CN201170857Y - 可编程逻辑控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可编程逻辑控制器，它可配置成单控制器***或热备冗余控制器***，包括一套编程配置软件，一套逻辑运行***软件，若干控制器模块及其控制器机架，若干交换机模块，若干IO模块及其IO扩展机架，核心组成包括冗余以太网和差分、异构、全双工、时分复用的双S总线。本实用新型解决逻辑编程语言的单调、数据索引可读性和可维护性差的问题；解决了可编程逻辑控制器全通路冗余和数据传输效率瓶颈的问题，并提高了通信***的可靠性。

Description

可编程逻辑控制器

技术领域

本实用新型涉及一种可编程逻辑控制器，更准确地说本实用新型涉及一种以太网架构的可冗余配置的可编程逻辑控制器。属于自动化控制领域。

背景技术

可编程逻辑控制器(以下简称PLC)是自动化控制领域广泛应用的一个重要产品。PLC在国外已有近40年的发展和广泛应用，其技术发展较快，也较成熟，而国内自主开发的PLC技术相对存在一定的滞后或局限性，特别是在中高端产品领域。

目前国内的PLC产品由于受技术因素的限制，其IO机架和IO模块级通信总线的数据吞吐率较低，例如目前主要采用CAN总线，其最高通信速率只有1Mbps，且实际应用中往往未达到其较高端速率，从而限制了控制器对IO模块数据扫描的响应时间。

在控制器热备冗余以及网络冗余可靠性提高方面，目前国内采用的是主备控制器共用一个电源***，且主备控制器间需要通过共同的母板总线连接以实现主备冗余切换数据信号握手，主备控制器不能分别安装在不同的物理地点，从而无法实现主备控制器相互安全备用的目的。在IO模块通信方面，目前国内PLC采用的是单网方式，不能从整体***实现一致的双冗余双网的高可靠性要求。

在逻辑编程语言方面，目前的PLC通常只支持一种或少量几种语言，不能全部支持符合IEC 61131-3标准的五种编程语言，从而使得PLC的通用性受到一定限制，甚至一些产品的编程语言不符合标准，使用户的使用难度增加，不便维护更改。

对于逻辑编程中的数据引用，现在的PLC都是采用绝对地址引用的方式来使用，既不便于阅读和后续维护，也不利于提高逻辑编程设计中的可靠性。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种通用性强、编程语言丰富且符合标准、热备冗余安全可靠、全网络可冗余、***响应快速、便于使用维护的可编程逻辑控制器。

为了达到以上目的，本实用新型是采取以下技术方案来实现的：

一种可编程逻辑控制器，其特征在于其可配置成单控制器***或热备冗余控制器***；所述的单控制器***包括一套编程配置软件、一套逻辑运行***软件、一个控制器机架，所述的控制器机架上包括一个控制器模块、至少一个电源模块和若干IO模块；所述的热备冗余控制器***包括一套编程配置软件、一套逻辑运行***软件、两个控制器机架和至少一个IO扩展机架及若干IO模块，所述的控制器机架上包括一个控制器模块和至少一个电源模块；所述的编程配置软件实现编程逻辑的输入；所述的逻辑运行***软件是控制器***软件和逻辑运算引擎***，用来执行编程语言编译后的指令；所述的控制器机架上的控制器模块集成了5个以太网通信接口、一个RS485/422通信接口和一对双S总线接口，以实现主备控制器冗余数据备份和***通信网的双冗余功能，热备冗余控制器的主备竞争除利用主备间数据备份通道外，还增加了控制器对IO机架双以太网的复用，以确保避免异常双主或双备的发生，控制器、背板和IO模块上包含差分异构双冗余S总线；软件上，双S总线还设计成时分复用，对应用层报文进行分割和分时收发，增强IO数据扫描效率和可靠性，各IO模块与控制器或扩展处理器之间采用双S总线联接。控制器与扩展处理器间以及控制器与外界设备间采用双以太网总线联接，控制器模块集成充足的以太网接口，实现控制器对工作站等上位机和对IO扩展机架都采用双冗余的以太网通信，控制器和扩展处理器模块集成双S总线接口，实现控制器对IO模块的双冗余总线，这些共同构成了整体数据通信***的高速可靠双冗余通路。

前述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的单控制器***，在需要扩展IO模块时，至少包括一个IO扩展机架。

编程配置软件是可编程逻辑的输入、编译和管理，以及对IO和PLC***进行配置的应用工具。前述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的编程配置软件同时支持符合IEC 61131-3标准的全部5种标准编程语言，所述的5种标准编程语言包括IL指令表、ST结构化文本、LD梯形图、FBD功能块图、SFC顺序功能图，且IL-LD-FBD可完全交叉编译。

编程配置软件提供变量定义的集成应用手段以实现程序中按变量名索引，增强程序可读性和可维护性，减少出错率。对于编程中的数据引用，摒弃使用易错且不直观的绝对地址引用方式，而是革新地采用了全变量名引用方式，用户对每个数据都可以用默认的变量名或用户重新给定的易于识别的命名，每种语言和不同区域数据都支持全变量名索引方式。

前述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的热备冗余控制器***中，热备冗余的两个控制器机架上分别包含一个软硬件完全相同的控制器模块和至少一个电源模块。

前述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的热备冗余控制器***中，控制器机架上还可安装交换机模块或其它通信模块；IO模块安装在IO扩展机架上，以以太网方式与两个控制器模块相连。

前述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述双S总线是采用全双工、差分、异构、时分复用的双冗余通信设计的双S总线，带宽为16Mbps。

前述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的热备冗余控制器***中，各模块间、主备控制器间、控制器与上位机间联接的以太网和双S总线都采用冗余方式联接。

热备冗余的两个控制器模块软硬件完全相同，两个冗余控制器模块分别位于各自的机架上，每个机架拥有自己的单电源或冗余热备多电源***。热备冗余***的控制器机架上可安装交换机模块或其它通信模块，但不再直接安装IO模块。此时IO模块都是通过扩展机架以双以太网方式分别与热备冗余的两个控制器相连，从而使得冗余***连接更加简便可靠。热备冗余的两个控制器间通过一对以太网接口进行冗余数据备份，正常的主备冗余竞争或切换握手信号通过这个主备间的以太网进行沟通，为了进一步增强可靠性，防止两个控制器出现双主或双备的异常状态，还通过两个控制器都与扩展机架相连的双以太网来握手传递信息，以确定主备切换或竞争的状态。

控制器模块是PLC的核心模块，该模块自身集成5个以太网口，如果有更多主机需要连接PLC，还可以通过PLC提供的交换机模块扩充。控制器模块还有一个RS485/422接口。控制器模块的这6个通信接口已经可以满足大部分应用需求，即控制器模块对主机的单以太网或双以太网接口、对触摸屏设备的一个以太网或RS485/422接口、对扩展机架的两个以太网接口，以及主备控制器间一个以太网联络接口。控制器模块以太网接口不够时，还可通过安装交换机模块SWT来扩充。控制器模块的软件采用嵌入式实时多任务操作***，内含符合IEC 61131-3编程逻辑的运行引擎。该软件***最多支持16个用户PLC任务，且每个任务可独立设置优先级、循环周期和Watchdog。

IO模块的数据传送速度容易成为整个PLC***响应速度的一个瓶颈。由于成本原因，IO模块的CPU处理能力要低于控制器模块的CPU处理能力，因此本PLC采用软时分复用技术，解决IO模块来不及响应上位***快速数据请求的局限性。首先，硬件上为IO模块的收发通信分别建立m*n(m取≥1的整数即可)个字的高速缓存区，然后对应用层通信报文进行固定长度(n个字)的分割。这样，在IO模块即使来不及立即处理分割帧的情况下，至少有个间隔延时时间(利用不同IO模块的轮流通信获得延时。当机架上只有一个IO模块的极端情况下，需要额外设置延时)，以保证该分割帧在下一个分割帧到来前得到IO模块的处理。在IO模块的上位处理机(即控制器模块或扩展处理器模块)软件中，设计报文分割帧和协调处理解析单元，以不断得到下一分割帧的发送信息和发送目的地址，同时还要组合解析收到的数据分割帧，以还原原始应用层报文的信息内容。

为了提高IO模块的通信速率和可靠性，IO模块对上位处理机的通信总线采用了差分、异构、全双工的双冗余总线，带宽高达16Mbps，而且即使在IO模块与上位处理机之间的一个通信通道中断下，仍可以立即切换到另一备用通信通道，从而形成本PLC的全冗余通信网，即从IO模块到扩展处理机、从扩展机架到控制器和控制器的双冗余、以及从控制器到主站***的整个纵向通路，都形成可靠的冗余通信***。

本实用新型的有益效果是：本实用新型解决了逻辑编程语言的单调、数据索引可读性和可维护性差的问题；同时解决了可编程逻辑控制器全通路冗余和数据传输效率瓶颈的问题，并提高了通信***的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型配置为双冗余控制器时的典型连接图。

图2为控制器模块内部功能框图。

图3为双S总线主端硬件电路图。

图4为双S总线一个从端的硬件电路图。

图5为S总线软件时分复用原理图。

图6为可编程逻辑变量名配置说明图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型座具体的介绍如下：

如图1-6所示的本实用新型可编程逻辑控制器，其中图1中点划线框内所示部分为本实用新型可编程逻辑控制器实体部分，包括了热备冗余控制器及其集成的五个以太网通信接口E1～E5、GPS授时接口、RS485/422通信接口，扩展机架处理器及其集成的两个以太网通信接口、GPS授时接口、交换机模块SWT、通信接口模块COM及其它IO模块。图1中点划线框外部分为本实用新型可编程逻辑控制器组成***时通常相互连接的外部设备，不在本实用新型保护范围内。

图1中，以太网网络总线除只有两个终端设备直接连接外，都需要通过交换机模块SWT互联，图中为便于说明，省略了与交换机模块连接部分的接线示意图。图1中两个热备冗余控制器分别对工作站都可以是单网(如E1)或双网(如E1、E3)进行连接，图中所示的虚线网络连线即是单网时不用连接的。两个热备冗余控制器对工作站和触摸屏的以太网IP地址在主备冗余切换时也是需要切换的，即处于主控制器的IP地址是固定的，即使主控制器对应的硬件已切换到另一控制器硬件。图1中两个热备冗余控制器分别位于不同的控制器机架上，热备之间的数据冗余备份主要通过以太网传输(如E2)，两个热备控制器可以分别安装在不同地点，增加冗余安全性。热备冗余控制器间的主备竞争不仅利用图1中控制器的E2口以太网络握手判别，还可在E2口网络故障的情况下，通过E4、E5的与扩展机架通信网络进行握手判别，最大限度地防止了异常的双主或双备现象的发生。图1中GPS对时信号分别连接到各个控制器和扩展机架的GPS授时接口，以使整个控制器***的各个部分获得精确对时。图1所示为热备冗余控制器***，有两个硬件和软件相同的热备冗余控制器模块，分别安装在两个热备冗余机架上，当需要非冗余控制器配置时，只要省去图中一个热备冗余控制器机架及其相关连线即可。

图2所示为控制器模块的内部功能框图，控制器采用带硬件浮点计算功能的64位PowerPC处理器，模块上集成了5个以太网接口Eth1～Eth5，1个RS485/422接口，1个GPS授时接口，LED指示接口，JTAG调试接口，背板总线接口(机架地址、冗余双S总线、IO对时等)，复位按钮，三位置(停止、运行/主、运行/备)钥匙钮，以及拨动选择开关(内存保护、调试)等。

图3所示为双S总线主端硬件电路图。双S总线的两个总线S1、S2采用异构硬件电路，但软件通信机制和协议相同，既增加可靠性，又减少了软件的复杂度。控制器与不同IO模块通信时，通过片选来选择该IO模块，此时总线上的其它模块处于禁止状态。控制器的选择地址由锁存器D7输出，双S总线的S1总线地址选择信号为ADDRA1～ADDRA4，S2总线地址选择信号为ADDRB1～ADDRB4。由于每层机架上IO模块数目最多有14个，双S总线的两个总线各自都需要片选S1CS、S2CS，因此需要四个三-八译码器D1～D4，以将控制器选择IO模块的地址译成“片选线”。D1～D4安装在背板上。D9、D10用于将S1总线的CMOS信号转换成差分信号，D10负责总线时钟信号的差分转换，D10的使能端设置为始终处于发送状态，D9负责总线数据收发信号的差分转换，D9的使能端设置为始终允许信号的接收和发送。D5是总线缓冲门，用于信号电平匹配。类似地，D8用于将S2总线的CMOS信号转换成差分信号，D8的使能端设置为始终允许信号的接收和发送，也即S1和S2总线都是设计为全双工通信，增加数据传送效率。S1总线信号包括SCKA1和SCKB1时钟差分信号对，SDIA1和SDIB1接收信号差分对，SDOA1和SDOB1发送信号差分对。S2总线信号包括SDIA2和SDIB2接收信号差分对，SDOA2和SDOB2发送信号差分对。

图4所示为双S总线一个从端的硬件电路图，各个IO模块上都有这个双S总线接口电路。图中CSA1和CSB1分别是1号插槽S1总线和S2总线的片选线，不同插槽使用不同的片选线，片选线来自图3的CSA1～CSA14和CSB1～CSB14。片选信号速率不高，但很重要，因此为提高可靠性，增加了R1、C1和R2、C2电阻电容器件。D1是缓冲器件，通过D1，IO模块还将本插槽所在地址BAN1～BAN4采集进来，以识别IO模块自身物理地址，结合通信数据报文过来的目标地址，可以进一步校验目标数据对象和插槽地址是否一致，极大的增强了数据传送的可靠性，消除片选信号错乱带来的数据传送对象错误危险。D3、D4是S1总线的时钟和数据差分信号转换芯片，通过CSC信号来控制D4的禁止或开放，通过D5B使得D4开放时是工作在全双工状态。D2是S2总线的数据差分信号转换芯片，通过CSB信号来控制D2的禁止或开放，通过D5A使得D2开放时是工作在全双工状态。

图5所示为S总线软件时分复用原理图。对于多个IO模块，控制器(或扩展处理器)准备好下行到各IO模块的应用层报文REP1～REPm，并将应用层报文REPm分割成若干固定长度的底层帧(帧m-1、帧m-2、帧m-3、……帧m-k)，分割时不足帧长部分填满全1位数据。从一个控制器扫描周期来看，下行数据帧次序为：帧1-1、帧2-1、……、帧m-1，帧1-2、帧2-2、……帧m-2，……，帧1-k、帧2-k、……帧m-k，而上行数据帧是伴随每个下行帧而获得的。从这个下行数据帧次序可以看出，IO模块响应底层帧的时间间隔是m个底层帧的时间，因此保证了在提高通信速率下，减轻了通信性能相对较弱的IO模块的通信响应要求，从而使得整个***能够运行在总的高速传输效率状态。

图6所示为可编程逻辑变量名配置说明图，所示为一个开入(DI)模块的示例，图中通道编号是配置工具根据已配机架和模块信息而默认给定的，这些“通道编号”名称直接可以在逻辑程序中作为变量名引用，如果需要更直观的变量名，也可以在“名称”栏中重新定义一个变量名，此时对应的默认通道编号变量名将不再使用。变量名组成除常规字符外，还支持汉字，因此可读性很强。

以上已以较佳实施例公布了本实用新型，然其并非用以限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (6)

1、可编程逻辑控制器，其特征在于其可配置成单控制器***或热备冗余控制器***；所述的单控制器***包括一套编程配置软件、一套逻辑运行***软件、一个控制器机架，所述的控制器机架上包括一个控制器模块、至少一个电源模块和若干IO模块；所述的热备冗余控制器***包括一套编程配置软件、一套逻辑运行***软件、两个控制器机架和至少一个IO扩展机架及若干IO模块，所述的控制器机架上包括一个控制器模块和至少一个电源模块；所述的编程配置软件实现编程逻辑的输入；所述的逻辑运行***软件是控制器***软件和逻辑运算引擎***，用来执行编程语言编译后的指令；所述的控制器机架上的控制器模块集成了5个以太网通信接口、一个RS485/422通信接口和一对双S总线接口；各IO模块与控制器或扩展处理器之间采用双S总线联接，控制器与扩展处理器间以及控制器与外界设备间采用双以太网总线联接。

2、根据权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的单控制器***，在需要扩展IO模块时，至少包括一个IO扩展机架。

3、根据权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的热备冗余控制器***中，热备冗余的两个控制器机架上分别包含一个软硬件完全相同的控制器模块和至少一个电源模块。

4、根据权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的热备冗余控制器***中，控制器机架上还可安装交换机模块或其它通信模块；IO模块安装在IO扩展机架上，以以太网方式与两个控制器模块相连。

5、根据权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述双S总线是采用全双工、差分、异构、时分复用的双冗余通信设计的双S总线，带宽为16Mbps。

6、根据权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于所述的热备冗余控制器***中，各模块间、主备控制器间、控制器与上位机间联接的以太网和双S总线全部采用冗余方式联接。

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