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CN108427384A - 用于流体控制系统的控制系统网络体系结构 - Google Patents

用于流体控制系统的控制系统网络体系结构 Download PDF

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CN108427384A CN201810151014.1A CN201810151014A CN108427384A CN 108427384 A CN108427384 A CN 108427384A CN 201810151014 A CN201810151014 A CN 201810151014A CN 108427384 A CN108427384 A CN 108427384A
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Abstract

本公开描述了一种用于例如液压或气动控制系统等流体控制系统的控制系统网络体系结构。所述体系结构包括多个集群控制组件节点，其中每个节点可替代地配置成独立地控制多个单动式受控制端点装置或双动式受控制端点装置的操作。每个节点包括控制组件，所述控制组件包含螺线管、可由所述螺线管独立控制的多个阀槽，以及可操作以控制所述螺线管的低级别控制器。将所述螺线管、阀槽和低级别控制器作为一个单元集群到一起且在物理上共置。所述节点布置于控制块中，其中每个节点都是可唯一识别的，用于通过数据通信网络进行数据通信。所述数据通信网络可包括控制器局域网(CAN)。多个控制块可配备有通信模块，并连结来在控制块之间进行数据通信。

Description

用于流体控制系统的控制系统网络体系结构
技术领域
本发明大体上涉及控制系统的领域，且更具体地说，涉及用于例如液压或气动控制系统等流体控制系统的控制系统网络体系结构。
背景技术
当今，车辆、重型设备或其它应用中的许多液压与气动系统的操作受使用控制器局域网(Controller Area Network，CAN)的控制系统控制，CAN具有集中式或分散式体系结构。在集中式控制器局域网(CAN)体系结构中，液压或气动系统的中央控制器通过人机界面(human machine interface，HMI)装置向操作者呈现信息并从操作者接收输入信息。中央控制器还接收呈由定位于系统的战略位置中的各种传感器收集的数据形式的输入信息。在由中央控制器执行的软件的控制下起作用并使用输入信息的情况下，中央控制器通过控制器局域网(CAN)将适当的模拟信号传达给螺线管、开关和连接到或与受控制系统部件集成的类似装置，所述系统部件例如阀、泵和其它受控制组件。举例来说，在接收到例如表示操纵杆移动的数据等适当输入信息之后，中央控制器可向阀的螺线管传达模拟信号，从而视需要引起阀的操作来操作例如扩展或收缩液压缸等单个服务，或引起液压马达的旋转。
不利的是，在集中式控制器局域网(CAN)体系结构中，大量布线对于电连接中央控制器与人机界面(HMI)装置、传感器和受控制组件是必需的。此布线的成本取决于数个因素(至少包含导线的长度、所需导线保护和布线难度)，并可能是极昂贵的。而且，因为布线是广泛的，所以其易受布线错误(例如但不限于将导线连接到错误的组件)影响并提供大量可能的故障位置。此外，因为中央控制器与受控制组件通常并不一起装配和测试，直到最后装配于它们用于/一起使用的机器、装置或系统上/中为止，所以必须在液压或气动系统的最后装配期间进行最终校准和调整(包含但不限于建立跳转电流以及设定限度和整形特性)。
相比于集中式控制器局域网(CAN)体系结构，在分散式控制器局域网(CAN)体系结构中，系统控制和通信能力分布且定位于受控制组件处。受控制组件各自具有可在控制器局域网(CAN)上通信的本地控制器。控制软件由本地控制器执行，且信号从本地控制器输出到螺线管、开关和受控制组件的类似装置，以引起此类装置的因此和受控制组件的适当操作。因为在本地执行控制软件，所以可在具有受控制组件作为其一部分的液压系统的最后装配之前执行校准，由此使受控制组件“准备运转”并需要极少装配后校准，前提是需要此校准。而且，由于本地控制器的共置和与本地传感器的接近，受控制组件一般具有更大的软件可配置性且最小化布线，由此显著地降低布线成本并降低潜在故障发生的位置的数目。虽然分散式控制器局域网(CAN)体系结构提供此类益处，但是使用体系结构受与每个受控制组件相关联的成本困扰，所述受控制组件具有其自身的电子装置，包含配置有数字信号处理器的印制线路板组合件、控制器局域网(CAN)通信硬件、电流驱动器、可能还有传感器。
因此，在行业中需要一种用于控制液压、气动和其它系统的操作的网络体系结构，其它系统提供增强的本地控制、最小校准和类似于分散式控制器局域网(CAN)体系结构的减少的布线，最小化类似于集中式控制器局域网(CAN)体系结构的受控制组件的成本，并解决当前控制器局域网(CAN)体系结构的这些和其它问题、难题、不足或缺点。
发明内容
大致地说，本发明包括一种用于流体控制系统的控制系统网络体系结构，包含设备和方法，所述流体控制系统例如但不限于液压或气动控制系统。在一个发明性方面中，所述控制系统网络体系结构包括多个集群控制组件节点，其中每个节点可任选地配置成独立地控制多个单动式受控制端点装置或双动式受控制端点装置的操作。在另一发明性方面中，所述控制系统网络体系结构包括集群控制组件节点，所述节点包含可由本地低级别控制器独立控制的多个阀槽。在再一发明性方面中，所述控制系统网络体系结构包括螺线管、可由所述螺线管独立控制的多个阀槽，以及可操作以控制所述螺线管的本地低级别控制器，将所述螺线管、所述阀槽和所述控制器作为一个单元集群或分组在一起且在物理上共置。在再一发明性方面中，所述控制系统网络体系结构包括布置在一起的多个集群控制组件，其中每个节点都是可唯一识别的，用于通过数据通信网络传达数据。在又一发明性方面中，所述数据通信网络包括控制器局域网(CAN)。
在结合附图读取和理解本说明书之后，本发明的其它发明性方面、优点和益处可即刻变得显而易见。
附图说明
图1显示根据本发明的第一实例实施例的用于流体控制系统的控制系统网络体系结构的框图表示。
图2显示图1的控制系统网络体系结构的集群控制组件节点的框图表示。
图3显示根据本发明的第二实例实施例的用于流体控制系统的控制系统网络体系结构的框图表示。
具体实施方式
现参考图式，在图式中在整个若干视图中类似元件由类似标号标识，图1显示根据本发明的第一实例实施例的用于流体控制系统中的控制系统网络体系结构100的框图视图，流体控制系统例如但不限于液压控制系统、气动控制系统和其它控制系统。控制系统网络体系结构100(在本文中有时还被称作“体系结构100”)可用于多种流体控制系统中/与多种流体控制系统一起使用以控制将适当流体递送并分布给各种受控制端点装置102。如本文所使用，术语“流体”意味并指代不可压缩流体或可压缩流体(例如但不限于液压流体、油、空气和水)，其以可控方式递送或分布给响应于接收到此类流体而操作的受控制端点装置102。而且，如本文所使用，术语“受控制端点装置102”意味并指代致动器、马达和响应于接收到流体而平移、旋转移动、或以其它方式操作的其它装置。因此，作为实例而非限制，控制系统体系结构100可在一个实例实施例中与液压控制系统一起使用，例如存在于重型设备中的那些液压控制系统，通过液压控制系统将经加压液压流体或油可控地递送给液压致动器、马达或其它受控制端点装置102。在另一实例实施例中，控制系统体系结构100可与气动控制系统一起使用，例如存在于工业制造设施中的那些液压控制系统，通过气动控制系统将压缩空气可控地递送给气动驱动器、马达或其它受控制端点装置102。但是，应了解并理解，虽然可本文中参考液压或气动控制系统描述体系结构100，但是体系结构100还可用于其它流体控制系统中。
控制系统网络体系结构100包括多个集群控制组件节点104，组件节点104各自能够独立地控制将流体递送或分布给一个或多个受控制端点装置102，这取决于使用体系结构100的特定应用。集群控制组件节点104在多个控制块106中布置或分组在一起，控制块106通常(但非强制性地)接近由集群控制组件节点104服务的相应受控制端点装置102而定位。每个控制块106大体上包含以通信方式互连(通过例如但不限于菊链)来在块的所有集群控制组件节点104之间传达数据消息的多个集群控制组件节点104。取决于体系结构100的特定应用，每个控制块106可还包含通信模块108，通信模块108用来通过数据通信网络112(下文描述)与控制块108和/或高级别控制器110(下文描述)传达数据消息。替代地，物理上彼此接近的控制块106可以通信方式连接，用于通过将此类控制块106菊链到一起来在其之间传达数据消息，而不使用通信模块108。控制块106之间或控制块106与高级别控制器110之间所传达的数据消息大体上包含但不限于表示并标识集群控制组件节点104的数据、操作模式、流体传递需求、或对特定数据的请求。
如图1中所见且根据第一实例实施例，控制系统网络体系结构100还包括高级别控制器110和数据通信网络112，网络112将控制块106(因此和集群控制组件节点104)以通信方式连接到高级别控制器110和在控制器110与网络112之间传达数据消息的其它控制块106。在第二实例实施例中，高级别控制器110可以通信方式与集群控制组件节点104直接连接(见图3)来在所述节点之间传达数据消息。高级别控制器110配置有电子电路，所述电子电路适于执行软件并在此类软件的控制下操作以从人机界面(HMI)装置、和其它组件接收输入，适于至少部分基于此类输入而产生数据消息，并适于根据需要而将数据消息传达给适当的控制块106和/或集群控制组件节点104以引起受控制端点装置102的所期望操作。
根据本文中所描述的第一实例实施例且如图1中所说明，数据通信网络112包括控制器局域网(CAN)。多个控制块106中的第一控制块106A配置有具有电子电路的通信模块108A，且通信模块108A可能具有软件，所述软件使通信模块108A能够与高级别控制器110传达数据消息，并操作为高级别控制器110与多个控制块106中的其它控制块106B、106C之间的通信网关。通信模块108A还能够在固定长度格式与可变长度格式之间转换数据消息，这取决于正与高级别控制器110还是与第一控制块106A的集群控制组件节点104A或控制块106B、106C的集群控制组件节点104B、104C传达数据消息。通信模块108A连接到高级别控制器110来通过数据通信网络112的通信链路114A进行通信。
根据本文中所描述的第一实例实施例，多个控制块106的第二控制块106B和第三控制块106C配置有具有电子电路并可能具有软件的通信模块108B、108C，由此使通信模块108B、108C能够与第一控制块106A的通信模块108A传达数据消息。通信模块108B、108C通过通信链路114B、114C通信连接到通信模块108A。通信模块108B、108C适于仅仅用作转发器，接收并转播数据消息而不修改数据消息的内容。通常，第一控制块106A与高级别控制器110之间传达的数据消息包括可变长度数据消息，而控制块106A、106B、106C之间传达的数据消息包括固定长度数据消息。应了解并理解，虽然上文已参考三(3)个控制块106描述了体系结构100，但是体系结构100可在其它实例实施例中包括更多或更少控制块。
根据实例实施例，通信模块108、通信链路114以及固定长度和可变长度数据消息两者全部配置成操作，或视具体情况根据控制器局域网(CAN)规范和协议而格式化。因而，通信链路114大体上包括具有数个导体、连接器配置和适合于控制器局域网(CAN)的电压电平的有线电缆。但是，应了解并理解，通信模块108、通信链路114以及固定和可变长度数据消息可根据其它通信网络规范和协议而配置或格式化，包含但不限于无线通信网络规范和协议。
如上文简要地描述，控制块106的集群控制组件节点104各自能够独立地控制将流体递送或分布给一个或多个受控制端点装置102，这取决于使用体系结构100的特定控制系统应用。更具体地说，替代地，每个集群控制组件节点104可操作以控制双动式受控制端点装置102(包含但不限于双动式液压或气动缸致动器)、两个单动式受控制端点装置102(包含但不限于单动式液压或气动缸致动器)或两个回转受控制端点装置102(包含但不限于两个液压或气动马达)。每个集群控制组件节点104包括共置的多个集群控制组件116，控制组件116包含低级别控制器118、阀螺线管120和多个阀槽122。在一些实例实施例中，阀螺线管120可包括导阀的用来控制多个阀槽122的部分。在其它实例实施例中，阀螺线管120和多个阀槽122可包括直动阀的部分。在某些实例实施例中，每个集群控制组件节点104可进一步包括一个或多个液压传感器124和一个或多个阀槽位置传感器126。当存在时，液压传感器124和阀槽位置传感器126电连接到低级别控制器118。液压传感器用来测量各位置处(例如但不限于导阀入口和出口端处、阀槽122入口和出口端处和供料箱或储集器处)的流体压力，并在操作期间为低级别控制器118提供表示此类压力的数据。如果存在，那么阀槽位置传感器126用来确定阀槽122的位置并在操作期间为低级别控制器118提供对应于此类位置的数据。可使用阀槽122的位置来计算流体流动速率。
每个集群控制组件节点104的低级别控制器118配置成响应于从高级别控制器110接收到数据消息并从液压传感器124和阀槽位置传感器126(如果存在)接收到数据或信号而在本地控制其它集群控制组件116的操作。低级别控制器118具有电子电路，并可能具有由此类电子电路的处理装置(例如但不限于数字信号处理器、微处理器、微控制器或类似装置)执行的使集群控制组件节点104能够执行以下操作的软件或固件：通过控制块的通信模块108或如第一实例实施例中的控制块106之间的菊链，或通过如第二实例实施例中的与高级别控制器110的直接通信连接，从高级别控制器110或其它控制块106接收数据消息；通过控制块的通信模块108或如第一实例实施例中的控制块106之间的菊链，或通过如第二实例实施例中的与高级别控制器110的直接通信连接，产生并将数据消息发送给高级别控制器110；识别适用于集群控制组件节点104的所接收数据消息的内容；解析并解译所接收数据消息的适用内容；从液压传感器124或阀槽位置传感器126接收数据或信号(如果存在)；和视具体情况，产生并将电信号发送给导阀或直动阀的螺线管120，以便控制导阀或直动阀的操作和阀槽122的后续移动，以在适当时将流体流动导向到一个或多个受控制端点装置102并可能导向来自受控制端点装置102的流体流动，受控制端点装置102耦合到并用于与阀槽122流体联通。
每个集群控制组件节点104的螺线管120适于响应于从低级别控制器118接收到电信号而引起阀槽122的适当操作。螺线管120电连接到低级别控制器118来接收此类电信号。如果螺线管120在体系结构100的特定应用中体现为导阀的部分，那么导阀还流体连接到阀槽122来在导阀与阀槽122中的每一个之间使流体流动。响应于从低级别控制器118接收到电信号，对导阀的螺线管120供能或断电，由此移动导阀的提升阀或线轴并致使导向流体被供应给阀槽122或从阀槽122传回。替代地，如果螺线管120在体系结构100的特定应用中体现为直动阀的部分，那么响应于从低级别控制器118接收到电信号而对直动阀的螺线管120供能或断电，从而引起直动阀的阀槽122的适当移动。
每个集群控制组件节点104的阀槽122适于引起以下操作：响应于螺线管120的操作而将工作流体递送给受控制端点装置102或传回来自受控制端点装置102的工作流体，由此引起受控制端点装置102的所期望操作。每个阀槽122可流体连接到双动式受控制端点装置102(包含但不限于双动式液压或气动缸致动器)、两个单动式受控制端点装置102(包含但不限于单动式液压或气动缸致动器)或两个回转受控制端点装置102(包含但不限于两个液压或气动马达)。
因为每个集群控制组件节点104包括集群控制组件，所述集群控制组件包含至少两个阀槽122、螺线管120和配置成控制螺线管120的因此和多个阀槽122的操作的低级别控制器118，所以每个集群控制组件节点104适于控制由一个或多个受控制端点装置102需要的多个功能或服务。此集群允许跨越或在若干液压或气动受控制端点装置102当中分布低级别控制器118的成本，从而极大地降低集中式与分散式体系结构之间的总体成本差值。而且，此集群允许在已加工机器、装置或系统上最后装配液压或气动系统组件之前执行校准，由此最小化装配后校准。此外，此集群允许更大的软件可配置性并减小布线的量，由此降低可能的故障位置的数目并提高系统可靠性。应了解并理解，虽然控制系统网络体系结构100的所描述实例实施例包含各自具有螺线管120和多个阀槽122的集群控制组件节点104，但是每个集群控制组件节点104可包含多个螺线管120，其中每个螺线管120控制一个或多个阀槽122，由此使得控制块106的每个集群控制组件节点104能够服务增大数量的单动式受控制端点装置102和双动式受控制端点装置，同时跨越甚至更大数量的受控制端点装置102分布低级别控制器118的成本，并进一步减小布线的量并因此减小可能的故障位置的数目。
虽然已相对于本发明的实例实施例在上文详细地描述了本发明，但是应了解，可在本发明的精神和范围内进行变化和修改。

Claims (15)

1.一种用于流体控制系统的控制系统网络体系结构，所述控制系统网络体系结构包括：
多个节点，所述多个节点适于控制向多个受控制端点装置的流体流动，其中所述多个节点中的每个节点可配置成独立地控制向多个单动式受控制端点装置或向双动式受控制端点装置的流体流动。
2.根据权利要求1所述的控制系统网络体系结构，其中所述多个节点中的每个节点包括螺线管、可由所述螺线管独立控制的一个或多个阀槽，以及可操作以控制所述螺线管的本地控制器。
3.根据权利要求2所述的控制系统网络体系结构，其中所述螺线管、所述一个或多个阀槽和所述本地控制器在物理上共置。
4.根据权利要求2所述的控制系统网络体系结构，其中所述螺线管体现于导阀中或直动阀中。
5.根据权利要求1所述的控制系统网络体系结构，其中所述多个节点中的每个节点都是可唯一识别的，用于通过数据通信网络传达数据。
6.根据权利要求5所述的控制系统网络体系结构，其中所述多个节点中的每个节点是菊链式的，用于与所述多个节点中的其它节点进行数据通信。
7.根据权利要求5所述的控制系统网络体系结构，其中所述多个节点中的每个节点是可独立寻址的，用于进行数据通信。
8.根据权利要求5所述的控制系统网络体系结构，其中所述多个节点中的第一组节点在控制块中在物理上布置在一起，且其中所述控制块包括用于传达数据消息的通信模块；
其中所述通信模块配置成操作为通信网关，以用于向所述控制块传达数据消息以及传达来自所述控制块的数据消息。
9.根据权利要求8所述的控制系统网络体系结构，其中所述通信模块配置成在可变长度格式与固定长度格式之间转换数据消息，且操作为用于接收并转播数据消息的转发器。
10.根据权利要求8所述的控制系统网络体系结构，其中所述控制块包括第一控制块，其中所述多个节点中的第二组节点在第二控制块中在物理上布置在一起，其中所述第二控制块包括用于传达数据消息的通信模块，且其中所述第一控制块的所述通信模块和所述第二控制块的所述通信模块用来在所述第一控制块与所述第二控制块之间传达数据消息。
11.一种用于流体控制系统的控制系统网络体系结构，所述控制系统网络体系结构包括：
节点，所述节点适于控制向至少一个受控制端点装置的流体流动，其中所述节点包括：
一个或多个阀槽，每个阀槽可流体连接到单动式受控制端点装置，用于将流体供应给所述单动式受控制端点装置；
螺线管，所述螺线管可操作以控制所述一个或多个阀槽的位置；以及
控制器，所述控制器适于控制所述螺线管的操作；
其中所述一个或多个阀槽、所述螺线管和所述控制器共置到一起；以及
数据通信网络，所述数据通信网络配置成向所述节点传达数据消息。
12.根据权利要求11所述的控制系统网络体系结构，其中所述流体包括液压流体或压缩空气。
13.根据权利要求11所述的控制系统网络体系结构，其中所述一个或多个阀槽中的一对阀槽可流体连接到双动式受控制端点装置，用于将流体供应给所述双动式受控制端点装置。
14.根据权利要求11所述的控制系统网络体系结构，其中所述节点包括第一节点，且所述控制系统网络体系结构进一步包括在控制块中分组在一起的多个节点。
15.根据权利要求14所述的控制系统网络体系结构，其中所述控制块包括通信模块，所述通信模块适于向所述多个节点中的所述节点传达数据消息以及传达来自所述节点的数据消息。
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