CN101639694A - 一种基于epa标准的控制系统及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于EPA标准的控制系统及其管理方法，属于工业自动化控制技术领域，控制系统包括主控制器、扩展设备、工程师站和操作员站四部分。工程师站利用EPA标准与主控制器通信，根据设备连接关系和系统功能要求对系统进行管理，使用功能块组态模块对主控制器和扩展设备按用户需要编写程序。控制系统运行后，操作员站通过与主控制器连接后进入操作界面，可按照操作界面进行整个控制系统的操作。本控制系统及管理方法采用EPA标准作为主要通讯标准，可实现同支持标准Modbus协议的设备连接，扩展了EPA标准的应用范围，实现系统的全分布式控制，降低了集中控制的风险。

Description

一种基于EPA标准的控制系统及其管理方法

技术领域

本发明涉及属于工业自动化控制技术领域，提供了一种自动化控制系统及其管理方法。

背景技术

随着近年来工业自动化控制系统的进一步发展，网络化、智能化、集成化是未来工业自动化控制系统的发展趋势。EPA(Ethernet for Plant Automation)标准作为我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准，主要用于全分布式控制系统，解决了以太网用于工业现场设备间通信的确定性和实时性、网络供电、互可操作、网络安全、可靠性与抗干扰等关键性技术，符合工业自动化控制系统发展的要求。然而，将基于EPA标准的控制系统实际应用于现场时，存在以下两个方面的问题：

第一，EPA标准与其它国际标准相比，一个关键的弱点是相应的产品种类不多，在工业控制系统上的应用较少，同时作为一种全新的标准，它只定义了基于以太网的通讯协议标准，而目前工业现场存在着大量以串行通讯为主的设备，应用时无法实现基于EPA标准的设备同这些设备的互联，也没有规定通过串口实现系统分布式管理的方法。

第二，从控制系统的结构来说，当前大多数的自动化控制系统一般都是由主控制器和扩展设备组成，主控制器只有一个，负责所有的控制功能，扩展设备可以为多个，负责I/O输入输出功能，数量可根据控制系统的大小和功能进行选择，不参与系统的控制。而大部分的主控制器只能与自己生产的扩展设备相连，如果系统中扩展设备还要用到其他厂家的产品，接口不同则不能连接，或者是接口相同且主控制器支持编程时才能通过编写较复杂的程序实现互联，操作起来比较繁琐，有时甚至会影响到整个系统的性能，并且主控制器完成了所有的控制功能，扩展设备只提供I/O接口，主控制器宕机后整个系统就会陷入瘫痪状态，集中控制的风险较大。

发明内容

本发明提供了一种自动化控制系统及其管理方法，以基于EPA标准的以太网为主干网络，通过标准Modbus协议扩展系统功能，将控制任务进行分散化，达到系统的分布式控制。

本发明采用的技术方案是：此控制系统包括主控制器、扩展设备、工程师站和操作员站四部分。

主控制器主要由单片机、以太网通讯接口、串行RS485通讯接口、数字量输入输出接口和模拟量输入输出接口组成，单片机负责主控制器内的命令和数据处理，以太网通讯接口与工程师站和操作员站连接，串行RS485接口与扩展设备连接，数字量输入输出接口和模拟量输入输出接口分别与所控对象连接。

扩展设备由内部扩展设备和其他扩展设备组成，均具备RS485通讯接口和输入输出接口，内部扩展设备可通过固定Modbus协议与主控制器通讯，其他扩展设备通过配置标准Modbus协议与主控制器通讯，扩展设备各自的输入输出接口分别与所控对象连接。

工程师站由设备管理模块、通信服务模块和功能块组态模块组成。设备管理模块负责主控制器与扩展设备之间的连接关系管理，分为设备上线处理模块、参数配置查询模块和从设备管理模块三部分；通信服务模块负责工程师站与主控制器的通讯；功能块组态模块负责主控制器和内部扩展设备的控制程序生成、编译和上下载。

操作员站负责用户对系统的操作控制。

工程师站和操作员站通过以太网接口与主控制器连接，主控制器和扩展设备通过RS485连接，设备输入输出接口与各自的所控对象连接。

控制系统管理方法如下：

首先工程师站利用EPA标准通过通信服务模块与主控制器通信，获取主控制器与扩展设备的连接关系信息，然后根据设备连接关系和系统功能要求使用功能块组态模块对主控制器和扩展设备按用户需要进行编写程序，并将程序下载至主控制器和扩展设备中，对扩展设备采用转发通讯方式下载。下载完成后系统按照功能块组态模块实现的逻辑功能运行，控制系统运行后，主从设备按照用户需求进行数据交换。操作员站与主控制器连接后进入操作界面，通过数据显示功能将采集的数据按照需求进行显示，并可按照操作界面进行整个控制系统的操作。

工程师站使用上、下线机制管理主控制器设备，通过被动接收控制系统中主控制器发送的EPA设备声明报文来解析报文判断设备类型、当前状态等信息或主动发送设备查询是否在线命令报文，判断设备是否上线，设备上线后才能对主控制器进行操作。工程师站提供系统参数查询和修改接口，分为系统运行状态、主控制器配置信息、扩展设备配置信息、寄存器实时数据信息接口，完成对控制系统的参数配置和实施监控。

主控制器通过编号使用上、下线机制对扩展设备进行智能化管理，通讯支持标准ModbusRTU和Modbus ASCII协议。主控制器支持的从设备分为两种，一种是支持标准Modbus协议的扩展设备，此类设备需要按照映射寄存器的需求进行参数配置，不支持转发编程处理，另一种是内部扩展设备，根据配置的设备类型可以自动映射扩展设备资源到主设备，支持转发编程处理，可以由工程师站进行统一处理，二者独立负责控制系统内的控制功能，互不影响。主控制器依据扩展设备扫描上线和标准Modbus的变量寻址规范定义了5种配置参数：公共参数、模拟量输入参数、模拟量输出参数、数字量输入参数和数字量输出参数，并在主控制器内为扩展设备分配数据映射寄存器，用于存储对扩展设备的读写交换数据，主控制器也可利用编写串行通讯指令扩展寄存器读写数量，提高主控制器和扩展设备之间的数据交换能力。公共参数主要包含扩展设备的地址、当前模式、设备类型、通讯协议、扫描命令和扫描周期，为主从设备通讯的基本信息。模拟量输入输出参数、数字量输入输出参数主要包含功能号、通道数量、命令数量、通道参数和命令参数，为映射标准Modbus协议的通讯参数，主控制器使用配置参数组合通讯命令来与扩展设备进行数据交换。

操作员站和工程师站使用Modbus协议、EPA标准协议、Modbus TCP协议和转发通讯服务协议与系统连接通讯。Modbus协议通过串口为控制系统用户操作提供通讯服务，负责将控制系统的资源开放给用户，供用户存取使用，对系统进行控制。EPA标准协议负责工程师站和主控制器之间以及不同主控制器之间的通讯服务，实现工程师站和主控制器之间以及多个主控制器之间的数据交换。Modbus TCP为操作员站提供基于以太网的通讯服务，负责将控制系统内的资源开放给用户，供用户存取使用，完成系统各项功能。

本发明的有益效果是：本控制系统及管理方法采用EPA标准作为主要通讯标准，对外提供标准通讯接口，可利用工程师站通过简单的参数配置，非常方便的实现同支持标准Modbus协议的设备连接，完成二者的数据交换，扩展了EPA标准的应用范围，同时，可对扩展的从设备通过转发编程，实现系统的全分布式控制，降低了集中控制的风险。

附图说明

图1为控制系统设备管理架构图。图2为功能模块示意图。

图3为系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

本发明的设备管理结构图如图1所示，控制系统由主控制器、扩展设备、工程师站和操作员站组成，主控制器和工程师站、操作员站通过基于EPA标准的工业以太网连接，主设备和扩展设备通过基于RS485串口的Modbus网络连接。工程师站负责对整个系统进行配置和编程处理，操作员站负责控制系统功能的具体实现。

根据不同的工业场合，控制系统需要按照资源需求进行组合连接，典型的控制系统中只需要一个主控制器和若干扩展设备，若控制系统需要多于1个主控制器，只需要将添加的主控制器连接到EPA工业以太网络中即可，多个主控制器之间可以通过编程的方式实现数据交换。每个主控制器下可管理多个扩展设备，需要扩展设备时，只需要通过工程师站对主控制器进行参数配置，并按照正确的方式连接，无需编程。

扩展设备中，内部扩展设备可支持工程师站对其进行编程，其他扩展设备则不支持，具有控制功能的扩展设备和主控制器可组成分布式控制系统，也可以只作为主控制器的扩展I/O设备。

工程师站通过标准EPA协议使用参数设置、编程、设备管理等功能完成对系统的配置管理，只与主控制器进行连接，对所有扩展设备的操作分为两种方式，一种是直接读写主控制器内部映射的扩展设备寄存器，主控制器根据此寄存器数值来和扩展设备进行数据交换，另一种是主控制器作为网关，工程师站按照要访问的扩展设备寄存器地址组合报文发送到主控制器，主控制器将其转发给指定的扩展设备，并将扩展设备响应的报文返回给工程师站。

操作员站通过标准Modbus TCP协议、Modbus协议和整个控制系统连接，提供工程师为控制系统设计功能的操作界面，现场工作人员可按照需求操作控制系统，完成各项功能。Modbus TCP协议通过以太网连接，Modbus协议通过RS485串行接口连接，图1给出了通过以太网连接的方式示意，如果需要通过RS485串口连接，对应正确的串口连接即可。

图2给出了整个控制系统的功能模块示意图。设备上线管理模块中，根据EPA标准的特点，主控制器使用自动上线管理模块通过以太网发送广播报文通知工程师站，更新整个控制系统内主控制器及扩展设备的在线情况。报文按照EPA的标准设备声明报文格式封装和解析，周期性发送，工程师站实时刷新当前设备状态，在一段时间内没有收到设备声明信息后，会认为设备下线，再次收到设备声明后才会认为设备上线。主动探测设备模块发送标准EPA查询报文判断设备是否在线，在设备声明报文无法通过广播方式发送报文通知工程师站当前控制系统状态时，此模块可辅助判断设备是否在线。设备上线模块的报文通过UDP方式发送和接收，广播和主动探测使用不同的端口处理。

参数配置查询模块通过工程师站对控制系统进行各项参数的配置和监控。控制系统内参数主要包括系统运行状态、主控制器信息、扩展设备信息、寄存器资源等。系统运行状态包含了当前系统内程序是否运行指示、I/O状态、当前版本等，为工程师调试和监控提供必要的信息。主控制器信息内包含设备IP、设备ID、通讯参数等。扩展设备信息中包含主控制器和扩展设备通讯的配置参数，主控制器通过配置的参数完成与扩展设备的数据交换。寄存器资源包含主控制器内部使用的寄存器和映射从设备资源的寄存器。

从设备管理模块负责主控制器与扩展设备之间的信息交互。主控制器对扩展设备进行编号，利用上线机制进行管理。主控制器通过三种扫描方式判断设备是否上线，第一种是上电扫描，在扩展设备参数已经配置好的情况下，主控制器会根据配置参数发送扫描命令到总线，等待设备响应，响应正确的信息则认为设备上线，否则设备离线。第二种是自动扫描扩展设备，在设备参数没有配置的情况下，对于主控制器内部支持的扩展设备模块，可进行此项操作，主控制器在收到自动扫描扩展设备的命令时，发送内部扫描命令到总线，根据响应的报文格式解析判断扩展设备类型，确认响应及设备正确后认为设备上线，可以进行正确的参数配置。第三种是在主控制器已经运行的情况下，已经配置了扩展设备参数，上电扫描时扩展设备没有上线，主控制器会周期性发送扩展设备是否在线查询命令，自动判断扩展设备是否上线。主控制器根据上述三种方式发送命令给扩展设备，扩展设备响应后主控制器会认为设备上线，以后就可以与扩展设备进行数据交换，当设备上线且连续通讯错误次数超过一定数量时，主控制器会认为设备下线，此时不再发送与扩展设备交换数据的命令。扩展设备的参数按照公共参数、模拟量输入输出参数、数字量输入输出参数进行配置，公共参数提供主控制器和扩展设备之间基本通讯配置信息，模拟量输入输出参数和数字量输入输出参数按照Modbus寄存器规范可映射多种寄存器。与扩展设备交换数据信息执行过程如下，首先，程序中会将包括模拟量通道和数字量通道在内的所有的配置命令排布成一个命令队列，当扩展设备上线时，会从命令队列头开始进行查询，根据查询到的命令从相应的通道参数中获取起始寄存器地址，和命令配置参数中的返回寄存器个数共同组合成标准Modbus命令，然后利用配置的Modbus RTU或Modbus ASCII通讯协议发送命令至扩展设备，扩展设备返回相应的数据信息，主控制器根据返回数据中的寄存器地址，和各个通道参数中的寄存器地址进行比较，将匹配的寄存器数值放入相应的控制器寄存器区域。例如扩展设备模拟量输入通道XAI区，数据处理完毕后命令对列索引值会加1。最后，比较是否超过命令队列的最大值，如果没有，继续处理下一个命令；否则，将命令队列索引值归1，执行下一轮命令队列查询。写命令和读命令的处理过程基本一致，只是读命令是实时查询进行，写命令是在主控制器逻辑处理完之后进行。写命令要求从设备全部寄存器数据刷新完毕，以获得最新的数据并和即将写入的数据进行比较，只有当要写入的数据和最新的数据不一样时才会进行写命令操作，相同时不会执行写入操作，以获得较高的通讯效率。当出现写命令时，主控制器会优先处理写命令，处理完毕写命令后再处理读命令。

通讯服务模块提供对外的通讯接口和控制系统内部通讯接口。对外通讯接口中以太网和串行RS485与工程师站通过标准EPA协议进行通讯，与操作员站通过标准Modbus TCP或Modbus协议进行通讯，主控制器在通讯中可作为网关使用。工程师站利用EPA标准提供对控制系统内所有资源的访问权限，编写网络通讯指令可以使用EPA读写协议实现控制系统内多个主控制器之间的信息交换。扩展设备中内部扩展设备的转发功能通过增加EPA标准转发服务来实现，此项服务由EPA报文+Modbus报文+EPA报文实现，主控制器接收工程师站的EPA报文，判断为转发服务后，去掉EPA报文头按照标准Modbus协议发送给扩展设备，扩展设备接收到后判断功能号为转发服务后，去掉Modbus报文头，解析标准EPA报文完成转发功能。如果扩展设备下还带有扩展设备，转发服务可以通过重复上述报文打包及解析即可。操作员站提供服务界面，支持通过转发直接访问扩展设备，按照编号对Modbus地址进行了改进处理，将最高5位用作扩展设备编号位和转发标志位，主控制器会对Modbus地址进行解析，若转发标志被置位，则解析扩展设备编号位，并将剩余的11位寄存器地址封装为真正的Modbus地址，发送报文给对应扩展设备，并记录命令序号，扩展设备响应后再按照响应情况打包成响应报文对操作员站做出响应，完成转发报文通讯。

功能块组态模块完成对控制系统的编程功能。主控制器为直接下载功能块代码，内部扩展设备则利用通讯服务模块转发下载功能块代码，控制系统内的逻辑功能均通过编程来实现。工程师站同时提供上载、调试、在线监视功能，保证功能块组态的便捷和有效。统一下载功能将主控制器和所有可编程的扩展设备的程序生成一个下载镜像，对同样的系统可以直接下载镜像文件。

图3是控制系统工作的流程图。分为工程师站和操作员站两部分，首先需要工程师站对系统功能进行设计，上电后，主控制器会发送设备上线声明给工程师站，工程师站接收到设备在线信息后，按照设计的功能对系统进行参数配置、功能块组态下载、扩展设备信息配置等操作，按照用户需求完成整个系统的配置及功能设计。系统功能设计完成后，由操作员站对系统进行管理，主控制器按照配置信息扫描扩展设备，扩展设备在线后与主控器进行数据交换，将扩展设备的资源按照配置映射到主控制器内，供主控制器操作。主控制器内部获取自身的输入资源，连同扩展设备的输入资源一起提供给功能块组态程序，程序运算完毕后按照主控制器和扩展设备进行数据输出，同时处理通讯服务，然后再次与扩展设备进行数据交换。操作员站在系统运行过程中，可以根据功能需要对系统发送操作命令，完成控制功能。

本控制系统及其管理方法将基于工业以太网的EPA标准应用延伸到串行通讯领域，并通过转发编程实现了分布式控制，提供标准Modbus及Modbus TCP接口，方便与工程师站和操作员站通讯。

Claims (2)

1.一种基于EPA标准的控制系统，其特征在于：

该控制系统包括主控制器、扩展设备、工程师站和操作员站四部分。

主控制器主要由单片机、以太网通讯接口、串行RS485通讯接口、数字量输入输出接口和模拟量输入输出接口组成；

扩展设备由内部扩展设备和其他扩展设备组成，均具备RS485通讯接口和输入输出接口，内部扩展设备可通过固定Modbus协议与主控制器通讯，其他扩展设备通过配置标准Modbus协议与主控制器通讯，扩展设备各自的输入输出接口分别与所控对象连接；

工程师站由设备管理模块、通信服务模块和功能块组态模块组成；

操作员站具备以太网接口；工程师站和操作员站通过以太网接口与主控制器连接，主控制器和扩展设备通过RS485连接，设备输入输出接口与各自的所控对象连接。

2.权利要求书1所述控制系统的控制系统管理方法，程师站利用EPA标准通过通信服务模块与主控制器通信，获取主控制器与扩展设备的连接关系信息，然后根据设备连接关系和系统功能要求使用功能块组态模块对主控制器和扩展设备按用户需要进行编写程序，并将程序下载至主控制器和扩展设备中，对扩展设备采用转发通讯方式下载。下载完成后系统按照功能块组态模块实现的逻辑功能运行，控制系统运行后，主从设备按照用户需求进行数据交换。操作员站与主控制器连接后进入操作界面，通过数据显示功能将采集的数据按照需求进行显示，并可按照操作界面进行整个控制系统的操作。其特征在于：

工程师站使用上、下线机制管理主控制器设备，通过被动接收控制系统中主控制器发送的EPA设备声明报文来解析报文判断设备类型、当前状态等信息或主动发送设备查询是否在线命令报文，判断设备是否上线，设备上线后才能对主控制器进行操作。工程师站提供系统参数查询和修改接口，分为系统运行状态、主控制器配置信息、扩展设备配置信息、寄存器实时数据信息接口，完成对控制系统的参数配置和实施监控。

主控制器通过编号使用上、下线机制对扩展设备进行智能化管理，通讯支持标准ModbusRTU和Modbus ASCII协议。主控制器支持的从设备分为两种，一种是支持标准Modbus协议的扩展设备，此类设备需要按照映射寄存器的需求进行参数配置，不支持转发编程处理，另一种是内部扩展设备，根据配置的设备类型可以自动映射扩展设备资源到主设备，支持转发编程处理，可以由工程师站进行统一处理，二者独立负责控制系统内的控制功能，互不影响。主控制器依据扩展设备扫描上线和标准Modbus的变量寻址规范定义了5种配置参数：公共参数、模拟量输入参数、模拟量输出参数、数字量输入参数和数字量输出参数，并在主控制器内为扩展设备分配数据映射寄存器，用于存储对扩展设备的读写交换数据，主控制器也可利用编写串行通讯指令扩展寄存器读写数量，提高主控制器和扩展设备之间的数据交换能力。公共参数主要包含扩展设备的地址、当前模式、设备类型、通讯协议、扫描命令和扫描周期，为主从设备通讯的基本信息。模拟量输入输出参数、数字量输入输出参数主要包含功能号、通道数量、命令数量、通道参数和命令参数，为映射标准Modbus协议的通讯参数，主控制器使用配置参数组合通讯命令来与扩展设备进行数据交换。

操作员站和工程师站使用Modbus协议、EPA标准协议、Modbus TCP协议和转发通讯服务协议与系统连接通讯。Modbus协议通过串口为控制系统用户操作提供通讯服务，负责将控制系统的资源开放给用户，供用户存取使用，对系统进行控制。EPA标准协议负责工程师站和主控制器之间以及不同主控制器之间的通讯服务，实现工程师站和主控制器之间以及多个主控制器之间的数据交换。Modbus TCP为操作员站提供基于以太网的通讯服务，负责将控制系统内的资源开放给用户，供用户存取使用，完成系统各项功能。

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