一种基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器

摘要

本发明公开了一种基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器，串口数据接收模块、指令校验模块、指令解析处理模块依次相串连后，指令解析处理模块与寄存器连接并进行数据录入；录入的数据经过寄存器处理后，寄存器与应答指令组帧模块连接，应答指令组帧模块、应答指令缓存模块、串口数据发送模块依次串联，进行数据输出。开关处理模块、传感器数据采集模块、滴加控制模块、加料控制模块、出料控制模块并联在寄存器上。寄存器具有控制调节、数据处理、状态显示三组模块组成。Flash驱动模块和SD卡读写模块连接后，Flash驱动模块与寄存器连接；本发明能够实现无缝切换，且易扩展，更灵活更新。

权利要求

1.一种基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器，其特征在于：

该控制器包括串口数据接收模块、指令校验模块、指令解析处理模块、应答指令组帧模块、应答指令缓存模块、串口数据发送模块、开关处理模块、传感器数据采集模块、滴加控制模块、加料控制模块、出料控制模块、Flash驱动模块和SD卡读写模块；

串口数据接收模块、指令校验模块、指令解析处理模块依次相串连后，指令解析处理模块与寄存器连接并进行数据录入；录入的数据经过寄存器处理后，寄存器与应答指令组帧模块连接，应答指令组帧模块、应答指令缓存模块、串口数据发送模块依次串联，进行数据输出；

开关处理模块、传感器数据采集模块、滴加控制模块、加料控制模块、出料控制模块并联在寄存器上；

寄存器具有控制调节、数据处理、状态显示三组模块组成；Flash驱动模块和SD卡读写模块连接后，Flash驱动模块与寄存器连接；

基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器与工控机通过RS-232总线通信，串口指令数据接收模块负责接收串口指令；指令校验模块判断当前的通讯协议类型，对指令解析处理模块和应答指令组帧模块进行动态重构；指令解析处理模块负责对指令进行解析，从而触发相应的任务执行；应答指令组帧模块负责根据通讯协议以及当前所有器件状态及任务的执行状态拼装应答指令；应答指令缓存模块缓存组装好的应答指令；串口数据发送模块将从应答指令缓存模块中读取应答指令逐条发送；开关处理模块负责控制相连阀门设备的开关以及读取设备反馈状态；传感器数据采集模块负责识别所连传感器使用的通讯协议类型并自动动态重构协议并完成各类传感器数据的正确采集；滴加控制模块包含PID调节功能，负责根据指令要求完成物料按规定速度及时间进行滴加；加料控制模块负责根据指令要求完成规定质量的物料的进料；出料控制模块负责根据指令完成规定质量的物料的出料；Flash驱动模块负责实现Flash的读写，SD卡读写模块从SD卡中读取用于重构的配置文件，通过写入Flash驱动模块写入Flash中，使得FPGA重构时能够从Flash中加载配置文件。

说明书

一种基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器

技术领域

[0001] 本发明涉及工业控制领域，更具体地，涉及一种可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器。使用FPGA动态重构技术实现工业控制器通讯协议的无缝切换。

背景技术

[0002] 聚羧酸减水剂是水泥混凝土运用中的一种水泥分散剂，而水泥混泥土是建筑中最基本的物质，因此要求聚羧酸减水剂具有很高的产品质量，这就要求聚羧酸减水剂的生产过程必须是稳定、高效、优质和安全的。

[0003] 聚羧酸减水剂的生产过程由自动化生产控制器控制，它向上连接了运行在工控机上的工控软件，接收用户通过工控软件发送的命令；向下连接了各种工业仪表，实时采集生产现场的各类数据，例如反应釜温度、物料质量、物料PH值等。

[0004] 自动化生产控制器通过特定的通讯协议与工控软件和各类仪表进行通讯。使用的通讯协议随工控软件及各类仪表的类型、厂家的不同而不同，目前现场总线协议已经多达上百种。

[0005] 聚羧酸减水剂自动化生产的控制核心是对化学反应过程的控制，影响产品质量的因素包括参与化学反应的物料的种类、质量、添加速度、化学反应过程中的温度等等。这些因素都与用户的控制命令内容以及控制器实时采集的数据有关。因此，控制器使用正确的通讯协议与工控软件和工业仪表进行通讯是获取正确数据的关键。通讯协议的种类越来越多，为了保证生产过程正确且不间断，不得不尽可能将可能用到的通讯协议全部同时在控制器上实现，以便实现协议的在线切换。而单次生产工作中，可能只有其中一部分协议参与实际工作。这样大大增加了控制器系统的功耗、成本及复杂度，同时降低了控制器系统的集成度和资源利用率。

发明内容

[0006] 本发明针对现有设计的缺陷，提出了一种基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器。

[0007] 该控制器包括串口数据接收模块、指令校验模块、指令解析处理模块、应答指令组帧模块、应答指令缓存模块、串口数据发送模块、开关处理模块、传感器数据采集模块、滴加控制模块、加料控制模块、出料控制模块、Flash驱动模块和SD卡读写模块。

[0008] 串口数据接收模块、指令校验模块、指令解析处理模块依次相串连后，指令解析处理模块与寄存器连接并进行数据录入；录入的数据经过寄存器处理后，寄存器与应答指令组帧模块连接，应答指令组帧模块、应答指令缓存模块、串口数据发送模块依次串联，进行数据输出。

[0009] 开关处理模块、传感器数据采集模块、滴加控制模块、加料控制模块、出料控制模块并联在寄存器上。

[0010] 寄存器具有控制调节、数据处理、状态显示三组模块组成。Flash驱动模块和SD卡读写模块连接后，Flash驱动模块与寄存器连接。

[0011] 基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器与工控机通过RS-232总线通信，串口指令数据接收模块负责接收串口指令；指令校验模块判断当前的通讯协议类型，对指令解析处理模块和应答指令组帧模块进行动态重构；指令解析处理模块负责对指令进行解析，从而触发相应的任务执行；应答指令组帧模块负责根据通讯协议以及当前所有器件状态及任务的执行状态拼装应答指令；应答指令缓存模块缓存组装好的应答指令；串口数据发送模块将从应答指令缓存模块中读取应答指令逐条发送；开关处理模块负责控制相连阀门设备的开关以及读取设备反馈状态；传感器数据采集模块负责识别所连传感器使用的通讯协议类型并自动动态重构协议并完成各类传感器数据的正确采集；滴加控制模块包含PID调节功能，负责根据指令要求完成物料按规定速度及时间进行滴加；加料控制模块负责根据指令要求完成规定质量的物料的进料；出料控制模块负责根据指令完成规定质量的物料的出料；Flash驱动模块负责实现Flash的读写，SD卡读写模块从SD卡中读取用于重构的配置文件，通过写入Flash驱动模块写入Flash中，使得FPGA重构时能够从Flash中加载配置文件。

[0012] 本发明的有益效果是：(1)功能可重构：利用FPGA可重构技术使得所有的通讯协议可以不必全部同时在单颗芯片上实现，而是需要使用哪种协议就重构为改种协议的功能。(2)无缝切换：使用FPGA局部动态重构技术，通讯协议切换时无需断电复位，同时非重构模块不会受到影响，可以保持不间断工作。(3)易扩展：需要新增通讯协议时，仅需实现新通讯协议部分并生成该部分的配置文件即可，无需考虑程序合并等。(4)灵活更新：使用SD卡存储配置文件，重构时系统自动加载，因此用户无需学习使用复杂的下载软件，仅需将更新文件拷入SD卡即可。

附图说明

[0013] 图1是本发明的系统总体框图。

[0014] 图2是使用普通断电方式更新控制器程序的反应釜温度曲线图。

[0015] 图3是使用动态重构方式更新控制器程序的反应釜温度曲线图。

具体实施方式

[0016] 以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

[0017] 如图1所示，本发明是一种基于FPGA的可重构聚羧酸减水剂自动化生产控制器，包括串口数据接收模块、指令校验模块、指令解析处理模块、应答指令组帧模块、应答指令缓存模块、串口数据发送模块、开关处理模块、传感器数据采集模块、滴加控制模块、加料控制模块、出料控制模块、Flash驱动模块和SD卡读写模块。

[0018] 用户在工控机软件上操作，指令通过RS232等协议下发至控制器，通过GPIO接口进入FPGA。指令由串口数据接收模块接收，由指令校验模块识别当前指令的类型并校验内容的合法性，如果需要切换协议则产生重构信号。指令解析模块负责解析指令内容，触发相应任务，包括开关阀门、执行或终止滴加任务、执行或终止加料任务、执行或终止出料任务、查询阀门状态、查询传感器数值、查询滴加任务状态、查询加料任务状态、查询出料任务状态。由应答指令组帧模块针对查询指令类型组装好相应应答指令，放入应答指令缓冲，串口数据发送模块从应答缓冲中读取指令进行发送。FPGA内部实现的Microblaze软核作为动态重构实现的控制器，通过PLB总线与其它模块相连。在其上编写的软件程序将读取重构信号，当需要进行重构时将读取Flash中相应的配置文件完成重构。SD卡读写模块负责读取在SD卡中存储的配置文件并加载到Flash中供重构时使用。

[0019] 图2、3分别是在一次物料的滴加过程中，使用传统的普通断电方式更新控制器程序的反应釜温度曲线图与使用动态重构方式更新控制器程序的反应釜温度曲线图。

[0020] 普通的一个反应釜单元一般由A计量罐、B计量罐、碱计量罐、反应釜组成；滴加过程指A计量罐和B计量罐中的物料按预设定的速度滴入反应釜中，在一次滴加过程中碱计量罐并无参与工作，反应釜上的温度传感器用于实时采集化学反应的温度，并由人工或工控软件进行温度的控制调节，滴加过程中化学反应的温度将直接影响到产品质量。

[0021] 如果在一次滴加过程中需要把碱计量罐使用的称重传感器更换为其它厂家的称重传感器，就需要更新控制器程序中相应部分使用的通讯协议。碱计量罐并没有参与滴加过程，因此修改碱计量罐不应影响滴加的正常工作。

[0022] 使用传统的程序更新方式时，需要在下载程序时对控制器进行断电复位，那么就会造成其滴加过程的中断。如图2所示，中间段为温度顺降代表对应时间段控制器程序断电复位过程，此时有可能造成该段时间反应釜温度失控，影响产品质量。

[0023] 使用动态重构的方式进行程序的更新并不需要断电复位，因此不会造成滴加过程的中断，实现通讯协议的无缝切换，如图3所示。