一種基于fpga的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動(dòng)化生產(chǎn)控制器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動(dòng)化生產(chǎn)控制器，串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗(yàn)?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(jìn)行數(shù)據(jù)錄入；錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。開(kāi)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(dòng)模塊和SD卡讀寫(xiě)模塊連接后，F(xiàn)lash驅(qū)動(dòng)模塊與寄存器連接；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫切換，且易擴(kuò)展，更靈活更新。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)控制器。使用FPGA動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制器通訊協(xié)議的無(wú)縫切換。
【背景技術(shù)】
[0002]聚羧酸減水劑是水泥混凝土運(yùn)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(guò)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(guò)程由自動(dòng)化生產(chǎn)控制器控制，它向上連接了運(yùn)行在工控機(jī)上的工控軟件，接收用戶通過(guò)工控軟件發(fā)送的命令；向下連接了各種工業(yè)儀表，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)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(dòng)化生產(chǎn)控制器通過(guò)特定的通訊協(xié)議與工控軟件和各類(lèi)儀表進(jìn)行通訊。使用的通訊協(xié)議隨工控軟件及各類(lèi)儀表的類(lèi)型、廠家的不同而不同，目前現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議已經(jīng)多達(dá)上百種。
[0005]聚羧酸減水劑自動(dòng)化生產(chǎn)的控制核心是對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(lèi)、質(zhì)量、添加速度、化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(shí)時(shí)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(jìn)行通訊是獲取正確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。通訊協(xié)議的種類(lèi)越來(lái)越多，為了保證生產(chǎn)過(guò)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(shí)在控制器上實(shí)現(xiàn)，以便實(shí)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(shí)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(shí)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(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的缺陷，提出了一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動(dòng)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(yàn)?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(kāi)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(dòng)模塊和SD卡讀寫(xiě)模塊。
[0008]串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗(yàn)?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(jìn)行數(shù)據(jù)錄入;錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。
[0009]開(kāi)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(dòng)模塊和SD卡讀寫(xiě)模塊連接后，F(xiàn)lash驅(qū)動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)控制器與工控機(jī)通過(guò)RS-232總線通信，串口指令數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收串口指令;指令校驗(yàn)?zāi)K判斷當(dāng)前的通訊協(xié)議類(lèi)型，對(duì)指令解析處理模塊和應(yīng)答指令組幀模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu);指令解析處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)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(fù)責(zé)根據(jù)通訊協(xié)議以及當(dāng)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(kāi)關(guān)處理模塊負(fù)責(zé)控制相連閥門(mén)設(shè)備的開(kāi)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(fù)責(zé)識(shí)別所連傳感器使用的通訊協(xié)議類(lèi)型并自動(dòng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)協(xié)議并完成各類(lèi)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(fù)責(zé)根據(jù)指令要求完成物料按規(guī)定速度及時(shí)間進(jìn)行滴加;加料控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)指令要求完成規(guī)定質(zhì)量的物料的進(jìn)料；出料控制模塊負(fù)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(dòng)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)Flash的讀寫(xiě)，SD卡讀寫(xiě)模塊從SD卡中讀取用于重構(gòu)的配置文件，通過(guò)寫(xiě)入Flash驅(qū)動(dòng)模塊寫(xiě)入Flash中，使得FPGA重構(gòu)時(shí)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(shí)在單顆芯片上實(shí)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(wú)縫切換:使用FPGA局部動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)，通訊協(xié)議切換時(shí)無(wú)需斷電復(fù)位，同時(shí)非重構(gòu)模塊不會(huì)受到影響，可以保持不間斷工作。(3)易擴(kuò)展:需要新增通訊協(xié)議時(shí)，僅需實(shí)現(xiàn)新通訊協(xié)議部分并生成該部分的配置文件即可，無(wú)需考慮程序合并等。(4)靈活更新:使用SD卡存儲(chǔ)配置文件，重構(gòu)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)加載，因此用戶無(wú)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(shuō)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(dòng)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(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(dòng)化生產(chǎn)控制器，包括串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗(yàn)?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(kāi)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(dòng)模塊和SD卡讀寫(xiě)模塊。
[0018]用戶在工控機(jī)軟件上操作，指令通過(guò)RS232等協(xié)議下發(fā)至控制器，通過(guò)GP1接口進(jìn)入FPGA。指令由串口數(shù)據(jù)接收模塊接收，由指令校驗(yàn)?zāi)K識(shí)別當(dāng)前指令的類(lèi)型并校驗(yàn)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(hào)。指令解析模塊負(fù)責(zé)解析指令內(nèi)容，觸發(fā)相應(yīng)任務(wù)，包括開(kāi)關(guān)閥門(mén)、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(xún)閥門(mén)狀態(tài)、查詢(xún)傳感器數(shù)值、查詢(xún)滴加任務(wù)狀態(tài)、查詢(xún)加料任務(wù)狀態(tài)、查詢(xún)出料任務(wù)狀態(tài)。由應(yīng)答指令組幀模塊針對(duì)查詢(xún)指令類(lèi)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(jìn)行發(fā)送。FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的Microblaze軟核作為動(dòng)態(tài)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)的控制器，通過(guò)PLB總線與其它模塊相連。在其上編寫(xiě)的軟件程序?qū)⒆x取重構(gòu)信號(hào)，當(dāng)需要進(jìn)行重構(gòu)時(shí)將讀取Flash中相應(yīng)的配置文件完成重構(gòu)。SD卡讀寫(xiě)模塊負(fù)責(zé)讀取在SD卡中存儲(chǔ)的配置文件并加載到Flash中供重構(gòu)時(shí)使用。
[0019]圖2、3分別是在一次物料的滴加過(guò)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(dòng)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(gè)反應(yīng)爸單元一般由A計(jì)量罐、B計(jì)量罐、堿計(jì)量罐、反應(yīng)爸組成；滴加過(guò)程指A計(jì)量罐和B計(jì)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(guò)程中堿計(jì)量罐并無(wú)參與工作，反應(yīng)釜上的溫度傳感器用于實(shí)時(shí)采集化學(xué)反應(yīng)的溫度，并由人工或工控軟件進(jìn)行溫度的控制調(diào)節(jié)，滴加過(guò)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(guò)程中需要把堿計(jì)量罐使用的稱(chēng)重傳感器更換為其它廠家的稱(chēng)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(jì)量罐并沒(méi)有參與滴加過(guò)程，因此修改堿計(jì)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(shí)，需要在下載程序時(shí)對(duì)控制器進(jìn)行斷電復(fù)位，那么就會(huì)造成其滴加過(guò)程的中斷。如圖2所示，中間段為溫度順降代表對(duì)應(yīng)時(shí)間段控制器程序斷電復(fù)位過(guò)程，此時(shí)有可能造成該段時(shí)間反應(yīng)釜溫度失控，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
[0023]使用動(dòng)態(tài)重構(gòu)的方式進(jìn)行程序的更新并不需要斷電復(fù)位，因此不會(huì)造成滴加過(guò)程的中斷，實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議的無(wú)縫切換，如圖3所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于FPGA的可重構(gòu)聚羧酸減水劑自動(dòng)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(yàn)?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(kāi)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(dòng)模塊和SD卡讀寫(xiě)模塊； 串口數(shù)據(jù)接收模塊、指令校驗(yàn)?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(jìn)行數(shù)據(jù)錄入;錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)輸出； 開(kāi)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(dòng)模塊和SD卡讀寫(xiě)模塊連接后，F(xiàn)lash驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)控制器與工控機(jī)通過(guò)RS-232總線通信，串口指令數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收串口指令;指令校驗(yàn)?zāi)K判斷當(dāng)前的通訊協(xié)議類(lèi)型，對(duì)指令解析處理模塊和應(yīng)答指令組幀模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)；指令解析處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)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(fù)責(zé)根據(jù)通訊協(xié)議以及當(dāng)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(kāi)關(guān)處理模塊負(fù)責(zé)控制相連閥門(mén)設(shè)備的開(kāi)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(fù)責(zé)識(shí)別所連傳感器使用的通訊協(xié)議類(lèi)型并自動(dòng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)協(xié)議并完成各類(lèi)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(fù)責(zé)根據(jù)指令要求完成物料按規(guī)定速度及時(shí)間進(jìn)行滴加;加料控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)指令要求完成規(guī)定質(zhì)量的物料的進(jìn)料；出料控制模塊負(fù)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(dòng)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)Flash的讀寫(xiě)，SD卡讀寫(xiě)模塊從SD卡中讀取用于重構(gòu)的配置文件，通過(guò)寫(xiě)入Flash驅(qū)動(dòng)模塊寫(xiě)入Flash中，使得FPGA重構(gòu)時(shí)能夠從Flash中加載配置文件。
【文檔編號(hào)】G05B19/418GK106094763SQ201610622722
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月1日 公開(kāi)號(hào)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(yán)海蓉
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué), 北京慧物科聯(lián)科技有限公司