CN110412947A - 工业设备控制方法及其系统、存储设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于计算机/工控技术领域，涉及工业设备控制方法及其系统、存储设备。该工业设备控制方法包括步骤：获取下位机对上位机的通知需求；增设下位机线程，将其配置为下位机对上位机的通讯线程；增设任务包，将上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进任务包；将任务包发送给下位机线程进行处理，由下位机线程将任务包发送至上位机；除上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，下位机采用串行顺序通知所有观察者。该方法通过为上位机创建单独的线程进行下位机与上位机的通知回调，避免下位机的运行受制于上位机对回调函数的处理以及网络通畅等各方面因素，保证工艺执行时间的稳定度。
Description
技术领域
本发明属于计算机/工控技术领域，具体涉及一种工业设备控制方法及其系统、存储设备。
背景技术
在设备工艺控制领域中，对设备的控制包含三部分。如图1所示的设备控制的组织架构，由工厂端调度负责给工厂内的所有机台或设备分配任务，上位机(例如集束控制系统CTCI)负责调度整个机台动作并提供人机交互界面，一方面显示机台上各个器件的状态，一方面将人或工厂端的控制指令下发给下位机；下位机(包括工艺腔室控制接口PMCI和传输模块控制接口TMCI)负责直接控制机台设备的硬件，一方面执行上位机的指令并将这个指令分解为多个硬件动作，并将机台各个部件的状态发送给上位机。
想要执行一个工艺，上位机需要向工艺腔室控制接口发送执行指定工艺配方recipe的指令。工艺腔室控制接口PMCI首先找到并加载这个工艺配方，然后执行这个工艺配方。执行过程中的器件状态，时间信息等实时通知给上位机，执行结束后通知上位机执行完成。
工艺配方包含各个器件需要执行的动作以及执行时间。对器件的控制的准确度和可重复度是决定工艺水平的核心因素。然而，在现场执行中，发现相同工艺的多次实验的时间差距存在很大差异。例如，如图2所示为设备在23次相同工艺条件下的耗时分布图。从图2中可以看出相同工艺的多次实验的时间差距巨大(达到255秒)。
如何缩小控制过程中相同工艺的时间差异，保证对器件的控制的准确度和可重复度成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中上述不足，提供一种工业设备控制方法及其系统、存储设备，至少部分解决下位机的运行受制于上位机对回调函数的处理以及网络通畅等各方面因素的问题。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该工业设备控制方法，以观察者模式实现硬件状态的监控，下位机的信息异步通知上位机，包括步骤：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为所述下位机对所述上位机的通讯线程；
增设任务包，将所述上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进所述任务包；
将所述任务包发送给所述下位机线程进行处理，由所述下位机线程将所述任务包发送至所述上位机；
除所述上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，所述下位机采用串行顺序通知所有观察者。
优选的是，增设的所述下位机线程由主线程调用，其他所述下位机的任务执行不受所述上位机是否收到该所述下位机返回的回调函数的限制。
优选的是，所述工业设备控制方法还包括所述下位机向所述上位机发送失败记录日志的步骤，包括：
将所述失败记录日志作为一个所述回调函数，当发送所述失败记录日志完成时进行回调，所述回调函数由通讯线程调用。
优选的是，增设的所述任务包中，对于所述任务包的初始化刷新、字串刷新随任务创建而创建，随任务消亡而消亡；
所述下位机线程中，创建发送队列以协调所述任务包发送顺序，包括向队列里插入任务，从队列里取出任务以及发送任务，多个所述任务包之间互斥锁定。
优选的是，所述上位机与所述下位机均为观察者，多个所述观察者并行运行。
一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行，包括：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为所述下位机对所述上位机的通讯线程；
增设任务包，将所述上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进所述任务包；
将所述任务包发送给所述下位机线程进行处理，由所述下位机线程将所述任务包发送至所述上位机；
除所述上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，所述下位机采用串行顺序通知所有观察者。
一种工业设备控制系统，所述工业设备控制系统包括处理器、存储设备，其中：
所述处理器，被配置为实现各种指令；
所述存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行，包括：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为所述下位机对所述上位机的通讯线程；
增设任务包，将所述上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进所述任务包；
将所述任务包发送给所述下位机线程进行处理，由所述下位机线程将所述任务包发送至所述上位机；
除所述上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，所述下位机采用串行顺序通知所有观察者。
优选的是，所述工业设备控制系统还设置失败记录日志，所述失败记录日志被配置为将一个所述回调函数，当发送所述失败记录日志完成时进行回调，所述回调函数由通讯线程调用。
优选的是，增设的所述任务包中，对于所述任务包的初始化刷新、字串刷新随任务创建而创建，随任务消亡而消亡；
所述下位机线程中，创建发送队列以协调所述任务包发送顺序，包括向队列里插入任务，从队列里取出任务以及发送任务，多个所述任务包之间互斥锁定。
优选的是，所述上位机与所述下位机均为观察者，多个所述观察者并行运行。
本发明的有益效果是：该工业设备控制方法及其系统、存储设备，通过为上位机创建单独的线程进行下位机与上位机的通知回调，避免了下位机的运行受制于上位机对回调函数的处理以及网络通畅等各方面因素，保证了工艺执行时间的稳定度。
附图说明
图1为现有技术中设备控制的组织架构的架构图；
图2为现有技术中同一设备在相同工艺条件下的耗时分布图；
图3为现有技术中工业设备控制方法的时序图；
图4为本发明实施例中工业设备控制方法的流程图；
图5为本发明实施例中工业设备控制方法的时序图；
图6为本发明实施例中工业设备控制方法的流程图；
图7为采用本发明实施例中工业设备控制方法与现有技术采用方法的同一设备在相同工艺条件下的耗时对比图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明工业设备控制方法及其系统、存储设备作进一步详细描述。
对于硬件状态的监控，使用观察者模式，观察者包括本程序的其他类或模块，也包括上位机。具体实现方式为：当启动下位机软件时，下位机软件会读取硬件当前状态作为初始状态。同时，下位机会将读取到的状态依次通知给所有观察者。当这个器件状态再次发生改变的时候再次将器件当前状态依次通知给所有观察者。当一个被关注的通道发生状态或值的改变时串行顺序通知所有观察者，即每个观察者调用完其回调函数后再通知下一个。通知完全部观察者并调用完最后一个观察者的回调函数后程序继续执行。
发明人经过仔细的分析和逐步排查，将原因锁定为上下位机通讯造成的下位机不稳定。如图3所示为现有设备控制的时序图。例如：某操作需要按顺序先后打开两个阀门(相当于观察者)。下位机会先发送一个打开阀门1的指令，然后等待阀门1的检测阀门是否完全打开的传感器返回给下位机阀门打开信号。下位机收到这个信号之后要依次发给所有观察者，此时的下位机相当于被观察者。为了简化模型假设只有上位机一个观察者。那下位机就要把阀门1的状态通知给上位机。此时由于网络延迟，0.5秒后上位机才收到阀门1的状态，并通知下位机上位机已经收到这条信息。然后下位机再次发送打开阀门2的指令。可见，按照这种设计，网络的延迟导致了两次开阀动作比预期慢了0.5秒。一个工艺可能包含成千上万个这样的动作。若干次这样类似的原因的叠加就会导致一个工艺的总时间出现大量的偏差。
对上位机的通知耗时因上位机处理时间、网络通讯时间等各方面因素的不同而不同。经过大量的测试和实验分析得到如下结果：下位机运行同一个工艺配方recipe耗时偏差较大的原因是受到上位机影响引起的。现有设计使得下位机的运行受制于上位机对回调函数的处理以及网络通畅等各方面因素，不符合模块化封装思想，而且会影响工艺时间的精准度。由此，缩小控制过程中相同工艺的时间差异转变为使得下位机的运行不受制于上位机对回调函数的处理以及网络通畅等各方面因素的控制方式。
本发明中的技术构思在于：通过上位机和下位机的通讯解耦设计解决这一问题。即去掉上下位机的通讯耦合，从而去掉上位机对下位机的影响。保证无论网络是否通畅，上位机是否及时处理下位机的通知都不会影响下位机做工艺的时间，以达到大幅提升工艺时间稳定的目的。
本实施例提供了一种软件控制中工艺精确性大幅度提升的解决方案，通过采取异步通知的方式对上位机进行通知。
如图4所示，该工业设备控制方法，以观察者模式实现硬件状态的监控，下位机的信息异步通知上位机，包括步骤：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为下位机对上位机的通讯线程；
增设任务包，将上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进任务包；
将任务包发送给下位机线程进行处理，由下位机线程将任务包发送至上位机；
除上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，下位机采用串行顺序通知所有观察者。
其中，增设的下位机线程由主线程调用，其他下位机的任务执行不受上位机是否收到该下位机返回的回调函数的限制，即下位机无需等待上位机向下位机返回的回调函数即可继续执行。
另外，工业设备控制方法还包括下位机向上位机发送失败记录日志的步骤，包括：将失败记录日志作为一个回调函数，当发送失败记录日志完成时进行回调，该回调函数由通讯线程调用。
其中，增设的任务包中，对于任务包的初始化刷新、字串刷新随任务创建而创建，随任务消亡而消亡；
下位机线程中，创建发送队列以协调任务包发送顺序，包括向队列里插入任务，从队列里取出任务以及发送任务，多个任务包之间互斥锁定。
在该工业设备控制方法中，上位机与下位机均为观察者，多个观察者并行运行。信息发生改变、作为信息主动告知的观察者即“被观察者”，除上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容包括菜单(recipe)内容、重置(reset)内容、报警信息的改变等等。
与现有技术的工业设备控制方法相比，对于硬件状态的监控，使用观察者模式；以及，除下位机对于上位机的回调通知，采用串行顺序通知所有观察者。
相应的，本实施例还提供一种存储设备，其中存储有多条指令，指令适用于由处理器加载并执行，包括：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为下位机对上位机的通讯线程；
增设任务包，将上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进任务包；
将任务包发送给下位机线程进行处理，由下位机线程将任务包发送至上位机；
除上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，下位机采用串行顺序通知所有观察者。
在此基础上，本实施例还提供一种工业设备控制系统，下位机采用异步通知方式对上位机进行通知，该工业设备控制系统包括处理器、存储设备，其中：
处理器，被配置为实现各种指令；
存储设备，其中存储有多条指令，指令适用于由处理器加载并执行，包括：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为下位机对上位机的通讯线程；
增设任务包，将上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进任务包；
将任务包发送给下位机线程进行处理，由下位机线程将任务包发送至上位机；
除上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，下位机采用串行顺序通知所有观察者。
其中，任务包还设置失败记录日志，失败记录日志被配置为将一个回调函数，当发送失败记录日志完成时进行回调，该回调函数由通讯线程调用。
其中，增设的任务包中，对于任务包的初始化刷新、字串刷新随任务创建而创建，随任务消亡而消亡；
下位机线程中，创建发送队列以协调任务包发送顺序，包括向队列里插入任务，从队列里取出任务以及发送任务，多个任务包之间互斥锁定。
在该工业设备控制方法中，上位机与下位机均为观察者，多个观察者并行运行。
与现有技术的工业设备控制系统相比，对于硬件状态的监控，使用观察者模式；以及，除下位机对于上位机的回调通知，采用串行顺序通知所有观察者。
在此运行基础上，设备控制的时序图如图5所示。与图3相比，下位机通知上位机的过程中，上位机至通讯线程的运行以实线箭头(UML类图)标识关联，这种关系一般是长期性的，当满足条件的时候就建立类与类之间的联接。
根据图5所示的工业设备控制方法的时序图具体示例为如图6所示的工业设备控制方法的流程图，为上位机创建单独的线程进行与上位机的通知回调。其中的线程2首先判断是否有数据需要发送给上位机。如果有需要发送的数据则发送给上位机，发送完成后继续判断是否还有其他的数据需要发送；如果没有则继续等待。
下面将结合统一建模语言或标准建模语言(Unified Modeling Language，简称UML)对其实现方式进行详细说明。
在现有的下位机与上位机串行通知回调的基础上：新增一个线程类，用于上下位机通讯；同时新增几个任务类，当下位机需要对上位机进行通知的时候不再等待通知完成，而是将待通知的内容封装进任务包发给通讯线程。
这样，对于硬件状态的监控，仍然使用观察者模式。当一个被关注的通道发生状态或者值的改变的时候，仍然串行顺序通知所有观察者。但将上位机的回调函数中的处理内容打包发送给另一个线程去处理。这样上位机的回调函数可以立即返回。这样做使得程序可以不必等待上下位机通讯而继续运行。
具体的程序增加或修改部分包括：
1.修改类：DataSubscriber
修改点1：修改了这个类的update函数。原有设计是顺序执行。现在修改为将待通知上位机的内容封装成一个任务Task由另一个线程发送；
修改点2：修改了发送失败记录日志的方法。原有设计发送失败记录日志，记录日志方式由配置文件决定(一个通道重复失败是否只记录一条)。修改为异步发送之后无法知道是否发送成功。所以将日志记录部分作为一个回调函数，当发送完成时回调这个函数。修改后日志记录方式与原有方式无差别。
关于多线程的说明：update函数都是由主线程调用的。所以不存在多线程安全问题。回调函数都是由通讯线程调用的，也不存在线程安全问题。
2.增加副类：UpdateTask，及其该副类下述的子类UpdateTaskInt、UpdateTaskDouble和UpdateTaskString
这三个子类是任务类，包括发送数据用的网络指针，用于调用写日志的回调函数的DataSubscriber指针、数据类型、名称和ValueInfo。
关于多线程的说明：这个类都是被整体使用的，而且生命周期是线性的，不存在线程安全问题。
3.增加类：UpdateThread
这个类继承于IThread，用于发送任务。这个类维护了一个发送队列，此队列保证了发送的顺序。这个类主要有三个功能：向队列里插入任务，从队列里取出task以及发送task。
关于多线程的说明：这个类有两个成员变量，一个是单例指针一个是任务task队列，任务在多线程访问，需要加锁。
如图7所示为本实施例中工业设备控制方法与现有技术采用方法在同一设备中执行相同工艺的对比效果，从图7中可见，采用实施例中工业设备控制方法后，相同工艺的多次实验的时间差距较小(不超过5秒)，工艺执行时间的稳定度大幅提升。
综上，本实施例中的工业设备控制方法及其系统、存储设备，通过为上位机创建单独的线程进行下位机与上位机的通知回调，避免了下位机的运行受制于上位机对回调函数的处理以及网络通畅等各方面因素，保证了工艺执行时间的稳定度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种工业设备控制方法，以观察者模式实现硬件状态的监控，其特征在于，包括步骤：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为所述下位机对所述上位机的通讯线程；
增设任务包，将所述上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进所述任务包；
将所述任务包发送给所述下位机线程进行处理，由所述下位机线程将所述任务包发送至所述上位机；
除所述上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，所述下位机采用串行顺序通知所有观察者。
2.根据权利要求1所述的工业设备控制方法，其特征在于，增设的所述下位机线程由主线程调用，其他所述下位机的任务执行不受所述上位机是否收到该所述下位机返回的回调函数的限制。
3.根据权利要求1所述的工业设备控制方法，其特征在于，所述工业设备控制方法还包括所述下位机向所述上位机发送失败记录日志的步骤，包括：
将所述失败记录日志作为一个所述回调函数，当发送所述失败记录日志完成时进行回调，所述回调函数由通讯线程调用。
4.根据权利要求1所述的工业设备控制方法，其特征在于，增设的所述任务包中，对于所述任务包的初始化刷新、字串刷新随任务创建而创建，随任务消亡而消亡；
所述下位机线程中，创建发送队列以协调所述任务包发送顺序，包括向队列里插入任务，从队列里取出任务以及发送任务，多个所述任务包之间互斥锁定。
5.根据权利要求1-4任一项所述的工业设备控制方法，其特征在于，所述上位机与所述下位机均为观察者，多个所述观察者并行运行。
6.一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行，其特征在于，包括：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为所述下位机对所述上位机的通讯线程；
增设任务包，将所述上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进所述任务包；
将所述任务包发送给所述下位机线程进行处理，由所述下位机线程将所述任务包发送至所述上位机；
除所述上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，所述下位机采用串行顺序通知所有观察者。
7.一种工业设备控制系统，其特征在于，所述工业设备控制系统包括处理器、存储设备，其中：
所述处理器，被配置为实现各种指令；
所述存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行，包括：
获取下位机对上位机的通知需求；
增设下位机线程，将其配置为所述下位机对所述上位机的通讯线程；
增设任务包，将所述上位机的回调函数中的处理内容的待通知内容封装进所述任务包；
将所述任务包发送给所述下位机线程进行处理，由所述下位机线程将所述任务包发送至所述上位机；
除所述上位机的回调函数中的处理内容以外的其他待通知内容，所述下位机采用串行顺序通知所有观察者。
8.根据权利要求7所述的工业设备控制系统，其特征在于，所述工业设备控制系统还设置失败记录日志，所述失败记录日志被配置为一个所述回调函数，当发送所述失败记录日志完成时进行回调，所述回调函数由通讯线程调用。
9.根据权利要求7所述的工业设备控制系统，其特征在于，增设的所述任务包中，对于所述任务包的初始化刷新、字串刷新随任务创建而创建，随任务消亡而消亡；
所述下位机线程中，创建发送队列以协调所述任务包发送顺序，包括向队列里插入任务，从队列里取出任务以及发送任务，多个所述任务包之间互斥锁定。
10.根据权利要求7-9任一项所述的工业设备控制系统，其特征在于，所述上位机与所述下位机均为观察者，多个所述观察者并行运行。
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