CN111427294B - 一种冗余的plc程序执行***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种冗余的PLC程序执行***及执行方法，包括：输入模块用于供PLC以扫描工作方式读取外部输入端的输入状态，并将所述输入状态的结果进行存储；每一MCU模块用于同步对PLC程序按顺序进行扫描执行，并将执行程序的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；判决模块用于接收每一MCU模块对PLC程序顺序执行后的各个输出状态的结果，并判决出现一输出状态的结果相同且数量最多，以该输出状态的结果为唯一结果发送至所述输出模块；输出模块用于存储所述判决模块输出的所有输出状态的结果，并以一定方式驱动外部受控设备；本发明保证采用多个MCU模块对PLC程序并行执行，并对执行后的结果进行判决，保证结果的正确性。

Description

一种冗余的PLC程序执行***及方法
技术领域
本本发明涉及可编程逻辑控制器（PLC）技术领域，具体涉及一种冗余的PLC程序执行***及方法。
背景技术
PLC是一种工业自动控制中使用的计算装置，它广泛应用于各个行业，小到家用设备，大到航天器材，都有PLC的应用。典型的PLC由一个专用的CPU，一个存储器和一组输入输出端口构成。它通过输入端口接收来自传感器的信号，并通过输出端口发出控制信号驱动同它连接的外部设备。 存储器中安放PLC控制程序，***的活动由PLC控制程序所驱动。
对PLC的过程控制是通过采集输入信号、执行编程程序和输出刷新对外部的执行部件进行相应的驱动来实现，PLC程序的正确执行对于整个过程控制***来说具有至关重要的作用，现有的技术多是采用一个中央处理器MCU对程序进行执行，一旦程序执行的结果错误或失效，则会导致整个***运行紊乱，严重影响工业控制***的正常运行。
因此如何保证PLC程序执行的结果正确是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明针对上述问题，有必要提供一种冗余的PLC程序执行***及方法，其能够保证采用多个MCU模块对PLC程序并行执行，并对执行后的结果进行判决，保证结果的正确性，实现PLC的正常运行。
本发明第一方面提出一种冗余的PLC程序执行***，包括：PLC的多MCU模块、输入模块、判决模块和输出模块，所述MCU模块的数量为奇数，所述MCU模块分别与所述输入模块、所述判决模块、所述输出模块进行连接，所述判决模块和输出模块进行连接；
输入模块，用于PLC以扫描工作方式读取外部输入端的输入状态，并将所述输入状态的结果进行存储；
每一MCU模块，用于同步对PLC程序按顺序进行扫描执行，并将执行程序的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；
判决模块，用于接收每一MCU模块发送的各个输出状态的结果并进行判决，选择相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果发送至所述输出模块；
输出模块，用于存储所述判决模块输出的所有输出状态的结果，并以一定方式驱动外部受控设备。
进一步的，在对所述PLC程序按顺序进行扫描执行的过程中，还包括：若所述MCU模块在程序执行中需要读取输入状态时，则从所述输入模块读取相应的输入状态的结果并进行运算，所述输入模块中输入状态的结果不会随着程序的执行改变；若MCU模块在程序执行中需要读取输出状态时，则从所述输出模块读取相应的输出状态的结果并进行运算，所述输出模块中输出状态的结果会随着程序的执行改变。
进一步的，所述判决模块进行判决时包括两种情况：所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果均相同，则以该输出状态的结果为唯一结果，表明所有MCU模块在该时刻均执行了正确的程序；所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果为两种，以相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果，表明存在有MCU模块在该时刻执行了错误的程序。
进一步的，所述判决模块采用FPGA或者ASIC；所述判决模块还包括有加密模块、调度算法和机器学习算法，用于对输出状态的结果进行加密处理以及通过机器学习算法对输出状态的结果进行处理和快速调度处理。
进一步的，所述每个MCU模块采用并行通信架构实现对PLC程序的同步执行。
本发明还提出一种冗余的PLC程序执行方法，所述PLC程序执行方法包括：
配置阶段：配置PLC的多MCU模块、输入模块、判决模块和输出模块，所述MCU模块的数量为奇数，所述MCU模块分别与所述输入模块、所述判决模块、所述输出模块进行连接，所述判决模块和输出模块进行连接；
输入阶段：PLC以扫描工作方式读取外部输入端的输入状态，并将所述输入状态的结果存储至所述输入模块；
程序执行阶段：所有MCU模块同步对PLC程序按顺序进行扫描执行，并将程序执行后获得的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；
判决阶段：所述判决模块接收所有MCU模块发送的各个输出状态的结果进行判决，选择相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果发送至所述输出模块；
输出阶段；所述输出模块存储所述判决模块输出的所有输出状态的结果，并以一定方式驱动外部受控设备。
进一步的，所述程序执行阶段还包括：所述MCU模块在程序执行中需要读取输入状态，则从所述输入模块读取相应的输入状态的结果并进行运算，所述输入模块中输入状态的结果不会随着程序的执行改变；MCU模块在程序执行中需要读取输出状态，则从所述输出模块读取相应的输出状态的结果并进行运算，所述输出模块中输出状态的结果会随着程序的执行改变。
进一步的，所述判决模块进行判决时包括两种情况：所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果均相同，则以该输出状态的结果为唯一结果，表明所有MCU模块在该时刻均执行了正确的程序；所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果为两种，以相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果，表明存在有MCU模块在该时刻执行了错误的程序。
进一步的，所述判决模块采用FPGA或者ASIC，通过内部的调度、仲裁和数据高速处理机制实现判决功能；所述判决模块还包括有加密模块、调度算法和机器学习算法，用于对输出状态的结果进行加密处理以及通过机器学习算法对输出状态的结果进行处理和快速调度处理。
进一步的，PLC通过采用多核微处理器架构使得每个MCU模块通过并行通信方式实现对PLC程序的同步执行。
本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：本发明通过设置多MCU模块并行对PLC程序进行同步执行，并设置判决模块对每一MCU模块执行PLC程序后的各个输出状态的结果进行判决，以出现一输出状态的结果相同且数量最多的输出状态的结果为唯一结果，能够保证PLC程序执行结果的正确性，提高***运行的稳定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出本发明一种PLC程序监控***的结构示意图；
图2示出本发明一种PLC程序监控方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，本发明第一方面提出一种冗余的PLC程序执行***，包括：PLC的多MCU模块、输入模块、判决模块和输出模块，所述MCU模块的数量为奇数，所述MCU模块分别与所述输入模块、所述判决模块、所述输出模块进行连接，所述判决模块和输出模块进行连接；
输入模块，用于供PLC以扫描工作方式读取外部输入端的输入状态，并将所述输入状态的结果进行存储；
所有MCU模块，同步对PLC程序按顺序进行扫描执行，并将执行程序的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；
判决模块，用于接收每一MCU模块发送的各个输出状态的结果并进行判决，选择相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果发送至所述输出模块；
输出模块，用于存储所述判决模块输出的所有输出状态的结果，并以一定方式驱动外部受控设备。
具体的，在对所述PLC程序按顺序进行扫描执行的过程中，还包括：若所述MCU模块在程序执行中需要读取输入状态，则从所述输入模块读取相应的输入状态的结果并进行运算，所述输入模块中输入状态的结果不会随着程序的执行改变；若MCU模块在程序执行中需要读取输出状态，则从所述输出模块读取相应的输出状态的结果并进行运算，所述输出模块中输出状态的结果会随着程序的执行改变。
具体的，所述判决模块进行判决时包括所述判决模块进行判决时包括两种情况：所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果均相同，则以该输出状态的结果为唯一结果，表明所有MCU模块在该时刻均执行了正确的程序；所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果为两种，以相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果，表明存在有MCU模块在该时刻执行了错误的程序。
具体的，所述判决模块采用FPGA或者ASIC；所述判决模块还包括有加密模块、调度算法和机器学习算法，用于对输出状态的结果进行加密处理以及通过机器学习算法对输出状态的结果进行处理和快速调度处理。
具体的，所述每个MCU模块采用并行通信架构实现对PLC程序的同步执行。
如图2所示，本发明还提出一种冗余的PLC程序执行方法，所述PLC程序执行方法包括：
配置阶段：配置PLC的多MCU模块、输入模块、判决模块和输出模块，所述MCU模块的数量为奇数，所述MCU模块分别与所述输入模块、所述判决模块、所述输出模块进行连接，所述判决模块和输出模块进行连接；
输入阶段：PLC以扫描工作方式读取外部输入端的输入状态，并将所述输入状态的结果存储至所述输入模块；
程序执行阶段：所有MCU模块同步对PLC程序按顺序进行扫描执行，并将执行程序的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；
判决阶段：所述判决模块接收所有MCU模块发送的各个输出状态的结果进行判决，选择相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果发送至所述输出模块；
输出阶段：所述输出模块存储所述判决模块输出的所有输出状态的结果，并以一定方式驱动外部受控设备。
在具体的应用中，设置MCU模块的数量为3个，且并行通信连接；在PLC程序执行阶段中，3个MCU模块同步地执行PLC程序，且同步的将执行程序的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；其中，由于PLC的程序执行时顺序执行，因此每执行一条指令都有可能会产生一次输出状态的结果，也就是说判决模块会不断地在同一时刻接收到三个输出状态的结果。
具体的，所述程序执行阶段还包括：若所述MCU模块在程序执行中需要读取输入状态，则从所述输入模块读取相应的输入状态的结果并进行运算，所述输入模块中输入状态的结果不会随着程序的执行改变；若MCU模块在程序执行中需要读取输出状态，则从所述输出模块读取相应的输出状态的结果并进行运算，所述输出模块中输出状态的结果会随着程序的执行改变。
具体的，所述判决阶段包括：所述判决模块进行判决时包括两种情况：所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果均相同，则以该输出状态的结果为唯一结果，表明所有MCU模块在该时刻均执行了正确的程序；所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果为两种，以相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果，表明存在有MCU模块在该时刻执行了错误的程序。
在具体的应用中，判决模块对上述这三个输出状态的结果进行判决处理，若三个输出状态的结果均相同，则以该输出状态的结果为唯一结果；若三个输出状态的结果出现有两个输出状态的结果相同，另一个输出状态的结果不同，则以三选二的方式选取出现两次相同的输出状态的结果为唯一结果。
需要说明的是，所述输出模块中存储的各输出状态的结果均默认为正确的结果；并且先通过所述判决模块进行判决处理，再通过所述输出模块存储输出状态的结果并对外部设备进行驱动；这样设计的好处是由于PLC程序在执行的过程中涉及到相应的输出状态时，PLC会从输入模块中读取并进行运算，运算的结果再存入输出模块，也就是说输出模块中输出状态的结果是会随着程序执行的过程而变化；如果先通过输出模块存储输出状态的结果，再通过判决模块进行判决处理，必然在输出模块中存储的输出状态并不一定的正确的运算结果，而是各个结果的组合，这样在执行程序的过程中需要读取输出状态的结果时会造成紊乱，势必要从判决模块中读取正确的输入状态的结果，这样不太符合PLC***的设计原则，输出模块进行输出刷新阶段的作用就得不到体现。
具体的，所述判决模块采用FPGA或者ASIC，通过内部的调度、仲裁和数据高速处理机制实现判决功能；所述判决模块还包括有加密模块、调度算法和机器学习算法，用于对输出状态的结果进行加密处理以及通过机器学习算法对输出状态的结果进行处理和快速调度处理。
需要说明的是，所述判决模块采用FPGA或ASIC，由于其具有强大的计算能力和足够的灵活性，并且在计算通信密集型任务时可以高速处理。
具体的，PLC通过采用多核微处理器架构使得每个MCU模块通过并行通信方式实现对PLC程序的同步执行。
本发明通过设置多MCU模块并行对PLC程序进行同步执行，并设置判决模块对每一MCU模块执行PLC程序后的各个输出状态的结果进行判决，以出现一输出状态的结果相同且数量最多的输出状态的结果为唯一结果，能够保证PLC程序执行结果的正确性，提高***运行的稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冗余的PLC程序执行***，其特征在于，包括：PLC的多MCU模块、输入模块、判决模块和输出模块，所述MCU模块的数量为奇数，所述MCU模块分别与所述输入模块、所述判决模块、所述输出模块进行连接，所述判决模块和所述输出模块进行连接，所述多MCU模块为多核微处理器架构；
所述输入模块，用于供PLC以扫描工作方式读取外部输入端的输入状态，并将所述输入状态的结果进行存储；
所述MCU模块，同步对PLC程序按顺序进行扫描执行，并将程序执行后获得的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；
判决模块，用于接收每一MCU模块发送的各个输出状态的结果并进行判决，选择相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果发送至所述输出模块；
输出模块，用于存储所述判决模块输出的所有输出状态的结果，并以一定方式驱动外部受控设备。
2.根据权利要求1所述的PLC程序执行***，其特征在于：在对所述PLC程序按顺序进行扫描执行的过程中，还包括：若所述MCU模块在程序执行中需要读取输入状态，则从所述输入模块读取相应的输入状态的结果并进行运算，所述输入模块中输入状态的结果不会随着程序的执行改变；若所述MCU模块在程序执行中需要读取输出状态，则从所述输出模块读取相应的输出状态的结果并进行运算，所述输出模块中输出状态的结果会随着程序的执行改变。
3.根据权利要求1所述的PLC程序执行***，其特征在于：所述判决模块进行判决时包括两种情况：所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果均相同，则以该输出状态的结果为唯一结果，表明所有MCU模块在该时刻均执行了正确的程序；所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果为两种，以相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果，表明存在有MCU模块在该时刻执行了错误的程序。
4.根据权利要求1所述的PLC程序执行***，其特征在于：所述判决模块采用FPGA或者ASIC；所述判决模块还内置有加密模块、调度算法和机器学习算法，用于对输出状态的结果进行加密处理以及通过机器学习算法对输出状态的结果进行处理和快速调度处理。
5.根据权利要求1所述的PLC程序执行***，其特征在于：所述每个MCU模块采用并行通信架构实现对PLC程序的同步执行。
6.一种冗余的PLC程序执行方法，其特征在于，所述PLC程序执行方法包括：
配置阶段：配置PLC的多MCU模块、输入模块、判决模块和输出模块，所述MCU模块的数量为奇数，所述MCU模块分别与所述输入模块、所述判决模块、所述输出模块连接，所述判决模块和输出模块连接，所述多MCU模块为多核微处理器架构；
输入阶段：PLC以扫描工作方式读取外部输入端的输入状态，并将所述输入状态的结果存储至所述输入模块；
程序执行阶段：所有MCU模块同步对PLC程序按顺序进行扫描执行，并将程序执行后获得的各个输出状态的结果发送至所述判决模块进行判决处理；
判决阶段：所述判决模块接收所有MCU模块发送的各个输出状态的结果进行判决，选择相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果发送至所述输出模块；
输出阶段；所述输出模块存储所述判决模块输出的所有输出状态的结果，并以一定方式驱动外部受控设备。
7.根据权利要求6所述的PLC程序执行方法，其特征在于：所述程序执行阶段还包括：若所述MCU模块在程序执行中需要读取输入状态，则从所述输入模块读取相应的输入状态的结果并进行运算，所述输入模块中输入状态的结果不会随着程序的执行改变；若MCU模块在程序执行中需要读取输出状态，则从所述输出模块读取相应的输出状态的结果并进行运算，所述输出模块中输出状态的结果会随着程序的执行改变。
8.根据权利要求6所述的PLC程序执行方法，其特征在于：所述判决模块进行判决时包括两种情况：所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果均相同，则以该输出状态的结果为唯一结果，表明所有MCU模块在该时刻均执行了正确的程序；所有MCU模块执行程序后的输出状态的结果为两种，以相同且数量最多的输出状态的结果作为唯一结果，表明存在有MCU模块在该时刻执行了错误的程序。
9.根据权利要求6所述的PLC程序执行方法，其特征在于：所述判决模块采用FPGA或者ASIC，通过内部的调度、仲裁和数据高速处理机制实现判决功能；所述判决模块还内置有加密模块、调度算法和机器学习算法，用于对输出状态的结果进行加密处理以及通过机器学习算法对输出状态的结果进行处理和快速调度处理。
10.根据权利要求6所述的PLC程序执行方法，其特征在于：PLC通过采用多核微处理器架构使得每个MCU模块通过并行通信方式实现对PLC程序的同步执行。
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