CN115834273A - 一种工业控制系统的i/o资源共享交互架构以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构以及方法，其架构包括：一I/O通信网络与一I/O通信网络连接的多个I/O节点，每一I/O节点包括具备多个I/O通道的I/O模块，且每一I/O节点均配置有节点通信单元；与一I/O通信网络连接的多个控制器主体，任一控制器主体依据预先生成的控制器‑I/O节点发布/接收信息数据通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互。在本发明中，所有控制器与所有的I/O节点均连接到同一个通信网络或总线上，任一控制器模块均可对任意I/O模块的任意通道进行读写访问，从而实现通道级的I/O与控制器的解耦，支撑应用功能单元之间的无缝协同。
Description
技术领域
本发明涉及工业过程自动化技术领域，尤其涉及一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构以及方法。
背景技术
现有的工业控制系统，无论是DCS、PLC系统还是SIS，通常每个I/O模块以及模块中的I/O通道均关联到一个控制器中。
当一个大规模的工业控制系统中包含多个控制器时，每个控制器只能访问各自所关联的I/O资源，如果要实现跨控制器主体的访问，则需要通过控制器进行转发或以通信变量的形式间接访问，难以实现I/O资源的真正共享通信。特别是在一些过程控制应用规模较大、控制策略复杂、工艺耦合、工程实施周期长、变更需求较多的场景下，受限于单控制器的能力和规模限制、控制器之间通信负荷增加、应用解耦设计困难，会加大共享通信的难度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构以及方法，其解决了现有技术难以实现控制器与I/O模块之间如何进行通信交互以实现通道级任意访问或共享访问的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构，包括：
一I/O通信网络；
与一I/O通信网络连接的多个I/O节点，每一I/O节点包括具备多个I/O通道的I/O模块，且每一I/O节点均配置有用于不同I/O模块的不同I/O通道与不同控制器主体之间的数据通信协议解析和数据收发处理的节点通信单元；
与一I/O通信网络连接的多个控制器主体，任一控制器主体依据预先生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互；
其中，控制器-I/O节点发布/接收信息数据是借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况所生成的，或者借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息所生成的。
可选地，
I/O通信网络为包含总线型、星形连接与环网的拓扑网络、无线接入网络以及跨层级网络之中的任意一种；
多个I/O节点包括：满足预设标准的物理I/O节点与未满足预设标准的非物理I/O节点，物理I/O节点中的I/O模块为传统的预定义I/O模块或者包含智能设备、PLC以及异构通信模块的二级复杂设备，且物理I/O节点所配置的节点通信单元为一实体独立模块；非物理I/O节点中的I/O模块I/O模块为具备一定量以下I/O通道的智能仪表，且非物理I/O节点所配置的节点通信单元为内置在控制器主体中的一虚拟功能模块；
控制器主体包括：一控制器模块或者多个呈冗余或表决关系的控制器模块，且不同的控制器主体之间为同构或异构关系。
可选地，每一控制器主体上均部署有实现不同功能的多个控制应用，每一控制应用中均设置有与I/O通道存在通信关联关系的输入/输出变量。
第二方面，本发明实施例提供一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，应用于如上所述的架构，包括：
借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据，或者，借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据；
依据生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据使得任一控制器主体能够通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互；
其中，控制器-I/O节点发布/接收信息数据包括：控制器主体的标识符信息、I/O节点的标识符信息、组态兼容性或版本标识符、通信周期以及控制器主体的I/O位号标识符与I/O节点的I/O数据标识符间的映射表。
可选地，借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据，或者，借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据：
组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求以及I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况，直接为每一控制器主体生成发布/接收通信配置信息，并作为控制器主体组态的一部分下发给控制器主体；相应地，组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求以及I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况为每一I/O节点生成I/O节点与控制器之间以及I/O节点通信单元与I/O模块之间的发布/接收通信配置信息，并作为I/O节点组态的一部分下发给I/O节点通信单元，即控制器-I/O节点发布/接收信息数据包括为每一控制器主体生成的发布/接收通信配置信息与为每一I/O节点生成的发布/接收通信配置信息；或者，
控制器主体解析当前的应用组态与硬件组态以及控制器模主体的部署信息，得到包含所需的位号变量与硬件I/O通道之间的关联关系、端到端的通信路径以及通信周期的基本信息数据，依据基本信息数据在控制器与I/O节点在实时运行中生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据。
可选地，依据生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据使得任一控制器主体能够通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互包括：
在数据上传过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至对应的I/O节点，以使I/O节点依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将I/O节点所产生的实时输入数据通过节点通信单元上传至控制器主体中；
在数据下发过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至控制器主体，以使控制器主体依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将控制器主体所产生的实时输出数据下发到I/O节点中；其中，每一控制器主体上均部署有实现不同功能的控制应用。
可选地，在数据上传过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至对应的I/O节点，以使I/O节点依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将I/O节点所产生的实时输入数据通过节点通信单元上传至控制器主体中包括：
I/O节点依据硬件组态信息，将节点内的I/O模块的I/O通道生成的实时输入数据映射到节点通信单元内部实时数据区中；进而依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，控制节点通信单元的内部实时数据区中的映射数据上传至对应的控制器主体；
其中，在上传至对应的控制器主体中采用的通信方式包括主从通信、订阅通信以及发布/接收通信。
可选地，在数据下发过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至控制器主体，以使控制器主体依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将控制器主体所产生的实时输出数据下发到I/O节点中包括：
控制器主体对上传的I/O节点所产生的实时输入数据进行包含量程转化、线性映射的数据处理，得到控制应用数据；
控制器主体依据应用组态信息与控制应用数据运行部署的控制应用，生成实时输入数据；
将实时输入数据映射到节点通信单元内部实时数据区中，进而依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，控制节点通信单元的内部实时数据区中的映射数据下发至对应的I/O节点。
可选地，同一个I/O节点所产生的实时输入数据可同时被上传到多个控制器主体，以实现多个控制器主体对同一实时输入数据的共享访问。
可选地，在控制应用从一个控制器主体迁移到另一个控制器主体后，
重新生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据；
依据重新生成的发布/接收信息数据产生新的通信连接关系，即可完成实时数据通信的无缝切换。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：在本发明中，所有控制器主体与所有I/O节点均连接到同一个通信网络或总线上，其数量和规格可灵活配置。任一控制器主体均可对任意I/O模块的任意通道进行读写访问，I/O模块可不用绑定具体的控制器模块，实现了通道级的I/O与控制器主体的解耦，支撑应用功能单元之间的无缝协同，从而达到I/O资源在多控制器中的共享。
附图说明
图1为本发明实施例提出的工业控制系统的I/O资源共享交互架构的组成示意图；
图2为本发明实施例提出的不同控制器主体中应用程序与I/O模块的I/O通道之间的关联关系；
图3为本发明实施例提出的工业控制系统的I/O资源共享交互方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提出的工业控制系统的I/O资源共享交互方法的步骤S1的具体流程示意图
图5为本发明实施例提出的工业控制系统的I/O资源共享交互方法的步骤S2的具体流程示意图；
图6为本发明实施例提出的工业控制系统的I/O资源共享交互方法的步骤S21的具体流程示意图；
图7为本发明实施例提出的工业控制系统的I/O资源共享交互方法的步骤S22的具体流程示意图；
图8为本发明实施例提出的节点通信单元与控制器之间的实时输入数据通信交互机制示意图；
图9为本发明实施例提出的节点通信单元与控制器之间的实时输出数据通信交互机制示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
考虑到目前广泛应用的工业控制系统架构庞大，因此根据工艺装置对象、网络布局、安全管理、厂区部署等划分为多个控制域，每个控制域内包含多个控制站，每个控制站中包含一个控制器模块(或一对控制器模块以提高可用性)和若干个本地及远程I/O节点。
如图1所示，本发明实施例提出的一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构，包括：一I/O通信网络；与一I/O通信网络连接的多个I/O节点，每一I/O节点包括具备多个I/O通道的I/O模块，且每一I/O节点均配置有用于不同I/O模块的不同I/O通道与不同控制器主体之间的数据通信协议解析和数据收发处理的节点通信单元；与一I/O通信网络连接的多个控制器主体，任一控制器主体依据预先生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互；其中，控制器-I/O节点发布/接收信息数据是借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况所生成的，或者借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息所生成的。
在本发明中，所有控制器主体与所有I/O节点均连接到同一个通信网络或总线上，其数量和规格可灵活配置。任一控制器主体均可对任意I/O模块的任意通道进行读写访问，I/O模块可不用绑定具体的控制器模块，实现了通道级的I/O与控制器主体的解耦，支撑应用功能单元之间的无缝协同，从而达到I/O资源在多控制器中的共享。
为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
进一步地，I/O通信网络为包含总线型、星形连接与环网的拓扑网络、无线接入网络以及跨层级网络之中的任意一种。
参考图1，可知101是系统中的I/O通信网络，能够实现多个控制器主体、多个I/O节点之间的通信交互。应当指出的是，该I/O通信网络不限于任何一种具体的形式，可以是总线型、星形连接、环网等各种拓扑连接的网络，也可以是各种无线的接入网络；同时该I/O通信网络也可以是跨层级或跨越不同的网络，通过网关或路由等方式形成的一个实际端到端网络。
进一步地，多个I/O节点包括：满足预设标准的物理I/O节点与未满足预设标准的非物理I/O节点，物理I/O节点中的I/O模块为传统的预定义I/O模块或者包含智能设备、PLC、异构通信模块的二级复杂设备，且物理I/O节点所配置的节点通信单元为一实体独立模块；非物理I/O节点中的I/O模块I/O模块为具备一定量以下I/O通道的智能仪表，且非物理I/O节点所配置的节点通信单元为内置在控制器主体中的一虚拟功能模块。
参考图1，120a、120b、130、140都是系统中的I/O节点。I/O节点是由系统中的一组I/O模块(或现场总线设备)所组成的I/O资源集合。在过程控制系统中，I/O资源往往呈现出多种物理形式。多个I/O点以I/O通道的形式组合成一个I/O模块，多个I/O模块通常组合成一组I/O节点，通过一个I/O节点通信单元挂在I/O通信网络101中。一般而言这组I/O的物理位置相对靠近，便于安装和调试。120a、120b以及130就是这种具有物理形态的I/O节点，其中120a中的I/O模块123、I/O模块124、120b中的I/O模块均为通道可自定义的通用I/O，而130中的I/O模块133和134均为传统的预定义I/O模块134或二级复杂设备(智能设备、PLC、异构通信模块等)133。121、131分别为120a和130的节点通信单元，负责所在节点中所有I/O模块与控制器之间的通信交互，优选但不限定地，还可以包括组态管理、设备管理、故障处理等复杂功能。122为120a节点内I/O通信网络，132为130节点内I/O通信网络。I/O节点通信单元与节点中的I/O模块之间通过节点内I/O通信网络相连并进行通信交互，同样地，这里也不限定节点内I/O通信网络的形式，不同I/O节点的节点内I/O通信网络可以相同也可以不同。
在一些网络化控制系统或现场总线控制系统中，I/O模块乃至只包含少量通道的智能仪表也可以独立挂在101系统I/O通信网络下，这种情况下多个I/O资源不构成明显的物理节点特征，但可以通过控制器的直接管理形成一个逻辑上的I/O节点。140显示了这种情况下的一种形态，它是一个逻辑上的I/O节点，节点内的I/O通信网络142可以与系统的I/O通信网络101相融合，可包含独立的网络融合点设备，如141，它可以仅为电气特性匹配单元，也可以为透明的网络通信设备，使得控制器与I/O模块可以以端到端的方式直接通信，因此141即便存在也不属于如121、131那样的I/O节点通信单元。在这种情况下，I/O节点通信单元的功能可以由系统中的一个控制器主体所承担，例如图中的110c，其中除了控制器功能单元111之外，还有虚拟的I/O节点通信单元112，以软件的形式承接了140节点中的I/O节点通信单元功能。节点内的I/O通信网络142上，可以接诸如144的各种智能仪表，也可以连接独立的I/O模块143。
应当指出，在实际控制系统中，120a/120b、130、140这些I/O节点的形式可以单独出现，也可以自由配置，将其呈现到同一个网络上，只是为了说明本发明的适用性。
进一步地，控制器主体包括：一控制器模块或者多个呈冗余或表决关系的控制器模块，且不同的控制器主体之间为同构或异构关系。在图1中，110a、110b、110c都是工业控制系统中的控制器主体，这些控制器主体可以由一个控制器模块或多个呈冗余或表决关系的控制器模块组成，每个控制器主体执行独立的应用功能，它们之间可以是同构的，也可以是异构的。
进一步地，每一控制器主体上均部署有实现不同功能的多个控制应用，每一控制应用中均设置有与I/O通道存在通信关联关系的输入/输出变量。
参考图2，210、220、230为实现不同应用功能的控制应用，在每个控制应用中均定义了I/O相关的输入/输出变量(或称为位号)，例如211、221、222、231。这些输入/输出变量与I/O模块260的I/O通道261a-n相关联，其中输入变量的值来源于I/O模块的输入通道，输出变量的值需要发送到I/O模块的输出通道。262为I/O模块的处理器模块，可冗余配置。不同的控制应用可在不同的控制器中执行，例如图中控制应用210、220在控制器主体240中执行，控制应用230在控制器主体250中执行。由于不同的控制应用中输入输出变量与I/O通道存在通信关联关系，I/O模块260与控制器主体240、250之间也形成了特定的通信关联关系270，这种关联关系在控制应用组态、I/O硬件组态以及控制器部署组态确定后随之而确定。因此，在应用组态、硬件组态完成后，在系统部署设计阶段系统中可以产生一张完整的控制应用程序、位号、控制器模块、I/O节点、I/O模块及通道的完整关联关系图谱，作为运行期间实时输入输出I/O数据通信访问的确定性依据。
以及，本发明还提供一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，应用于如上所述的架构，如图3所示，包括：
S1、借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据，或者，借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据。
进一步地，如图4所示，步骤S1包括：
S11、组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求以及I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况，直接为每一控制器主体生成发布/接收通信配置信息，并作为控制器主体组态的一部分下发给控制器主体；相应地，组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求以及I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况为每一I/O节点生成I/O节点与控制器之间以及I/O节点通信单元与I/O模块之间的发布/接收通信配置信息，并作为I/O节点组态的一部分下发给I/O节点通信单元，即控制器-I/O节点发布/接收信息数据包括为每一控制器主体生成的发布/接收通信配置信息与为每一I/O节点生成的发布/接收通信配置信息；或者，
S12、控制器主体解析当前的应用组态与硬件组态以及控制器模主体的部署信息，得到包含所需的位号变量与硬件I/O通道之间的关联关系、端到端的通信路径以及通信周期的基本信息数据，依据基本信息数据在控制器与I/O节点在实时运行中生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据。
进而，控制器-I/O节点发布/接收信息数据的生成，可以有两种实现方式：其一，由组态软件根据系统组态统一为控制器以及I/O节点生成并作为组态下发；其二，由控制器根据当前应用组态、硬件组态以及部署信息生成。无论采取何种方式，都在本发明涉及的方法范围之内。而其中，组态(configuration)是控制系统的配置数据，包括系统中硬件模块的组成、参数和连接关系等(硬件组态)，系统中要实现的控制程序逻辑(应用组态)和数据等内容，这些在工业控制系统领域内是通用术语。
S2、依据生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据使得任一控制器主体能够通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互。其中，控制器-I/O节点发布/接收信息数据包括：控制器主体的标识符信息、I/O节点的标识符信息、组态兼容性或版本标识符、通信周期以及控制器主体的I/O位号标识符与I/O节点的I/O数据标识符间的映射表。
工业控制系统根据控制应用程序的I/O资源通信需求、以及I/O资源在节点中的分配情况，生成多份控制器-I/O节点发布/接收信息数据。在图7中，生成的发布/接收信息数据包括：控制器310-I/O节点330、控制器310-I/O节点340、控制器320-I/O节点330、控制器320-I/O节点340.所生成的每份发布/接收信息数据内容至少包括：控制器及I/O节点的标识符信息、组态兼容性或版本标识符、通信周期、控制器I/O位号标识符与I/O节点单元的I/O数据标识符的映射表。其中，控制器I/O位号标识符与I/O节点单元的I/O数据标识符映射表中包含了多项内容，体现了控制器中具体的I/O位号与I/O节点中的硬件I/O资源的关联关系，以通信协议访问空间中的标识符来进行表示。所述的通信协议访问空间标识符是系统中设备间(或模块间)进行端到端应用通信协议的一部分，位于不同设备中的不同应用相互之间开放统一的访问空间(或称为协议地址空间)，在通信协议命令中可以实现跨设备的数据读写等访问操作，而设备内部的应用协议解析层负责处理协议访问空间与本地设备访问空间的映射关系。
如图5所示，步骤S2包括：
S21、在数据上传过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至对应的I/O节点，以使I/O节点依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将I/O节点所产生的实时输入数据通过节点通信单元上传至控制器主体中。
进一步地，如图6所示，步骤S21包括：
S211、I/O节点依据预先配置的I/O硬件组态信息，将节点内的I/O模块的I/O通道生成的实时输入数据映射到节点通信单元内部实时数据区中。
S212、I/O节点依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，控制节点通信单元的内部实时数据区中的映射数据上传至对应的控制器主体；其中，在上传至对应的控制器主体中采用的通信方式包括主从通信、订阅通信以及发布/接收通信。
S22、在数据下发过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至控制器主体，以使控制器主体依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将控制器主体所产生的实时输出数据下发到I/O节点中；其中，每一控制器主体上均部署有实现不同功能的控制应用。
进一步地，如图7所示，步骤S22包括：
S221、控制器主体对上传的I/O节点所产生的实时输入数据进行包含量程转化、线性映射的数据处理，得到控制应用数据。
S222、控制器主体依据预先配置的应用组态结果与控制应用数据运行部署的控制应用，生成实时输入数据。
S223、将实时输入数据映射到节点通信单元内部实时数据区中，进而依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，控制节点通信单元的内部实时数据区中的映射数据下发至对应的I/O节点。
参考图8，I/O节点根据上述发布/接收信息数据决定生成发布到每个控制器模块的通信发布数据包，而控制器则可以根据上述发布/接收信息数据决定如何处理来自每个I/O节点通信单元的通信发布数据包。
控制器模块310内部根据应用组态结果运行多个控制应用程序，需要311～314等多个应用数据(典型的如I/O位号数据、通信变量等)，控制器模块320内部根据应用组态结果运行多个控制应用程序，需要321～324等多个应用数据。控制应用数据311～314、321～324来源于对351～355、361～363等I/O实时输入数据的处理(例如量程转化、线性映射等)，它们之间的依赖关联关系如图中380所示。与此同时，351～355等I/O数据资源来源于I/O节点330中的I/O模块(332或333等)，361～363等I/O数据资源来源于I/O节点340中的I/O模块(342或343等)。
391表示I/O节点通信单元331到控制器310的数据上送通道，进一步地可表示为它们之间的一份通信发布/接收信息。这份通信发布/接收信息数据完全表达了380中的映射关系，例如将331中的351变量发布到310中的311中。一方面，I/O节点内部根据I/O硬件组态信息，实现了节点内I/O模块通道数据与I/O节点通信单元之间的数据通信，将节点中的每个I/O模块通道映射到I/O节点通信单元内部的实时数据区中。另一方面I/O节点通信单元根据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将内部实时数据区中的具体数据内容进一步地发布到对应的不同控制器中。通过该通信交互机制，不同控制器模块可以任意访问网络中不同I/O节点下I/O模块的任意通道，打破物理模块、物理节点的单一访问限制。
节点通信单元331、341分别负责不同I/O模块不同通道到不同控制器模块之间的数据通信协议解析和数据发送接收处理。391、392分别表示I/O节点通信单元331与控制器模块310、320之间的实时数据上送通道，393、394分别表示I/O节点通信单元341与控制器模块310、320之间的实时数据上送通道。本发明所涉及到的391～394所表示的实时数据上送通道具体采用的通信方式可以有多种方式，例如主从通信、订阅通信、发布/接收通信等。为不失一般性，接下来以发布/接收通信方式为例具体说明。
又参照图9，为本发明实现的I/O节点通信单元与控制器之间的实时输出数据通信交互机制，其基本结构和内容都与图7所表示的相一致，因此这里对相似内容不再作展开展开描述，不同之处包括：数据变量411～414、421～424为控制器中的I/O输出位号或通信输出变量，451～455、461～463为I/O节点中的实时输出数据。491、492分别表示控制器模块410、420与I/O节点通信单元431之间的实时输出数据下发通道，493、494分别表示控制器模块410、420之间与I/O节点通信单元441的实时输出数据下发通道。通过该通信交互机制，不同控制器模块可以任意访问网络中不同I/O节点下I/O模块的任意通道，打破物理模块、物理节点的单一访问限制。
继而，同一个I/O节点所产生的实时输入数据可同时被上传到多个控制器主体，以实现多个控制器主体对同一实时输入数据的共享访问。对
于实时数据输入，该架构和通信交互方式也可以实现同一个I/O实时数据5被发布到多个控制器，从而实现多个控制器对同一I/O数据的共享访问。
但对同一I/O数据的多控制器共享访问能力，应当指出，实际系统中是否实现以及如何具体实现该功能应结合系统安全设计、系统通信处理负荷等设计进行综合考虑。
再者，在控制应用从一个控制器主体迁移到另一个控制器主体后，0依据步骤S1的流程重新生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据，依据重
新生成的发布/接收信息数据产生新的通信连接关系，即可完成实时数据通信的无缝切换。
由此，本发明方案还有助于系统实现在I/O配置组态不变的情况下，
支持控制应用从一个控制器主体迁移到另一个控制器主体中执行，迁移5前后过程对系统正常运行无影响。控制应用的迁移能力，一方面有助于
应用的平台无关性，实现跨平台动态部署，另一方面可以实现多控制器的负载均衡。具体的实施方式可依托本方法所涉及的通信架构很容易地实现，当控制应用从一个控制器模块迁移到另一个控制器模块后，控制
器应用与I/O资源的依赖关系体现为新控制器与对应I/O节点的通信关0系，只需要重新生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据并据此产生新的通信连接关系，即可完成实时数据通信的无缝切换。
值得一提的是，借助上述架构和方法，原理上也可以实现不同控制器对同一个I/O实时输出数据的下写。但优选地，针对高可靠性和安全性
的场合，考虑到系统设计的安全性尤其是防错设计，一般实现为每个I/O5实时输出数据由一个控制器模块进行实时值下写。
综上所述，本发明提供一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构以及方法，基于上述描述，本发明可以实现不同控制器模块执行不同的应用功能，并可以任意访问网络中不同I/O节点下I/O模块的任意通道，打破物理模块、物理节点的单一访问限制，支撑应用功能单元之间的无缝协同。再者，本发明无需引入新的抽象模型，在网络化I/O和多控制器主体的通信拓扑基础上，提出提出了控制器与I/O模块之间如何进行通信交互以实现通道级任意访问或共享访问的具体方法。同时，本发明可以实现在I/O配置组态不变的情况下，控制应用可以从一个控制器主体迁移到另一个控制器主体中执行，迁移前后对系统执行过程无影响。
由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照依据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。
Claims (10)
1.一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构，其特征在于，包括：
一I/O通信网络；
与一I/O通信网络连接的多个I/O节点，每一I/O节点包括具备多个I/O通道的I/O模块，且每一I/O节点均配置有用于不同I/O模块的不同I/O通道与不同控制器主体之间的数据通信协议解析和数据收发处理的节点通信单元；
与一I/O通信网络连接的多个控制器主体，任一控制器主体依据预先生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互；
其中，控制器-I/O节点发布/接收信息数据是借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况所生成的，或者借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息所生成的。
2.如权利要求1所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构，其特征在于，
I/O通信网络为包含总线型、星形连接与环网的拓扑网络、无线接入网络以及跨层级网络之中的任意一种；
多个I/O节点包括：满足预设标准的物理I/O节点与未满足预设标准的非物理I/O节点，物理I/O节点中的I/O模块为传统的预定义I/O模块或者包含智能设备、PLC以及异构通信模块的二级复杂设备，且物理I/O节点所配置的节点通信单元为一实体独立模块；非物理I/O节点中的I/O模块I/O模块为具备一定量以下I/O通道的智能仪表，且非物理I/O节点所配置的节点通信单元为内置在控制器主体中的一虚拟功能模块；
控制器主体包括：一控制器模块或者多个呈冗余或表决关系的控制器模块，且不同的控制器主体之间为同构或异构关系。
3.如权利要求1所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互架构，其特征在于，每一控制器主体上均部署有实现不同功能的多个控制应用，每一控制应用中均设置有与I/O通道存在通信关联关系的输入/输出变量。
4.一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，应用于如权利要求1-3任一项所述的架构，其特征在于，包括：
借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据，或者，借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据；
依据生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据使得任一控制器主体能够通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互；
其中，控制器-I/O节点发布/接收信息数据包括：控制器主体的标识符信息、I/O节点的标识符信息、组态兼容性或版本标识符、通信周期以及控制器主体的I/O位号标识符与I/O节点的I/O数据标识符间的映射表。
5.如权利要求4所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，其特征在于，借由工业控制系统中的组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求与I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据，或者，借由控制器主体依据当前的应用组态、硬件组态以及控制器主体的部署信息生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据：
组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求以及I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况，直接为每一控制器主体生成发布/接收通信配置信息，并作为控制器主体组态的一部分下发给控制器主体；相应地，组态软件依据控制器主体的I/O资源通信需求以及I/O节点中的I/O模块的I/O通道的分配情况为每一I/O节点生成I/O节点与控制器之间以及I/O节点通信单元与I/O模块之间的发布/接收通信配置信息，并作为I/O节点组态的一部分下发给I/O节点通信单元，即控制器-I/O节点发布/接收信息数据包括为每一控制器主体生成的发布/接收通信配置信息与为每一I/O节点生成的发布/接收通信配置信息；或者，
控制器主体解析当前的应用组态与硬件组态以及控制器模主体的部署信息，得到包含所需的位号变量与硬件I/O通道之间的关联关系、端到端的通信路径以及通信周期的基本信息数据，依据基本信息数据在控制器与I/O节点在实时运行中生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据。
6.如权利要求4所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，其特征在于，依据生成的控制器-I/O节点发布/接收信息数据使得任一控制器主体能够通过I/O通信网络和节点通信单元与任意I/O节点中的任意I/O通道进行通信交互包括：
在数据上传过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至对应的I/O节点，以使I/O节点依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将I/O节点所产生的实时输入数据通过节点通信单元上传至控制器主体中；
在数据下发过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至控制器主体，以使控制器主体依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将控制器主体所产生的实时输出数据下发到I/O节点中；其中，每一控制器主体上均部署有实现不同功能的控制应用。
7.如权利要求6所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，其特征在于，在数据上传过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至对应的I/O节点，以使I/O节点依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将I/O节点所产生的实时输入数据通过节点通信单元上传至控制器主体中包括：
I/O节点依据硬件组态信息，将节点内的I/O模块的I/O通道生成的实时输入数据映射到节点通信单元内部实时数据区中；进而依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，控制节点通信单元的内部实时数据区中的映射数据上传至对应的控制器主体；
其中，在上传至对应的控制器主体中采用的通信方式包括主从通信、订阅通信以及发布/接收通信。
8.如权利要求6所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，其特征在于，在数据下发过程中，将控制器-I/O节点发布/接收信息数据发送至控制器主体，以使控制器主体依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，将控制器主体所产生的实时输出数据下发到I/O节点中包括：
控制器主体对上传的I/O节点所产生的实时输入数据进行包含量程转化、线性映射的数据处理，得到控制应用数据；
控制器主体依据应用组态信息与控制应用数据运行部署的控制应用，生成实时输入数据；
将实时输入数据映射到节点通信单元内部实时数据区中，进而依据控制器-I/O节点发布/接收信息数据，控制节点通信单元的内部实时数据区中的映射数据下发至对应的I/O节点。
9.如权利要求4所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，其特征在于，同一个I/O节点所产生的实时输入数据可同时被上传到多个控制器主体，以实现多个控制器主体对同一实时输入数据的共享访问。
10.如权利要求4所述的一种工业控制系统的I/O资源共享交互方法，其特征在于，在控制应用从一个控制器主体迁移到另一个控制器主体后，
重新生成控制器-I/O节点发布/接收信息数据；
依据重新生成的发布/接收信息数据产生新的通信连接关系，即可完成实时数据通信的无缝切换。
Priority Applications (1)
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| CN202211680424.8A CN115834273A (zh) | 2022-12-26 | 2022-12-26 | 一种工业控制系统的i/o资源共享交互架构以及方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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|---|---|---|---|---|
| CN117687344A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-12 | 杭州康吉森自动化科技有限公司 | I/o数据共享方法、控制器及系统 |
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2022
- 2022-12-26 CN CN202211680424.8A patent/CN115834273A/zh active Pending
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| CN117687344A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-12 | 杭州康吉森自动化科技有限公司 | I/o数据共享方法、控制器及系统 |
| CN117687344B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-04-30 | 杭州康吉森自动化科技有限公司 | I/o数据共享方法、控制器及系统 |
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