RU2669073C1

RU2669073C1 - Distributed network control system

Info

Publication number: RU2669073C1
Application number: RU2017136707A
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Захаров; Владимир Иванович Клепиков; Дмитрий Станиславович Подхватилин; Алексей Владимирович Шепелев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Синхро-Линк"
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2018-10-08

Abstract

FIELD: computer equipment.SUBSTANCE: invention relates to computer engineering. System consists of network nodes connected to a single system by a communication channel, each network node contains a control controller associated with the control unit of the executive logical and proportional drive devices, a communication controller associated with the control controller and the communication channel, a register of transmitted messages, a register of received messages, and a logic block. Each network node is equipped with FPGA-block interpolation and FPGA-block regulators, FPGA interpolation block by its inputs is connected to the control controller and the outputs of the registers of the transmitted and received messages, its first output is associated with the first input of the FPGA controller block, and the second one with the communication controller, the second input of the FPGA controller block is connected to the control controller, the third input of the FPGA controller block is connected to the communication controller, and the output of the FPGA-controller unit is connected by a bi-directional bus with the control unit of the executive logic and proportional drive devices.EFFECT: increased accuracy of regulation of the distributed system, as well as increase its fault tolerance.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно, к управляющим и вычислительным системам различного назначения и может быть использовано для синхронного управления разнесенными в пространстве приводами конструктивно сложных машин и механизмов, а также для сбора телеметрической информации с нескольких объектов системы, ее обработки и выдачи результатов контроля на программную телеметрию или для управления внешним абонентам.The invention relates to computing, and in particular, to control and computing systems for various purposes and can be used for synchronous control of spatially distributed drives of structurally complex machines and mechanisms, as well as for collecting telemetric information from several objects of the system, its processing and output of control results to program telemetry or to control external subscribers.

При проектировании современных распределенных сетевых систем управления весьма часто стоит задача жесткой синхронизации работы управляемых ими их абонентов (сетевых узлов). Данная проблема характерна, например, для распределенных систем связи, в том числе с большим количеством абонентов, зачастую находящихся на значительном расстоянии друг от друга, для сложных технических устройств, используемых в станкостроительной, авиационной, автомобильной и других отраслях, например, в системах ЧПУ и робототехнических комплексах, в системах управления механизацией самолетов и авиационных двигателей. При функционировании таких систем зачастую недопустимо, чтобы приводные и другие исполнительные устройства, подключенные к различным сетевым узлам, получали бы не скоординированные и не синхронизированные между собой по времени и по данным управляющие воздействия. Для взаимосвязанного управления приводами в распределенных системах ЧПУ при многокоординатной интерполяции движения критичным является синхронное управление как положением, так и скоростью (ускорением) пространственно разнесенных приводов. Нарушение согласованности их управления может привести к нарушению параметров технологического процесса, к отказу системы или к аварийной ситуации. При обеспечении жесткой синхронизации функционирования абонентов необходимо учитывать физическую топологию коммуникационной сети, прежде всего - расстояния между различными абонентами. В единой сети могут работать абоненты, расположенные на расстоянии нескольких сантиметров, и в той же сети могут находиться абоненты, удаленные друг от друга на десятки и сотни метров. Соответственно, задержки распространения сигнала между различными узлами оказываются существенно различающимися. Используемая в настоящее время настройка коммуникационных контролеров сетевых узлов на большие задержки приводит к существенному снижению пропускной способности канала обмена и низкой точности синхронизации, а настройка контроллеров на малые задержки приводит к снижению отказоустойчивости системы. Другой особенностью распределенных систем является необходимость переключения параметров приема и передачи сетевых узлов при изменении режимов работы системы - штатный режим, аварийный режим, режим обслуживания и наладки. При этом необходимо обеспечить строго синхронное переключение коммуникационных контроллеров всех сетевых узлов на идентичные параметры приема и передачи.When designing modern distributed network management systems, very often the task is to tightly synchronize the work of their subscribers (network nodes) managed by them. This problem is typical, for example, for distributed communication systems, including with a large number of subscribers, often located at a considerable distance from each other, for complex technical devices used in machine-tool, aviation, automobile and other industries, for example, in CNC systems and robotic complexes in control systems for the mechanization of aircraft and aircraft engines. During the functioning of such systems, it is often unacceptable for actuators and other actuators connected to various network nodes to receive control actions that are not coordinated and not synchronized with each other in time and data. For interconnected drive control in distributed CNC systems with multi-axis motion interpolation, synchronous control of both the position and speed (acceleration) of spatially separated drives is critical. Violation of the coordination of their management can lead to a violation of the parameters of the process, to a failure of the system or to an emergency. To ensure tight synchronization of the functioning of subscribers, it is necessary to take into account the physical topology of the communication network, first of all, the distances between different subscribers. Subscribers located at a distance of several centimeters can work in a single network, and subscribers can be located in the same network that are tens and hundreds of meters distant from each other. Accordingly, the propagation delays of the signal between different nodes turn out to be significantly different. The currently used tuning of communication controllers of network nodes for large delays leads to a significant decrease in the bandwidth of the exchange channel and low synchronization accuracy, while tuning the controllers for small delays leads to a decrease in the system fault tolerance. Another feature of distributed systems is the need to switch the parameters of the reception and transmission of network nodes when changing the operating modes of the system - normal mode, emergency mode, maintenance and commissioning mode. In this case, it is necessary to ensure strictly synchronous switching of the communication controllers of all network nodes to identical reception and transmission parameters.

Известна промышленная реконфигурируемая встраиваемая система CompactRIO фирмы National Instruments (http://pitersoft-nn.ru/pub/%D0%91%D1%80%D0%BE%D1%88%D1%8E%D1%80%D0%B0%20CompactRIO.pdg), содержащая три компонента - контроллер реального времени, реконфигурируемый программируемый массив вентилей (FPGA) и промышленные модули ввода-вывода.Known industrial reconfigurable embedded system CompactRIO company National Instruments (http://pitersoft-nn.ru/pub/%D0%91%D1%80%D0%BE%D1%88%D1%8E%D1%80%D0%B0 % 20CompactRIO.pdg), which contains three components - a real-time controller, a reconfigurable programmable array of gates (FPGA), and industrial input / output modules.

Контроллер реального времени содержит промышленный процессор, который обеспечивает управление периферийными устройствами, встроенную регистрацию данных и связь. Реконфигурируемый программируемый массив FPGA (ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема) вентилей напрямую подключен к модулям ввода-вывода, что обеспечивает высокопроизводительный доступ к цепям ввода-вывода каждого модуля, гибкость синхронизации и запуска. Поскольку каждый модуль подключен к FPGA непосредственно, задержки управления, связанные с реакцией системы, сводятся к минимуму. Массив FPGA вентилей может быть запрограммирован для выполнения пользовательского кода, например, очень быстрых контуров регулирования или пользовательской фильтрации сигналов. В массиве FPGA вентилей весь код выполняется на аппаратном уровне, что позволяет реализовать аппаратные блокировки и синхронизацию. В частности, в массиве FPGA вентилей можно одновременно реализовать до 20 аналоговых пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) контуров регулирования, работающих на аппаратном уровне с частотой до 100 кГц. Промышленные модули ввода-вывода обеспечивают с одной стороны прямое подключение к датчикам, исполнительным механизмам, приводам и цифровым каналам ввода-вывода, с другой стороны - подключение к контроллеру реального времени и к массиву FPGA вентилей.The real-time controller contains an industrial processor that provides peripheral device management, integrated data logging and communication. The reconfigurable programmable FPGA array (FPGA - programmable logic integrated circuit) of the valves is directly connected to the input-output modules, which provides high-performance access to the input-output circuits of each module, the flexibility of synchronization and start-up. Since each module is directly connected to the FPGA, control delays associated with system response are minimized. An array of FPGA gates can be programmed to execute custom code, such as very fast control loops or custom signal filtering. In the array of FPGA gates, all code is executed at the hardware level, which allows for hardware locks and synchronization. In particular, in an array of FPGA gates, you can simultaneously implement up to 20 analog proportional-integral-differential (PID) control loops operating at the hardware level with a frequency of up to 100 kHz. Industrial I / O modules provide, on the one hand, direct connection to sensors, actuators, drives, and digital I / O channels, and on the other hand, connect to a real-time controller and an array of FPGA gates.

На базе системы CompactRIO с использованием блока «EtherCAT-NI 9144» может быть построена распределенная система сбора данных и управления. Особенностью протокола EtherCAT (https://ru.wikipedia.org/wiki/EtherCAT) является использование на физическом уровне канала Ethernet и кольцевой топология, т.е. каждое посланное сообщение (дейтаграмма) проходит последовательно через все подключенные устройства в определенном порядке, для чего все устройства должны иметь два или более портов.Based on the CompactRIO system using the EtherCAT-NI 9144 unit, a distributed data acquisition and control system can be built. A feature of the EtherCAT protocol (https://ru.wikipedia.org/wiki/EtherCAT) is the use of an Ethernet channel and a ring topology at the physical level, i.e. each sent message (datagram) passes sequentially through all connected devices in a certain order, for which all devices must have two or more ports.

Недостатками известной системы являются ее низкая надежность, обусловленная тем, что, во-первых, на физическом уровне канал Ethernet не является дублированным и отказ любого приемо-передатчика приводит к выходу из строя всей системы и, во-вторых, при использовании кольцевой архитектуры отказ контроллера любого устройства приводит к нарушению кольцевого соединения, что также приводит к выходу из строя всей системы, К недостаткам данной системы также следует отнести низкое качество синхронизации устройств, обусловленное тем, что сообщение, переданное неким устройством, дойдет до следующего по кольцу устройства практически без задержки, в то время, как до устройства, включенного по кольцу перед устройством, передавшим сообщение, это сообщение дойдет с задержкой, равной сумме задержек на ретрансляцию сообщений во всех устройствах в кольце.The disadvantages of the known system are its low reliability, due to the fact that, firstly, at the physical level, the Ethernet channel is not duplicated and failure of any transceiver leads to failure of the entire system and, secondly, when using the ring architecture, the controller fails any device leads to disruption of the ring connection, which also leads to failure of the entire system. The disadvantages of this system include the poor quality of device synchronization due to the message Reda certain device goes to the next device in the ring with almost no delay, while as to the device included in the ring to the device sending a message, the message reaches a delay equal to the sum of delays to relay messages to all devices on the ring.

Известна распределенная сетевая система управления, содержащая связанные коммуникационным каналом узлы, каждый из которых состоит из контроллера управления исполнительным устройством узла, коммуникационного контроллера, связанного с коммуникационным каналом, вход контроллера управления исполнительным устройством узла через первый блок связи связан с блоком защиты, с которым через второй блок связи связан коммуникационный контроллер, причем каждый узел системы оснащен регистром маски подтверждений переданных сообщений, регистром маски принятых сообщений и блоком логики, причем регистры масок переданных и принятых сообщений входами связаны с выходами второго блока связи и блока защиты, а выходами - с первым и вторым входами блока логики, третий вход которого связан с выходом контроллера управления исполнительным устройством узла, а выход блока логики связан с синхронизирующим входом исполнительного устройства узла.A distributed network control system is known that contains nodes connected by a communication channel, each of which consists of a controller for controlling an actuator of a node, a communication controller associated with a communication channel, an input of a controller for controlling an actuator of a node through a first communication unit connected to a protection unit, to which, through a second the communication unit is connected by a communication controller, and each node in the system is equipped with a register mask for confirmation of transmitted messages, a register masks of received messages and the logic unit, and the masks registers of the transmitted and received messages with the inputs connected to the outputs of the second communication unit and the protection unit, and the outputs with the first and second inputs of the logic unit, the third input of which is connected to the output of the controller for controlling the actuator of the unit, and the output block logic is connected to the synchronizing input of the Executive unit.

(см. патент РФ на полезную модель №95205, кл. H04L 12/00, 2010 г. - наиболее близкий аналог).(see RF patent for utility model No. 95205, class H04L 12/00, 2010 - the closest analogue).

В результате анализа выполнения данной распределенной системы и ее сетевого узла необходимо отметить, что наличие в сетевом узле блока логики позволяет синхронно выдавать команды управления на логические исполнительные устройства в разных узлах сети, либо синхронно блокировать выдачу таких команд только в моменты получения распространяемых по сети команд. В интервалах времени между получением сетевых команд узел может управлять исполнительными устройствами только посредством контроллера на основе последней полученной по сети информации. Однако, при управлении пропорциональными приводными исполнительными устройствами требуется, во-первых, более короткий такт обновления управляющих команд, чем это может обеспечить микропроцессорный контроллер с помощью своей управляющей программы, и что можно обеспечить только аппаратными (не программными) средствами расчета и обновления управляющих команд. Во-вторых, для синхронизации пропорциональных приводных исполнительных устройств, подключенных к разным узлам системы, скорость информационного обмена по сети может существенно превышать возможности обработки сообщений микропроцессорным контроллером узла. Таким образом, в устройстве отсутствует механизм скоординированного синхронного управления пропорциональными приводными исполнительными устройствами как в рамках одного узла, так и в разных узлах сети, что значительно сокращает область его использования, надежность, а также ее быстродействие.As a result of the analysis of the implementation of this distributed system and its network node, it should be noted that the presence of a logic block in the network node allows synchronous control commands to be issued to logical actuators in different network nodes, or synchronously block the issuance of such commands only at the moment of receiving commands distributed over the network. In the time intervals between receipt of network commands, a node can only control executive devices through a controller based on the last information received over the network. However, when controlling proportional drive actuators, it is necessary, firstly, to have a shorter clock cycle for updating control commands than a microprocessor controller can provide with its control program, and that can only be provided with hardware (not software) means for calculating and updating control commands. Secondly, to synchronize proportional drive actuators connected to different system nodes, the speed of information exchange over the network can significantly exceed the processing capabilities of messages by the microprocessor controller of the node. Thus, the device lacks a mechanism for coordinated synchronous control of proportional actuating actuators both within the same node and in different nodes of the network, which significantly reduces the scope of its use, reliability, and its speed.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности регулирования распределенной системы, использующей заявленные сетевые узлы, а также повышение ее отказоустойчивости за счет выполнения сетевого узла распределенной сетевой системы управления, обеспечивающего прямое аппаратное управление пропорциональными приводными исполнительными устройствами от массива ПЛИС вентилей, получающих команды управления как от контроллера узла, так и по сети от коммуникационного контроллера.The technical result of the present invention is to expand the functionality and improve the accuracy of regulation of a distributed system using the claimed network nodes, as well as increase its fault tolerance by performing a network node of a distributed network control system that provides direct hardware control of proportional actuating actuators from an array of FPGA valves receiving commands control both from the node controller and over the network from the communication circuit scooter.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в распределенной сетевой системе управления, состоящей из сетевых узлов, связанных в единую систему коммуникационным каналом, каждый сетевой узел содержит управляющий контроллер, связанный двунаправленной шиной с блоком управления исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами, коммуникационный контроллер, связанный двунаправленными шинами с управляющим контролером и с коммуникационным каналом, регистр переданных сообщений, регистр принятых сообщений и блок логики, регистры переданных и принятых сообщений входами связаны с выходами коммуникационного контроллера, а выходами - с первым и вторым входами блока логики, третий вход которого связан с выходом управляющего контроллера, а выход блока логики связан с синхронизирующим входом блока управления исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами, новым является то, что каждый сетевой узел оснащен ПЛИС-блоком интерполяции и ПЛИС-блоком регуляторов, ПЛИС-блок интерполяции своими входами связан с управляющим контроллером и выходами регистров переданных и принятых сообщений, своим первым выходом он связан с первым входом ПЛИС-блока регуляторов, а вторым - с коммуникационным контроллером, второй вход ПЛИС-блока регуляторов связан с управляющим контроллером, третий вход ПЛИС-блока регуляторов связан с коммуникационным контроллером, а выход ПЛИС-блока регуляторов связан двунаправленной шиной с блоком управления исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами, при этом, коммуникационный канал наиболее целесообразно выполнять дублированным.The indicated technical result is ensured by the fact that in a distributed network control system consisting of network nodes connected to a single system by a communication channel, each network node contains a control controller connected by a bi-directional bus to a control unit by executive logical and proportional drive devices, a communication controller connected by bi-directional with buses with a control controller and with a communication channel, register of transmitted messages, register of received messages the logic block, the registers of transmitted and received messages with inputs connected to the outputs of the communication controller, and outputs with the first and second inputs of the logic block, the third input of which is connected with the output of the control controller, and the output of the logic block is connected with the synchronizing input of the control unit of the executive logical proportional drive devices, new is that each network node is equipped with an FPGA interpolation unit and an FPGA controller block, an FPGA interpolation unit with its inputs connected to a control the controller and the outputs of the transmitted and received message registers, with its first output it is connected to the first input of the FPGA controller block, and the second to the communication controller, the second input of the FPGA controller block is connected to the control controller, the third input of the FPGA controller block is connected to the communication controller and the output of the FPGA block of the regulators is connected by a bi-directional bus to the control unit of the executive logical and proportional drive devices, while the communication channel is most appropriate Follow the important duplicated.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена схема распределенной сетевой системы управления и схема одного из ее сетевых узлов.The invention is illustrated by graphic materials on which a diagram of a distributed network management system and a diagram of one of its network nodes are presented.

Распределенная сетевая система управления состоит из идентичных по исполнению сетевых узлов (на фиг., Узел 1, Узел 2, Узел N). Количество таких сетевых узлов, входящих в систему, может быть различным и зависит от объекта, управление которым обеспечивает система.The distributed network management system consists of identical network nodes (in Fig., Node 1, Node 2, Node N). The number of such network nodes included in the system may be different and depends on the object, which is controlled by the system.

Каждый сетевой узел распределенной сетевой системы управления состоит из управляющего контроллера 1, к которому двунаправленной шиной подключен блок 2 управления исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами,Each network node of a distributed network control system consists of a control controller 1, to which a control unit 2 for executive logical and proportional drive devices is connected via a bi-directional bus,

Сетевой узел содержит коммуникационный контроллер 3, связанный двунаправленными шинами с управляющим контроллером 1 и с дублированным коммуникационным каналом 4, имеющим шинную архитектуру, с которым аналогично связаны коммуникационные контроллеры всех сетевых узлов. Выполнение коммуникационного канала 4 дублированным повышает отказоустойчивость системы.The network node contains a communication controller 3 connected by bi-directional buses to the control controller 1 and to a redundant communication channel 4 having a bus architecture, to which the communication controllers of all network nodes are similarly connected. The implementation of the communication channel 4 duplicated increases the fault tolerance of the system.

В состав сетевого узла также входят регистр 5 переданных сообщений, регистр 6 принятых сообщений, которые входами связаны с выходами коммуникационного контроллера 3, а выходами - с первым и вторым входами блока логики 7, третий вход которого связан с выходом управляющего контроллера 1, а выход блока логики 7 связан с синхронизирующим входом блока 2 управления исполнительными логическими и приводными устройствами.The network node also includes a register of 5 transmitted messages, a register of 6 received messages, which inputs are connected to the outputs of the communication controller 3, and outputs are connected to the first and second inputs of the logic unit 7, the third input of which is connected to the output of the control controller 1, and the output of the unit logic 7 is connected with the synchronizing input of the control unit 2 of the Executive logical and drive devices.

Сетевой узел оснащен ПЛИС-блоком интерполяции 8 и ПЛИС-блоком регуляторов 9. ПЛИС-блок интерполяции 8 своими первым входом связан с выходом управляющего контроллера 1, а вторым и третьим входами - с выходами регистров переданных 5 и принятых 6 сообщений. Своим первым выходом ПЛИС-блок интерполяции 8 связан с первым входом ПЛИС-блока регуляторов 9, а своим вторым выходом связан с входом коммуникационного контроллера 3.The network node is equipped with an FPGA interpolation unit 8 and an FPGA controller block 9. The FPGA interpolation unit 8 is connected with the output of the control controller 1 with its first input and with the outputs of the registers of transmitted 5 and received 6 messages by the second and third inputs. With its first output, the FPGA interpolation block 8 is connected to the first input of the FPGA block of the regulators 9, and its second output is connected to the input of the communication controller 3.

Второй вход ПЛИС-блока регуляторов 9 связан с выходом управляющего контроллера 1, третий вход ПЛИС-блока регуляторов 9 связан с коммуникационным контроллером 3. Выход ПЛИС-блока регуляторов 9 связан двунаправленной шиной с блоком управления 2 исполнительными логическими и приводными устройствами.The second input of the FPGA block of the regulators 9 is connected to the output of the control controller 1, the third input of the FPGA block of the regulators 9 is connected to the communication controller 3. The output of the FPGA block of the regulators 9 is connected by a bi-directional bus to the control unit 2 of the executive logic and drive devices.

Конструктивно распределенная сетевая система управления и ее сетевые узлы реализованы на базе известных средств.Structurally distributed network management system and its network nodes are implemented on the basis of well-known tools.

В качестве управляющего контроллера 1 может быть использован микроконтроллер 1986ВЕ91 фирмы Миландр.As the control controller 1 can be used microcontroller 1986BE91 company Milander.

В качестве блока управления 2 исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами может быть использован, например, унифицированный функциональный цифровой модуль (УФЦМ) КЕУР.468332.022 производства ОАО «Концерн КЭМЗ».As a control unit for 2 logical and proportional actuating actuators, for example, the unified functional digital module (UFMC) KEUR.468332.022 manufactured by OJSC Concern KEMZ can be used.

Коммуникационный контроллер 3 может быть реализован на интегральной микросхеме К5600ВГ2У фирмы Миландр, которая также обеспечивает реализацию шинной архитектуры дублированного коммуникационного канала 4.Communication controller 3 can be implemented on an integrated chip K5600VG2U of the company Milander, which also provides the implementation of the bus architecture of the duplicated communication channel 4.

В качестве регистров переданных 5 и принятых 6 сообщений, а также блока логики 7 могут быть использованы стандартные логические интегральные микросхемы.As registers of transmitted 5 and received 6 messages, as well as logic block 7, standard logical integrated circuits can be used.

В качестве ПЛИС-блока интерполяции 8 и ПЛИС-блока регуляторов 9 могут быть использованы ПЛИС Xilinx Zynq 7020.As FPGA block interpolation 8 and FPGA block controllers 9 can be used FPGA Xilinx Zynq 7020.

Перед началом работы при включенной системе управления управляющий контроллер 1 осуществляет настройку блока логики 7, ПЛИС-блока интерполяции 8 и ПЛИС-блока регуляторов 9 каждого сетевого узла (Узла 1, Узла 2, Узла N).Before starting work, when the control system is turned on, the control controller 1 configures the logic unit 7, the FPGA interpolation block 8 and the FPGA block of the regulators 9 of each network node (Node 1, Node 2, Node N).

Блок логики 7 настраивается на выработку команд синхронизации и блокировок для блока 2 таким образом, что блоком 2 управления исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами команды на включение, выключение или блокировку определенного исполнительного устройства будут исполняться только при условии поступления их от управляющего контроллера 1 через регистр 5 и из сети через регистр 6 заданного набора соответственно переданных и принятых сообщений. Если от какого-либо узла сети по дублированному коммуникационному каналу 4 поступает сообщение об аварийной ситуации, которая, согласно настройкам, влияет на работу исполнительных устройств данного узла, то блок логики 7 через блок 2 формирует сигнал запрета управления исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами.Logic block 7 is configured to generate synchronization and blocking commands for block 2 in such a way that by block 2 controlling executive logical and proportional drive devices, commands to turn on, turn off, or lock a specific actuator will be executed only if they are received from control controller 1 through register 5 and from the network through register 6 of a given set of respectively transmitted and received messages. If an emergency message is received from a network node via a duplicated communication channel 4, which, according to the settings, affects the operation of the executive devices of this node, then logic block 7, through block 2, generates a control inhibit signal for executive logical and proportional drive devices.

ПЛИС-блок интерполяции 8 при настройке получает от управляющего контроллера 1 информацию о том, в каких узлах и какие приводные устройства должны быть связаны по величинам перемещений и скоростей и по каким законам, например, по линейному или по круговому. В процессе работы ПЛИС-блок интерполяции 8 периодически получает от управляющего контроллера 1 заданное значение перемещения по ведущей (требующей максимального перемещения) координате, и на основе расчетов по своему алгоритму выдает команды на перемещения приводных устройств в собственном узле через ПЛИС-блок регуляторов 9 или в других узлах сети через коммуникационный контроллер 3, дублированный коммуникационный канал 4 и ПЛИС-блоки регуляторов 9 соответствующих узлов.The FPGA interpolation unit 8, when configured, receives information from the control controller 1 about which nodes and which drive devices should be connected by the values of displacements and speeds and by what laws, for example, linear or circular. During operation, the FPGA interpolation unit 8 periodically receives from the control controller 1 a specified value of movement along the leading (requiring maximum movement) coordinate, and based on calculations according to its algorithm, issues commands to move the drive devices in its own node through the FPGA block of regulators 9 or other network nodes through a communication controller 3, a duplicated communication channel 4 and FPGA blocks of the regulators 9 of the respective nodes.

ПЛИС-блок регуляторов 9 настраивается таким образом, чтобы связать выход приводного устройства своего узла и его датчики обратной связи по требуемому закону регулирования (например, по пропорциональному или пропорционально-интегрально-дифференциальному) с входным значением, которое может поступать либо из ПЛИС-блока интерполяции 8 собственного узла, либо из ПЛИС-блока интерполяции 8 другого узла через коммуникационные контроллеры 3 и дублированный коммуникационный канал 4.The FPGA control unit 9 is configured in such a way as to connect the output of the drive device of its unit and its feedback sensors according to the required regulation law (for example, proportional or proportional-integral-differential) with an input value that can come either from the FPGA interpolation unit 8 own node, or from the FPGA block interpolation 8 of another node through communication controllers 3 and a duplicated communication channel 4.

Настроенная распределенная сетевая система управления работает следующим образом.A configured distributed network management system operates as follows.

Управляющие контроллеры 1 каждого сетевого узла (Узел 1, Узел 2, Узел N) в соответствии со встроенным программным обеспечением через блоки 2 осуществляют управление исполнительными логическими и пропорциональными приводными устройствами собственного узла. При этом координацию управления исполнительными устройствами различных узлов контроллеры 1 осуществляют путем информационного обмена через коммуникационные контроллеры 3 и дублированный коммуникационный канал 4.The controllers 1 of each network node (Node 1, Node 2, Node N) in accordance with the built-in software through blocks 2, control the logical and proportional actuating drives of their own node. At the same time, the coordination of the control of the actuators of various nodes by the controllers 1 is carried out by information exchange through communication controllers 3 and a duplicated communication channel 4.

Коммуникационные контроллеры 3 всех сетевых узлов работают в единой сетке времени и по единому расписанию, определяющему моменты начала и окончания передачи информации каждым контроллером 3, что обеспечивает временное разделение доступа передатчиков коммуникационных контроллеров 3 к каналу 4, при этом приемники контроллеров 3 постоянно подключены к каналу 4 и, таким образом, они все одновременно принимают информацию от передающего в данный момент узла. Коммуникационные контроллеры 3 осуществляют параллельную синхронную передачу и прием информации по дублированному каналу 4. При передаче информации сообщение кодируется контрольной суммой (CRC кодом). При приеме коммуникационный контроллер 3 проверяет корректность контрольной суммы сообщений, приходящих по двум линиям канала 4, и допускает сообщение как корректное при корректности контрольной суммы в сообщении, пришедшем хотя бы по одной линии канала 4.Communication controllers 3 of all network nodes operate in a single time grid and according to a single schedule that determines the start and end of information transfer by each controller 3, which provides temporary separation of access of transmitters of communication controllers 3 to channel 4, while the receivers of controllers 3 are constantly connected to channel 4 and thus, they all simultaneously receive information from the currently transmitting node. Communication controllers 3 carry out parallel synchronous transmission and reception of information on the duplicated channel 4. When transmitting information, the message is encoded with a checksum (CRC code). Upon receipt, the communication controller 3 checks the correctness of the checksum of messages arriving along the two lines of channel 4, and admits the message as correct if the checksum is correct in the message arriving at least on one line of channel 4.

Коммуникационный контроллер 3 параллельно с контроллером 1 выполняет также запись передаваемых сообщений в регистр переданных сообщений 5 и принимаемых из канала 4 сообщений в регистр принятых сообщений бив ПЛИС-блок регуляторов 9.The communication controller 3 in parallel with the controller 1 also records the transmitted messages in the register of transmitted messages 5 and received from the channel 4 messages in the register of received messages, after the FPGA block of the regulators 9.

Блоки логики 7 в каждом узле в соответствии с настройками через блоки 2 обеспечивают разрешение работы исполнительных логических и пропорциональных приводных устройств собственного узла либо блокировку их работы, если из других узлов системы поступила (или не поступила) требуемая информация.The logic blocks 7 in each node, in accordance with the settings through blocks 2, provide permission to operate the executive logical and proportional drive devices of their own node or block their operation if the required information has arrived (or has not arrived) from other nodes of the system.

ПЛИС-блоки интерполяции 8 каждого узла в соответствии с настройками в интервалах между передачами сообщений контроллерами 1 осуществляют выдачу команд управления на ПЛИС-блоки регуляторов 9 собственных узлов и через коммуникационные контроллеры 3 и дублированный коммуникационный канал 4 на ПЛИС-блоки регуляторов 9 других узлов системы. При этом, единая временная сетка работы коммуникационных контроллеров 3 обеспечивает передачу и прием сообщений по каналу 4 как от контролеров 1, так и от ПЛИС-блоки интерполяции 8 каждого узла.FPGA blocks of interpolation 8 of each node in accordance with the settings in the intervals between message transfers to controllers 1 issue control commands to FPGA blocks of controllers 9 of their own nodes and through communication controllers 3 and a duplicated communication channel 4 to FPGA blocks of controllers 9 of other nodes of the system. At the same time, a single time grid of the operation of the communication controllers 3 provides the transmission and reception of messages on channel 4 from both the controllers 1 and the FPGA interpolation units 8 of each node.

Использование ПЛИС-блоков интерполяции 8 и регуляторов 9 позволяет выполнять задачи регулирования на аппаратном уровне, без использования микропроцессорного контроллера управления 1, что существенно повышает скорость работы (частоту квантования) каналов регулирования, причем управление исполнительными устройствами в разных узлах осуществляется с высокой степенью синхронизации и надежности за счет использования дублированного коммуникационного канала, одновременно (по топологии «шина») доставляющего сообщения всем узлам сети.Using FPGA interpolation units 8 and controllers 9 allows you to perform control tasks at the hardware level, without using a microprocessor control controller 1, which significantly increases the speed (quantization frequency) of control channels, and actuators in different nodes are controlled with a high degree of synchronization and reliability due to the use of a duplicated communication channel, which simultaneously (according to the bus topology) delivers messages to all network nodes.

Claims

1. A distributed network control system, consisting of network nodes connected to a single system by a communication channel, each network node contains a control controller connected by a bi-directional bus to a control unit of executive logical and proportional drive devices, a communication controller connected by bi-directional buses to a control controller and communication channel, register of transmitted messages, register of received messages and logic block, registers of transmitted and received messages the th inputs are connected to the outputs of the communication controller, and the outputs are connected to the first and second inputs of the logic unit, the third input of which is connected to the output of the control controller, and the output of the logic unit is connected to the synchronizing input of the control unit by executive logical and proportional drive devices, characterized in that each the network node is equipped with an FPGA interpolation unit and an FPGA controller block, an FPGA interpolation unit is connected with its inputs to the control controller and the outputs of the transmit and receive registers messages, with its first output it is connected to the first input of the FPGA controller block, and the second to the communication controller, the second input of the FPGA controller block is connected to the control controller, the third input of the FPGA controller block is connected to the communication controller, and the output of the FPGA controller block connected by a bi-directional bus with the control unit of the executive logical and proportional drive devices.

2. The system according to claim 1, characterized in that a duplicated communication channel is used as a communication channel.