自动化控制系统以及自动化控制方法与流程

1.本技术涉及自动化控制技术领域，尤其涉及一种自动化控制系统以及自动化控制方法。


背景技术：

2.目前，现有的传统的自动化工厂一般采用三级架构。参照图1所示，传统的自动化工厂包括诸如plc等控制器(第一级)、各个cnc机构(第二级)和多个功能已经被限定的轴组合。该类传统的自动化工厂二次开发采用的是主流的plc(dcs)+cnc的g代码编程的方式。
3.显然，现有的传统的自动化工厂具有以下缺点：
4.1、每个cnc机构都是高度自动化的，但是整合在一起却各自为战，效率降低；
5.2、cnc机构的各个轴功能固定，极难或者不能再进行其他设计。
6.现有的传动设备也一般采用三级架构，参照图2所示，现有的传动设备一般包括诸如plc等控制器(第一级)、各个电机驱动器(第二级)、各个电机。
7.显然，目前的传动设备具有以下缺点：
8.1、需要采用plc编程，针对每个目标控制都需要从人为计算，需要在人为计算后在程序中完成对拓扑信息的适配，容易出错，开发效率低。
9.针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

10.本说明书目的在于提供一种自动化控制系统以及自动化控制方法，以解决了上述技术问题中的至少一种。
11.本技术提供了一种自动化控制系统，包括多个动力部、主控制器、至少一个模块化控制单元、多个电机；其中，每个所述模块化控制单元包括接口插补层和包括多个驱动模块的驱动层，每个所述驱动模块与所述接口插补层电性连接，各个所述驱动模块与与其对应的所述电机交互电性连接；每个电机用于驱动与其对应的所述动力部；
12.所述接口插补层在接收到由所述主控制器发出的宏观指令后生成对应于各个所述动力部对应的驱动模块的微观指令，所述驱动模块在接收到由所述接口插补层发出的微观指令生成对应于各个所述动力部的驱动指令，所述电机在接收到所述驱动指令后控制与驱动指令对应的动力部。
13.优选地，所述宏观指令包括各个所述动力部的联动规则、各个所述动力部的运动指令。
14.优选地，所述联动规则包括各个所述动力部的联动轴的选择、联动的插补规则和/或联动速度；和/或，所述动力部的运动指令包括所述动力部的目标位置、运动速度以及运动条件命令中的一个或多个。
15.优选地，所述微观指令包括与该微观指令对应的动力部在计算周期内的位置、速度、加速度中的至少一个。
16.优选地，所述驱动模块根据所述微观指令和由与其对应的电机反馈信息生成所述驱动指令。
17.优选地，所述接口插补层和各个所述驱动模块通过内部高速总线连接。
18.本技术实施例公开了一种自动化控制方法，包括以下步骤：
19.主控制器生成宏观指令，其中，宏观指令包括各个动力部的联动规则和对应的运动指令；
20.与各个动力部分别对应的模块化控制单元根据宏观指令生成与各个动力部分别对应的各个电机的控制指令。
21.优选地，步骤“与各个动力部分别对应的模块化控制单元根据宏观指令生成与该动力部对应的电机的控制指令”包括：
22.与各个动力部分别对应的模块化控制单元根据宏观指令和与该动力部对应的电机的实时信息生成与该动力部对应的电机的控制指令。
23.优选地，步骤“模块化控制单元根据宏观指令生成与各个动力部分别对应的各个电机的控制指令”包括：
24.模块化控制单元中的接口插补层在接收到由所述主控制器发出的宏观指令后生成对应于各个所述动力部的微观指令；
25.根据被选取到的所述动力部的微观指令、与被选取到的所述动力部相关的电机的实际信息以及电机的负载类型拓扑，生成与各个被选取到的动力部对应的电机的控制指令。
26.优选地，步骤“主控制器生成宏观指令”包括：响应于待加工零件的工艺需求，在多个驱动轴中选至少一个，以及生成选取到的驱动轴的插补规则和驱动轴的目标位置。。
27.本技术提供的自动化控制系统以及自动化控制方法，本技术实施例中的自动化控制系统更加通用，可以把模块化控制单元给扩展到各种加工设备。本技术实施例中的各个功能理论上是可以根据主控制器调整和选择的。采用本技术实施例中的自动化控制系统很容易实现对各种复杂机械机构的可编程扩展。采用模块化设备固化插补算法的方式，编程更加灵活，产线的调试更加灵活。本发明是针对电机控制驱动轴的控制，结合控制驱动轴的联动插补算法，适用更加灵活
附图说明
28.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1示出了现有技术中的自动化工厂的架构示意图。
30.图2示出了现有技术中的传动设备的架构示意图。
31.图3示出了本技术实施例中的自动化控制系统的架构示意图。
32.图4示出了模块化控制单元的原理示意图。
33.图5示出了电机的拓扑信息的原理示意图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
35.参照图3所示，本技术实施例公开了一种自动化控制系统，包括多个驱动轴、主控制器、至少一个模块化控制单元、多个电机；其中，每个所述模块化控制单元包括接口插补层和包括多个驱动模块的驱动层，每个所述驱动模块与所述接口插补层电性连接，各个所述驱动模块与与其对应的所述电机交互电性连接；每个电机用于驱动与其对应的所述驱动轴；
36.所述接口插补层在接收到由所述主控制器发出的宏观指令后生成对应于各个所述驱动轴对应的驱动模块的微观指令，所述驱动模块在接收到由所述接口插补层发出的微观指令生成对应于各个所述驱动轴的驱动指令，所述电机在接收到所述驱动指令后控制与驱动指令对应的驱动轴。
37.具体的，该自动化控制系统中的主控制器根据需要可以为具有一定计算能力的服务器或者能够进行云计算的云端服务器。在本实施方式中，模块化控制单元的数量为多个。每个所述模块化控制单元包括接口插补层和包括多个驱动模块的驱动层。其中，每个模块化控制单元中的接口插补层可以通过统一的通讯协议接口与控制器进行信息交互。例如，控制器可以通过通讯总线(可以是通用总线，或者定制化总线)向各个模块化控制单元发送宏观指令。具体的，宏观指令可以为控制器通讯总线(可以是通用总线，或者定制化总线)向模块化控制单元发出的动力部联动状态、联动的插补规则，目标位置、目标速度、传感器配置、开关量比值等。
38.在其他可选的实施方式中，驱动轴也可以为其他可以驱动的动力部。
39.参照图4所示，各个模块化控制单元的接口插补层可以接收由控制器发出的宏观指令，并进行解析，从而根据宏观指令得到该模块化控制单元管理下的各个动力部的联动规则和运动指令。其中，联动规则包括各个运动部的联动轴的选择、联动的插补规则和联动速度。所述动力部的运动指令包括所述动力部的目标位置、运动速度以及运动条件命令的一个或多个。运动条件指令可以包括比如运行，停机，找零点等指令，还包括一些控制特性，比如限制电流不超过多少等。当然的，各个模块化控制单元也可以通过通讯总线(可以是通用总线，或者定制化总线)向主控制器反馈各类信息，例如，可以为各个模块化控制单元、各个模块化控制单元下属的各个动力部的各种信息，更具体的，可以为各个模块化控制单元获取下属的动力部的运行状态、传感器状态、开关量状态等。
40.参照图4所示，每个所述模块化控制单元内部可以集成有多个驱动模块。各个驱动模块可以通过类似pci总线之类的高速总线与接口插补层高度集成，从而整个接口插补层能够像直接控制自身硬件一样，直接驱动模块化控制单元的驱动模块。每个模块化控制单元的接口插补层均集成所有的插补算法，但是所有的插补算法对所有的动力部都是可以灵活选择的。
41.当主控制器给出插补规则时，接口插补层可以根据插补算法，来实现对所有动力
部的插补控制。这些插补算法包括但不限于直线插补、圆弧插补、b样条插补、以及扩展到n个轴的机床、机器人更复杂的插补算法。比如，可以根据实际需要，选在1、2号驱动轴(动力部)联动走圆弧插补，也可以选择1、2、3号驱动轴(动力部)进行圆球的插补等。而这些插补组合的方式只是依据主控制器对各个动力部的设定和选择。即，接口插补层可以结合插补算法以及宏观指令，生成针对各个动力部的微观指令，微观指令可以表示该动力部当前计算周期的位置、速度、加速度中的至少一个，和/或，下一个计算周期的位置、速度、加速度中的至少一个。
42.各个驱动模块能接收由接口插补层发出的微观指令。各个驱动模块还可以获取到位置控制相关的要求实时性非常强的传感信息，传感信息可以通过位置传感器或限位开关等来获取到，以便于进行实时性非常强的逻辑控制、限位保护、0点检测、位置检测等，辅助位置、速度的控制。各个驱动模块还具有与位置控制相关的，要求实时性非常强的数字量输出接口。数字量输出接口包括但不限于开路集电极输出、继电器输出等，从而对各个对应的驱动部(诸如电机或阀或开关)进行控制。由此，各个驱动模块可以根据接收到的微观指令和通过传感器或位置开关采集到的传感信息，进行诸如位置环计算、速度环计算、电流环计算，从而对应生成各个驱动指令，并通过正确的对应的驱动接口向电机输出，从而使所述电机正确的驱动对应的动力部。
43.由此，各个模块化控制单元的各个动力部可以根据设计需要进行柔性设计，例如各个动力部可以单独运动，或者，各个动力部可以某几个动力部同时或单独运动，再者，各个动力部也可以某几个动力部按照约定的插补规则进行联合动作。
44.显然，本技术实施例中的自动化控制系统更加通用，可以把模块化控制单元给扩展到各种加工设备。本技术实施例中的自动化控制系统可以应用在自动化工厂或者传动设备或者其他自动化集成较高的场景下。
45.相对传统的自动化工厂，本发明中的模块化控制单元把辅助传统机构、各个动力部等其他控制元件统一管理。而不是像现有技术中的cnc那样，钻床/铣床/钻铣加工中心等，物理形态固定控制单元就完全固定了；不具备很强的通用性。
46.显然，本技术实施例中的各个功能理论上是可以根据主控制器调整和选择的。即相对传统的自动化工厂，本发明的控制轴采用模块化的标准设备，而不是固定功能与插补关系的轴，可以灵活的改变轴的运行关系。这不同于现有技术中的传统的自动化工厂以及cnc，对于cnc来说，只要把机床给做好了，逻辑上各个轴的功能就固定了，从而能对应g代码的执行。
47.再者，采用本技术实施例中的自动化控制系统很容易实现对各种复杂机械机构的可编程扩展。对于现有技术中的cnc加工中心而言，很难针对造纸机械/包装机械等复杂的机械进行扩展。
48.综上，相对于传统的数字工厂，本技术实施例中的自动化控制系统具有以下优点：
49.对于产线中的加工设备以及辅助传动设备进行统一的模块化管理，从而消除了单个设备的自动化孤岛的现象；
50.对于产线中的各个轴的驱动更加灵活，而不是像传统的数字工厂中cnc的轴就是功能固定，则在进行新产线的设计的时候，可以采用复用驱动/复用轴的方式，进行更加灵活的产线设计。
51.对于大量的辅助性功能部件，统一按照等效开关量进行建模，降低了控制器的设计难度。
52.优选地，该自动化控制系统可以包括至少一个可编程辅助装置。主控制器通过诸如标准的modbus协议等通讯线路对可编程辅助装置的控制装置(例如，变频器)进行控制。可编程辅助装置可以为包括变频器的风机、切屑液供给装置、高压泵等该自动化控制系统的辅助装置。
53.在编程时，可以将该可编程辅助装置的运行参数进行设置，并且将某些工艺条件或者动力部的运行情况等设定该可编程辅助装置的开闭条件。例如，可以将切屑液的流速设定为固定值，或者可以设定为根据某检测参数而变化的浮动值(参数表)，然后该切屑液供给装置的启动条件为某电机的启动，而该切屑液供给装置的关闭条件就是某电机的停止运行。那么该切屑液供给装置的控制条件就可以简化为一个等效控制开关。
54.采用模块化设备固化插补算法的方式，编程更加灵活，产线的调试更加灵活。
55.相对于复杂的传动设备的架构，本发明把电机位置驱动模块化，并且多个驱动轴的驱动器进行集中的配置管理，从而降低了plc的编程难度。
56.综上，相较于相对复杂的设备架构，本技术实施例中的自动化控制系统具有以下优点：
57.采用模块化的架构，内置了较复杂的运动控制算法，从而大大简化了plc的编程的难度。采用模块化的编程风格，便于进行编程/调试/工艺的调整。
58.在一个优选的实施方式中，可以将对于整个自动化控制系统系统中的开关量，或者可以需要自行调节以达成某一控制目标的辅助系统(例如，包括但不限于风量控制、温度控制、切削液控制、变频主轴的旋转控制等)等效为开关量控制(其开关量提供几个共用的参数，供控制器根据工艺需要进行调节)，由主控制器进行统一集中控制。
59.在另一个可选的实施方式中，该自动化控制系统在整个工作过程中需要集中采集的数据(包括但不限于整体或者局部的图像数据、传感器数据等)，可以由主控制器进行数据的采集，并主控制器对工艺进行调整。
60.本技术实施例还公开了一种自动化控制方法，包括以下步骤：
61.主控制器生成宏观指令，其中，宏观指令包括各个动力部的联动规则和对应的运动指令；
62.与各个动力部分别对应的模块化控制单元根据宏观指令生成与各个动力部分别对应的各个电机的控制指令。
63.优选地，步骤“与各个动力部分别对应的模块化控制单元根据宏观指令生成与该动力部对应的电机的控制指令”包括：
64.与各个动力部分别对应的模块化控制单元根据宏观指令和与该动力部对应的电机的实时信息生成与该动力部对应的电机的控制指令。
65.优选地，步骤“模块化控制单元根据宏观指令生成与各个动力部分别对应的各个电机的控制指令”包括：
66.模块化控制单元中的接口插补层在接收到由所述主控制器发出的宏观指令后生成对应于各个所述动力部对应的驱动模块的微观指令；
67.根据被选取到的所述动力部的目标位置和与被选取到的所述动力部相关的电机
的实际信息，生成与各个被选取到的动力部对应的电机的微观瞬时指令。
68.优选地，步骤“主控制器生成宏观指令”包括：响应于待加工零件的工艺需求，在多个驱动轴中选至少一个，以及生成选取到的驱动轴的插补规则和驱动轴的目标位置。
69.以汽车零件a为例，主控制器在分析过待加工部件和汽车零件a成型部件的工艺过程后，生成了宏观指令。宏观指令可以包括在多个驱动轴中选取了驱动轴1、驱动轴4、驱动轴9以及各个驱动轴的目标位置、联动规则、联动速度等。
70.在本实施方式中，驱动轴1(电机1)和驱动轴4(电机4)从属的模块化控制单元为模块化控制单元a；驱动轴9(电机9)从属的模块化控制单元为模块化控制单元b。参照图5所示，换言之，电机从属模块化控制单元的从属关系，也就是物理拓扑。通过这方面的拓扑，编程的时候可以确定电机所属的模块化控制单元，以及电机在该控制模块的所属通道，从而实现对电机的精确控制。
71.模块化控制单元中的接口插补层在接收到由所述主控制器发出的宏观指令后生成对应于各个所述动力部的微观指令。在本实施方式中，模块化控制单元a中的接口插补层解析得到驱动轴1和驱动轴4在第1时间段做圆周插补动作；驱动轴4在第2时间段做直线位移动作。模块化控制单元b中的接口插补层解析得到驱动轴8和驱动轴9在第3时间段做圆弧插补动作。
72.驱动模块可以根据被选取到的所述动力部的微观指令、与被选取到的所述动力部相关的电机的实际信息以及电机的负载类型拓扑，生成与各个被选取到的动力部对应的电机的控制指令。
73.参照图5所示，其中，该负载类型拓扑包括电机所属的负载类型(直线型、圆弧形等)，以及目标位置类型(固定或浮动或往复或渐进式变化)。当选择特定目标类型的位置的时候，驱动模块根据目标类型的尺寸特点，自动生成电机运行的目标位置。
74.以驱动轴4为例，如果电机是直线型负载，那么其电子齿轮则明确，物理移动1毫米，需要电机转多少圈。
75.假设电机的目标位置类型为目标位置固定，子类型为基于特定工装的特定位置；该工装是一个n行*m列的点的矩阵，需要移动到该点矩阵的(x，y)元素对应的坐标；则位置生成规则为：
76.首先确定工装的驱动轴0点相对该电机轴0点的相对位置，以及该工装驱动轨道相对于当前被移动电机轨道的夹角；该工装沿驱动轨道0点的移动距离；然后计算出工装的0点相对于被移动电机的0点的实际位置；
77.然后计算出该点矩阵的(x，y)元素相对工装0点的位置偏移，最终考虑到补偿量，最终生成移动电机的移动绝对位置。
78.在编程中，只要指定目标为工装的点矩阵的(x，y)元素，那么即可计算得到当前移动电机的目标位置。
79.尽管本技术内容中提到不同的具体实施例，但是，本技术并不局限于必须是行业标准或实施例所描述的情况等，某些行业标准或者使用自定义方式或实施例描述的实施基础上略加修改后的实施方案也可以实现上述实施例相同、等同或相近、或变形后可预料的实施效果。应用这些修改或变形后的数据获取、处理、输出、判断方式等的实施例，仍然可以属于本技术的可选实施方案范围之内。
80.虽然本技术提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
81.上述实施例阐明的装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本技术时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
82.本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
83.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
84.通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
85.本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本技术可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络pc、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
86.虽然通过实施例描绘了本技术，本领域普通技术人员知道，本技术有许多变形和
变化而不脱离本技术的精神，希望所附的实施方式包括这些变形和变化而不脱离本技术。