一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业控制及自动化技术领域，尤其涉及一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统。
【背景技术】
[0002]自从第三次科技革命以来，信息技术领域持续的蓬勃发展促进了各行各业的不断革新。在互联网技术主导的信息时代，受益于通信带宽和速率的不断增加，数据传输的瓶颈不断放宽，大量的信息化设备从原先相互孤立的状态通过网络互联而成为相互联系、共享信息并具有分布式协同工作能力的联合体。在这样的背景下，物联网、云计算、大数据等概念和相应技术应运而生。另一方面，由于信息化设备以处理数字化信息为主，因此数字信号处理、数据转换等技术也在不断地进步，并在视频/音频处理等领域获得了广泛的应用。然而，在工业控制技术领域，先进的信息技术还没有获得充分的借鉴和发挥，许多设备仍然处于孤立的工作状态，设备之间的数据交互方式和数据格式也没有获得较好的统一。这一缺陷使得工业控制系统内部难以形成数据交互反馈的闭环，且难以实现多个设备的协同运作，制约了生产效率的进一步提升。
[0003]为了加强设备之间的信息共享和有效利用、提升生产效率，有一些技术人员已经尝试将先进的信息技术应用于工业控制系统。申请号为201210249423.8，名称为《云数控系统》的专利提供了一种具有CAD/CAPP/CAM/CNC集成和协同配套装配等功能的云数控系统。申请号为201310096448.3，名称为《一种基于STEP-NC的智能数控系统》的专利使用STEP-NC标准作为数控系统各个相关装置之间通讯的数据格式，以克服CAD/CAM与CNC之间的数据交换瓶颈。申请号为201210106343.7，名称为《具有分布式运动规划的工业控制系统》的专利通过网络实现计算机与多个马达的运动规划器之间的任务协调。这些方案虽然实现了多个设备之间的互联，但也给各个设备带来了较多额外的工作量，没有对各个设备新增工作量进行分配规划，不利于一些小型终端机器或设备的功能和规模简化。
[0004]工业控制系统的设备间互连给大量数据的共享带来了便利，同时也带来了数据存储和转换的问题。为此，一些专利提供了工业控制系统数据的存储和读取方法。申请号为200910023473.2，名称为《一种适用于工业过程控制中的数据存储和读取方法》的专利提供了一种由矩阵型数据流存储工业过程控制数据的方法，然而该方法仅适用于数据量较小的场合。申请号为201010542716.6，名称为《时序数据实时高效线性压缩与解压缩方法》的专利提供了一种对工业控制系统所产生的数据进行滤波、压缩和解压缩的算法，以降低数据流量和存储空间消耗。然而该方法仅考虑了采集系统数据的应用场合，未考虑当工业控制系统需要实时利用数据执行任务的应用场合。
[0005]有鉴于日益成熟的视频/音频数字信号处理技术，以及不断提升的硬件存储和计算性能，本专利旨在开发一种基于编码器/播放器体系架构的工业控制系统，在保证较合理的存储空间消耗和带宽占用量的前提下，大大减少终端机器或设备的工作量，从而在简化终端机器或设备的同时实现设备的同步协调运作。
【发明内容】
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于编码器/播放器体系架构的工业控制系统，在保证较合理的存储空间消耗和通信带宽占用量的前提下，大大减少终端机器或设备的工作量，简化终端机器或设备并实现多个终端机器或设备的同步协调运作。
[0007]本发明的特征在于，服务器设备利用编码器将终端机器或设备的运动轨迹和逻辑控制信号序列分别转换成运动比特流和逻辑控制比特流(统称为比特流)，按照特定的编码方式进行编码和压缩存储。每个终端机器或设备作为一个客户端，从服务器端下载事先编码、压缩、存储的运动比特流与逻辑控制比特流文件，利用播放器对运动比特流和逻辑控制比特流进行播放。具体的播放工作为:对比特流进行解压缩、解码，获得各个运动轴的运动指令和各个装置的逻辑控制信号。编码器和播放器的关系如图1所示。
[0008]本发明的架构示意图如图2所示，一个服务器包含一个或多个针对不同客户端的编码器，而客户端则包含一个与服务器的某个编码器对应的播放器。服务器和客户端之间可通过以太网、USB、CAN总线等方式连接、由编码器向播放器传输运动比特流和逻辑控制比特流。终端机器或设备的同步协调运作通过以下方式实现:每个客户端(即每个终端机器或设备)通过对运动比特流进行解码和计算由该客户端控制的各个运动轴的运动指令，并通过对逻辑控制比特流进行解码以获得逻辑控制信号；在同一时刻，所有需要协同运作的客户端将运动指令发送至相应的运动轴的驱动装置中、将逻辑控制信号发送至客户端所要控制的装置中。编码器的工作本质上是对插补结果和逻辑控制信号的压缩，以减少对存储空间和带宽的占用。播放器的工作则是对压缩数据进行解压缩，以还原出原始信号。这与当今互联网行业中普遍运用的视频和音频的压缩/解压缩技术有相似之处。
[0009]在服务器中，每个编码器将其所对应的所有客户端的运动轨迹使用申请号为201210328234.X的专利所述的单位弧长增量法、或申请号为201410148051.9的专利所述的广义单位弧长法增量法等插补算法对运动轨迹曲线进行插补，即实现对运动轨迹的原子级数字化，以生成该编码器所对应的各个运动轴的一系列的位移增量。单位弧长增量法或广义单位弧长增量法插补算法可使得每步插补沿曲线轨迹运动一个脉冲当量(BLU)，而各轴位移增量的绝对值不大于一个脉冲当量(BLU)，只能是_1，0或+1BLU。这一特点使得单位弧长增量法和广义单位弧长增量法插补算法可以获得很高的插补精度，即实现进给轨迹的“原子级”插补精度，而且各轴位移增量的方向和距离值可以通过简单的二进制编码进行存储。一系列的位移增量按照插补顺序经过二进制编码后形成运动比特流。由于单位弧长增量法和广义单位弧长增量插补法的每步插补沿进给轨迹曲线的弧长参数增量恒为1BLU，有利于在播放器中通过调节单位时间内的步数即进给速率来调节运动速度。对于逻辑控制信号，可将每个I/O接口的状态作为一个比特位进行存储，也可将所有逻辑状态进行统一编号、并存储编号的二进制形式。
[0010]比特流可以存储于不同的存储装置中，视比特流数据量的大小而定。当数据量较小时，可以在服务器生成比特流后直接将其发送至客户端；当数据量较大时，可以先将比特流存储于服务器中，在客户端需要播放时再向服务器请求发送比特流；当数据量特别大时，可将比特流存储于云端，在客户端需要播放时再向云端服务器请求发送比特流。
[0011]客户端在接收到运动比特流后，在每个运动指令更新周期(一般为伺服周期)从运动比特流中取出一部分比特位(称为运动子比特流)进行解码，还原出该运动子比特流所对应的各轴位移增量(它是一步或多步脉冲增量插补法插补的叠加结果)，并发送至该客户端所控制的运动轴驱动装置中，由驱动装置驱动所对应运动轴执行动作。与此同时，客户端对接收到的逻辑控制比特流也进行解码，并生成逻辑控制信号发送至所要控制的装置。客户端作为终端机器或设备，可以是机床数控系统、机器人控制器、自动换刀系统控制器、PLC，或是其它具有运动或逻辑控制功能的设备。各个客户端的运动控制和逻辑控制在服务器的调度下协同运作，实现对工业系统的控制。
[0012]需要说明的是，每台设备在整个架构中的角色(是服务器还是客户端)不是固定不变的，“服务器/客户端”仅是一个相对的概念。例如，当设备A接收来自设备B的比特流并进行解码时，设备A是客户端、设备B是服务器；与此同时，若设备A对设备C的运动和逻辑控制进行编码、并向设备C发送比特流，则设备A是服务器、设备C是客户端。
[0013]与传统方法在终端机器或设备中同时执行进给速度控制和曲线轨迹逼近两项工作的方式不同，本发明将曲线轨迹逼近的工作交给服务器内的编码器离线执行，获得沿曲线运动轨迹的高精度运动比特流；将进给速度控制的工作交给客户端内的播放器执行，通过调节单位时间播放的步数及进给速率实现进给速度的控制。因此，本发明中的进给速度控制和曲线轨迹逼近是完全解耦的，有助于实现根据工艺过程来调节进给速度的功能，满足诸如电火花加工、线切割加工等进给速度取决于间隙放电状态的特殊工艺需求，也适用于切削加工中根据主轴功率、切削力、颤振等信号来在线优化进给速率的情形。由于工具进给轨迹的“原子级”高精度插补工作已经在服务器中完成，客户端不再需要执行对复杂轨迹的插补运算，因此客户端的功能可以大幅度简化，因此对终端机器或设备硬件系统的要求比传统架构的要求更低。
[0014]本发明采用了服务器/客户端式的架构，尤其适合于用以太网连接各个设备和功能模块的应用场合。每个服务器所连接的客户端(终端机器或设备)数量可以灵活调整，实现规模可伸缩的工业控制系统，适用于各类自动化生产线，有助于实现车间级的自动化。层次化的网络模型，使得物联网的接入变得更为简单，有利于在工业控制系统中应用云计算和大数据处理等现代信息技术，从而使得工