一种基于多点协作的工控采集控制系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于多点协作的工控采集控制系统及方法，交换机系统通过WIFI无线网络交换控制命令和节点状态等信息，针对复杂的多节点大系统可以有效地降低系统构建的复杂程度、提高系统稳态精度和鲁棒性，并且易于在线修改系统拓扑结构，并可以根据实际需要动态匹配、优化系统结构和控制性能。
【专利说明】一种基于多点协作的工控采集控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工控采集领域，尤其涉及一种基于多点协作的工控采集控制系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 传统的工控采集是在工业控制机或PC机上安装相应的数据采集设备，就地进行 数据采集及测量分析，是一种单机本地化的测量系统。随着社会技术的进步，工控采集需要 面对的采集节点越来越多，数据也越来越庞大，而工业局域网和internet的出现，使得通 过网络系统进行工控采集的控制成为可能，同时，多点协作（CoMP)技术的出现也为大量节 点间数据的传输或汇总提供了解决方案。
[0003] 但是，基于多点协作的工控采集并未大规模推广，其原因之一就是当需要进行数 据采集的节点数量过于庞大时，现有的集中式控制系统已不能适应控制要求。
[0004] 传统的控制系统自由度有限，一般由一个控制器控制有限多个驱动器和节点即可 满足要求，一般由一个控制器控制的节点数目小于8个，且控制系统结构固定，因此通常采 用有线连接方式进行系统测控信息传递。但随着控制系统复杂程度增加、部件增多，复杂系 统的控制轴数目可能非常多，甚至达到上百个，并且当控制系统的拓扑结构存在经常变动 的可能性时，传统控制系统很难适应上述要求，即使采用总线方式，其系统仍会过于复杂而 难以保证系统可靠性。
[0005] 而集中式的网络化控制结构可靠性高，但具有固定的网络结构使其不易扩展，并 且对网络带宽也有较高的要求。与之相反，采用多点协作网络控制结构而可方便扩展，控制 系统灵活性增强，对网络带宽的要求也有所降低。
[0006] "以太网控制自动化"作为一种高速高实时性的工业以太网协议技术，目前己成为 工控领域的主流，深入研究"以太网控制自动化"网络通信技术并将其引进控制系统并构建 新一代WIFI无线网络控制系统具有重要的研究意义和实用价值，但当前在多节点协作控 制系统中还未引入。
[0007] 为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种 WIFI无线网络下的基于多点协作的工控采集控制系统及方法，交换机系统通过WIFI无线 网络交换控制命令和节点状态等信息，针对复杂的多节点大系统可以有效地降低系统构建 的复杂程度、提高系统稳态精度和鲁棒性，并且易于在线修改系统拓扑结构，并可以根据实 际需要动态匹配、优化系统结构和控制性能。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0009] 根据本发明的实施方式，提出一种基于多点协作的工控采集控制系统，包括工控 机系统、交换机系统和工控采集系统，工控机系统分别通过控制独立的交换机系统，对各自 独立的工控采集系统进行驱动控制，工控采集系统包括节点和节点监测系统；所述交换机 系统和工控采集系统均按照多点协作进行配置和管理；
[0010] 其中，所述工控机系统通过WIFI无线网络与各交换机系统进行信息交换，每个交 换机系统皆由DSP模块、FPGA模块和"以太网控制自动化"接口依次串联组成信道系统，形 成DSP+FPGA的协作多点控制系统结构；"以太网控制自动化"接口辅助实现工控机系统与 交换机系统之间和各交换机系统相互之间的快速信息交换；工控机系统通过WIFI无线网 络分别与各交换机系统的"以太网控制自动化"接口信号连通，"以太网控制自动化"接口与 FPGA模块之间、FPGA模块与DSP模块之间的信息交换皆为双工模式，DSP模块与工控采集 系统直接进行信息交换，工控机系统发出的指令信息经过WIFI无线网络传递至各个交换 机系统的"以太网控制自动化"接口，"以太网控制自动化"接口将指令信息传递至FPGA模 块进行分析，在传递至DSP模块进行分析解释后，形成针对节点的启动暂停请求和任务的 控制信息，直接向工控采集系统发送，使节点实现所需的运转，或者使各个节点互相协调共 同完成数据采集，各节点监测系统将对应测量采集各个节点的实时运转信息向交换机系统 反馈信息，再依次经过DSP模块和FPGA模块，从"以太网控制自动化"接口通过WIFI无线 网络汇集反馈到工控机系统，工控机系统对反馈信息进行审核和判断，在工控机系统确认 错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环，或在工控机系统否认错误控制信息后发 送控制信息审核报告使各个交换机系统继续传递控制信息完成控制循环。
[0011] 根据本发明的另一实施方式，还提出一种基于多点协作的工控采集控制方法，包 括步骤：
[0012] S1、工控机系统启动后激活各个交换机系统，使各个交换机系统进入等待命令状 态；
[0013] S2、各个工控采集系统将节点的等待状态反馈至交换机系统，交换机系统再将获 得信息反馈至工控机系统和已连接的其他驱动系统，工控机系统处理并呈现、存储所获得 信息，交换机系统处理并选择性储存获得信息；
[0014] S3、当节点运转的目标控制方案由工控机系统规划成功后，工控机系统将各个节 点的控制信息通过WIFI无线网络再经由"以太网控制自动化"接口发送至各个交换机系 统，在交换机系统中，FPGA模块分析并分享获得的控制信息；
[0015] S4、当各个交换机系统中的FPGA模块分析显示控制信息完整、可靠后，FPGA模块 传达控制信息至所在交换机系统中的DSP模块，DSP模块分析解释控制信息后，直接向与之 连接的工控采集系统发送控制命令，使节点实现所需的运转，或者驱动各个节点共同完成 数据采集；
[0016] S5、当交换机系统中的FPGA模块分析显示控制信息不完整或错误后，FPGA模块通 过对应的"以太网控制自动化"接口经由WIFI无线网络向工控机系统发送控制信息报告， 并等待工控机系统给予确认或否认，在工控机系统确认错误控制信息后重新发送控制信息 重复控制循环；
[0017] S6、在工控机系统否认错误控制信息后，工控机系统经由WIFI无线网络，再通过 "以太网控制自动化"接口向对应的FPGA模块发送控制信息审核报告，继续传递控制信息完 成控制循环。
[0018] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0019] 1.易于组网，对于节点数量多、结构复杂的工控采集系统和拓扑结构变动频繁的 复杂协作多点控制系统，基于WIFI无线网络的实时控制系统易于实现，可以有效降低系统 构建的复杂程度，提高系统可靠性；
[0020] 2.运算迅速，实时性好，控制系统的各个部分之间均通过"以太网控制自动化"协 议工业标准以太网连接，该通讯技术在数据链路层采用了实时调度的软件核，并采用了过 程数据传输的独立通道，提高了整个控制系统的实时性，并且该通讯技术具有灵活的拓扑 结构选择；
[0021] 3.并行控制，协调性好，控制系统的各个驱动系统之间在进行高速信息交换的前 提下对各个负责的节点进行独立控制，这样既保证了独立控制过程中稳定性和有效性，又 充分发挥了各个驱动系统的实时控制作用实现更好更有效的协调运作；
[0022] 4.模块封装，互换性好，控制系统的各个部分可以相互通讯但是独立运行，当其中 的某个或者某些子控制系统失效或故障时不影响控制系统中其他子系统的正常运转。同 时，该互换性允许根据实际需要调整控制系统中子系统的性能与数量。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明 的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0024] 附图1示出了根据本发明实施方式的基于多点协作的工控采集控制系统结构图；
[0025] 附图2示出了根据本发明的一个实施方式的基于多点协作的工控采集控制方法 流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公 开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实 施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公 开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0027] 根据本发明的实施方式，如附图1所示，公开一种基于多点协作的工控采集控制 系统，所述系统包括工控机系统1、交换机系统2和工控采集系统3,工控机系统1分别通 过控制独立的交换机系统2,对各自独立的工控采集系统3进行驱动控制，工控采集系统3 包括节点和节点监测系统，所述交换机系统和工控采集系统均按照多点协作进行配置和管 理，工控机系统1通过WIFI无线网络与各交换机系统2进行信息交换，每个交换机系统2 皆由DSP模块5、FPGA模块4和"以太网控制自动化"接口 6依次串联组成信道系统和组成 的硬件平台和置于硬件平台上的软件部分，并形成DSP+FPGA的协作多点控制系统结构，"以 太网控制自动化"接口 6辅助实现工控机系统1与交换机系统2之间和各交换机系统2相 互之间的快速信息交换，工控机系统1通过WIFI无线网络分别与各交换机系统2的"以太 网控制自动化"接口 6信号连通，在独立的交换机系统2中，"以太网控制自动化"接口 6与 FPGA模块4之间、FPGA模块4与DSP模块5之间的信息交换皆为双工模式，DSP模块5与 工控采集系统3直接进行信息交换，工控机系统1发出的指令信息经过WIFI无线网络传递 至各个交换机系统2的"以太网控制自动化"接口 6, "以太网控制自动化"接口 6将指令信 息传递至FPGA模块4进行分析，在传递至DSP模块5进行分析解释后，形成针对节点的启 动暂停请求和任务的控制信息，直接向工控采集系统3发送，使节点实现所需的运转，或者 使各个节点互相协调共同完成数据采集，各节点监测系统将对应测量采集各个节点的实时 运转信息向交换机系统2反馈信息，再依次经过DSP模块5和FPGA模块4,从"以太网控制 自动化"接口 6通过WIFI无线网络汇集反馈到工控机系统1，工控机系统1对反馈信息进 行审核和判断，在工控机系统1确认错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环，或 在工控机系统1否认错误控制信息后发送控制信息审核报告使各个交换机系统2继续传递 控制信息完成控制循环。
[0028] 在本实施方式中，驱动系统使用WIFI无线网络和"以太网控制自动化"实时以太 网通讯协议作为信息交换途径。采用多点协作系统控制方法以确保各个控制单元之间、控 制单元和设备之间通讯的可靠性与实时性，并具备时间驱动机制和事件驱动机制等多种驱 动机制协同工作的特点。工控机系统1配备有便捷的输入终端和监视终端的高级人机接 口，工控机系统1可以通过WIFI无线网络连接至各个交换机系统2，工控机系统1可以直接 通过WIFI无线网络向各个交换机系统2发送控制命令、实时搜集反馈信息并整理处理获得 信息，工控机系统1直接通过WIFI无线网络与交换机系统2进行信息交换。在本实施方式 中，交换机系统2主要由DSP模块5和FPGA模块4组成，并包括多个用于WIFI无线网络连 接的"以太网控制自动化"接口 6 ;FPGA模块4主要负责与工控机系统之间进行信息交换， 实时收集并反馈各个交换机系统2之间的信息交换，以及进行与DSP模块5之间的信息交 换；DSP模块5主要负责与FPGA模块4的信息交换并直接向节点发送控制命令；DSP模块5 和FPGA模块4之间通过并口直接连接以实现高速信息交换。各个硬件都配有"以太网控制 自动化"接口 6并且相互之间通过工业标准以太网连接；"以太网控制自动化"接口 6可以 辅助实现工控机系统1与交换机系统2之间和各交换机系统2相互之间的快速信息交换。 节点与监测系统直接接收来自驱动系统中DSP的控制命令；工控采集系统3实时监测节点 的实际运转情况，并通过"以太网控制自动化"接口 6将获得信息实时反馈至所连接交换机 系统2。在本实施方式中，采用WIFI无线网络构建测控信息传递通道，并采用多点协作网 络控制结构构建多节点控制系统，可以降低控制系统硬件组成难度，而可方便扩展，控制 系统灵活性增强，使用多点协作WIFI无线网络控制结构成为控制系统的重要发展方向和 必然趋势。
[0029] 在本实施方式中，WIFI无线网络下的基于多点协作的工控采集控制系统采用性能 与稳定性兼备的高级工业计算机或控制器；在条件有限的情况下，使用一个带有标准网卡 的PC机或独立开发的控制器亦可。
[0030] 根据本发明的另一实施方式，还提出一种基于多点协作的工控采集控制方法，如 附图2所示，具体包括：
[0031] 工控机系统1启动后激活驱动系统2,各个交换机系统2进入等待命令状态，各个 工控采集系统3将节点的等待状态反馈至交换机系统2,交换机系统2将获得信息反馈至 工控机系统1和已连接的其他交换机系统2,工控机系统1处理并呈现、存储所获得信息， 交换机系统2处理并选择性储存获得信息；当目标控制方案由工控机系统1规划成功后，工 控机系统1将各个节点的控制信息通过"以太网控制自动化"接口 6连接实现的"以太网控 制自动化"工业标准以太网发送至各个交换机系统2,在交换机系统2中，FPGA模块4分析 并分享获得的控制信息至已连接的交换机系统2 ;当各个交换机系统2的FPGA模块4分析 显示控制信息完整、可靠后，各个FPGA模块4传达控制信息至所在交换机系统2的DSP模 块5, DSP模块5分析解释控制信息后直接向连接的工控采集系统3发送控制命令，使节点 实现所需的运转，各个节点共同完成数据采集；当各个交换机系统2的FPGA模块4分析显 示控制信息不完整或错误后，FPGA模块4通过"以太网控制自动化"工业标准以太网向工控 机系统1发送控制信息报告并等待工控机系统1给予确认或否认，在工控机系统1确认错 误控制信息后重新发送控制信息重复以上控制循环；工控机系统1否认错误控制信息后通 过"以太网控制自动化"工业标准以太网向各个交换机系统2发送控制信息审核报告使各 个FPGA模块4继续传递控制信息完成控制循环。
[0032] 具体地，在本实施方式中，WIFI无线网络下的多节点多点协作控制系统的交换机 系统2采用DSP+FPGA的形式，利用DSP具有软件的灵活性和FPGA具有硬件的高速性，DSP 作为主处理器，实现复杂的协作多点控制算法，而FPGA作为协处理器，主要实现协作多点 控制接口扩展和部分控制算法，其中，DSP选用TI公司定点型DSP TMS320F2812，FPGA选用 Altera公司的CYCLONE II EP2C8处理器，整个交换机系统2完成全部的协作多点控制功 能，包括脉冲量输出、模拟量输出、编码器信号输入、专用10和通用10。驱动系统利用德国 BECKH0FF公司的ET1100芯片设计"以太网控制自动化"工业标准以太网接口。
[0033] 在系统启动阶段，工控机系统1启动，并发出信号激活控制系统，各个交换机系统 2接收信号后进入等待命令状态，同时各个工控采集系统3将节点的等待状态反馈至交换 机系统2,交换机系统2将获得信息反馈至工控机系统1和已连接的其他驱动系统；在工控 机系统1端可以呈现启动状态时各个交换机系统2和节点的等待状态。
[0034] 在系统运行阶段，工控机系统1计算并规划控制方案，工控机系统1将各个节点的 控制信息通过ET1100发送至各个交换机系统2, CYCLONE II EP2C8分析并分享获得的控制 信息至已连接的交换机系统2, CYCLONE II EP2C8分析显示控制信息完整、可靠后传达控制 信息至所在交换机系统2的TMS320F2812, TMS320F2812分析解释控制信息后直接向连接的 工控采集系统3发送控制命令使节点实现所需的运转，或者各个节点共同完成数据采集。 CYCLONE II EP2C8分析显示控制信息不完整或错误后，通过ET1100向工控机系统1发送控 制信息报告并等待工控机系统1给予确认或否认，在工控机系统1确认错误控制信息后重 新发送控制信息重复以上控制循环；工控机系统1否认错误控制信息后通过"以太网控制 自动化"工业标准以太网向各个交换机系统2发送控制信息审核报告，使各个CYCLONE II EP2C8继续传递控制信息完成控制循环。
[0035] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范 围为准。
【权利要求】
1. 一种基于多点协作的工控采集控制系统，包括工控机系统、交换机系统和工控采集 系统，工控机系统分别通过控制独立的交换机系统，对各自独立的工控采集系统进行驱动 控制，工控采集系统包括节点和节点监测系统；所述交换机系统和工控采集系统均按照多 点协作进行配置和管理； 其中，所述工控机系统通过WIFI无线网络与各交换机系统进行信息交换，每个交换机 系统皆由DSP模块、FPGA模块和"以太网控制自动化"接口依次串联组成信道系统，形成 DSP+FPGA的协作多点控制系统结构；"以太网控制自动化"接口辅助实现工控机系统与交 换机系统之间和各交换机系统相互之间的快速信息交换；工控机系统通过WIFI无线网络 分别与各交换机系统的"以太网控制自动化"接口信号连通，"以太网控制自动化"接口与 FPGA模块之间、FPGA模块与DSP模块之间的信息交换皆为双工模式，DSP模块与工控采集 系统直接进行信息交换，工控机系统发出的指令信息经过WIFI无线网络传递至各个交换 机系统的"以太网控制自动化"接口，"以太网控制自动化"接口将指令信息传递至FPGA模 块进行分析，在传递至DSP模块进行分析解释后，形成针对节点的启动暂停请求和任务的 控制信息，直接向工控采集系统发送，使节点实现所需的运转，或者使各个节点互相协调共 同完成数据采集，各节点监测系统将对应测量采集各个节点的实时运转信息向交换机系统 反馈信息，再依次经过DSP模块和FPGA模块，从"以太网控制自动化"接口通过WIFI无线 网络汇集反馈到工控机系统，工控机系统对反馈信息进行审核和判断，在工控机系统确认 错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环，或在工控机系统否认错误控制信息后发 送控制信息审核报告使各个交换机系统继续传递控制信息完成控制循环。
2. -种如权利要求1所述的基于多点协作的工控采集控制系统执行的控制方法，包括 步骤： 51、 工控机系统启动后激活各个交换机系统，使各个交换机系统进入等待命令状态； 52、 各个工控采集系统将节点的等待状态反馈至交换机系统，交换机系统再将获得信 息反馈至工控机系统和已连接的其他驱动系统，工控机系统处理并呈现、存储所获得信息， 交换机系统处理并选择性储存获得信息； 53、 当节点运转的目标控制方案由工控机系统规划成功后，工控机系统将各个节点的 控制信息通过WIFI无线网络再经由"以太网控制自动化"接口发送至各个交换机系统，在 交换机系统中，FPGA模块分析并分享获得的控制信息； 54、 当各个交换机系统中的FPGA模块分析显示控制信息完整、可靠后，FPGA模块传达 控制信息至所在交换机系统中的DSP模块，DSP模块分析解释控制信息后，直接向与之连接 的工控采集系统发送控制命令，使节点实现所需的运转，或者驱动各个节点共同完成数据 米集； 55、 当交换机系统中的FPGA模块分析显示控制信息不完整或错误后，FPGA模块通过对 应的"以太网控制自动化"接口经由WIFI无线网络向工控机系统发送控制信息报告，并等 待工控机系统给予确认或否认，在工控机系统确认错误控制信息后重新发送控制信息重复 控制循环； 56、 在工控机系统否认错误控制信息后，工控机系统经由WIFI无线网络，再通过"以太 网控制自动化"接口向对应的FPGA模块发送控制信息审核报告，继续传递控制信息完成控 制循环。
【文档编号】G05B19/418GK104155955SQ201410406331
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】郭阳斌, 经锋, 郭阳勇, 李晓龙, 刘小平 申请人:成都联星微电子有限公司