一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于编码器/播放器体系架构的工业控制系统，属于工业控制及自动化技术领域。本发明专利技术所述服务器设备利用编码器对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进行存储。每个终端机器或设备作为一个客户端，通过网络下载存储在服务器或云端的运动比特流和逻辑控制比特流进行播放。对比特流进行解码，计算各个运动轴的运动指令和各个控制装置的逻辑控制信号。本发明专利技术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，可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，尤其适合于用以太网连接各个设备和功能模块的自动化系统应用场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工业控制及自动化
，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。
技术介绍
自从第三次科技革命以来，信息
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
，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。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。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。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。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术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。本专利技术的特征在于，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。本专利技术的架构示意图如图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。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。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。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)从运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，作为服务器的设备利用编码器对终端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进行编码及存储；每个所述终端设备在工作时作为所述服务器的一个客户端，每个所述终端设备的工作过程被配置为根据需要从所述服务器下载已编码存储的代表所述终端设备运动及逻辑控制的运动比特流和逻辑控制比特流文件，利用所述终端设备上的播放器功能对所下载的所述运动比特流和所述逻辑控制比特流文件进行播放。

【技术特征摘要】
1.一种基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，作为服务器的设备
利用编码器对终端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
控制比特流进行编码及存储；每个所述终端设备在工作时作为所述服务器的一个客户
端，每个所述终端设备的工作过程被配置为根据需要从所述服务器下载已编码存储的
代表所述终端设备运动及逻辑控制的运动比特流和逻辑控制比特流文件，利用所述终
端设备上的播放器功能对所下载的所述运动比特流和所述逻辑控制比特流文件进行播
放。
2.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，一
个所述服务器包含一个或多个针对不同所述客户端的编码器，而所述客户端则包含一
个与所述服务器的某个编码器对应的播放器。
3.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所
述播放的具体为：对所述运动比特流和所述逻辑控制比特流进行解码，从而获得各个
运动轴的所述运动轨迹增量和各个装置的所述逻辑控制信号。
4.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所
述运动比特流是由单位弧长增量法或广义单位弧长增量法对所述运动轨迹进行插补所
得的各轴每一步位移增量获得的。
5.如权利要求1所述的基于编码器播放器体系架构的工业控制系统，其特征在于，所
述逻辑控制比特流是由所述服务器的所述编码器根据组合逻辑和时序逻辑控制真值
表、依照安排动作发生的序列生成的；所述逻辑控制比特流被配置为根...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵万生，郑君民，陈默，陈昊，奚学程，康小明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31