串口模块，是可实现串口通信的模块，；所述从机3-分布式模拟量IO中的AD采集模块，是可实现模拟量类型的模拟量输入检测；所述从机3-分布式模拟量IO中的DA输出模块，是可实现数字类型的模拟量输出驱动；所述从机3-分布式模拟量IO中的PWM/PUL模块，是可实现PWM脉宽调制输出以及PUL脉宽调制输入检测的模块。
5.根据权利要求1所述的一种可组合的分布式控制系统，其特征在于：所述的分布式系统从机之间是有不同的ID号，所述的分布式系统主机和从机之间的信息流交互的身份认证采用的就是唯一ID号的甄别，通过唯一的ID号系统主机方可识别系统从机所反馈回来的数据流的类型和内容。
6.根据权利要求1所述的一种可组合的分布式控制系统，其特征在于：所述的从机和从机之间以及从机和主机之间是互不干涉的，所述主机是必须要有的，而所述从机并不一定是需要的，因此所述的可组合的分布式控制系统是可以排列组合的，根据不同的系统级别功能来搭建所需的系统从机和主机逻辑。
7.一种可组合的分布式控制系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，系统主机初始化，系统上电后主机系统进行系统代码初始化以及进行系统自检；
步骤2，从机初始化,待主机系统初始化后，从机进行统代码初始化以及进行系统自检；
步骤3，系统主机通过总线与从机进行数据交互，主机系统和从机系统通过MODBUS协议进行传输数据；
步骤4，从机执行命令和上传数据，从机1-分布式系统通信、从机2-分布式系统数字IO以及从机3-分布式系统模拟量IO在接收到分布式系统主机发送过来的查询指令后进行数据的上传，以及在接收到分布式系统主机发送过来的执行命令后立即执行预设指令。
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