具分布式處理架構的控制系統及其運作方法

2023-06-14 04:21:46

專利名稱：具分布式處理架構的控制系統及其運作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制系統及其運作方法，特別是指一種利用分布式處理架構來控 制操作程序的控制系統及其運作方法。
背景技術：
目前工業用控制系統，也就是所謂的可程序邏輯控制系統(Programmable Logic Controller, PLC)，其相當於是由電腦所構成，並且其可搭配不同的輸入/輸出模塊(I/O Module)來進行接收(輸入)及發送(輸出)多種型態的電氣或電子信號，以達到通過數字 或模擬輸入/輸出模塊來控制機器設備、製造處理流程及其它控制模塊的電子系統。而在上述控制系統的架構上，由於公知的輸入/輸出模塊並沒有設計任何處理器 而僅為硬體線路，因此是採用所謂的集中式處理架構來設計，以利用電腦的中央處理器來 整合及控制所有連接的輸入/輸出模塊。具體來講，電腦必須針對所有輸入/輸出模塊來 安裝特定的驅動程序，使中央處理器所搭配的固件程序得以支持輸入/輸出模塊，以在整 個控制系統進行運作時，由電腦的中央處理器來先掃描目前所有連接的輸入/輸出模塊， 並完成驅動聯機。接著中央處理器再依控制操作程序的需求而來詢問所欲控制的輸入/輸 出模塊，並要求回傳所需數據。最後，中央處理器再針對輸入/輸出模塊所回傳的數據來進 行運算處理，以完成控制系統的控制操作程序。舉例來講，假設上述的輸入/輸出模塊為一照相功能模塊，並且照相功能模塊中僅 具有鏡頭、感測組件等硬體線路。於是，照相功能模塊在公知的設計上是搭配連接電腦，以利 用中央處理器來做為照相功能模塊的處理器，進而實現集中式處理架構的控制系統。而在整 個控制系統運作時，電腦的中央處理器必須先通過驅動程序來與照相功能模塊完成聯機，進 而才可以輸出一快門致能信號來控制照相功能模塊進行照相。最後，中央處理器再接收照相 功能模塊照相後所回傳的圖像信號而來運算處理，以進行顯示及產生圖像文件等。然而，隨著電腦所支持的輸入/輸出模塊越來越多，中央處理器所搭配的固件程 序也就隨著驅動程序的安裝而變得越來越龐大且複雜。而另一方面，中央處理器也由於必 須肩負運算所有輸入/輸出模塊所回傳的數據，以致於整體運算量變得十分龐大，進而導 致整個控制系統的效率會大幅地降低。再者，若有多組控制系統欲共同使用多種輸入/輸出模塊來進行控制操作程序 時，則操作者也必須在每組控制系統的電腦中安裝所有輸入/輸出模塊的驅動程序。如此 一來，將大幅增加前置設定操作上的負擔。此外，在輸入/輸出模塊的驅動程序開發上，也 必須因應不同作業系統而開發不同版本的驅動程序，以避免驅動程序兼容性的問題。因此，由上述可知，目前採用集中式數據處理架構的控制系統在實際控制操作上 仍存在有許多問題，因而有待進一步加以改善。

發明內容
有鑑於此，本發明所要解決的技術問題在於，改變控制系統中數據運算處理的架構，讓各個輸入/輸出模塊具有控制器並且得以自行驅動本身搭配設計的電路，以在輸入/ 輸出模塊受控啟動後能夠自行運算並產生結果數據來自動回傳至電腦中，進而讓電腦的中 央處理單元不需再運算即可直接取得所需的結果數據。為了解決上述問題，根據本發明所提出的一方案，提供一種具分布式處理架構的 控制系統，包括多個輸入/輸出模塊及一電腦裝置。其中，每一輸入/輸出模塊更包含一 電路架構及一控制單元，控制單元是內建一驅動程序，並且控制單元於啟動時是執行驅動 程序來驅動電路架構的運作，以運算產生一結果數據。電腦裝置連接該些輸入/輸出模塊， 以形成分布式處理架構，並且電腦裝置進一步包含一數據收集單元及一中央處理單元。數 據收集單元儲存該些輸入/輸出模塊所產生的結果數據，而中央處理單元是依據一控制操 作程序來產生至少一致能控制信號，以致能相對應的輸入/輸出模塊開始啟動運作，並進 而在該數據收集單元中取得相對應的結果數據。為了解決上述問題，根據本發明所提出的另一方案，提供一種具分布式處理架構 的控制系統的運作方法，其中的控制系統是包含一電腦裝置及多個輸入/輸出模塊，而運 作方法的步驟包括首先，電腦裝置的一中央處理單元依據一控制操作程序來產生至少一 致能控制信號，以致能相對應的輸入/輸出模塊開始啟動運作。接著，該啟動運作的輸入/ 輸出模塊運算產生一結果數據，並將結果數據儲存於電腦裝置的一數據收集單元。最後，中 央處理單元再依據控制操作程序來取得數據收集單元中相對應的結果數據。藉此，本發明所能達到的技術效果在於，藉由分布式運算的設計來大幅提升控制 系統的執行效率，並且讓操作者在建置不同控制系統時，不需再於各個電腦裝置中安裝適 合的驅動程序來支持所連接的輸入/輸出模塊，進而減輕前置設定操作的負擔。再者，針對 輸入/輸出模塊的開發廠商而言，也不需再額外發行不同版本的驅動程序來因應不同的操 作系統。以上概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達到預定 目的所採取的方式、手段及技術效果。而有關本發明的其它目的及優點，將在後續的說明及 附圖中加以闡述。


圖1為本發明具分布式處理架構的控制系統的實施例方塊圖；及圖2為本發明具分布式處理架構的控制系統的運作方法實施例時序流程圖。主要元件標記
1控制系統11輸入/輸出模塊111電路架構112控制單元1121驅動程序12電腦裝置120 連接接口121數據收集單元122中央處理單元
1221固件程序2受控裝置3信號產生裝置S201 S213流程圖步驟說明
具體實施例方式本發明的具分布式處理架構的控制系統及其運作方法是用於工業控制領域， 並且在實際應用上為工業用控制器，例如可程序邏輯控制系統(Programmable Logic Controller, PLC)，藉以進行控制機器設備、製造處理流程及其它控制模塊的電子系統。此 夕卜，實際上針對控制條件的不同(如受控對象不同)，控制系統中所搭配的輸入/輸出模 塊的功能也就 會有所不同，並且一個控制系統可以是搭配有多個不同功能的輸入/輸出模 塊來達到控制的需求。而本發明是改變控制系統中數據運算處理的架構，讓電腦裝置所連接的輸入/輸 出模塊是具有控制器的設計，並且能夠自行驅動本身搭配設計的電路，以在輸入/輸出模 塊受控啟動後能進行運算並產生結果數據來自動回傳，進而讓電腦裝置的中央處理單元不 需再進行複雜的運算即可直接取得所需的結果數據，藉以形成分布式處理架構的控制系 統。請參考圖1，為本發明具分布式處理架構的控制系統的實施例方塊圖。如圖1所 示，本實施例是提供一種控制系統1，其包括多個輸入/輸出模塊11及一電腦裝置12。其 中，各個輸入/輸出模塊11可例如是分別代表不同功能的模塊，當所需的控制操作越複雜 時，電腦裝置12就需連接更多種不同功能的輸入/輸出模塊11來達到控制操作。而輸入/ 輸出模塊11數量的多寡並非用來限制本發明，但是在實際應用時，若控制系統1搭配的輸 入/輸出模塊11越多的話，則越能突顯出本發明的控制系統1在執行效率上的改善。輸入/輸出模塊11是包括一電路架構111及一控制單元112。其中，電路架構 111是為一功能硬體電路，並且依據功能硬體電路設計的不同，而使輸入/輸出模塊11實際 所提供的控制功能也就不同。而在本實施例中為了方便說明起見，輸入/輸出模塊11並無 特別針對功能硬體電路的不同而來做區分，圖1中輸入/輸出模塊11所包含的組件也都是 標示為相同的標號。控制單元112是內建有一驅動程序1121，並且控制單元112在啟動時便會通過執 行驅動程序1121來驅動電路架構111的運作，以執行一特定功能，並且進行運算產生一結 果數據。而附帶一提的是，輸入/輸出模塊11所提供的特定功能除了可以是控制單元112 搭配電路架構111來獨自運作，以展現特定功能(如照相、錄音等功能)並產生結果數據 之外；在應用上，電路架構111更可進一步連接至少一受控裝置2(如各種儀器設備、電子 裝置等)，讓控制單元112搭配電路架構111所執行的特定功能可以進一步用來控制受控裝 置2的運行，甚至運算產生相關控制的結果數據。此外，電路架構111亦可再進一步連接至 少一信號產生裝置3 (如定時器、傳感器等)，使得控制單元112在搭配電路架構111來執行 特定功能時，可以進一步接收信號產生裝置3所提供的一輔助信號來輔助判斷控制。藉以 讓輸入/輸出模塊11的控制功能可以更為廣泛及靈活。
電腦裝置12是連接輸入/輸出模塊11，並且電腦裝置12進一步包含一連接接口 120、一數據收集單元121及一中央處理單元122。其中，連接接口 120是連接數據收集 單元121及中央處理單元122，並且用來做為電腦裝置12與輸入/輸出模塊11之間控制信 號及數據信號傳遞的接口。而在實際設計上，連接接口 120是可以設計為有線連接接口或 無線連接接口以用來連接輸入/輸出模塊11，在此並無加以限制。數據收集單元121是用來儲存輸入/輸出模塊11所產生的結果數據，並且數據收 集單元121可以簡單是設計為一用來暫存數據用的記憶儲存裝置。中央處理單元122是執行一固件程序1221，以用來產生一控制操作程序。其中，控 制操作程序是可以由操作者依據控制需求來進行設定不同的控制操作程序，並且其包括了 相關的控制項目、動作安排、時程安排等內容，以讓控制系統1在運作時是完全依據控制操作 程序來進行。於是，中央處理單元122便是依據控制操作程序來產生至少一致能控制信號， 以用來致能相對應的輸入/輸出模塊11開始啟動運作。換句話說，中央處理單元122是會 依據目前控制操作程序所指示的項目及動作等內容而來產生相對應的致能控制信號，以呼 叫符合的輸入/輸出模塊11可以開始啟動運作。當然，由於控制操作程序所指示的內容可 能會同時需要不同輸入/輸出模塊11運作所產生的結果數據，因此中央處理單元122也就 據此來產生不同的致能控制信號，以致能不同的輸入/輸出模塊11來啟動運作。進而，讓各個已接受致能的輸入/輸出模塊11得以在同時間執行各自的特定功 能，以及運算產生各自的結果數據來自動回傳儲存於數據收集單元121。而另一方面，中央 處理單元122在產生致能控制信號之後，也就不需再進行複雜的運算，而是依據控制操作 程序再直接於數據收集單元121中取得所需的結果數據。補充說明關於中央處理單元122所輸出的致能控制信號、各個輸入/輸出模塊11 所儲存至數據收集單元121的結果數據以及中央處理單元122如何自數據收集單元121中 取得相對應的結果數據的設計。在設計上，其可例如是以相異的一代碼來代表不同的輸入/ 輸出模塊11，也就是在致能控制信號、結果數據以及用來讀取結果數據的信號中都會附加 一代碼來做為識別碼。於是，中央處理單元122即可順利致能所需的輸入/輸出模塊11，並 且正確地自數據收集單元121中取得相對應的結果數據。當然，此處所舉例的補充說明僅 為設計時的其中之一方式，本領域的普通技術人員應可了解，除了利用代碼的設計方式之 夕卜，亦可採取其它方式來達到本實施例所要的作用。承上述說明的架構來看，通過本實施例的電腦裝置12及輸入/輸出模塊11的連 接組合，即可形成具分布式處理架構的控制系統1。藉此，在電腦裝置12中，不需再安裝任 何有關輸入/輸出模塊11的驅動程序1121，使中央處理單元122中的固件程序1221得以 較為精簡，同時也讓中央處理單元122不需再負擔龐大的運算量，進而有效地增進控制系 統1的效率。為了進一步說明本發明的控制系統1實際的運作過程，請基於圖1的架構來參考 圖2，為本發明具分布式處理架構的控制系統的運作方法實施例時序流程圖。如圖2所示， 本實施例是提供一種控制系統1的運作方法，其大致是依據電腦裝置12的中央處理單元 122、數據收集單元121以及電腦裝置12所連接的輸入/輸出模塊11三個部分來做為時序 流程的說明。首先，在步驟開始時是說明當整個控制系統1進行運作時，中央處理單元122、數據收集單元121及輸入/輸出模塊11皆已完成初始化操作。此時，中央處理單元122會開 始執行已設定好的一控制操作程序(S201)，而數據收集單元121及輸入/輸出模塊11則是 處於待命狀態。
接著，中央處理單元122會依據目前控制操作程序所指示的內容來產生至少一致 能控制信號(S203)給所需致能的輸入/輸出模塊11。於是，相關的輸入/輸出模塊11便 會依據致能控制信號來開始啟動運作(S205)，以由輸入/輸出模塊11中的控制單元112來 執行驅動程序1121，用以驅動電路架構111來執行特定功能(S207)，並進而運算產生一結 果數據來提供至數據收集單元121 (S209)。而另一方面，數據收集單元121此時便會進行儲 存輸入/輸出模塊11所產生結果數據(S211)。最後，中央處理單元122則同樣是依據原本控制操作程序所指示的內容而直接自 數據收集單元121中取得所需的結果數據(S213)，以讓控制操作程序目前所指示的內容得 以完成。依據上述步驟以此類推，直到整個控制操作程序完全操作完畢以完成控制系統1 的運作。藉此，讓控制操作程序所需的結果數據都能由各個輸入/輸出模塊11運算後來提 供，而中央處理單元122僅是依據控制操作程序來控制致能哪些輸入/輸出模塊11開始運 作，以及自數據收集單元121取得相對應的數據。如此設計便可以大幅地降低中央處理單 元122的運算負擔。綜上所述，本發明藉由分布式數據處理架構的設計，除了可提升控制系統的執行 效率之外，更具有以下的優點讓操作者在建置不同控制系統時，不需再於各個電腦裝置中安裝適合的驅動程序 來支持所連接的輸入/輸出模塊，進而減輕前置設定操作的負擔。針對輸入/輸出模塊的開發廠商而言，也不需再額外發行不同版本的驅動程序來 因應不同的作業系統，因而可以縮短產品開發時程。但是，以上所述，僅為本發明的具體實施例的詳細說明及附圖而已，並非用以限制 本發明，本發明的所有範圍應以申請專利範圍為準，任何本領域的普通技術人員在本發明 領域內，可輕易思及的變化或修改皆可涵蓋在本案所界定的專利範圍中。
權利要求
一種具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，包括多個輸入/輸出模塊，每一輸入/輸出模塊包含一電路架構；及一控制單元，內建一驅動程序，並且該控制單元於啟動時執行該驅動程序來驅動該電路架構的運作，以運算產生一結果數據；以及一電腦裝置，連接該些輸入/輸出模塊，以形成該分布式處理架構，並且該電腦裝置進一步包含一數據收集單元，儲存該些輸入/輸出模塊所產生的結果數據；及一中央處理單元，依據一控制操作程序來產生至少一致能控制信號，以致能相對應的輸入/輸出模塊開始啟動運作，並進而在該數據收集單元中取得相對應的結果數據。
2.如權利要求1所述的具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，所述的電腦裝置 進一步包含一連接接口，連接該中央處理單元及該數據收集單元，以形成該電腦裝置與該些輸入/ 輸出模塊之間信號傳遞的接口。
3.如權利要求2所述的具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，所述的連接接口 為一有線連接接口或一無線連接接口。
4.如權利要求2所述的具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，所述的中央處理 單元是進一步執行一固件程序，以運作產生該控制操作程序。
5.如權利要求2所述的具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，所述的電路架構 為一功能硬體電路，並且該控制單元驅動該電路架構的運作以執行一特定功能。
6.如權利要求5所述的具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，所述的電路架構 進一步連接至少一受控裝置，而該控制單元執行該特定功能來控制該受控裝置以及運算產 生該結果數據。
7.如權利要求6所述的具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，所述的電路架構 進一步連接至少一信號產生裝置，使該控制單元在執行該特定功能時，得以進一步接收該 信號產生裝置所提供的一輔助信號。
8.如權利要求2所述的具分布式處理架構的控制系統，其特徵在於，所述的數據收集 單元為一記憶儲存裝置。
9.一種具分布式處理架構的控制系統的運作方法，其特徵在於，所述的控制系統包含 一電腦裝置及多個輸入/輸出模塊，該運作方法的步驟包括該電腦裝置的一中央處理單元依據一控制操作程序來產生至少一致能控制信號，以致 能相對應的輸入/輸出模塊開始啟動運作；該啟動運作的輸入/輸出模塊運算產生一結果數據，並將該結果數據儲存於該電腦裝 置的一數據收集單元；及該中央處理單元依據該控制操作程序來取得該數據收集單元中相對應的結果數據。
10.如權利要求9所述的具分布式處理架構的控制系統的運作方法，其特徵在於，所述 的輸入/輸出模塊分別進一步包含一控制單元及一電路架構，並且該控制單元內建一驅動 程序。
11.如權利要求10所述的具分布式處理架構的控制系統的運作方法，其特徵在於，進一步包含該啟動運作的輸入/輸出模塊由該控制單元執行該驅動程序，以驅動該電路架構來執 行一特定功能。
12.如權利要求10所述的具分布式處理架構的控制系統的運作方法，其特徵在於，所 述的中央處理單元執行一固件程序，以運作產生該控制操作程序。
全文摘要
一種具分布式處理架構的控制系統及其運作方法，所述系統包括多個輸入/輸出模塊及一電腦裝置。輸入/輸出模塊更包含一電路架構及一內建一驅動程序的控制單元，控制單元在啟動時是執行驅動程序來驅動電路架構的運作，以運算產生一結果數據。電腦裝置是連接輸入/輸出模塊，並且包含一數據收集單元及一中央處理單元。數據收集單元是儲存輸入/輸出模塊所產生的結果數據，中央處理單元是依據一控制操作程序來產生至少一致能控制信號，以致能相對應的輸入/輸出模塊開始啟動運作，進而在數據收集單元中取得相對應的結果數據。藉此，以提升控制系統的效率。
文檔編號G05B19/418GK101833308SQ20091011876
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月11日 優先權日2009年3月11日
發明者許祿沛 申請人:研華股份有限公司