控制系統(tǒng)虛擬化方法
【專利摘要】本發(fā)明所涉及的一種控制系統(tǒng)虛擬化方法，其特點為：硬件系統(tǒng)軟件化、定制系統(tǒng)通用化、系統(tǒng)移植無縫化；即硬件接口模擬統(tǒng)一，硬件系統(tǒng)模擬統(tǒng)一。本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法的原理為：硬件層：在控制系統(tǒng)中，各種物理量通過真實的、各種規(guī)格的接口與被控制對象鏈接，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，其接口規(guī)格也不盡相同。虛擬層：為使各種不同規(guī)格的PLC控制系統(tǒng)、PC-Based系統(tǒng)以及專用定制系統(tǒng)可以統(tǒng)一，虛擬層定義了統(tǒng)一的接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將真實的硬件接口，分類虛擬化到開發(fā)環(huán)境。知識層：硬件被抽象到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中后，在其上開發(fā)的系統(tǒng)以數(shù)字化的形式保存起來，供將來使用。
【專利說明】控制系統(tǒng)虛擬化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種控制系統(tǒng)虛擬化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用基本分為PLC控制系統(tǒng)和PC-Based控制系統(tǒng)。
[0003]PLC生產(chǎn)廠家眾多，每個廠家均有自己的PLC開發(fā)軟件，其思路和開發(fā)方法五花八門，開發(fā)者不得不學(xué)習(xí)各種軟件系統(tǒng)，在PLC硬件控制系統(tǒng)進行改動時，原先開發(fā)的程序需要耗費很大的精力才能移植到新的系統(tǒng)上，代價不菲，而且周期長。
[0004]PC-Based控制系統(tǒng)同樣面臨硬件系統(tǒng)繁雜的問題，雖然基于Windows平臺，在一定程度上解決了軟件移植性問題，但其對開發(fā)者的要求更高，往往需要開發(fā)者精通數(shù)種開發(fā)語言和工具。
[0005]目前傳統(tǒng)的工控系統(tǒng)往往是定制系統(tǒng)，生產(chǎn)廠家出于對自身利益的保護，開發(fā)代碼不能互相通用，一旦選定某種硬件平臺，將很難進行切換。這給用戶造成了很多的實際困難:
1、開發(fā)成本。由于硬件系統(tǒng)的定制性，開發(fā)人員不得不學(xué)習(xí)和掌握眾多的開發(fā)軟件平臺，并對各控制器的各自特點的用法進行深入的研究?；ㄙM太多時間在開發(fā)工具上，在真正需要工藝改良提高上的投入時間不足。
[0006]2、改型問題。廠家需要根據(jù)市場變化，動態(tài)選擇合適的控制系統(tǒng)以提高競爭力，但控制系統(tǒng)的換型是代價巨大的，原因在于硬件系統(tǒng)沒有互換性，造成了軟件系統(tǒng)無法重用。用戶的選擇被大大的束縛了。
[0007]3、時效問題。工業(yè)設(shè)備的使用壽命往往大于工控，當(dāng)控制系統(tǒng)損毀時，該型號的配套元器件已經(jīng)停產(chǎn)或淘汰，用戶不得不進行升級改造，投入的軟硬件成本很大，改造周期也很長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種控制系統(tǒng)虛擬化方法，其特點為:硬件系統(tǒng)軟件化、定制系統(tǒng)通用化、系統(tǒng)移植無縫化；即硬件接口模擬統(tǒng)一，硬件系統(tǒng)模擬統(tǒng)一。
[0009]本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法，使得控制系統(tǒng)的開發(fā)不再受限于具體的硬件系統(tǒng)，大大簡化開發(fā)流程，靈活的適應(yīng)各種不同類型的硬件控制器；且最大程度的提高程序代碼的重復(fù)使用，為企業(yè)累計工藝智慧，尤其在設(shè)備需要進行硬件系統(tǒng)改動的情況下，更凸顯本發(fā)明的優(yōu)勢。
[0010]本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法的原理構(gòu)架，如圖1所示:
硬件層:在控制系統(tǒng)中，各種物理量通過真實的、各種規(guī)格的接口與被控制對象鏈接，通常分類為數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等；根據(jù)不同的應(yīng)用場合，其接口規(guī)格也不盡相同。
[0011]虛擬層:為使各種不同規(guī)格的PLC控制系統(tǒng)、PC-Based系統(tǒng)以及專用定制系統(tǒng)可以統(tǒng)一，虛擬層定義了統(tǒng)一的接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將真實的硬件接口，分類虛擬化到開發(fā)環(huán)境。
[0012]知識層:硬件被抽象到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中后，在其上開發(fā)的系統(tǒng)以數(shù)字化的形式保存起來，供將來使用。
[0013]基于上述原理，本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法通過一下步驟實現(xiàn):
步驟1、硬件虛擬
用戶在虛擬層中創(chuàng)建新的工程項目，開發(fā)過程中既可以從企業(yè)已有的知識庫中調(diào)用歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)、程序，同時也可以將開發(fā)中的功能、知識模塊等存儲在企業(yè)知識庫中公用。
[0014]市場上的硬件系統(tǒng)的種類繁多，分析其控制功能，基本分為數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出及運動控制輸入輸出等幾種形式，硬件的不同體現(xiàn)在電氣接口、機械安裝結(jié)構(gòu)等方面。本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法根據(jù)硬件系統(tǒng)控制功能的工藝含義，將各種硬件系統(tǒng)的接口“虛擬化”為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，針對每一種類型的控制器開發(fā)相應(yīng)的“驅(qū)動”程序?qū)崿F(xiàn)硬件虛擬化。通過該驅(qū)動程序，所有的硬件設(shè)備被虛擬化并封裝在驅(qū)動程序中形成硬件虛擬層。
[0015]圖2為硬件數(shù)字量輸入點的虛擬化原理示例圖。
[0016]硬件虛擬采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射方法。每一種硬件平臺的接口，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲位置、使用標(biāo)識均不一樣。本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法針對不同硬件，由雙向解釋模塊共同組成硬件平臺的驅(qū)動程序:
I)虛擬層服務(wù)程序。常駐虛擬層，是虛擬層的接口守護程序。用于接收用戶的資源調(diào)用并將其編譯發(fā)往控制器端。
[0017]2)控制器服務(wù)程序。常駐于特定硬件控制器，用于接收來自虛擬層的數(shù)據(jù)定義，并將其翻譯成該硬件平臺的可用數(shù)據(jù)及反向數(shù)據(jù)傳輸。該程序并不參與硬件的控制功能，僅做數(shù)據(jù)交互、解析，其功能包括項目的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)維護；控制系統(tǒng)邏輯、功能設(shè)計；控制系統(tǒng)模擬、調(diào)試和監(jiān)控；功能、工藝知識的數(shù)字化等。
[0018]這兩個模塊，通過RS485/CAN/Ethernet等通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)的交互，其功能類似于Windows系統(tǒng)的服務(wù)程序。
[0019]在虛擬層中可以進行邏輯單元、數(shù)據(jù)交互、控制流程等的開發(fā)。所有的硬件均被虛擬化為常用的控制點。例如:數(shù)字量輸入輸出點、模擬量輸入輸出點、高速計數(shù)點、點位運動控制功能，通訊功能等。用戶面對的將是一種統(tǒng)一的虛擬硬件接口，開發(fā)者可以在此虛擬環(huán)境中任意匹配資源。
[0020]在虛擬化的平臺上，搭建虛擬的硬件IO等信息，在平臺的虛擬“軟實時系統(tǒng)”中進行軟件的開發(fā)、調(diào)試和試運行。軟件基本功能測試結(jié)束，可以下載到真實的硬件中進行實際運行。
[0021]所有的虛擬層均給予Windows平臺開發(fā),模塊之間通過Windows的內(nèi)部通訊機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。實時采集的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫的形式存儲在磁盤上，供后續(xù)分析處理使用。
[0022]虛擬開發(fā)平臺基于Windows平臺開發(fā)，在同一的界面環(huán)境下，完成控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)、調(diào)試和上傳、下載等。
[0023]虛擬化的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0024]步驟2、連接用戶開發(fā)系統(tǒng)和實際執(zhí)行系統(tǒng)
本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法，使用虛擬編譯軟件實現(xiàn)用戶開發(fā)系統(tǒng)和實際執(zhí)行系統(tǒng)的連接。針對實體硬件的不同，通過虛擬編譯軟件，將開發(fā)的虛擬控制軟件代碼“翻譯”成特定設(shè)備可以識別運行的可執(zhí)行代碼。通過各種通訊技術(shù)，該代碼可以下載到實際的控制器中進行運行。如果硬件平臺發(fā)生變更，只需要在“虛擬層”重新編譯一次，下載即可。因為下載的僅僅是可執(zhí)行代碼，所以程序無法進行反編譯，保護了開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)。
[0025]用戶用一種統(tǒng)一的開發(fā)模式進行控制系統(tǒng)功能的開發(fā)，通過虛擬編譯軟件，將其編譯成指定平臺上的目標(biāo)代碼。用戶只需要進行一次開發(fā)，即可將程序發(fā)布至不同的控制系統(tǒng)硬件平臺上進行實施。
[0026]虛擬編譯軟件是本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法中的一個軟件模塊，當(dāng)進行程序下載操作時自動被虛擬開發(fā)系統(tǒng)調(diào)用。虛擬編譯軟件自身包含針對各種硬件平臺的編譯模塊，這些模塊獨立開發(fā)，由編譯軟件自動選擇。
[0027]由于編譯軟件為模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的硬件開發(fā)不同的編譯插件提供給用戶使用，大大方便了用戶使用。
[0028]針對市場上通用的硬件平臺，可以開發(fā)出各種驅(qū)動供虛擬層使用。用戶所需要做的就是在下載代碼之前選擇一個驅(qū)動平臺即可操作使用該系統(tǒng)完成對生產(chǎn)的控制。
[0029]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法原理架構(gòu)示意圖；
圖2為實施例1中硬件數(shù)字量輸入點的虛擬化原理示例圖；
圖3硬件虛擬化重構(gòu)示意圖；
圖4為實施例2中，輸入、輸出變量定義的窗口 ；
圖5為實施例2中，加熱工步的窗口 ；
圖6為實施例2中，停止加熱工步的窗口 ；
圖7為實施例2中，控制邏輯的窗口 ；
圖8為實施例3中，模擬量定義的窗口 ；
圖9為實施例3中，模擬量屬性編輯的窗口。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法作進一步的描述。
[0031 ] 實施例1，硬件虛擬化中的數(shù)字量輸入
數(shù)字量輸入是控制系統(tǒng)中最常用的接口。但是不同的廠家在其自身開發(fā)系統(tǒng)中對該點的定義、用法均不同。常見的寫法有10.0 / H0.0 / 15.Data.0。本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法中，各種用法均通過適配驅(qū)動程序，抽象并虛擬化到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口Input32_0.00
[0032]在虛擬開發(fā)系統(tǒng)中，用戶只管定義變量Input32_0.0作為0號數(shù)字量輸入口，并給定物理含義即可。其在真實的硬件中應(yīng)該如何標(biāo)記、放置到硬件的那個內(nèi)存區(qū)域均由適配驅(qū)動程序來完成。
[0033]實施例2，虛擬編譯軟件的實現(xiàn)原理
本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法在溫度控制系統(tǒng)中，使用虛擬編譯軟件實現(xiàn)用戶開發(fā)系統(tǒng)和實際執(zhí)行系統(tǒng)的連接。
[0034]控制目標(biāo):控制器接收兩個信號，一個是溫度超過指定溫度指示信號Sigl，一個是溫度低于指定溫度指示信號Sig2。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到Sigl信號，切斷加熱源輸出信號OutSig,當(dāng)控制系統(tǒng)接收到Sig2信號時候，啟動加熱源OutSig。
[0035]虛擬開發(fā):在虛擬開發(fā)系統(tǒng)中，需要3步完成此工作。
[0036]步驟1、定義兩個輸入量Sigl，Sig2，一個輸出量OutSig。如圖4所示。
[0037]在虛擬系統(tǒng)中，用戶直接用變量的描述來進行邏輯的編程，無需手動的輸入變量。這樣利于控制邏輯的理解和編寫。
[0038]步驟2、定義兩個工步，加熱和不加熱。
[0039]如圖5所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測到輸入點Sig2 (Under Temperature)信號,輸出OutSig信號，驅(qū)動加熱器線圈吸合，控制系統(tǒng)開始加熱。
[0040]如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測到輸入點Sigl (Over Temperature)信號，停止輸出OutSig信號，驅(qū)動加熱器線圈斷開，控制系統(tǒng)停止加熱。
[0041 ] 步驟3、完成控制邏輯
如圖7所示，系統(tǒng)周期性掃描這兩種工步，當(dāng)給定條件合適時候，系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動作。
[0042]完成了簡單的控制邏輯的設(shè)計后，編譯系統(tǒng)將以上邏輯生成目標(biāo)代碼。當(dāng)用戶進行程序下載的時候，虛擬系統(tǒng)將根據(jù)硬件平臺生成不同的目標(biāo)代碼:
I SchneiderElectric M258 系統(tǒng)
編譯系統(tǒng)生成:#1:%MW1000, 2,1
#2:%MW1001, 0， 0
以上變量的寫法，是按照Schneider Electric M258的軟件開發(fā)環(huán)境生成的,下載的時候，會將以上兩行代碼數(shù)據(jù)傳送到PLC，完成控制邏輯。
[0043]I Mitsubishi FX2N 系統(tǒng) 編譯系統(tǒng)會生成:#1:D100，2,1 #2:D101, 0， 0
以上變量的寫法，是按照Mitsubishi的軟件開發(fā)環(huán)境生成的，下載的時候，會將以上兩行代碼數(shù)據(jù)傳送到PLC，完成控制邏輯。
[0044]本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法中的編譯軟件為模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的硬件可開發(fā)不同的編譯插件提供給用戶使用，大大方便了用戶開發(fā)。
[0045]實施例3，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 映射方法
為了方便用戶開發(fā)，虛擬系統(tǒng)將不同的硬件的數(shù)據(jù)描述抽象為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶開發(fā)完畢后，由編譯軟件再將統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按硬件配置翻譯成硬件可以辨識的數(shù)據(jù)。
[0046]以下以模擬量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例來進行說明。
[0047]通常，模擬量有幾個屬性，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如下 Record TAnology
{
Name:String ；// 名稱
Resolution:Integer; // 精度，AD 的位數(shù) Gradient: Real;// 工程斜率
//……//其它特性}
實際中個硬件系統(tǒng)的模擬量定義格式不盡相同。但基本遵循一般的模擬量定義特性。在控制系統(tǒng)中只需要定義一個模擬量，并給定基本的參數(shù)即可進行工作，其余參數(shù)使用系統(tǒng)默認(rèn)即可。
[0048]I)在系統(tǒng)中定義I個輸入模擬量、I個輸出模擬量
圖8為電腦顯示屏上顯示的模擬量定義窗口，在該窗口中定義好模擬量，用戶只需要定義名稱即可，它們將會被抽象成Record TAnology的結(jié)構(gòu)體變量。
[0049]2)編輯模擬量的屬性
圖9為電腦顯示屏上顯示的模擬量屬性編輯窗口，通過圖形化的方法對抽象后的結(jié)構(gòu)體變量進行賦值，Record TAnology將會更新其中數(shù)據(jù)。
[0050]經(jīng)過所述的操作,硬件模擬量的處理均被統(tǒng)一處理成了 Record TAnology的數(shù)據(jù)類型，用戶看到的是統(tǒng)一的變量名字，每個變量名字都是用Record TAnology的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述，這樣就完成了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射。
[0051]實施例4，本發(fā)明所涉及的控制系統(tǒng)虛擬化方法用于某擴散爐控制系統(tǒng)開發(fā)。
[0052]開發(fā)平臺基于本發(fā)明，硬件系統(tǒng)提供了施耐德、三菱兩種驅(qū)動，用戶可以根據(jù)實際需要進行選擇。
[0053]以SchneiderElectric M258為指定硬件平臺進行說明:
I)選擇真實的硬件平臺
在定義硬件平臺的窗口內(nèi)，選擇真實的硬件平臺。系統(tǒng)提供4中硬件平臺供選擇:
I SchneiderElectric M258
I SchneiderElectric M218
I Mitsubishi FX2N
I Mitsubishi FX3U
用戶選定硬件平臺后，系統(tǒng)將自動加載適配驅(qū)動程序和通訊模塊，虛擬編譯系統(tǒng)將根據(jù)該配置進行程序的編譯和下載。
[0054]選擇SchneiderElectric M258,并點擊 OK 結(jié)束。
[0055]2)開發(fā)控制邏輯系統(tǒng)
在邏輯控制系統(tǒng)開發(fā)窗口中，完成工藝設(shè)計、流程控制，并定義虛擬化的硬件接口。
[0056]I區(qū)域A:定義控制系統(tǒng)的名稱、作者等 I區(qū)域B:定義每一個工步的名稱及參數(shù)。
[0057]I區(qū)域C:定義B區(qū)域中選定工步的詳細(xì)輸入輸出點的定義、參數(shù)
I區(qū)域D:定義詳細(xì)的控制流程，每條記錄為選定工步的執(zhí)行時間，跳轉(zhuǎn)以及報警燈參數(shù)。
[0058]3)下載至控制器運行
下載已經(jīng)開發(fā)好的程序到特定硬件中的窗口，虛擬層自動選擇通過IP地址進行匹配下載。
[0059]I在A區(qū)域中，用戶需要給定控制器的IP地址、以及用戶名和密碼信息
I在B區(qū)域中，程序自動根據(jù)6.2中程序編號，生成描述文件，并下載到SchneiderElectric M258 中。[0060]如果用戶指定了正確的用戶名和密碼，虛擬程序可以將硬件中的運行程序上傳到虛擬層并提供編輯功能。
[0061]有益效果
由于開發(fā)平臺將各種硬件系統(tǒng)虛擬化成了統(tǒng)一平臺，可以達到以下效果:
1、開發(fā)者可以實現(xiàn)“一次編碼，永久使用”，大大降低了開發(fā)的成本。
[0062]2、生產(chǎn)商可以隨時更換系統(tǒng)平臺并無縫遷移。
[0063]開發(fā)平臺和硬件系統(tǒng)的虛擬化，數(shù)據(jù)交互更加透明、快捷，使得不同硬件平臺之間可以很容易聯(lián)合作業(yè)。同時將PLC，PC-Based控制系統(tǒng)進行了有效的整合。
[0064]由于使用者下載的僅僅是可執(zhí)行代碼，所以程序?qū)o法進行反編譯，也保護到了開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)。
【權(quán)利要求】
1.一種控制系統(tǒng)虛擬化方法，其特征在于:所述方法包括兩個步驟: 步驟1、硬件虛擬； 步驟2、連接用戶開發(fā)系統(tǒng)和實際執(zhí)行系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)虛擬化方法，其特征在于:所述步驟I的硬件虛擬，硬件平臺的驅(qū)動程序有虛擬層服務(wù)程序及控制器服務(wù)程序。
3.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)虛擬化方法，其特征在于:所述虛擬層服務(wù)程序常駐虛擬層，用于接收用戶的資源調(diào)用并將其編譯發(fā)往控制器端。
4.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)虛擬化方法，其特征在于:所述控制器服務(wù)程序的功能包括項目的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)維護；控制系統(tǒng)邏輯、功能設(shè)計；控制系統(tǒng)模擬、調(diào)試和監(jiān)控；功能、工藝知識的數(shù)字化。
5.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)虛擬化方法，其特征在于:步驟2使用虛擬編譯軟件實現(xiàn)用戶開發(fā)系統(tǒng)和實際執(zhí)行系統(tǒng)的連接。
【文檔編號】G05B19/418GK103631228SQ201310617081
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】楊杰 申請人:上?；劭匦畔⒓夹g(shù)有限公司