CN1940787B - 用于划分工业控制数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种工业控制器(15)，包括处理单元(16)和存储器(17)。该工业控制器(15)可用来使用最优化连接分组(100)进行通信，该最优化连接分组(100)包括排列成未结构化数据块(115、120)的来自多个I/O模块(30)的I/O数据。该处理单元(16)可用来对最优化连接分组(100)内的I/O数据作处理以控制一过程。该存储器(17)可用来存储多个投射标志(125)。各投射标志(125)关联于I/O模块(30)之一，并提供对未结构化数据块(115、120)的子集的逻辑引用，该未结构化数据块包括用于相关联I/O模块(30)的至少一部分I/O数据。

Description

用于划分工业控制数据的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及自动化控制系统，尤其涉及用于划分工业控制数据的方法和装置。
背景技术
工业控制器是用于控制工业过程或制造设备的专用计算机。在已存储程序的引导下，工业控制器检查反映受控过程的状态的一系列输入，并改变影响该过程的控制的输出。输入和输出可以是二进制(即“导通”或“截止”)、或者也可使用具有连续范围的值的模拟输入和输出。二进制输入和输出可由单位数据表示，而模拟输入和输出可由多位数据字表示。
工业控制器的各个组件在空间上常常分布于工厂或生产设施各处，并由一个或多个通信网络互连。这些通信网络表征为实时控制所需的高可靠性、以及用最少和明确限定的延迟来传送数据。工业控制器领域中通用的众多不同通信网络包括但不限于：其规范已公布、且其协议由众多制造商和供应商广泛使用的ControlNetTM、DeviceNetTM和EtherNet/IPTM。这些通信网络在物理方面彼此不同：例如，介质的类型(例如，同轴电缆、双绞线、光纤等)、其操作的协议(例如波特率、信道的数目、字传输大小、相连消息传送的使用等)、以及如何格式化数据和如何将其收集成标准消息。
工业控制系统的通用组件是输入或输出(I/O)模块，它从受控过程或机器中接受用于工业控制器的数据，并将来自工业控制器的数据提供给受控过程或机器。I/O模块通常远离工业控制器，并经由如上所述的通信网络相连。
在工业控制系统中采用的各个I/O模块可以不同间隔和频率产生数据。如果控制器要在与每个I/O模块产生其数据时异步地与I/O模块相连，则控制系统在同步其控制动作时会遭遇困难，并且网络信息流通量会变得拥挤。例如，控制器可能不会以与模块产生数据的相同频率需要来自特定I/O模块的数据。如果I/O模块要在每次它更新其数据时向控制器发送交易，则该控制器将需要处理对其当前控制判定所不需要的数据的交易。
为了最优化网络信息流通量、在不同网络类型之间转换和代理、并生成同步数据传送帧，扫描器可被用作I/O模块和控制器之间的物理或逻辑中介。扫描器可与I/O模块相连以在预定更新间隔上收集数据，将该数据合并成单个最优化连接分组，并在每个更新间隔使用单个交易将该最优化连接分组传送给控制器。因此，大概在控制器需要将数据用于控制判定目的时，控制器以受控和预定的间隔接收数据。
在产生最优化连接分组之后，扫描器将最优化连接分组周期性地发送给控制器。最优化的连接分组是表示从各I/O模块收集的数据的一个未结构化的数据块。来自各模块的数据在未格式化的情况下按预定顺序串联。最优化连接分组的结构是预先确定的。在引用最优化连接分组内的数据时，该预定结构由控制器应用程序和程序开发系统(即用于开发控制器应用程序)使用。例如，如果特定I/O模块的输出驻留于最优化连接分组的第N-K位，则控制器应用程序中的程序指令严格引用这些位以在生成控制判定时使用。
在开发控制应用程序时，应用程序开发者必须知道最优化连接分组的映射。对最优化连接分组的各个部分的固定引用被包括在组成控制应用程序的程序命令中。如果最优化连接分组的映射改变，则由于I/O模块的添加或删除、由扫描器提供服务的I/O模块的顺序中的改变等，必须在控制应用程序中更新固定引用使得控制器引用适当的数据。
强加在最优化连接分组上的固定引用结构导致控制应用程序开发者在有关程序维护和完整性方面的各种问题。用于编程引用的数据的文件记录可能会不存在或无效。因此，当需要程序更改时，更新程序引用的任务会是艰巨、不准确和耗时的。
用于解决源自最优化连接分组的困难的一种技术涉及将组合分组复制到单个位置上。然后这些单个位置可通过控制程序更简便地引用。然而，同样的配置控制问题也存在于最优化连接分组和单个位置之间的转换。这种技术也需要程序维护、会引入副本延迟、并且会危及数据的完整性。
本文件的这个小节旨在介绍会涉及以下描述和/或要求保护的本发明各个方面的本领域的各个方面。本小节提供背景信息以便于对本发明各方面的更佳理解。应当理解，本文件的本小节中的陈述是要基于此来阅读的，而不是作为现有技术的陈述。
发明内容
在包括处理单元和存储器的工业控制器中可了解到本发明的一方面。该工业控制器可用于使用最优化连接分组进行通信，该最优化连接分组包括排列为未结构化数据块的来自多个I/O模块的I/O数据。处理单元可用来对最优化连接分组内的I/O数据进行操作以控制一过程。存储器可用来存储多个投射标记(cast tag)。每个投射标记都关联于I/O模块之一，并提供对未格式化数据块的子集的逻辑引用，该未格式化数据块包括用于相关联I/O模块的至少一部分I/O数据。
在用于引用工业控制数据的方法中可了解到本发明的另一个方面。该方法包括与多个I/O模块交换I/O数据。生成包括排列成未格式化数据块的用于各模块的I/O数据的最优化连接分组。定义多个投射标记。每个投射标记都关联于I/O模块之一，并提供对未格式化数据块的子集的逻辑引用，该未格式化数据块包括用于相关联I/O模块的至少一部分I/O数据。
在包括多个I/O模块、扫描器、和工业控制器的工业控制系统中可了解到本发明的又一个方面。I/O模块可用于与一过程通过接口相连，以与该过程交换I/O数据。扫描器可用于与I/O模块交换I/O数据，并使用最优化连接分组进行通信，该最优化连接分组包括排列为未结构化数据块的用于各模块的I/O数据。工业控制器可用于与扫描器交换最优化连接分组，并使用最优化连接分组内所包括的I/O数据来控制该过程。工业控制器还可用于存储多个投射标记。每个投射标记都关联于I/O模块之一，并提供对未格式化数据块的子集的逻辑引用，该未格式化数据块包括用于相关联I/O模块的至少一部分I/O数据。
附图说明
以下将参照附图描述本发明，在附图中相同的标号表示相同的要素，并且：
图1是根据本发明一说明性实施例的工业控制系统的简化框图；
图2是示出工业控制器和扫描仪之间用于传送最优化连接分组的接口的示图。
尽管本发明易于有各种变体和可选形式，但其具体实施例已作为示例在附图中示出并在本文中详细描述。然而应当理解，本文中具体实施例的描述并非旨在将本发明限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明要涵盖落于如所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的所有变体、等效方案和可选方案。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。本发明特别旨在不受限于本文中所包含的实施例和图示，而是包括那些实施例的更改形式，包括：各实施例的多个部分、以及落于所附权利要求的范围内的不同实施例的要素组合。应当理解，在开发任何这些实际实现时，与任何工程或设计项目一样，必须进行许多实现专用判定以实现开发者随实现而变的特定目标，诸如与系统相关和商务相关限制的兼容。此外，应当理解，这种开发努力是复杂和耗时的，但无论无何对获益于本发明的普通技术人员而言都是设计、制作和制造所需的例行程序。在本申请中没有内容被视为对本发明是关键或实质性的，除非另外明示为“关键”或“实质”的。
现在参看附图，其中在全部若干视图中相同标号对应于相同组件，并且具体地，参看图1，本发明应在工业控制系统10的环境中描述。通常，工业控制系统10包括：包括处理单元16和存储器17的工业控制器15(例如可编程逻辑控制器(PLC))，编程终端20，人机界面(HMI)25，I/O模块30、35，传感器40，致动器45，扫描器50、55以及通信介质60、65、70。
编程终端20允许工业控制系统10的配置、更改、调试和维护。例如，编程终端20可与工业控制器15通信，以更改控制器操作的多个方面，诸如存储在存储器17内并由处理单元16执行的控制程序。HMI 25提供操作者界面，用于操作工业控制系统10以执行自动化工业过程。
如以下更详细描述地，编程终端20定义可用来将一数据结构叠加在工业控制器15和扫描器50、55之间发送的未结构化数据上的投射标记。这些投射标记可由工业控制器系统10中诸如工业控制器15或HMI 25的其它实体采用，以在不需要事先知道数据的预定结构的情况下逻辑引用未结构化数据块的各个子集。因此，即使那些由I/O模块维护的数据对象嵌于包括来自多个模块的数据的未结构化数据块中，投射标记也可用来逻辑引用这些数据对象，这些数据对象表示I/O模块30的配置和状态。
I/O模块30、35向关联于受控过程的传感器40和致动器45提供接口。传感器40可检测诸如温度、压力、液体的流速、转矩、电流等项。致动器45控制诸如关联于机器人系统、风扇、搅拌器、泵等的电机、阀等物。例如，一类致动器45是可用于产生驱动相关联电机的可变频率驱动信号的电机驱动器。为便于说明，未对所有I/O模块30、35示出各个传感器40和致动器45。
在工业控制器15上，来自I/O模块30、35的输入信号可在控制程序和作为输出信号发送(即发送给致动器45)的其它信号下被处理。所控制的具体过程、以及具体的输入和输出模块类型对本发明而言并不重要。I/O模块30、35可与工业控制器15集成，或从工业控制器15遥控。在一实施例中，工业控制系统10可使用由威斯康辛州Milwaukee的Rockwell自动化公司提供的LogixTM组件实现。
通信介质60、65、70可采取电缆的形式，并且可以是离散布线或者可包括一数字网络，该数字网络还可包括中继器、路由器、网桥、和网关。适当的通信介质60、65、70为也由Rockwell自动化公司提供的DeviceNetTM、EtherNet/IPTM、ControlNetTM网络。
如图1所示，I/O模块30可连接为在扫描器50之下的子网70。扫描器50用作I/O模块30与工业控制器15之间的中介。扫描器55还与通信介质60相连，但其相关联的I/O模块35使用用于与扫描器55通信的单独信道65耦合到扫描器55之下。
扫描器50、55还作为路由器工作，以从一种通信协议(例如用于通信介质60之上)转换成另一种协议(例如用于信道65或子网70之上)。提供扫描器50、55的排列以说明用于通过接口连接系统10内的I/O模块的不同技术。实际的实现可仅包括采用所示接口排列之一或不同接口排列的单个扫描器50、55。为便于说明，以下讨论参照扫描器50，尽管各技术可等同地应用于扫描器50、55。
在所示实施例中，工业控制器15使用面向对象编程语言来编程。编程终端20可通过接口与工业控制器15相连以更改、添加或删除存储在工业控制器15的存储器17中并用来实现其功能的各种对象。在存储器中维护的用以实现工业控制器15的功能的各个对象可被统称为工业控制器的控制程序。因此，编程终端20提供用于更新工业控制器15的控制程序的编程接口。
扫描器50通过接口与I/O模块30相连，以收集更新间隔期间的输入数据、将该数据合并成单个最优化连接分组100(如图2详细所示)、并将该最优化连接分组100传送给工业控制器15。各更新(即最优化连接分组100)之间的特定间隔可取决于特定实现而改变。扫描器50还将输出数据从工业控制器15传送到I/O模块30，以基于控制程序对先前输入数据的操作来改变受控致动器45之一的状态。
扫描器50可将各种技术用于收集来自I/O模块30的数据。例如，扫描器50可周期性地轮询各I/O模块30并请求用于各监控参数的最新数据值。尚未生成新数据的I/O模块30将用其先前的数据值来响应。或者，I/O模块30可在它已生成新数据的任何时候设置一标志。扫描器50可监视该标志，并在仅当该标志被置位时(即传送后标记清零)才在更新期间请求数据。在另一种可选技术中，I/O模块30可在生成数据时(例如同步地或异步地)向扫描器50发送数据。尽管该技术可导致扫描器50和I/O模块30之间的附加通信量，但该通信量不会影响工业控制器15，因为它将仅在期望间隔上接收最优化连接分组100。在模拟模块(例如I/O模块35之一)的情形中，数据对扫描器55连续可用。
现在参看图2，显示了示出工业控制器15与扫描器50之间用于传送最优化连接分组100的接口的示图。该最优化连接分组100是表示从各I/O模块35中收集的数据的一个未结构化数据块。来自各I/O模块30的数据在未格式化的情况下按预定顺序串联。
在一说明性示例中，称为模块1和模块2的两个I/O模块35关联于电机驱动器，该电机驱动器进而向电机提供驱动信号。该电机驱动器通过最优化连接分组100与工业控制器15交换速度控制数据。在以下表格1和2中提供速度控制数据的数据元素的示例性数据结构。表格1提供各速度控制数据元素的格式信息，而表格2示出I/O模块30中的数据对象如何组装成包括在最优化连接分组100内的数据块。在扫描器55的情形中，数据对象(例如表示I/O模块中的缓冲器)通过扫描器55串联成用于I/O模块55的单个I/O数据块。
I/O模块30的数据对象表示I/O模块30的配置和状态。用于所有I/O模块30、35的数据块被串联以形成最优化连接分组100。该数据结构和数据块格式仅用于说明目的，并且本发明的应用并不限于任何特定数据结构或格式。
独立模块模板Struct SpeedControl(速度控制)BOOL AtSpeedBOOL RefFromNetBOOL ControlFromNetBOOL ReadyBOOL RunningReverseBOOL RunningForwardBOOL padBOOL FaultedINT8 padINT  16 SpeedActualRPM
表格1-数据结构
  字节  位7  位6 位5  位4  位3  位2 位1  位0
  0  AtSpeed  RefFromNet Ctl-FromNet  Ready  RunningReverse  RunningForward  Faulted
  1  Pad字节
  2  Speed Actual RPM(低位字节)
  3  Speed Actual RPM(高位字节)
表格2-数据块构成
如表格1所示，速度控制数据包括布尔标志，这些布尔标志指示：电机是否以期望速度运行(AtSpeed)；转矩引用已在本地还是通过网络提供(RefFromNet)；电机驱动器是在本地还是通过网络控制(ControlFromNet)；电机驱动器是否处于就绪的状态(Ready)；电机是反向(RunningReverse)还是正向(RunningForward)运行；以及电机驱动器是否处于故障状态(Faulted)。一标记(pad)保留以便于将来使用。速度控制数据还包括保留的1字节字段(pad)，用于电机速度(SpeedActualRPM)的最低有效位的一个字节，以及用于电机速度的最高有效位的一个字节。两个模块的速度控制数据在最优化连接分组100中简单地串联，导致包括每个模块的上述速度控制数据的位串。因此，用于I/O模块的各个数据对象在最优化连接分组100内可任意偏移(尽管是以预定方式)。
假设最优化连接分组100以模块1的数据开始，随后是来自其它模块的数据，然后是模块2的数据，位0到31(即块115)表示模块1的速度控制数据，而位628到659(即块120)表示模块2的速度控制数据。
尽管对各I/O模块30仅示出一个数据块115、120，但可使用多个数据块。例如，I/O模块30的输出数据或配置数据可包括在来自输入数据的单个块中。此外，输入数据可分成多个单独数据块，每一个都关联于I/O模块30上的缓冲器之一。
工业控制系统10采用投射标志125，该投射标志125引用最优化连接分组100内的各个块115、120。一般而言，投射标志125提供对最优化连接分组100的包括特定I/O模块30的多个数据对象的一部分的逻辑引用。工业控制器15中的逻辑130可使用投射标志125来代替对最优化连接分组100的各个位的硬引用。
在典型的工业控制环境中，标志可用于引用单个数据区域。标志通常包括名称或符号、指定成员名称和数据格式的数据类型、以及引用一数据集的特定物理位置的数据对象。用于常规标志的数据对象表示整个数据集，并且通常只有一个标志引用一特定的数据对象。
投射标志125与常规标志的不同之处在于其数据对象仅引用数据集的一个子集，且其数据类型叠加在数据集中它所引用的那部分上。多个投射标志125可引用数据集的用于不同I/O模块30的不同子集，并将它们自己的独立数据类型强加在该数据上。从编程角度看，标志表现为是独立的。因此，各投射标志125引用I/O模块30之一的I/O数据，并且由投射标志125定义的成员引用存储在I/O模块30的缓冲器中的各个数据元素。
以上表格1中表示的结构表示在投射标志125中使用的数据类型，用于指定速度控制数据的数据元素的成员和数据格式。因此，在投射标志125的模块1.AtSpeed中，模块1是符号，而AtSpeed被定义为该数据类型的具有布尔格式的成员之一。数据对象引用最优化连接分组100的位7。
以下表格3和4中提供的伪码示例示出使用投射标志125的编程引用如何不同于先前的硬引用命令。该伪码并非旨在反映所使用的实际代码，而是在概念上示出由投射标志125提供的优于硬引用的优点。
If NOT(模块1.AtSpeed)警报(17)；while(模块2.SpeedActualRPM＜30000)
表格3-使用投射标志的伪码
IfNOT(OCP的位[7])警报(17)；While(OCP的位[643..658]＜30000)
表格4-无投射标志的伪码
从表格3中的示例显而易见，投射标志125允许在不需要知道扫描器50用来串联数据的顺序的情况下引用相关联模块30的参数。此外，数据格式在投射标志125中指定，并且不需要包括在编程引用中。
再参看图1，投射标志125由编程终端20实例化和维护，并且可用于编程环境以生成工业控制器15的控制程序。在该编程环境中，用于各模块30的数据表现为不相关，并且各成员可通过名称在逻辑中引用。投射标志125也存储在工业控制器15上。
在一些情形中，控制程序可在将其载入工业控制器15之前编译，并且在编译代码中引用转换成物理引用。然而，如果扫描器50所使用的最优化连接分组100的构成改变(例如由于模块30的添加或删除)，则仅需更新投射标志125。控制程序然后可重新编译，并且由投射标志125指定的新引用将被结合到编译代码中。因此，在控制程序中不需要改变。在其它情形中，当翻译控制程序时，可在控制程序中直接引用投射标志125。
因为工业控制器15存储了投射标志125，所以工业控制系统10中的其它实体还可使用由投射标志125创建的逻辑引用，以引用由工业控制器15所存储的模块数据。例如，HMI 25可向工业控制器15查询，以使用模块1.AtSpeed引用来确定关联于模块1的电机是否按速。此外，HMI 25可包括它自己的代码，用于在其显示上连续显示关联于模块1和2的电机的状态。HMI代码仅需使用模块1.AtSpeed和模块2.AtSpeed引用来访问状态信息。如果最优化连接分组100的构成改变，则不需要更改HMI 25代码。
投射标志125还可用于重建控制程序。例如，如果不同于图1所示的编程终端20的编程终端(例如在笔记本计算机上实现的现场编程终端)通过接口与工业控制器15相连，则它可使用投射标志125来确定最优化数据分组100的结构，并分析控制程序代码。
使用投射标志125大大地简化了用于工业控制系统10的代码的开发与维护。对最优化连接分组100的构成的改变不需要代码更改，而仅需要对投射标志125的更新。此外，一旦定义了投射标志125，用户就能更简便地通过接口相连于工业控制系统10交互，因为他们不需要访问描述最优化连接分组100的映射的外部文档，也能访问工业控制系统10中的模块数据。
以上公开的特定实施例仅是说明性的，因为本发明可用对获益于本文示教的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来更改和实践。此外，除了所附权利要求中所描述的以外，对本文示出的结构或设计的细节并不试图作出限制。因此，显然可改变或更改以上公开的特定实施例，并且所有这些变体被视为在本发明的范围和精神内。因此，在此所寻求的保护如所附权利要求中所阐述。

Claims (10)

1.一种工业控制系统(10)，包括：
多个I/O模块(30)，用于通过接口与过程相连以与所述过程交换I/O数据；扫描器(50、55)，用于与I/O模块(30)交换I/O数据，并使用最优化连接分组(100)进行通信，所述最优化连接分组(100)包括排列成未结构化数据块(115、120)的用于各模块的I/O数据以及
工业控制器(15)，用于与扫描器(50、55)交换所述最优化连接分组(100)，并使用最优化连接分组(100)中所包括的I/O数据控制所述过程，所述工业控制器(15)还用于存储多个投射标志(125)，各投射标志(125)关联于所述I/O模块(30)之一，并提供对所述未格式化数据块(115、120)的子集的逻辑引用，所述未格式化数据块(115、120)包括用于所述相关联I/O模块(30)的I/O数据的至少一部分，
其中，所述投射标志(125)的数据对象仅引用数据集的一个子集并且所述投射标志(125)的数据类型叠加在所述数据集中它所引用的那部分上。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述投射标志(125)包括用于特定I/O模块(30)的引用所述I/O数据的输入部分的第一投射标志以及引用所述I/O数据的输出部分的第二投射标志。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述I/O数据包括输入数据和输出数据的至少之一。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括编程终端(20)，用于基于所述I/O数据的预定排列生成所述投射标志(125)。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括接口单元，用于与工业控制器(15)相连、并采用所述投射标志(125)来引用关联于所述I/O模块(30)之一的数据。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，各投射标志(125)包括用于关联于所述I/O模块(30)的I/O数据的符号名称、数据类型、以及对所述子集的引用。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描器(50、55)置于所述工业控制器(15)和所述I/O模块(30)之间。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描器(50、55)可用来轮询所述I/O模块(30)以收集所述I/O数据的至少一部分。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述I/O模块(30)可用来向所述扫描器(50、55)发送至少一部分的所述I/O数据。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述最优化连接分组(100)包括按预定顺序串联的关联于各模块(30)的I/O数据。
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