CN105122158A - 具有短延迟时间的可编程控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行可编程控制装置(28)的方法，通过通讯总线(16)在总线循环时间(Tf)结束后循环地分别为控制装置提供具有***设备的状态数据的当前的输入数据组(24，26)。通过控制装置循环地执行控制程序(SPS)的第一程序级(30)。程序循环的程序循环时间(Tz)在此长于总线循环时间(Tf)，以至于在第一程序级(30)的程序循环(Zp)的循环开始(Zb)和循环结束(Ze)之间由通讯总线(16)提供至少一个另外的当前输入数据组(26)，其不能够由第一程序级(30)考虑。本发明的目的在于，缩短控制装置对***设备元件的输入值的改变进行反应的延迟时间。对此，通过控制装置(28)相对于第一程序级(30)以短于程序循环时间(Tz)在时间上错位地循环执行控制程序(SPS)的至少一个另外的程序级(32，34，36)。

Description

具有短延迟时间的可编程控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于过程设备和/或生产设备、或简称为设备的可编程控制装置。该控制装置能够经由现场总线与设备的***设备连接，即与设备的例如流水线和自动***的传感器和/或执行机构连接。属于本发明的还有一种用于运行可编程控制装置的方法。最后，属于本发明的还有一种太阳能热学设备和计算机程序产品。
背景技术
与用于个人计算机(PC)的程序相反，用于可编程控制装置的程序具有精确确定的结构。其根据图1在下面阐述。图1示出了流程图，在该流程图中示出的是，现场总线10如何关于时间t地在各个现场总线循环Zf中分别将设备的(未示出的)***设备的当前输入数据组传递给可编程控制装置、或简称为控制装置12。控制装置12实施对于设备的调节算法的控制程序SPS。循环地执行控制程序SPS、即一个接一个地执行，其中，图1中表示了控制程序SPS在其关于时间t的运行中的两个连续的程序循环Zp。
每个程序循环Zp随着经由现场总线读取连接的***设备的输入数据开始。对此，控制装置12将现场总线10的相应的当前的输入数据组14复制到用于当前的输入过程映射PAE的输入存储器中。随后对该数据进行处理，并且在最后将算出的输出数据再次写入到输出存储器上，现场总线从那里读取该输出数据并且将其再次传递到***设备。用于输入数据和输出数据的存储器被称为过程映射(PA)。用于输入数据的部分也简称为PAE，用于输出数据的部分类似地简称为PAA。根据调节算法，在程序循环Zp期间通过控制程序SPS从输入过程映射PAE计算用于输出过程映射PAA的输出数据组。在循环结束Ze时，将输出过程映射PAA、即具有用于***设备的调节数据的数据组再次传递给现场总线，其将输出数据组传递给***设备的调节单元，该调节单元随后驱控各个设备元件的执行机构。在循环结束到下个循环开始之间的过渡被称为循环控制点(ZKP)，其最重要的特征在于，因为完成了全部的计算，所以在输出存储器PAA中存在完全的数据一致性。
用于向***设备询问其当前的输入数据的或者用于为其传递现存的、由控制装置计算的输出数据的现场总线循环与控制装置12的程序循环Zp无关。现场总线循环时间Tf是以下时间，***需要该时间以便将由***设备传递给现场总线的所有当前的输入值作为当前的输入数据组复制到控制设备的存储器中作为当前的输入过程映射PAE，并且将那里的当前的输出过程映射PAE作为输出数据组再次写入到***设备。
程序Zp持续了确定的程序循环时间Tz。该程序循环时间长于现场总线循环时间Tf，现场总线10以该现场总线循环时间更新控制装置12的数据输入端处的当前的输入数据组。一般而言在此适用，Tf<<Tz。在此，常见的SPS程序和配置的数量级为Tf<50ms并且Tz<1000ms，从而直到对改变作出反应为止经过了不期望的长时间。
在中央的***设备中作为现场总线的替代，采用所谓的背板总线，其一般工作地比现场总线更快。接下来参考这两种总线类型，即背板总线和现场总线以及另外的、一般作为通讯总线的能用于SPS的总线。
利用不同方法所尝试的是，如下地改变显存现存的SPS程序，以使得能够并行地执行该程序的各个部分，从而在应用多核或许多核处理器的情况下特别快速地运行控制程序，而不必由程序员将其详尽地编程出。
然而在此产生了重要的问题，因为控制程序的迄今为止的依序处理允许了一种结构，其在并行地实施时导致不可预见的结果。作为实例，在此要提及一种局部变量(记忆器)的应用，其在不同程序段中总是重复用作为用于不同计算的中间存储器。在连续的控制程序中这没有问题。在并行地实施该控制程序的各个部分时，在这些各个部分之间存在有隐含的通讯，因为并行实施的控制程序的一个程序部分写入了该变量，而其他部分正好读取该变量并且因此得到错误值。这也被称为数据竞争(Data-Race)。
发明内容
本发明的目的在于，缩短控制装置对***设备元件的输入值的改变作出反应的延迟时间。
该目的通过根据权利要求1所述的方法、根据权利要求8所述的控制装置、结合太阳能热学设备的控制器通过根据权利要求9所述的太阳能热学设备、适当结合已经存在的控制装置通过根据权利要求10所述的计算机程序产品来实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求给出。
根据本发明的方法用于运行可编程控制装置，为其以已经描述的方式通过通讯总线、即例如背板总线或现场总线在总线循环时间结束后循环地分别提供具有***设备的状态数据的当前的输入数据组。该输入数据组能够例如包括各个***设备元件、即例如传感器或执行控制器的传感器数据或者状态参数的值。在该方法中，通过控制装置利用调节算法循环地执行或者实施控制程序的程序级。在下面将该程序级称为第一程序级。因此，在每个程序循环中由第一程序级在循环开始时复制当前的输入数据组，在程序循环期间从所复制的输入数据组为***设备计算具有调节数据的输出数据组，并且在循环结束时将输出数据组传递给通讯总线，以用于传递给***设备。在此，根据本发明的方法涉及以下情况，程序级的每个程序循环的程序循环时间Tz长于总线循环时间Tf，从而在每个程序循环的循环开始和循环结束之间分别由通讯总线提供至少一个当前的另外的输入数据组，因为该第一程序级还没有结束其程序循环，所以该另外的输入数据组不由第一程序级所考虑。
在根据本发明的方法中，现在通过控制装置实施控制程序的至少一个另外的程序级。换而言之，控制装置同时实施控制程序至少两次，更确切地说其中的每个都再次循环。在此，在时间上受限地实施这些程序级。换而言之，每个另外的程序级都相对于第一程序级以短于一个程序循环时间Tz地在时间上错位。换而言之，在第一程序级的循环开始和循环结束之间存在有至少一个另外的程序级的至少一个另外的循环开始。再换一种说法，所有程序级的循环控制点都在时间上相互错位。通过至少一个另外的程序级同样分别处理其它的以下输入数据组，其在第一程序级的程序循环的循环开始和循环结束之间通过通讯总线提供。
通过用于使用于控制算法的现有的控制程序并行的新实例得出的优点在于，在改变输入数据和输出控制装置的所属的调节数据之间的最大可行的时间错位能够***地通过相应地选择另外的程序级的数量来缩短。与通过分析将现存的程序划分为能并行的线程(英文：Threads)的方式和方法相比，在根据本发明的方法中能够对此使用现有的计算能力，以便在时间上错位地并行地多次实施相同的控制程序。
特别有利的是，并行执行的程序级对其相应的数据与每个其它的程序级无关地进行处理。此时，不管编程者、还是工程***、还是运行时间***都不必为防止对于并行的错误编程(data-race)而采取专门措施，因为各个并行运行的程序级以其独有的数据工作，并且因此是完全不相关的。
优选地，使用多核或许多核处理器，以使得每个处理器核(Core)实施相同的控制程序、即控制程序的相应的程序级，然而以一定的相对于“邻居”、即相对于下个程序级在时间上的错位来实施。相应地，在本方法的一个改进方案中，在控制装置中提供多核处理器***并且每个程序级通过该多核处理器***的处理器核中的另一个来执行。由此得到的优点是，在各个处理器核的内部的各个程序级之间没有转换过程，否则由此可能改变程序级之间的所设定的时间错位。
在此，根据本发明的方法随着可用的处理器核的数量而绝对线性地进行缩放(不包括不重要的启动阶段以及停止阶段)。所达到的有意义的边界是，在N个处理器核中在程序级之间的时间错位相当于现场总线循环时间，即Tz＝N*Tf。根据本方法的一个实施方式，当在控制装置的有意义的配置阶段中、即例如在接通控制装置之后通过分析装置、例如控制装置的程序模块测定程序循环时间Tz和总线循环时间Tf，并且取决于所测定的时间值(程序循环时间和总线循环时间)确定控制程序的至少一个另外的程序级的数量和相对于第一程序级和时间错位时，得到控制装置的有意义的自动的配置。本方法的执行能够测量控制程序的按顺序的进行，由此并且从处理器核的现存数量N计算时间错位，并且随后控制程序多次作为各个程序级在可用的处理器核上错位地开始。
作为处理器核的数量的替代，为了计算程序级的时间错位和数量，也能够以程序级的其它的能任意规定的最大数量为基础(例如当其能用时，在现存的处理器核N＝8时最多为4个)。
本方法的一个其他的改进方案提出，程序级设计用于，将在程序循环期间、即在循环结束之前已经完成计算的调节数据也在循环结束之前传递给通讯总线，以用于传递给***设备。因此，其在此不是仅随着具有最终有效的输出数据的输出数据组，而是提前一个或两个甚至更多个总线循环就已经传递给***设备。控制程序的这种优化具有以下优点，当可用的处理器核少于所必需的、以用于实施控制程序的对于执行每个由现场总线提供的输入数据组来说理论上所必需的多个程序级的处理器核时，此时也能够还进一步缩短延迟时间。为了以所描述的方式优化控制程序，需要分析控制程序。要分析的是，输出数据、即***设备的确定的调节数据在何时已经在程序循环期间完成计算并且不再应用，特别是不再通过后续计算改变。该调节数据随后隐含地在该时间点复制到用于通讯总线的输出过程图像PAA的存储器中，以至于其在下个总线循环中传递给***设备。
本方法的一个其他的改进方案涉及控制装置和外部的规划和/或操作***、例如操作装置(HMI-humanmachineinterface，人机界面)的连接。在此，控制装置经由与总线接口不同的通讯端口、即例如互联网网络连接或者经由过程间通讯端口与外部的规划和/或操作***连接。因此，控制预设、例如额定速度或者额定调节角度能够由外部的***经由通讯端口接收，并且每个并行运行的程序级都能够传递给其它的循环控制点(ZKP)。由此在并行时，在接收控制预设之后通过多个程序的实施维持了在程序级之间的完全的数据一致性。
对于外部设备的读取询问来说有两个可行性方案。如果经由通讯端口接收至少一个用于输出当前的输出数据组和/或当前的调节器状态的读取请求，那么就通过控制装置在时间上立即跟随的循环结束终止时将所请求的输出数据要么传递给固定地预定的程序级要么传递给一些程序级，其程序循环作为下一个结束。在此，该输出经由通讯端口实现。换句话说，要么将并行运行的程序循环中的一个限定为主程序循环并且总是仅将该程序循环的输出数据向外通知给外部的***，要么在作为任意的程序级上的下一个到达ZKP处实施读取请求。
如已经实施的那样，属于本发明的还有用于过程设备和/或生产设备的控制装置。根据本发明的控制装置具有处理器***和用于与设备的***设备交换输入数据组和输出数据组的、对于通讯总线的总线接口。该处理器***设计用于实施控制程序的程序级，通过该控制程序实现用于***设备的调节算法。根据本发明的控制装置设计用于，执行根据本发明的方法的实施方式。
一种能够受益于根据本发明的方法的设备，例如是太阳能热学设备。在这种类型的设备中，聚束太阳光的镜子应跟踪太阳状态。镜子的数量相对较多，以至于用于调节镜位置的控制程序的程序循环时间显著地高于现场总线的时间、即总线循环时间。在这一点上，根据本发明的太阳能热学设备设置为，***设备、即设计成能跟踪的镜子经由通讯总线与中央的控制装置耦联，其中，控制装置是根据本发明的控制装置的实施方式。通过控制装置，取决于太阳状态地通过控制程序调整镜子的相应位置。在此，控制程序的每个实例都调节多个、特别是全部的镜子的镜位置。尽管如此，由此没有产生不期望大的延迟时间，因为能够通过程序级的数量调整最高需要多少总线循环，直到对于输入数据的改变的输出数据准备好为止。
关于太阳能热学设备，对输出数据的计算仅取决于外部的值、即太阳状态和可能的另外的环境值。因此，通过简单地时间错位地并行地实施多个程序级的方式，控制程序能够非常简单地并行。这所允许的是，明显改善镜子跟踪的质量。
为了同样在根据本发明的方法的意义上加强常规的控制装置，根据本发明的计算机程序产品设置了计算机程序代码，其存储在至少一个存储介质、即硬盘或CD-Rom上。程序代码设计用于，在实施时通过控制装置的处理器***为过程设备和/或生产设备实施根据本发明的方法的实施方式。
附图说明
接下来根据具体的实施例再次准确地阐述本发明。在此示出：
图1是根据现有技术的设备中的计算和传递过程的时间流程图表，
图2是图1的设备的处理数据变化的时间流程图表，
图3是传递过程和计算过程、如其在具有根据本发明的控制装置的实施方式的设备中表现的时间流程的图表。
具体实施方式
在接下来阐述的实施例中展示了实施方式中的所描述的元素和本方法的所描述的步骤、本发明的各个相互独立地要观察的特征，其分别相互独立地改进了本发明，并且因此能够单独地或者以与所示出组合不同的组合视作为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也能通过本发明的已经描述的特征中的另外的特征限制。
所示的实施方式代表了本发明的优选的实施方式。
首先根据图2进行阐述，如整体上在现有技术的可编程控制装置中，在***设备中发生改变和通过SPS实现的调节进行所属反应之间能够存在延迟，该延迟能够几乎为程序循环时间的两倍。在图2中对此再次示出了从现有技术中已知的***，其如在图1中所示。
用于SPS的控制程序的各个程序循环的输入数据的读取从循环开始通过复制由现场总线所写入的输入数据存储器PAE的当前内容来建立，并且该复制随后用作对于输出数据组的所有计算的基础，随后从其中产生属于该程序循环的输出过程映射PAA。然而，这仅在循环结束时、即在程序循环时间Tz之后传递给现场总线，从而使该现场总线将输出值写入到***设备处。因此，在当前的输入数据组和通过控制程序的调节算法计算的所从属的输出数据组之间存在延迟时间，其相当于程序循环时间(经由现场总线的传递时间未计算在内)。
图2附加地示出了设备的***设备元件P1，其能够例如包括传感器，其输出传感器值作为用于现场总线10处的输入数据组的输入数据。在图2中沿着时间t的时间轴所标记的时间点处，传感器值从输入值E0变为输入值E1。现场总线10将改变的传感器值作为输入数据组15的和跟随其后的输入数据组的组成部分传递到控制装置12处。
如图2所示，控制装置12在即将遇到输入数据组15之前将用于通过程序循环Zp处理的输入数据组14作为输入过程映射PAE复制到输入存储器中，并且以对输出数据组的计算开始。在此，该程序循环Zp用索引n标记。因为在此，当前的输入数据组14在即将遇到输入数据组15前被读取，所以应用了用于计算所属的位置值A0的输入值E0，该位置值形成输出数据组的输出值。随着在此具有索引n+1的下个程序循环Zp才应用改变的输入值E1以用于计算所属的位置值A1。随后，在具有索引数n+1的程序循环Zp的循环结束Ze时才将对应于改变的输入值E1的位置值A1发送给现场总线10，以使得其以延迟时间或者时延T1到达例如***设备元件P1处。从***设备元件P1的角度看，因此产生延迟时间或者时延T1，其在不利的情况下能够近似为程序循环时间Tz的两倍。
因此，***设备元件处的输入值的每次改变总是以总线循环时间Tf(即以时间段Tf)传递到控制装置12处。但是在那里当建立了下一个输入过程映射PAE的复制品时，随着下个程序循环Zp开始才考虑新的值E1。随后，输入数据的处理在该程序循环Zp(在此索引为n+1)中进行，从而在输入值改变(E0->El)之后尽管如此也不基于改变的值E1地仍实施原先的处理了旧的输入值E0的程序循环Zp(在此索引为n)。
图3所阐明的是，如何在根据本发明的方法的实施方式中，在根据本发明的控制装置的实施方式中，以时间t在现场总线中由通讯总线16在各个总线循环18，20，22中分别将来自于现场总线16的当前的输入数据组24，26作为输入过程映射PAE复制到控制装置28中。通过控制装置28实施同一控制程序SPS的多个程序级30，32，34，36。换句话说，多个控制程序利用相同的控制程序文本在时间上并行地运行。在此，程序级分别循环地实施，即总是重复。每个程序级30，32，34，36能够例如通过控制装置28的处理器***的固有的处理器核来实施。
在每个程序循环Zp中，通过程序级30在循环开始Zb时将输入数据组24从现场总线16作为输入过程映射PAE复制到控制装置28的存储器中，在程序循环Zp期间由此以所描述的方式将调节数据作为输出数据组24’来计算，并且在循环结束Ze时将所生成的输出过程映射PAA在程序循环时间Tz之后输出到现场总线16处，其以所描述的方式将输出数据组24’传递给***设备。例如，能够通过控制装置28控制所描述的太阳能热学设备。程序循环时间Tz长于总线循环时间Tf。图3中如图2中一样再次示出的是，在两个依次连续的现场总线循环中通过相应的当前的输入数据组首先传递输入值E0，并且随后传递输入值E1给控制设备28。与图2的实例中不同的是，通过另外的程序级32中的一个立即使用了输入数据到值E1的改变，以用于计算相应匹配的输出数据组26’。
对此，程序级30，32，34，36以时间错位Td相互错位地通过控制装置28来开始。时间错位Td短于程序循环时间Tz。因此，程序级30，32，34，36在时间上受限地相对于彼此并行地运行。在所示的实例中，控制循环并行地运行四次，例如在四个不同的处理器核上运行。换句话说，有四个程序级30，32，34，36。在循环每次开始时，将相应的现场总线循环18，20，22的当前输入数据组24，26作为输入过程映射PAE复制到控制装置的存储器中并且进行处理。由此提高了控制装置28的与输入数据组有关的采样率，这些输入数据组由现场总线16提供。这提高了新的当前输出数据组24’，26’的计算的质量或者数量。由此，使输出数据组相应更快地与输入值的改变(例如E0到E1)方面匹配，并且将具有合适的位置值的更快匹配的输出数据组传递给***设备。在所示的实例中，例如在程序级30对于输入值E0已经在现场总线循环22中输出了输出值之后，立即以时间错位Td通过第一个检测到改变了的输入值E1的下一个程序级32将对于改变了的输入值E1合适的输出值输出给现场总线16。
附图标记列表
10现场总线
12标准控制装置
14输入数据组
16通讯总线
18，20，22现场总线循环
24，26输入数据组
24’，26’输出数据组
28控制装置
30，32，34，36程序级
SPS控制程序
t时间
Td时间错位
Tf总线循环时间
Tz程序循环时间
Zb循环开始
Ze循环结束
Zp程序循环。

Claims (10)

1.一种用于运行可编程的控制装置(28)的方法，通过通讯总线(16)在总线循环时间(Tf)结束后循环地分别为所述控制装置提供具有***设备的状态数据的当前的输入数据组(24，26)，其中，在所述方法中通过所述控制装置循环地执行控制程序(SPS)的第一程序级(30)，并且在每个程序循环(Zp)中由所述第一程序级(30)在循环开始(Zb)时复制此时分别提供的当前的所述输入数据组(24)，然后在所述程序循环(Zp)期间从所复制的所述输入数据组(24)为所述***设备计算出具有调节数据的输出数据组(24’)，并且在循环结束时将所述输出数据组(24’)传递到所述通讯总线(16)，以用于传递给所述***设备，其中，所述程序循环(Zp)的程序循环时间(Tz)长于所述总线循环时间(Tf)，从而在所述第一程序级(30)的所述程序循环(Zp)的所述循环开始(Zb)和所述循环结束(Ze)之间分别由所述通讯总线(16)提供至少一个当前的另外的输入数据组(26)，因为所述第一程序级还没有结束该第一程序级的所述程序循环(Zp)，所以该另外的输入数据组不被所述第一程序级(30)考虑，其特征在于，通过所述控制装置(28)相对于所述第一程序级(30)在时间上以比一个程序循环时间(Tz)更短地错位地循环执行所述控制程序(SPS)的至少一个另外的程序级(32，34，36)，并且通过至少一个所述另外的程序级(32，34，36)分别处理以下另外的输入数据组(26)，该另外的输入数据组在所述第一程序级(30)的所述程序循环(Zp)的所述循环开始(Zb)和所述循环结束(Ze)之间通过所述通讯总线(16)提供。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过并行执行的程序级(30，32，34，36)使该程序级的相应的数据(24，26)独立于每个其它的程序级(30，32，34，36)地被处理。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述控制装置(28)中提供多核处理器***，并且每个程序级(30，32，34，36)通过处理器核中的另一个处理器核来执行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述控制装置(28)的配置阶段中，通过分析装置测定所述程序循环时间(Tz)和所述总线循环时间(Tf)，并且取决于所测定的时间值(Tz，Tf)确定至少一个所述另外的程序级(32，34，36)的数量和相对于所述第一程序级(30)的时间错位(Td)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定的所述数量附加地由所述控制装置的多核处理器***的能用的计算核的数量来确定，和/或为所述程序级(30，32，34，36)关于时间(t)的均匀分布确定所述时间错位(Td)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述控制程序(SPS)设计用于，在一个所述程序循环(Zp)期间将在所述循环结束(Ze)之前已经完成计算的调节数据传递到所述通讯总线，以用于传递给所述***设备。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用外部的规划和/或操作***经由与总线接口不同的通讯端口接收至少一个用于输出当前的输出组(24’，26’)和/或当前的调节器状态的读取请求，并且通过所述控制装置(28)在时间上立即跟随的所述循环结束(Ze)结束时为a)固定地预定的程序级(30)或者b)以下程序级(30，32，34，36)，该程序级的程序循环(Zp)下一个结束，经由所述通讯端口输出所请求的输出数据。
8.一种用于过程设备和/或生产设备的控制装置(28)，具有用于与这些设备的***设备经由通讯总线(16)交换输入和输出数据组(24，26，24’，26’)的总线接口和用于实施控制程序(SPS)的程序级(30，32，34，36)的处理器***，其中，所述控制装置(28)设计用于，执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
9.一种具有多个能跟踪地构造的镜子和根据权利要求8所述的中央的控制装置(28)的太阳能热学设备，所述镜子是该设备的***设备，所述控制装置经由通讯总线(16)与所述***设备耦连，并且所述控制装置设计用于，取决于太阳状态地通过控制程序(SPS)调整所述镜子的相应的位置。
10.一种具有存储在至少一个存储介质上的程序代码的计算机程序产品，所述程序代码设计用于，在实施该程序代码时通过控制装置(28)的处理器***为过程设备和/或生产设备实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
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