專利名稱：一種互聯型控制系統ics的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種互聯型控制系統ICS。
背景技術：
目前，自動化控制大多以PLC、DCS為主，近年也出現了集合了 PLC或DCS的優點， 并接合現代通信技術，人機界面，實時多任務等功能的PAC和PCC等控制器。PLC (Programmable Logic Controller)可編程序邏輯控制器實際在20世紀70至 80年代一直簡稱為PC (Programmable Controller)可編程控制器。由于到90年代，個人計算機發展起來，也簡稱為PC ；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，美國AB公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器(PLC)。PLC在20世紀70年代被發明出來時主要以代替原來由繼電器完成的順序控制，而經過40多年的發展，現代的PLC已經不光具有順序控制的功能，而是成了包括邏輯運算，數學運算，通信等多功能的復雜系統，很多高端的PLC甚至已經開始進入一些傳統DCS的市場了。DCS (Distributed Control System)分布式控制系統，在國內自控行業又稱之為集散控制系統。1975年由美國霍尼威爾(Honeywell)發明。初以PC-BASE為構架基礎，主要針對過程控制以取代傳統儀表。經過近40年的發展，現代DCS系統已經不光具有過程控制功能，而且吸收PLC和其他信息技術的優點，形成了包含過程控制，順序控制，批量控制等多種控制功能的復雜系統。然而，現在用戶的需求成多樣化復雜化發展。對于簡單設備或機構的生產商來說， 需求的是少量的10，簡單的控制，而包含多種功能的PLC和DCS顯然不是性價比最好的選擇；對于集合各設備或機構以實現某種工藝流程或生產線的客戶來說集成無疑已經成為整合生產體系、提高效率及工廠信息化的重要途徑。但由于各設備廠商使用不同的控制器和通信方式，使得設備間通信和與上層信息系統接口變得復雜和難以實現。所以急需滿足這些需求的自動化產品和系統，其不但應具有良好的內部集成能力，更應該具有良好的向第三方開放的集成能力，只有這樣的體系結構才能幫助最終用戶的設備運行至更高的水平。 專利200710181144. 1為一種可編程控制器，CPU單元和多個功能單元通過1/0總線而互相連接，并且各功能單元的每個可以通過連接器而對1/0總線進行安裝、拆卸，進而，CPU單元根據需要而通過1/0總線訪問到各個功能單元，從而實現有關該功能單元的功能，其特征在于，該可編程控制器包括狀態存儲器，具有按每個連接器的存儲區域，同時連動于關于某一個連接器而進行功能單元的拆卸操作，在有關該連接器的存儲區域中存儲第一狀態； 并且連動于關于某一個連接器而進行功能單元的安裝操作，在有關該連接器的存儲區域中存儲第二狀態；第一控制部件，在CPU單元通過某一個連接器而訪問到功能單元時檢測到異常響應時，參照有關該連接器的狀態存儲器的存儲內容，同時在該存儲內容被判定為第一狀態時，為了原樣繼續可編程控制器的運行，同時關于所指定的連接器而可以拆卸功能單元，執行在拆卸單元時所需的處理，另一方面，在判定為第二狀態時，執行規定的通信異常時處理；以及第二控制部件，在關于某一個連接器判定為狀態存儲器的存儲內容從第一狀態變化為第二狀態時，為了原樣繼續可編程控制器的運行，同時關于所指定的連接器而可以安裝功能單元，執行在安裝單元時所需的處理。專利200710181144. 1為一種可編程控制器，CPU單元和多個功能單元通過I/O總線而互相連接，并且各功能單元的每個可以通過連接器而對I/O總線進行安裝、拆卸，進而，CPU單元根據需要而通過I/O總線訪問到各個功能單元，從而實現有關該功能單元的功能，其特征在于，該可編程控制器包括狀態存儲器，具有按每個連接器的存儲區域，同時連動于關于某一個連接器而進行功能單元的拆卸操作，在有關該連接器的存儲區域中存儲第一狀態；并且連動于關于某一個連接器而進行功能單元的安裝操作，在有關該連接器的存儲區域中存儲第二狀態；第一控制部件，在 CPU單元通過某一個連接器而訪問到功能單元時檢測到異常響應時，參照有關該連接器的狀態存儲器的存儲內容，同時在該存儲內容被判定為第一狀態時，為了原樣繼續可編程控制器的運行，同時關于所指定的連接器而可以拆卸功能單元，執行在拆卸單元時所需的處理，另一方面，在判定為第二狀態時，執行規定的通信異常時處理；以及第二控制部件，在關于某一個連接器判定為狀態存儲器的存儲內容從第一狀態變化為第二狀態時，為了原樣繼續可編程控制器的運行，同時關于所指定的連接器而可以安裝功能單元，執行在安裝單元時所需的處理。專利200680041703. 2提供一種分布式系統，其無需使用僅在現場設備內有效的任務優先級，就可以實現對分布式應用的硬件資源分配。該分布式系統使經由網絡 (N)相互連接的多臺現場設備并行地運行多個分布式應用(分布式AP)，該分布式系統包括重要度調整部(3)，其基于分布式AP重要度和分布式AP內部相對值，計算表示現場設備內任務的優先級的設備內部相對值，其中，該分布式AP重要度是針對每個分布式AP指定的，表示分布式AP的優先級，該分布式AP內部相對值是針對構成分布式AP的每個任務指定的，表示在分布式AP內的任務的優先級；以及資源分配部(13)，其按照由重要度調整部 (3)計算出的設備內部相對值，向構成分布式AP的各個任務分配各現場設備的硬件資源。 專利200410046423. 3為一種分布式控制系統，包括安裝在鏟車上的多個控制器(4_8)和在所述鏟車內的多個控制器(4- 之間提供鏈接的網絡(9)。將所述多個控制器G-8)中的第一控制器配置成用以響應從所述多個控制器G-8)中的第二控制器接收到的接口信號(sai-sfi)，以控制所述功能。當在預定的時間段期間未接收到所述接口信號(sai-sfi) 時，所述第一控制器利用存儲在所述第一控制器中的數據代替所述接口信號(sai-sfi)，對所述功能進行控制。專利01814487. X為一種用于通過電信媒介(4)在標準以太網數據泵 (8)和以太網媒介訪問控制器(7)之間傳輸數據的以太網適配設備，包括(a)雙模式媒介獨立接口(9)，它以PHY模式仿真標準以太網數據泵，并以MAC模式仿真以太網媒介訪問控制器；(b)與電信媒介(4)相連接的數據泵；和(c)數據緩沖器(11)，用于存儲至少一個要在標準數據泵⑶和以太網媒介訪問控制器(7)之間傳輸的以太網數據分組。一種用于通過電信媒介(4)在標準以太網數據泵(8)和以太網媒介訪問控制器(7)之間傳輸數據的以太網適配設備，包括(a)雙模式媒介獨立接口(9)，它以PHY模式仿真標準以太網數據泵， 并以MAC模式仿真以太網媒介訪問控制器，(b)與電信媒介(4)相連接的數據泵(10)，和 (c)數據緩沖器(11)，用于存儲至少一個要在標準數據泵(8)和以太網媒介訪問控制器(7) 之間傳輸的以太網數據分組。
三、發明內容
本發明涉及一種自動化控制器和控制系統，尤其在控制方式上由傳統PLC等集中控制變成分散控制(并非由單一 CPU集中運算，現場總線與分布IO通信模式)，以單個功能或幾個功能集合為控制對象，硬件和軟件按控制對象構成為一個功能模塊獨立完成控制功能，多個功能模塊以互聯網絡為通信基礎，協同工作以實現設備，生產線或其他運用的控制，并可與現有的互聯網絡實現無縫連接。為了克服現有的PLC和DCS控制型號種類繁多，低端運用性價比不高，復雜系統中又互相集成困難，通信組網分層復雜，技術門檻高等問題，本發明技術提出了一種完全開放的控制器和控制系統結構，以具體運用和功能為對象，將軟件中面對對象編程的思想擴展到控制器和控制系統中，針對控制對象，設計實現硬件模塊化組合，軟件功能化組合，通信開放化集合的互聯型控制系統(ICS Interconnected Control System)，其核心單元就是互聯型可編程功能模塊(IPFB Interconnected Programmable Function Block)。—種互聯型控制系統ICS，其特征在于采用開放的控制器和控制系統結構，以具體運用和功能為對象，將軟件中面對對象編程的思想擴展到控制器和控制系統中，針對控制對象，設計實現硬件模塊化組合，軟件功能化組合，通信開放化集合的互聯型控制系統 ICS，其核心單元為互聯型可編程功能模塊IPFB，硬件采用單片機MCU為核心單元，配以光纖以太網接口，以單片機MCU自帶的通用輸入/輸出GPIO為基礎，功能化配置如數字量10 接口模板、模擬量10接口模板、正交編碼器輸入接口模板多種功能模板、復合功能模板，由客戶按控制對象定制的功能模板；軟件上除集成通信所用基礎協議TCP/IP協議和互聯消息郵箱功能外，還可按用戶編程習慣集成符合IEC61131-3編程的軟PLC內核，Java運行核， BASIC運行核，或直接用C或匯編代碼寫功能軟件；這樣IPFB功能模塊在面對點數少，控制簡單的機械和運用時基本上和單片機，單板機幾乎沒有區別；采用互聯型可編程控制功能塊的用戶可很容易地將這個功能塊連入工廠信息自動化系統或互聯網中。互聯型控制系統ICS是由多個IPFB通過以太網互聯形成的系統；IPFB可分布于控制現場各處，主要采用光纖作為以太網通信的物理通道，輔以無線以太網連接以滿足不同的需求；互聯型控制系統既不像傳統集中10的系統需要大把電纜連接設備各處的傳感器和執行元件，也不同于現場總線系統把分布式10信息傳給CPU，由CPU計算后再通過現場總線傳回分布式10 ；互聯型控制系統的基本單元是互聯型可編程功能模塊，每個功能模塊既有CPU計算單元又有10，同時也具備通信功能；單個模塊可完成一種或幾種簡單功能， 多個模塊組合即可完成復雜功能；每個IPFB獨立控制，相互間通過信息傳遞驅動各功能運行，所以在互聯控制系統中并不存在用于過程控制或順序控制的集中處理單元，每個模塊間也不存在主從關系，沒有主控器；在互聯型控制系統中各功能模塊是獨立對等的關系，以服務和客戶模式協同工作，每個功能模塊間是互為服務端和客戶端。ICS系統采用分布控制，每個IPFB針對控制對象都是本地控制，沒有集中控制的主控單元，是分布運算與分布10結合而成的控制系統。ICS系統中IPFB是針對控制對象的軟硬件組合，IPFB可按執行元件生產商和簡單功能機構生產商的需求模塊化組合，可滿足簡單機構和功能的運用，同時又可以聯入ICS系統中滿足生產設備，生產線，工藝流程等最終客戶的需求。ICS系統中每個IPra獨立工作，IPFB中是否使用實時多任務操作系統軟件，整個ICS系統都是一個實時多任務系統，同一個時刻不同的IPFB在完成不同的任務。四
圖1是本發明中的IPFB原理圖。圖2是本發明中的ICS系統構成圖。圖3是IPFB消息郵箱的結構。圖4是ICS信息系統的運用實例。
五具體實施例方式下面結合附圖和運用例對本發明進一步說明。在圖1中，模塊1為以太網通信接口，可選光纖和無線；模塊2為MCU單元(主要采用ARM CorteX-M3為內核的32位單片機)； 模塊3為功能軟件，包括基礎通信的TCP/IP協議棧、消息郵箱、IO驅動等固件初始化程序， 可選的軟PLC內核軟件、Java運行軟件、Basic運行軟件，用戶編寫的控制程序等。模塊1、 2、3的集合稱為基本功能模塊(圖5為基本功能模塊的實例圖片)。模塊4為擴展模塊，由于MCU單元的GPIO可實現開關量，模擬量，高速計數、脈沖輸出等功能，實際上擴展模塊主要是隔離電路，放大電路等組合的接口電路以實現外部信號與GPIO的連接。按功能可分為開關量接口模塊，模擬量接口模塊，正交編碼器接口模塊，電機控制功能接口模塊、觸摸顯示屏接口模塊，通信功能接口模塊等。在圖2中，A、B、C、D分別表示ICS系統中的無線、光纖雙環、光纖單環、星型，4種以太網連接方式，其中標號為5的IPFB為帶有無線以太網接口的功能模塊；標號為6的IPFB 為同時帶有雙光纖接口和以無線以太網接口的交換功能模塊；標號為7的IPFB是帶有雙光纖接口的功能模塊，標號為8的是帶有7個以上光纖接口的交換功能模塊，標號為9的ipra 是帶有一個光纖接口的功能模塊。對于外部傳感器的信號采集和對執行機構的控制主要由 5、7、9這樣的功能模塊來完成，標號為6、8這樣的模塊主要完成交換機的功能。光纖部分主要以塑料光纖為主，其百兆帶寬和兩點間百米的距離可滿足大部分控制的需求，組網價格也很低廉。如果有超百米的需求可采用中繼方式或轉換為單模或多模玻璃光纖，傳輸距離可達1公里以上，帶寬也可擴展至GB或TB級，為以擴展留有足夠的空間。在圖3所示的是IPFB消息郵箱軟件結構，圖中標號為10的是收發功能塊，主要實現與TCP/IP協議棧的接口，實現收發消息的功能。標號為11的是收件箱功能塊，主要實現接受消息隊列，等待消息處理。標號為12的是消息處理功能塊，主要實現與用戶程序的接口功能。標號為13的是發件箱功能塊，主要實現發送消息隊列。在消息郵箱中如果收到外來消息，將自動發送一個收條確認消息收到并將消息放入接收消息隊列等待處理并標記為未處理，如果用戶程序接受并處理該消息，則將該消息標記為已處理并且最終被擠出接收消息隊列；如果用戶程序接收該消息但沒有該消息請求功能時，則將該消息標記為已處理， 并發送出錯報警消息(可發給人機界面，也可發給數據庫服務器)。在圖4中所示為ICS消息系統運用實例，圖中14、16號傳送帶和15號機械手共同完成傳送17號工件的功能。18號IPFB控制14號傳送帶，19號IPFB控制15號機械手，20 號IPFB控制16號傳送帶。當17號工件被送到23號位置時，18號IPFB向19號IPFB發送抓取請求消息(編號21)，19號IPFB控制15號機械手將工件17從23號位置抓到M號位置時，向20號IPFB發送請求放下的消息(編號22)，工件17被放在M號位置，20號IPFB 控制16號皮帶將工件17繼續傳送。在這個實例中，14、16號傳送帶也可以改成滾筒線、板連線、小車或其他傳送裝置，其發送的消息可以不變，對15號機械手來說并無影響；或者15 號機械手的移動可為氣缸、電機或其他驅動方式，對14、16號傳送帶來說也沒什么區別。互聯型可編程功能模塊IPFB，硬件采用單片機(MCU)為核心單元，配以光纖以太網接口(也可采用無線以太網模塊)，以MCU的自帶GPIO為基礎，功能化配置如數字量IO接口模板、模擬量IO接口模板、正交編碼器輸入接口模板等多種功能模板或復合功能模板， 或者由客戶按控制對象定制的功能模板；軟件上除集成通信所用基礎協議TCP/IP協議和互聯消息郵箱功能外，還可按用戶編程習慣集成符合IEC61131-3編程的軟PLC內核，Java 運行核，BASIC運行核，或直接用C或匯編代碼寫功能軟件。這樣IPFB功能模塊在面對點數少，控制簡單的機械和運用時基本上和單片機，單板機幾乎沒有區別，而且，對于傳統PLC 用戶來說，使用IPFB同樣可采用梯形圖(LD)，語句表(IL)，功能塊圖(FBD)等IEC61131-3 編程方式，得到與單片機控制一樣性價比的控制方案。同時，采用互聯型可編程控制功能塊的用戶也可很容易地將這個功能塊連入工廠信息自動化系統或互聯網中。互聯型控制系統(ICS)，是由多個IPFB通過以太網互聯形成的系統。但由于自動化控制尤其是工業自動化控制場合電磁環境復雜，很多處于強電磁干擾環境，所以本方案主要采用光纖作為以太網通信的物理通道，輔以無線以太網連接以滿足不同的需求。采用光纖主要有兩個好處，一是避免電磁干擾，二是光纖組網既可采用星型連接又可采用令牌環網結構，組網方式十分靈活。使用光纖并非本系統獨有，不論是現在高端的PLC系統還是 DCS系統，包括近年來新出現的PAC、PCC等加入許多新技術新概念的控制器都有光纖網絡結構的運用。互聯型控制系統與這些現有控制系統的最大區別在于該系統中并不存在集中處理的CPU單元(沒有主控器)。互聯型控制系統既不像傳統集中IO的系統需要大把電纜連接設備各處的傳感器和執行元件，也不同于現場總線系統把分布式IO信息傳給CPU，由 CPU計算后再通過現場總線傳回分布式10。互聯型控制系統的基本單元是互聯型可編程功能模塊，每個功能模塊既有CPU計算單元又有10，同時也具備通信功能。單個模塊可完成一種或幾種簡單功能，多個模塊組合即可完成復雜功能。每個功能模塊都能獨立工作，所以在互聯控制系統中并不存在用于過程控制或順序控制的集中處理單元，每個模塊間也不存在主從關系，也就沒有主控器了。在互聯型控制系統中各功能模塊是獨立對等的關系，以服務和客戶模式協同工作，或者說每個功能模塊間是互為服務端和客戶端。所以互聯型控制系統的技術特征就是互聯。在ICS系統中，IPFB可分布于控制現場各處，與傳統擁有主控器的集成控制相比減少布線。ICS系統雖然采用分布控制，但區別于FCS、DCS系統，每個IPFB針對控制對象都是本地控制，沒有集中控制的主控單元，是分布運算與分布IO結合而成的控制系統。由于每個IPFB獨立控制，不再會出現由于傳統控制系統中的主控器故障而出現全系統故障的問題。ICS系統中各IPFB獨立控制，相互間通過信息傳遞驅動各功能運行，是典型的事件驅動型系統，而非傳統的時間驅動型系統。所以網絡中很少有各IO狀態和控制信號的實時數據傳遞，減少了對物理傳輸的帶寬需求，使得每個消息的發送和響應更加迅速，加快了系統的響應速度。由于ICS系統中IPFB是針對控制對象的軟硬件組合，所以就整個系統而言，各工藝段或各設備不需要了解其他工藝段或設備的具體控制實現的方法或結構，所以為整個系統的設計、改造、擴展提供了靈活而開放的結構。IPFB可按執行元件生產商和簡單功能機構生產商的需求模塊化組合，可滿足簡單機構和功能的運用，同時又可以聯入ICS系統中滿足生產設備，生產線，工藝流程等最終客戶的需求。由于ICS系統中IPFB只針對簡單的控制對象進行控制，所以IPFB里只需要簡單的循環或中斷嵌套就可以完成，操作系統(包括“實時多任務操作系統”)變得可有可無，而整個ICS系統卻是一個不折不扣的實時多任務系統，同一個時刻不同的IPFB在完成不同的任務。ICS減少了設備商對“實時多任務操作系統”投入成本，同時卻提供了一個完全的實時多任務系統。
權利要求
1.一種互聯型控制系統ICS，其特征在于采用開放的控制器和控制系統結構，以具體運用和功能為對象，將軟件中面對對象編程的思想擴展到控制器和控制系統中，針對控制對象，設計實現硬件模塊化組合，軟件功能化組合，通信開放化集合的互聯型控制系統ICS， 其核心單元為互聯型可編程功能模塊IPFB，硬件采用單片機MCU為核心單元，配以光纖以太網接口，以單片機MCU自帶的通用輸入/輸出GPIO為基礎，功能化配置如數字量IO接口模板、模擬量IO接口模板、正交編碼器輸入接口模板多種功能模板、復合功能模板，由客戶按控制對象定制的功能模板；軟件上除集成通信所用基礎協議TCP/IP協議和互聯消息郵箱功能外，還可按用戶編程習慣集成符合IEC61131-3編程的軟PLC內核，Java運行核， BASIC運行核，或直接用C或匯編代碼寫功能軟件；這樣IPFB功能模塊在面對點數少，控制簡單的機械和運用時基本上和單片機，單板機幾乎沒有區別；采用互聯型可編程控制功能塊的用戶可很容易地將這個功能塊連入工廠信息自動化系統或互聯網中；互聯型控制系統ICS是由多個IPFB通過以太網互聯形成的系統；IPFB可分布于控制現場各處，主要采用光纖作為以太網通信的物理通道，輔以無線以太網連接以滿足不同的需求；互聯型控制系統既不像傳統集中IO的系統需要大把電纜連接設備各處的傳感器和執行元件，也不同于現場總線系統把分布式IO信息傳給CPU，由CPU計算后再通過現場總線傳回分布式IO ；互聯型控制系統的基本單元是互聯型可編程功能模塊，每個功能模塊既有 CPU計算單元又有10，同時也具備通信功能；單個模塊可完成一種或幾種簡單功能，多個模塊組合即可完成復雜功能；每個IPFB獨立控制，相互間通過信息傳遞驅動各功能運行，所以在互聯控制系統中并不存在用于過程控制或順序控制的集中處理單元，每個模塊間也不存在主從關系，沒有主控器；在互聯型控制系統中各功能模塊是獨立對等的關系，以服務和客戶模式協同工作，每個功能模塊間是互為服務端和客戶端。
2 根據權利要求1所述的一種互聯型控制系統ICS，其特征在于ICS系統采用分布控制，每個IPFB針對控制對象都是本地控制，沒有集中控制的主控單元，是分布運算與分布 IO結合而成的控制系統。
3.根據權利要求1所述的一種互聯型控制系統ICS，其特征在于ICS系統中IPFB是針對控制對象的軟硬件組合，IPFB可按執行元件生產商和簡單功能機構生產商的需求模塊化組合，可滿足簡單機構和功能的運用，同時又可以聯入ICS系統中滿足生產設備，生產線， 工藝流程等最終客戶的需求。
4.根據權利要求1所述的一種互聯型控制系統ICS，其特征在于ICS系統中每個IPFB 獨立工作，整個ICS系統是一個實時多任務系統，同一個時刻不同的IPFB在完成不同的任務。
全文摘要
本發明公開了一種針對控制對象，設計實現硬件模塊化組合，軟件功能化組合，通信開放化集合的一種互聯型控制系統ICS，采用開放的控制器和控制系統結構，以具體運用和功能為對象，將軟件中面對對象編程的思想擴展到控制器和控制系統中，針對控制對象，其核心單元為互聯型可編程功能模塊IPFB，硬件采用單片機MCU為核心單元，配以光纖以太網接口，以單片機MCU自帶的通用輸入/輸出GPIO為基礎，功能化配置如數字量IO接口模板、模擬量IO接口模板、正交編碼器輸入接口模板多種功能模板、復合功能模板，由客戶按控制對象定制的功能模板。
文檔編號G05B19/418GK102339046SQ20111019757
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月15日 優先權日2011年7月15日
發明者方舟 申請人:方舟