一種基于fpga的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器，串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗?zāi)K、指令解析處理模塊依次相串連后，指令解析處理模塊與寄存器連接并進行數(shù)據(jù)錄入；錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)過寄存器處理后，寄存器與應(yīng)答指令組幀模塊連接，應(yīng)答指令組幀模塊、應(yīng)答指令緩存模塊、串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊依次串聯(lián)，進行數(shù)據(jù)輸出。開關(guān)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、滴加控制模塊、加料控制模塊、出料控制模塊并聯(lián)在寄存器上。寄存器具有控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)顯示三組模塊組成。Flash驅(qū)動模塊和SD卡讀寫模塊連接后，F(xiàn)lash驅(qū)動模塊與寄存器連接；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換，且易擴展，更靈活更新。
【專利說明】
一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及工業(yè)控制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器。使用FPGA動態(tài)重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)控制器通訊協(xié)議的無縫切換。
【背景技術(shù)】
[0002]聚羧酸減水劑是水泥混凝土運用中的一種水泥分散劑，而水泥混泥土是建筑中最基本的物質(zhì)，因此要求聚羧酸減水劑具有很高的產(chǎn)品質(zhì)量，這就要求聚羧酸減水劑的生產(chǎn)過程必須是穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)和安全的。
[0003]聚羧酸減水劑的生產(chǎn)過程由自動化生產(chǎn)控制器控制，它向上連接了運行在工控機上的工控軟件，接收用戶通過工控軟件發(fā)送的命令；向下連接了各種工業(yè)儀表，實時采集生產(chǎn)現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)，例如反應(yīng)釜溫度、物料質(zhì)量、物料PH值等。
[0004]自動化生產(chǎn)控制器通過特定的通訊協(xié)議與工控軟件和各類儀表進行通訊。使用的通訊協(xié)議隨工控軟件及各類儀表的類型、廠家的不同而不同，目前現(xiàn)場總線協(xié)議已經(jīng)多達上百種。
[0005]聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)的控制核心是對化學(xué)反應(yīng)過程的控制，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素包括參與化學(xué)反應(yīng)的物料的種類、質(zhì)量、添加速度、化學(xué)反應(yīng)過程中的溫度等等。這些因素都與用戶的控制命令內(nèi)容以及控制器實時采集的數(shù)據(jù)有關(guān)。因此，控制器使用正確的通訊協(xié)議與工控軟件和工業(yè)儀表進行通訊是獲取正確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。通訊協(xié)議的種類越來越多，為了保證生產(chǎn)過程正確且不間斷，不得不盡可能將可能用到的通訊協(xié)議全部同時在控制器上實現(xiàn)，以便實現(xiàn)協(xié)議的在線切換。而單次生產(chǎn)工作中，可能只有其中一部分協(xié)議參與實際工作。這樣大大增加了控制器系統(tǒng)的功耗、成本及復(fù)雜度，同時降低了控制器系統(tǒng)的集成度和資源利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有設(shè)計的缺陷，提出了一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器。
[0007]該控制器包括串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗?zāi)K、指令解析處理模塊、應(yīng)答指令組幀模塊、應(yīng)答指令緩存模塊、串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、開關(guān)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、滴加控制模塊、加料控制模塊、出料控制模塊、Flash驅(qū)動模塊和SD卡讀寫模塊。
[0008]串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗?zāi)K、指令解析處理模塊依次相串連后，指令解析處理模塊與寄存器連接并進行數(shù)據(jù)錄入;錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)過寄存器處理后，寄存器與應(yīng)答指令組幀模塊連接，應(yīng)答指令組幀模塊、應(yīng)答指令緩存模塊、串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊依次串聯(lián)，進行數(shù)據(jù)輸出。
[0009]開關(guān)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、滴加控制模塊、加料控制模塊、出料控制模塊并聯(lián)在寄存器上。
[0010]寄存器具有控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)顯示三組模塊組成。Flash驅(qū)動模塊和SD卡讀寫模塊連接后，F(xiàn)lash驅(qū)動模塊與寄存器連接。
[0011 ]基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器與工控機通過RS-232總線通信，串口指令數(shù)據(jù)接收模塊負責(zé)接收串口指令;指令校驗?zāi)K判斷當前的通訊協(xié)議類型，對指令解析處理模塊和應(yīng)答指令組幀模塊進行動態(tài)重構(gòu);指令解析處理模塊負責(zé)對指令進行解析，從而觸發(fā)相應(yīng)的任務(wù)執(zhí)行;應(yīng)答指令組幀模塊負責(zé)根據(jù)通訊協(xié)議以及當前所有器件狀態(tài)及任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)拼裝應(yīng)答指令;應(yīng)答指令緩存模塊緩存組裝好的應(yīng)答指令；串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將從應(yīng)答指令緩存模塊中讀取應(yīng)答指令逐條發(fā)送;開關(guān)處理模塊負責(zé)控制相連閥門設(shè)備的開關(guān)以及讀取設(shè)備反饋狀態(tài);傳感器數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)識別所連傳感器使用的通訊協(xié)議類型并自動動態(tài)重構(gòu)協(xié)議并完成各類傳感器數(shù)據(jù)的正確采集;滴加控制模塊包含PID調(diào)節(jié)功能，負責(zé)根據(jù)指令要求完成物料按規(guī)定速度及時間進行滴加;加料控制模塊負責(zé)根據(jù)指令要求完成規(guī)定質(zhì)量的物料的進料；出料控制模塊負責(zé)根據(jù)指令完成規(guī)定質(zhì)量的物料的出料;Flash驅(qū)動模塊負責(zé)實現(xiàn)Flash的讀寫，SD卡讀寫模塊從SD卡中讀取用于重構(gòu)的配置文件，通過寫入Flash驅(qū)動模塊寫入Flash中，使得FPGA重構(gòu)時能夠從Flash中加載配置文件。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:(I)功能可重構(gòu):利用FPGA可重構(gòu)技術(shù)使得所有的通訊協(xié)議可以不必全部同時在單顆芯片上實現(xiàn)，而是需要使用哪種協(xié)議就重構(gòu)為改種協(xié)議的功能。
(2)無縫切換:使用FPGA局部動態(tài)重構(gòu)技術(shù)，通訊協(xié)議切換時無需斷電復(fù)位，同時非重構(gòu)模塊不會受到影響，可以保持不間斷工作。(3)易擴展:需要新增通訊協(xié)議時，僅需實現(xiàn)新通訊協(xié)議部分并生成該部分的配置文件即可，無需考慮程序合并等。(4)靈活更新:使用SD卡存儲配置文件，重構(gòu)時系統(tǒng)自動加載，因此用戶無需學(xué)習(xí)使用復(fù)雜的下載軟件，僅需將更新文件拷入SD卡即可。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)總體框圖。
[0014]圖2是使用普通斷電方式更新控制器程序的反應(yīng)釜溫度曲線圖。
[0015]圖3是使用動態(tài)重構(gòu)方式更新控制器程序的反應(yīng)釜溫度曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明是一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器，包括串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗?zāi)K、指令解析處理模塊、應(yīng)答指令組幀模塊、應(yīng)答指令緩存模塊、串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、開關(guān)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、滴加控制模塊、加料控制模塊、出料控制模塊、Flash驅(qū)動模塊和SD卡讀寫模塊。
[0018]用戶在工控機軟件上操作，指令通過RS232等協(xié)議下發(fā)至控制器，通過GP1接口進入FPGA。指令由串口數(shù)據(jù)接收模塊接收，由指令校驗?zāi)K識別當前指令的類型并校驗內(nèi)容的合法性，如果需要切換協(xié)議則產(chǎn)生重構(gòu)信號。指令解析模塊負責(zé)解析指令內(nèi)容，觸發(fā)相應(yīng)任務(wù)，包括開關(guān)閥門、執(zhí)行或終止滴加任務(wù)、執(zhí)行或終止加料任務(wù)、執(zhí)行或終止出料任務(wù)、查詢閥門狀態(tài)、查詢傳感器數(shù)值、查詢滴加任務(wù)狀態(tài)、查詢加料任務(wù)狀態(tài)、查詢出料任務(wù)狀態(tài)。由應(yīng)答指令組幀模塊針對查詢指令類型組裝好相應(yīng)應(yīng)答指令，放入應(yīng)答指令緩沖，串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊從應(yīng)答緩沖中讀取指令進行發(fā)送。FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的Microblaze軟核作為動態(tài)重構(gòu)實現(xiàn)的控制器，通過PLB總線與其它模塊相連。在其上編寫的軟件程序?qū)⒆x取重構(gòu)信號，當需要進行重構(gòu)時將讀取Flash中相應(yīng)的配置文件完成重構(gòu)。SD卡讀寫模塊負責(zé)讀取在SD卡中存儲的配置文件并加載到Flash中供重構(gòu)時使用。
[0019]圖2、3分別是在一次物料的滴加過程中，使用傳統(tǒng)的普通斷電方式更新控制器程序的反應(yīng)釜溫度曲線圖與使用動態(tài)重構(gòu)方式更新控制器程序的反應(yīng)釜溫度曲線圖。
[0020]普通的一個反應(yīng)爸單元一般由A計量罐、B計量罐、堿計量罐、反應(yīng)爸組成；滴加過程指A計量罐和B計量罐中的物料按預(yù)設(shè)定的速度滴入反應(yīng)釜中，在一次滴加過程中堿計量罐并無參與工作，反應(yīng)釜上的溫度傳感器用于實時采集化學(xué)反應(yīng)的溫度，并由人工或工控軟件進行溫度的控制調(diào)節(jié)，滴加過程中化學(xué)反應(yīng)的溫度將直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量。
[0021]如果在一次滴加過程中需要把堿計量罐使用的稱重傳感器更換為其它廠家的稱重傳感器，就需要更新控制器程序中相應(yīng)部分使用的通訊協(xié)議。堿計量罐并沒有參與滴加過程，因此修改堿計量罐不應(yīng)影響滴加的正常工作。
[0022]使用傳統(tǒng)的程序更新方式時，需要在下載程序時對控制器進行斷電復(fù)位，那么就會造成其滴加過程的中斷。如圖2所示，中間段為溫度順降代表對應(yīng)時間段控制器程序斷電復(fù)位過程，此時有可能造成該段時間反應(yīng)釜溫度失控，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
[0023]使用動態(tài)重構(gòu)的方式進行程序的更新并不需要斷電復(fù)位，因此不會造成滴加過程的中斷，實現(xiàn)通訊協(xié)議的無縫切換，如圖3所示。
【主權(quán)項】
1.一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器，其特征在于: 該控制器包括串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗?zāi)K、指令解析處理模塊、應(yīng)答指令組幀模塊、應(yīng)答指令緩存模塊、串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、開關(guān)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、滴加控制模塊、加料控制模塊、出料控制模塊、Flash驅(qū)動模塊和SD卡讀寫模塊； 串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗?zāi)K、指令解析處理模塊依次相串連后，指令解析處理模塊與寄存器連接并進行數(shù)據(jù)錄入;錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)過寄存器處理后，寄存器與應(yīng)答指令組幀模塊連接，應(yīng)答指令組幀模塊、應(yīng)答指令緩存模塊、串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊依次串聯(lián)，進行數(shù)據(jù)輸出； 開關(guān)處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、滴加控制模塊、加料控制模塊、出料控制模塊并聯(lián)在寄存器上； 寄存器具有控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)顯示三組模塊組成;Flash驅(qū)動模塊和SD卡讀寫模塊連接后，F(xiàn)lash驅(qū)動模塊與寄存器連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器，其特征在于: 基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動化生產(chǎn)控制器與工控機通過RS-232總線通信，串口指令數(shù)據(jù)接收模塊負責(zé)接收串口指令;指令校驗?zāi)K判斷當前的通訊協(xié)議類型，對指令解析處理模塊和應(yīng)答指令組幀模塊進行動態(tài)重構(gòu)；指令解析處理模塊負責(zé)對指令進行解析，從而觸發(fā)相應(yīng)的任務(wù)執(zhí)行;應(yīng)答指令組幀模塊負責(zé)根據(jù)通訊協(xié)議以及當前所有器件狀態(tài)及任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)拼裝應(yīng)答指令;應(yīng)答指令緩存模塊緩存組裝好的應(yīng)答指令；串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將從應(yīng)答指令緩存模塊中讀取應(yīng)答指令逐條發(fā)送;開關(guān)處理模塊負責(zé)控制相連閥門設(shè)備的開關(guān)以及讀取設(shè)備反饋狀態(tài);傳感器數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)識別所連傳感器使用的通訊協(xié)議類型并自動動態(tài)重構(gòu)協(xié)議并完成各類傳感器數(shù)據(jù)的正確采集;滴加控制模塊包含PID調(diào)節(jié)功能，負責(zé)根據(jù)指令要求完成物料按規(guī)定速度及時間進行滴加;加料控制模塊負責(zé)根據(jù)指令要求完成規(guī)定質(zhì)量的物料的進料；出料控制模塊負責(zé)根據(jù)指令完成規(guī)定質(zhì)量的物料的出料;Flash驅(qū)動模塊負責(zé)實現(xiàn)Flash的讀寫，SD卡讀寫模塊從SD卡中讀取用于重構(gòu)的配置文件，通過寫入Flash驅(qū)動模塊寫入Flash中，使得FPGA重構(gòu)時能夠從Flash中加載配置文件。
【文檔編號】G05B19/418GK106094763SQ201610622722
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月1日 公開號201610622722.X, CN 106094763 A, CN 106094763A, CN 201610622722, CN-A-106094763, CN106094763 A, CN106094763A, CN201610622722, CN201610622722.X
【發(fā)明人】鮑爽, 嚴海蓉
【申請人】北京工業(yè)大學(xué), 北京慧物科聯(lián)科技有限公司