CN111176227B - 一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统及方法，该实现系统包括逻辑处理单元、IO管理模件IOM，所述逻辑处理单元与所述IO管理模件IOM通讯连接；所述逻辑处理单元用于，同时处理多个被控设备的控制任务，每个所述被控设备均采用面向对象的设计构建成一个原子块，所述逻辑单元为每个所述原子块分配独立的数据存储区；所述IO管理模件IOM的内部构建数据共享区域DPRAM，所述逻辑处理单元通过PCIE总线与所述数据共享区域DPRAM通讯连接。本发明的实现系统及方法能根据被控设备的实时状态信息对设备进行调节，以确保被控设备能按预定的目标，稳定可靠运行并具有优异的性能。

Description

一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统及方法
技术领域
本发明涉及一种分散控制系统中被控设备的当前状态信息、控制指令由该设备控制任务(控制逻辑)同步实时触发刷新的实现系统及方法，属于工业控制技术领域。
背景技术
在分散控制系统中，必不可少的组成部分有三个：被控设备(或生产过程)、控制系统、人。在这三个部分中，人是起主导作用的，生产过程是为了满足人的需求而建立的，生产的程序、步骤及工艺等是人设计的，在整个生产过程中，要进行哪些控制、如何进行控制及控制的方法是什么，都是由人来决定的。
被控设备是实施生产过程的主体。不论何种装置，其控制作用都是围绕生产过程发生的。被控设备有其自身的运行状态，这些状态是生产过程的表征，控制系统将通过被控设备的运行状态来了解整个生产过程。表征生产过程状态的量有很多种，如温度、压力、流量、湿度、液位、密度、重量、体积、电压、电流、功率、速度、位置、亮度、开/关状态、开关的分/合状态以及物体的有/无等的表示，这些量被称为过程量，不同的过程量需要通过不同种类的IO模件来进行测量或监控。
对于连续过程的控制一般称之为过程控制(process control)或流程控制，它是一种连续调节性质的控制。它所关心的是被控设备对目标值的允许误差以及进行测量和控制的周期。
控制系统的任务一般有两个，一是设定值根据生产过程的要求发生改变时，采用特定的控制算法计算出需要对被控设备进行何种操作或调节，并对被控对象的可操作、可调节部分实施控制，以便使被控设备尽快达到控制目标。另一个任务是在出现干扰时，被控设备的运行状态偏离了预定的目标(即设定值)，这时计算单元要通过测量被控设备的当前状态信息并计算偏离的程度，采用特定的控制算法计算出操作步骤或调节量，并实施输出，以便使被控设备的运行状态尽快回归到预定的目标值。
整个生产过程是否能平稳运行主要看相关被控设备是否能按预定的目标(即设定值)稳定可靠运行并具有优异的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提出可根据被控设备的实时状态信息对设备进行调节，以确保被控设备能按预定的目标(即设定值)稳定可靠运行并具有优异的性能的实现方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统及方法，其特征在于，包括逻辑处理单元、IO管理模件IOM，所述逻辑处理单元与所述IO管理模件IOM通讯连接；所述逻辑处理单元用于，同时处理多个被控设备的控制任务，每个所述被控设备均采用面向对象的设计构建成一个原子块，所述逻辑单元为每个所述原子块分配独立的数据存储区；所述IO管理模件IOM的内部构建数据共享区域DPRAM，所述逻辑处理单元通过PCIE总线与所述数据共享区域DPRAM通讯连接。
作为一种较佳的实施例，所述被控设备的控制任务在逻辑处理单元中周期性执行。
作为一种较佳的实施例，不同所述被控设备的控制任务执行的周期不同。
作为一种较佳的实施例，所述数据共享区域DPRAM供所述原子块的输入输出接口数据建立映射。
作为一种较佳的实施例，所述IO管理模件IOM同时内扩n路独立的高速串行通信链路。
作为一种较佳的实施例，每路独立的高速串行通信链路上扩展n个IO模件。
作为一种较佳的实施例，每个被控设备都与数个IO模件产生关联。
本发明还提出一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：在控制任务执行前，逻辑处理单元将被控设备当前状态数据需要刷新指令传递给IO管理模件IOM；
步骤SS2：IO管理模件IOM通过n路通信链路同时与被动设备相关的IO模件进行数据交互，读取所述被动设备相关的IO模件的相关状态数据；
步骤SS3：IO管理模件IOM完成数据刷新后建立数据准备好标志，逻辑处理单元获取此被动设备最新状态数据并执行控制任务；
步骤SS4：控制任务运行结束后，逻辑处理单元将产生的控制结果或指令传递给IO管理模件IOM并触发输出操作；
步骤SS5：IO管理模件IOM通过n路通信链路将输出指令同时传递到与此被控设备相关的所有IO模件。
作为一种较佳的实施例，所述实现方法还包括：逻辑处理单元每执行一次控制任务就重复所述步骤SS1至步骤SS5一次。
本发明所达到的有益效果：首先，本发明与被控设备相关的IO模件被分散到不同的通信链路中，在物理层面上缩短了IOM和IO模件数据交换的时间；其次，本发明的IOM可根据当前执行的控制任务实际所需的状态信息仅与相关的IO模件进行数据交换，降低了通信链路上的无效数据传输，同时确保控制任务获取的状态信息为最新的最实时的数据，任务结束时产生的调节信息也可以没有延迟的传递到被控对象，对需要快速响应的被控设备而言，此发明方法可达到对被控设备最精准的调节效果。
附图说明
图1是本发明的过程控制站与IO模件通信功能实现架构图。
图2是通常过程控制站与IO模件通信功能实现架构图。
图3是本发明的快周期任务实现模式的架构图。
图4是本发明的慢周期任务实现模式的架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的是本发明的过程控制站与IO模件通信功能实现架构图，本发明提供一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统，加载在过程控制站中，包括逻辑处理单元、IO管理模件IOM，所述逻辑处理单元与所述IO管理模件IOM通讯连接；所述逻辑处理单元用于，同时处理多个被控设备的控制任务，每个所述被控设备均采用面向对象的设计构建成一个原子块，所述逻辑单元为每个所述原子块分配独立的数据存储区；所述IO管理模件IOM的内部构建数据共享区域DPRAM，所述逻辑处理单元通过PCIE总线与所述数据共享区域DPRAM通讯连接。
作为一种较佳的实施例，所述被控设备的控制任务在逻辑处理单元中周期性执行。
作为一种较佳的实施例，不同所述被控设备的控制任务执行的周期不同。
作为一种较佳的实施例，所述数据共享区域DPRAM供所述原子块的输入输出接口数据建立映射。
作为一种较佳的实施例，所述IO管理模件IOM同时内扩n路独立的高速串行通信链路UART，例如IOA1～IOH1。
作为一种较佳的实施例，每路独立的高速串行通信链路UART上扩展n个IO模件，例如IOA1～IOAn。
作为一种较佳的实施例，每个被控设备都与数个IO模件产生关联。
本发明还提出一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：在控制任务执行前，逻辑处理单元将被控设备当前状态数据需要刷新指令传递给IO管理模件IOM；
步骤SS2：IO管理模件IOM通过n路通信链路同时与被动设备相关的IO模件进行数据交互，读取所述被动设备相关的IO模件的相关状态数据；
步骤SS3：IO管理模件IOM完成数据刷新后建立数据准备好标志，逻辑处理单元获取此被动设备最新状态数据并执行控制任务；
步骤SS4：控制任务运行结束后，逻辑处理单元将产生的控制结果或指令传递给IO管理模件IOM并触发输出操作；
步骤SS5：IO管理模件IOM通过n路通信链路将输出指令同时传递到与此被控设备相关的所有IO模件。
作为一种较佳的实施例，所述实现方法还包括：逻辑处理单元每执行一次控制任务就重复所述步骤SS1至步骤SS5一次。
下面具体阐述实施例。本发明公开了一种分散控制系统中被控设备的当前状态信息、控制指令由该设备控制任务(控制逻辑)同步实时触发刷新的实现系统及方法。逻辑处理单元可同时处理多个被控设备的控制任务；被控设备的控制任务在逻辑处理单元中周期性执行；不同被控设备的控制任务执行的周期不同。
说明：控制任务最快执行周期为10毫秒；通常控制任务执行周期为200～250毫秒左右。执行周期越快，对控制设备的调节效果更精准。
每个被控设备均采用面向对象的思想构建成一个原子块，逻辑处理单元为每个原子块分配独立的数据存储区。说明：对每个被控设备采用面向对象的思想建成一个原子块，原子块包含此被控设备的当前状态信息(输入数据)；控制任务(与被控设备相关的特定算法)以及根据控制任务计算出的调节指令(输出数据)。
IO(input/output)管理模件(即IOM)内构建一数据共享区域DPRAM；说明：逻辑处理单元和IOM可同时对此数据区域进行读写操作。
所有原子块的输入输出接口数据都在此数据共享区域DPRAM中建立映射；逻辑处理单元通过PCIE总线与此DPRAM进行数据交换；IOM同时内扩n路独立的高速串行通信链路。说明：如图2所示，过程控制站与站内IO模件通信通常采用单一通信链路。所有的IO模件均使用此唯一物理链路与过程控制站进行数据交互，如IO1～IOn。
本发明IOM可同时使用多条通信链路与站内IO模件同步进行数据交换，刷新数据所需时间约为单链路模式的1/n，可充分保证快周期任务的状态数据刷新实时性要求。
每路独立的高速串行通信链路上可扩展n个IO模件；每个被控设备都与数个IO模件产生关联(数据交换)；与快周期控制任务相关的IO模件分配可到不同通信链路中。说明：如图3所示，IOM可同时通过数条通信链路与数个IO模件同时通信，可以高速的获取被控设备的状态信息，例如被控设备1输出的蒸汽流量IOC1通过通信链路C与IOM通信，被控设备1输出的温度IOA1通过通信链路A与IOM通信，被控设备1输出的阀门开度IOB1通过通信链路B与IOM通信，IOM通过通信链路G输出调节量IOG1与被控设备1通信，IOM通过通信链路H输出控制指令IOH1与被控设备1通信；原子块输入数据经过逻辑处理单元CP读取输入数据、运行特定算法、得到计算结果后输出数据给IOM；当多个快周期的被控设备状态信息同时需要刷新时，此方法可减少状态信息刷新的等待时间，保证被控设备对应的控制任务可按周期执行，不至于延迟。
如图4所示，与慢周期控制任务相关的IO模件可分配到同一通信链路中，也可分配到不同通信链路中；说明：只有一条通信链路的分散控制系统只能采用此模式获取被控设备的状态信息。
在控制任务执行前几毫秒内(一般不超过5毫秒)，逻辑处理单元将此设备当前状态数据需要刷新指令传递给IOM；如图3所示，IOM通过n路通信链路同时与此设备相关IO模件进行数据交互(读取此设备的相关状态数据)；IOM完成数据刷新后建立数据准备好标志；逻辑处理单元获取此设备最新状态数据并执行控制任务(特定算法)；控制任务运行结束后，逻辑处理单元将产生的控制结果(或指令)传递给IOM并触发输出操作；IOM通过n路通信链路将输出指令同时传递到与此被控设备相关的所有IO模件。
说明：通常情况下，IOM与IO模件通信的时间大约在1毫秒，如果某被控设备需要n个IO模件采集其状态信息，m个IO模件发出输出信号调节其状态，那么使用单链路通信模式时，IOM与IO模件数据交互的时间为n+m毫秒；如果采用本发明的实现方式，如果采用8条通信链路，那么IOM和此被控设备相关IO模件数据的数据交互的时间则为(n+m)/8毫秒。
正是采用了本发明的实现方法，所以在逻辑处理单元可实现在控制任务执行前同步获取当前最新状态信息，控制任务执行完毕后即可将调节指令输出到被控设备。
逻辑处理单元每执行一次控制任务就重复上述的步序一次。与其他分散控制系统实现方法的区别：分散控制系统的通常做法为：逻辑处理单元与IOM采用异步数据交换模式，逻辑处理单元在执行所有的控制任务前，将所有IO模件的信息传递给IOM，IOM即开始循环式的与站内所有IO模件进行数据交换，并不按当前控制任务实际需要和哪些实际的IO模件进行数据交换。
因此，相对于现有技术，本发明的实现系统及方法的优点在于：首先，本发明与被控设备相关的IO模件被分散到不同的通信链路中，在物理层面上缩短了IOM和IO模件数据交换的时间；其次，本发明的IOM可根据当前执行的控制任务实际所需的状态信息仅与相关的IO模件进行数据交换，降低了通信链路上的无效数据传输，同时确保控制任务获取的状态信息为最新的最实时的数据，任务结束时产生的调节信息也可以没有延迟的传递到被控对象，对需要快速响应的被控设备而言，此发明方法可达到对被控设备最精准的调节效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
步骤SS1：在控制任务执行前，逻辑处理单元将被控设备当前状态数据需要刷新指令传递给IO管理模件IOM；
步骤SS2：IO管理模件IOM通过n路通信链路同时与被控设备相关的IO模件进行数据交互，读取所述被控设备相关的IO模件的相关状态数据；
步骤SS3：IO管理模件IOM完成数据刷新后建立数据准备好标志，逻辑处理单元获取此被控设备最新状态数据并执行控制任务；
步骤SS4：控制任务运行结束后，逻辑处理单元将产生的控制结果或指令传递给IO管理模件IOM并触发输出操作；
步骤SS5：IO管理模件IOM通过n路通信链路将输出指令同时传递到与此被控设备相关的所有IO模件；
系统包括逻辑处理单元、IO管理模件IOM，所述逻辑处理单元与所述IO管理模件IOM通讯连接；所述逻辑处理单元用于，同时处理多个被控设备的控制任务，每个所述被控设备均采用面向对象的设计构建成一个原子块，所述逻辑处理 单元为每个所述原子块分配独立的数据存储区；所述IO管理模件IOM的内部构建数据共享区域DPRAM，所述逻辑处理单元通过PCIE总线与所述数据共享区域DPRAM通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，所述实现方法还包括：逻辑处理单元每执行一次控制任务就重复所述步骤SS1至步骤SS5一次。
3.根据权利要求1所述的一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，所述被控设备的控制任务在逻辑处理单元中周期性执行。
4.根据权利要求3所述的一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，不同所述被控设备的控制任务执行的周期不同。
5.根据权利要求1所述的一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，所述数据共享区域DPRAM供所述原子块的输入输出接口数据建立映射。
6.根据权利要求1所述的一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，所述IO管理模件IOM同时内扩n路独立的高速串行通信链路。
7.根据权利要求6所述的一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，每路独立的高速串行通信链路上扩展n个IO模件。
8.根据权利要求7所述的一种控制任务与输入输出数据同步触发的实现系统的实现方法，其特征在于，每个被控设备都与数个IO模件产生关联。
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