EA042500B1 - CONTROLLER WITH PROCESSOR SUBMODULE - Google Patents

Description

Изобретение относится к программируемым логическим контроллерам, далее по тексту ПЛК, являющимся системой автоматизированного управления, действующей в соответствии с заданными алгоритмами. ПЛК применяется для управления различными системами инженерного оборудования - системы жизнеобеспечения зданий и сооружений (электроснабжение, водоснабжение, отопление, освещение, канализация, вентиляция и т.п.), системы безопасности (системы управления доступом, системы пожаротушения и пр.), системы транспорта (эскалаторы, лифты, трубопроводные системы и т.п.), системы сервисных устройств, а также различным промышленным оборудованиям (механообрабатывающее, термическое, холодильное, химическое и т.п.).The invention relates to programmable logic controllers, hereinafter referred to as PLC, which is an automated control system that operates in accordance with specified algorithms. The PLC is used to control various systems of engineering equipment - life support systems for buildings and structures (power supply, water supply, heating, lighting, sewerage, ventilation, etc.), security systems (access control systems, fire extinguishing systems, etc.), transport systems ( escalators, elevators, pipeline systems, etc.), service device systems, as well as various industrial equipment (machining, thermal, refrigeration, chemical, etc.).

Уровень техникиState of the art

Программируемый контроллер представляет собой прибор, состоящий из электронных компонентов, активных и пассивных, устройств коммутации и др., размещенных на печатных платах, которые обеспечивают обработку поступающих электрических сигналов и выработку выходных электрических сигналов. Печатные платы контроллера с установленными на них компонентами размещаются в корпусе, который механически удерживает платы с электронными компонентами в заданном положении относительно друг друга и защищает их от внешних воздействий.A programmable controller is a device consisting of electronic components, active and passive, switching devices, etc., placed on printed circuit boards, which provide processing of incoming electrical signals and generation of output electrical signals. The printed circuit boards of the controller with the components installed on them are placed in a housing that mechanically holds the boards with electronic components in a given position relative to each other and protects them from external influences.

Известны моноблочные ПЛК, т.е. выполненные в виде моноблока, т.е. одного корпуса, в рамках которого исполняется весь диапазон функций ПЛК, необходимый для организации управления автоматизируемым объектом, в т.ч. для взаимодействия с оператором и/или системой управления верхнего уровня. В числе этих функций является обязательной обработка данных в соответствии заданным алгоритмом, измерение входных сигналов (аналоговых и/или дискретных), подача управляющих команд на исполнительные устройства и/или подача питающего напряжения на исполнительные устройства, и опционально могут присутствовать дополнительные функции - ручной ввод пороговых значений контролируемых параметров, взаимодействие с системой управления верхнего уровня, выполнение функции вебсервера, индикация заданных состояний контроллера и/или его входов/выходов, отображение данных, передача и прием данных, и другие функции. Моноблочные ПЛК могут иметь в своем составе субмодули, представляющие собой печатную плату, заключенную в индивидуальный корпус или без корпуса, которая устанавливается непосредственно на моноблочный корпус и подключается к разъемам, расположенным на/в моноблоке.Monoblock PLCs are known, i.e. made in the form of a monoblock, i.e. one building, within which the entire range of PLC functions is performed, which is necessary for organizing the control of an automated object, incl. for interaction with the operator and/or the upper-level control system. Among these functions, it is mandatory to process data in accordance with a given algorithm, measure input signals (analogue and/or discrete), issue control commands to actuators and/or supply voltage to actuators, and additional functions may optionally be present - manual input of threshold values of monitored parameters, interaction with the upper-level control system, performance of the web server function, indication of the specified states of the controller and / or its inputs / outputs, data display, data transmission and reception, and other functions. Monoblock PLCs can include submodules, which are a printed circuit board enclosed in an individual case or without a case, which is installed directly on the monoblock case and connected to the connectors located on / in the monoblock.

Моноблочные ПЛК имеют жесткий типовой набор аналоговых и дискретных входов и выходов, и применяются на таких объектах управления, для которых такого набора вполне достаточно, например, в системах вентиляции небольших зданий и сооружений. Субмодули позволяют опционально изменять или расширять функциональные возможности моноблока.Monoblock PLCs have a rigid standard set of analog and discrete inputs and outputs, and are used in such control objects for which such a set is quite sufficient, for example, in ventilation systems of small buildings and structures. Submodules allow you to optionally change or expand the functionality of the monoblock.

Также известны модульные ПЛК, представляющие собой набор из функциональных модулей, каждый из которых выполнен в отдельном корпусе, в составе процессорного модуля, функциональным назначение которого является выполнение алгоритмов по обработке данных, и модулей расширения, которые предназначены для трансформации входящих сигналов в данные и/или трансформации данных в управляющие сигналы для исполнительных устройств или воздействия на исполнительные устройства, например, подачу питающего тока/напряжения. Процессорный модуль может иметь расширенный функционал, например, содержать порты для подключения к Ethernet/Internet, содержать входы/выходы, выполнять функции человеко-машинного интерфейса, выполняемого, например, посредством сенсорного дисплея, или дисплея в комплексе с органами управления, например, кнопками и/или энкондером. Модули расширения, в рамках одного корпуса, могут выполнять как одну функцию, например, выдавать дискретные управляющие сигналы, так и несколько функций, например, считывать входные аналоговые/дискретные сигналы и выдавать управляющие сигналы/воздействия.Modular PLCs are also known, which are a set of functional modules, each of which is made in a separate housing, as part of a processor module, the functional purpose of which is the execution of data processing algorithms, and expansion modules that are designed to transform incoming signals into data and / or transforming data into control signals for actuators or influencing actuators, for example, supplying current / voltage. The processor module may have extended functionality, for example, contain ports for connecting to Ethernet / Internet, contain inputs / outputs, perform the functions of a human-machine interface, performed, for example, via a touch display, or a display in combination with controls, for example, buttons and /or encoder. Expansion modules, within the same housing, can perform both one function, for example, to issue discrete control signals, and several functions, for example, to read analog/discrete input signals and issue control signals/actions.

Взаимодействие процессорного модуля и модулей расширения осуществляется через, последовательную и/или параллельную, внутреннюю шину данных без необходимости сложных преобразований передаваемых сигналов, требующих процессорной обработки, например, как при передаче данных по протоколу TCP/IP в сети Ethernet/Internet.The interaction of the processor module and expansion modules is carried out via a serial and / or parallel, internal data bus without the need for complex conversions of transmitted signals that require processor processing, for example, as when transmitting data via TCP / IP protocol in an Ethernet / Internet network.

Внутренняя шина данных программируемого контроллера может быть выполнена как на базе стандартных интерфейсов, например RS-485, 12C, CAN, как в отдельности, так и в сочетании, так и на базе оригинальных решений по организации шины данных.The internal data bus of the programmable controller can be made both on the basis of standard interfaces, such as RS-485, 12C, CAN, both individually and in combination, and on the basis of original solutions for the organization of the data bus.

Внутренняя шина данных имеет локализацию - физические ограничения расстояния, на которое возможна передача данных - от одного до нескольких метров, в зависимости от исполнения.The internal data bus has localization - physical limits on the distance over which data can be transmitted - from one to several meters, depending on the version.

В случае необходимости управления модулями расширения за пределы локализации внутренней шины данных, передача команд управления и обмен данными внутри контроллера между процессором и функциональным модулем осуществляется через специальные интерфейсы (проводные, типа RS-485, беспроводные) или шлюзы для передачи данных через внешние сети (проводные: Ethernet, CAN и др.; беспроводные: Bluetooth, WiFi, GPRS и др.), которые располагаются, соответственно, в процессорном модуле и в модулях расширения.If it is necessary to control expansion modules outside the localization of the internal data bus, the transfer of control commands and data exchange within the controller between the processor and the functional module is carried out through special interfaces (wired, RS-485 type, wireless) or gateways for data transmission via external networks (wired : Ethernet, CAN, etc.; wireless: Bluetooth, WiFi, GPRS, etc.), which are located, respectively, in the processor module and expansion modules.

В рамках одного модульного ПЛК для передачи данных между процессорным модулем и модулями расширения может использоваться один и более типов шин передачи данных, отличающихся количест- 1 042500 вом пинов и/или протоколами передачи данных.Within one modular PLC for data transfer between the processor module and expansion modules, one or more types of data transfer buses can be used, differing in the number of pins and/or data transfer protocols.

Функциональность процессорного модуля или модуля расширения модульного ПЛК может увеличиваться, также, как и моноблочного ПЛК, посредством установки на/в него субмодулей.The functionality of the processor module or expansion module of the modular PLC can be increased, just like the monobloc PLC, by installing submodules on/into it.

Модульный ПЛК применяется для автоматизации объектов, где требуемое количество входов/выходов лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысяч. Модульный ПЛК является гибким прибором, позволяющим формировать конфигурацию входов /выходов и каналов передачи данных, соответствующую объекту автоматизации, посредством интеграции процессорного модуля и необходимого количества модулей расширения, обеспечивающих требуемое количество различных входов/выходов (дискретных, аналоговых, силовых и т.п.), с приемлемой избыточностью (до 10-и входов-выходов на общую конфигурацию).The modular PLC is used to automate facilities where the required number of inputs/outputs is in the range from several tens to several thousand. The modular PLC is a flexible device that allows you to configure the input / output and data transmission channels corresponding to the automation object by integrating the processor module and the required number of expansion modules that provide the required number of different inputs / outputs (discrete, analog, power, etc.) , with acceptable redundancy (up to 10 I/O per common configuration).

Для обмена данными между модулями в модульном ПЛК применяются шины данных, выполненные в виде единого устройства или наборного устройства. Шина данных в виде единого устройства, содержащего множество проводников для передачи электрических сигналов и устройства подключения внешней к модулям ПЛК, может представлять собой, например, многожильный кабель с разъемами для подключения модулей или, например, печатную плату, в виде полосы, с расположенными на ней разъемами для подключения модулей, электрически соединенные печатными проводниками, или, например, печатную плату, в виде полосы, с расположенными открытыми печатными проводниками, к которым прижимаются электрические контакты модулей.To exchange data between modules in a modular PLC, data buses are used, made in the form of a single device or a set device. The data bus in the form of a single device containing many conductors for transmitting electrical signals and a device for connecting an external PLC to the PLC modules can be, for example, a multi-core cable with connectors for connecting modules or, for example, a printed circuit board in the form of a strip with connectors for connecting modules, electrically connected by printed conductors, or, for example, a printed circuit board, in the form of a strip, with open printed conductors, to which the electrical contacts of the modules are pressed.

Имеются решения, объединяющие шину данных с процессорным блоком, когда процессорный блок реализован в виде платы, на которой присутствует шина данных выполненная печатным способом, которая разведена к стандартным посадочным местам, представляющим собой конфигурацию штырей, в т.ч. выполняющих роль контактов, установленных на плату, на которые устанавливаются функциональные субмодули-исполнительные дискретные/аналоговые входы/выходы, питание, порты связи (интерфейсы).There are solutions that combine the data bus with the processor unit, when the processor unit is implemented as a board on which there is a printed data bus, which is routed to standard seats, which are a configuration of pins, incl. acting as contacts installed on the board, on which functional submodules are installed - executive discrete / analog inputs / outputs, power supply, communication ports (interfaces).

ПЛК имеет внутреннюю шину данных, по которой обеспечивается обмен данными между процессором и функциональными модулями, и передача команд управления от процессора к функциональным модулям.The PLC has an internal data bus that provides data exchange between the processor and functional modules, and transmission of control commands from the processor to functional modules.

Взаимодействие с внешними устройствами ПЛК осуществляет через специальные устройства - аппаратные интерфейсы. Аппаратный интерфейс преобразует формат внутренней шины данных в формат внешней системы. Аппаратные интерфейсы могут располагаться как в составе процессорного модуля, так и могут быть в составе модуля расширения, или могут быть выделены в отдельный модуль расширения, а также могут быть выполнены в виде субмодуля, устанавливаемого на процессорный модуль или модуль расширения.The PLC interacts with external devices through special devices - hardware interfaces. The hardware interface converts the format of the internal data bus to that of the external system. Hardware interfaces can be located both in the processor module, and can be part of the expansion module, or can be allocated to a separate expansion module, and can also be made as a submodule installed on the processor module or expansion module.

Архитектура управления внутри модульного ПЛК выполняется на базе обмена данными по внутренней шине данных, по которой передаются управляющие команды от процессора, реализующего алгоритмы управления, к функциональным блокам и данные от функциональных блоков к процессору или от процессора к функциональным блокам. Под функциональными блоками здесь и далее по тексту понимаются законченные схемотехнические решения, реализующие определенную функцию в составе функционального модуля (процессорного модуля или модуля расширения):The control architecture inside the modular PLC is based on the exchange of data over the internal data bus, through which control commands are transmitted from the processor that implements the control algorithms to the functional blocks and data from the functional blocks to the processor or from the processor to the functional blocks. Functional blocks hereinafter in the text are understood as complete circuit solutions that implement a certain function as part of a functional module (processor module or expansion module):

формирование выходного сигнала (дискретного или аналогового);formation of an output signal (discrete or analog);

детекция или измерение входного сигнала;detection or measurement of the input signal;

обмен данными с внешними устройствами:data exchange with external devices:

через внешние сети (Ethernet, CAN и др.);via external networks (Ethernet, CAN, etc.);

через порты: USB, картридеры SD-карт и др., взаимодействие с человеком:via ports: USB, SD card readers, etc., human interaction:

прием управляющих воздействий от оператора (кнопки, энкондер, перемычки и т.п.);reception of control actions from the operator (buttons, encoder, jumpers, etc.);

валидация оператора (посредством пароля, электронного ключа, считывания биометрических показателей);operator validation (using a password, an electronic key, reading biometric indicators);

подача сигналов для человека (звуковых и/или световых сигналов, графических изображений/текста); интерактивный ввод/вывод сигналов (сенсорный дисплей).giving signals to a person (sound and / or light signals, graphic images / text); interactive input/output of signals (touch display).

Имеются специализированные модули - панели оператора, в которых реализованы комплексы функциональных блоков для взаимодействия с человеком на основе графического дисплея, в т.ч. интерактивного. Панели оператора могут подключаться к процессорному модулю по стандартному интерфейсу, например Ethernet, RS-232, RS-485, по проприентарному интерфейсу, или по внутренней шине данных, используемой в ПЛК.There are specialized modules - operator panels, in which complexes of functional blocks are implemented for interacting with a person based on a graphic display, incl. interactive. The operator panels can be connected to the processor module via a standard interface such as Ethernet, RS-232, RS-485, a proprietary interface, or the internal data bus used by the PLC.

Панели оператора могут выполняться в виде устройств, предназначенных для размещения отдельно от места размещения ПЛК (на DIN-рейке шкафа автоматики), например, для размещения на дверце шкафа автоматики или на стене. Имеются панели оператора, которые выполнены в виде субмодуля, который может устанавливаться непосредственно на процессорный модуль или в иное место, например на дверцу шкафа автоматики, при котором подключение осуществляется через шлейф.Operator panels can be made as devices designed to be placed separately from the PLC location (on the control cabinet DIN rail), for example, to be placed on the control cabinet door or on the wall. There are operator panels, which are made in the form of a submodule, which can be installed directly on the processor module or in another place, for example, on the door of an automation cabinet, in which the connection is made via a loop.

Имеются ПЛК, у которых процессорный модуль совмещен с панелью оператора, такое решение называется панельный контроллер. Панельный контроллер, как и панель оператора, может размещаться на дверце шкафа автоматики или на стене, а также на устанавливаемом на DIN-рейку адаптере, представ- 2 042500 ляющем собой модуль расширения с разъемом и посадочным местом для установки панельного контроллера. Связь с модулями расширения может осуществляться через стандартный интерфейс (например, RS485), или через проводной шлейф (кабель), соединяющий в единое целое разнесенных в пространстве внутренних шин данных панельного контроллера и адаптера с подключенными к нему модулями расширения.There are PLCs in which the processor module is combined with an operator panel, this solution is called a panel controller. The panel controller, like the operator panel, can be placed on the control cabinet door or on the wall, as well as on a DIN-rail adapter, which is an expansion module with a connector and a slot for installing a panel controller. Communication with expansion modules can be carried out through a standard interface (for example, RS485), or through a wire loop (cable) connecting into a single whole spaced internal data buses of the panel controller and adapter with expansion modules connected to it.

В уровне техники имеется возможность функционирования процессорных модулей в режимах Master (управляющий) и Slave (управляемый). В режиме Master процессорный модуль осуществляет исполнение загружаемого в него алгоритма, в ходе которого он опрашивает через внутреннюю шину данных модули расширения, подает им управляющие команды и обрабатывает полученные данные, при наличии соответствующих функциональных модулей связи, он может подключаться к верхнему уровню управления (к SCADA системе). В режиме Slave процессорный модуль выполняет функцию модуля расширения, у которого для процессорного модуля Master становятся напрямую доступными для управления функциональные блоки, которые имеются в наличии на процессорном модуле Slave. Вычислительные ресурсы процессорного модуля в режиме Slave могут быть задействованы для исполнения загружаемых в них алгоритмов, а могут быть отключены. Если вычислительные ресурсы задействованы, то исполняемые алгоритмы могут напрямую обращаться к функциональным блокам, располагающимся в корпусе процессорного модуля Slave и через процессорный модуль Master к функциональным блокам, располагающимся вне корпуса процессорного модуля Slave.In the prior art, it is possible to operate processor modules in Master (control) and Slave (managed) modes. In Master mode, the processor module executes the algorithm loaded into it, during which it interrogates expansion modules via the internal data bus, gives them control commands and processes the received data, if there are appropriate functional communication modules, it can connect to the upper control level (to SCADA system). In Slave mode, the processor module performs the function of an expansion module, in which the functional blocks that are available on the slave processor module become directly accessible for control by the master processor module. Computing resources of the processor module in Slave mode can be used to execute the algorithms loaded into them, or can be disabled. If the computing resources are used, then the executable algorithms can directly access the functional blocks located in the Slave processor module package and through the Master processor module to the functional blocks located outside the Slave processor module package.

Недостатком указанных решений является то, что при автоматизации управления системой объектов, имеющей в будущем потенциал развития, приходится или изначально закладывать очень высокую избыточность вычислительных ресурсов процессорного модуля или, по мере развития системы, заменять процессорный модуль на более производительный, или менять систему в целом, если в установленной на объекте линейке оборудования отсутствуют процессорные модули с необходимой производительностью. Всё это ведет к повышенным затратам на решение по автоматизации объекта.The disadvantage of these solutions is that when automating the management of a system of objects that has the potential for development in the future, one has to either initially provide a very high redundancy of the computing resources of the processor module or, as the system develops, replace the processor module with a more productive one, or change the system as a whole, if the line of equipment installed at the facility does not have processor modules with the required performance. All this leads to increased costs for a facility automation solution.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, взятого за прототип, является расширяемый контроллер (см. [1] EP0862755, МПК G05B 19/042, опубл. 09.09.1998 г.) содержащий подключенный к общей шине данных процессорный модуль с возможностью подключения к нему и к общей шине данных по меньшей мере одного модуля расширения. Недостатком прототипа является отсутствие возможности увеличения процессорной мощности.The closest analogue of the claimed invention, taken as a prototype, is an expandable controller (see [1] EP0862755, IPC G05B 19/042, publ. 09/09/1998) containing a processor module connected to a common data bus with the ability to connect to it and to common data bus of at least one expansion module. The disadvantage of the prototype is the inability to increase the processing power.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является в обеспечении возможности наращивания вычислительных ресурсов, в том числе вычислительных мощностей процессора, программируемого контроллера без замены процессорного модуля, т.е. увеличение вычислительных ресурсов осуществляют законченным функциональным устройством, процессорным субмодулем, полностью выполняющим функции процессора.The technical problem facing the invention is to provide the possibility of increasing computing resources, including the computing power of the processor, programmable controller without replacing the processor module, i.e. the increase in computing resources is carried out by a complete functional device, a processor submodule that fully performs the functions of a processor.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение вычислительных ресурсов программируемого контроллера без замены процессорного модуля и соответствующего переподключения подведенных проводов.The technical result of the claimed invention is to increase the computing resources of the programmable controller without replacing the processor module and the corresponding reconnection of the wires.

Задача решается, а технический результат достигается за счет программируемого логического контроллера, включающего подключенный к общей шине данных процессорный модуль, подключенный в режиме Master с возможностью подключения к нему и к общей шине данных по меньшей мере одного модуля расширения, при этом процессорный модуль выполнен в виде базового процессорного модуля, к которому подключен по внутренней шине данных процессорный субмодуль, вычислительные ресурсы которого превышают вычислительные ресурсы базового процессорного модуля, причем процессорный субмодуль подключается в режиме Master, а несущий процессорный модуль переводится в режим Slave.The problem is solved, and the technical result is achieved by a programmable logic controller, including a processor module connected to a common data bus, connected in Master mode with the ability to connect to it and to a common data bus at least one expansion module, while the processor module is made in the form the base processor module, to which a processor submodule is connected via the internal data bus, the computing resources of which exceed the computing resources of the base processor module, and the processor submodule is connected in the Master mode, and the carrier processor module is switched to the Slave mode.

Также технический результат достигается за счет того, что процессорный субмодуль размещен непосредственно на процессорном модуле с подключением к внутренней шине данных процессорного модуля через разъем или на удаленном от процессорного субмодуля носителе с подключением к внутренней шине данных процессорного модуля через шлейф или кабель.Also, the technical result is achieved due to the fact that the processor submodule is placed directly on the processor module with connection to the internal data bus of the processor module via a connector or on a carrier remote from the processor submodule with connection to the internal data bus of the processor module via a loop or cable.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - основные компоненты программируемого контроллера.Fig. 1 - the main components of a programmable controller.

Фиг. 2 - процессорный модуль ПЛК.Fig. 2 - PLC processor module.

Фиг. 3 - структурная схема ПЛК.Fig. 3 is a block diagram of the PLC.

Фиг. 4 - внутренняя шина данных в конфигурации контроллера без процессорного субмодуля и поддерживаемый ею функционал.Fig. 4 - internal data bus in the controller configuration without a processor submodule and the functionality it supports.

Фиг. 5 - внутренняя шина данных в конфигурации контроллера с процессорным субмодулем и поддерживаемый ею функционал.Fig. 5 - internal data bus in the controller configuration with a processor submodule and the functionality it supports.

Фиг. 6 - поток задач, обрабатываемых встроенным ПО базового процессорного модуля.Fig. 6 - the flow of tasks processed by the firmware of the base processor module.

Фиг. 7 - поток задач, обрабатываемый встроенным ПО процессорного субмодуля.Fig. 7 - task flow processed by the firmware of the processor submodule.

Фиг. 8 - поток задач, обрабатываемый встроенным ПО модуля расширения.Fig. 8 - task flow processed by the plug-in firmware.

На чертежах обозначены следующие позиции:The drawings indicate the following items:

Поз. 1 - процессорный модуль контроллера; поз. 2 - модуль расширения; поз. 3 - базовый процессорный модуль; поз. 4 - процессорный субмодуль; поз. 5 - коммутирующий разъем процессорного моду- 3 042500 ля; поз. 6 - процессорный модуль (структурная схема); поз. 7 - процессорный субмодуль (структурная схема); поз. 8 - базовый процессорный модуль (структурная схема); поз. 9 - коммутирующее устройство (структурная схема); поз. 10 - модуль расширения (структурная схема); поз. 11 - функциональный блок; поз. 12 - сервисная шина для адресации модулей; поз. 13 - шина для передачи данных; поз. 14 - линия для передачи тревожных сигналов; поз. 15 - линия для команды Reset для Slave-устройств; поз. 16 - шина для управления внешними сетевыми устройствами по последовательному интерфейсу; поз. 17 - внешние сетевые устройства; поз. 18 -задачи, выключаемые из потока обработки микроконтроллера при переходе из режима Master в режим Slave; поз. 19 - задачи, включаемые в поток обработки микроконтроллера при переходе из режима Master в режим Slave.Pos. 1 - controller processor module; pos. 2 - expansion module; pos. 3 - basic processor module; pos. 4 - processor submodule; pos. 5 - switching connector of the processor module - 3 042500 la; pos. 6 - processor module (block diagram); pos. 7 - processor submodule (block diagram); pos. 8 - basic processor module (block diagram); pos. 9 - switching device (block diagram); pos. 10 - expansion module (block diagram); pos. 11 - functional block; pos. 12 - service bus for addressing modules; pos. 13 - bus for data transmission; pos. 14 - line for transmission of alarm signals; pos. 15 - line for the Reset command for Slave devices; pos. 16 - bus for controlling external network devices via a serial interface; pos. 17 - external network devices; pos. 18 - tasks that are switched off from the processing flow of the microcontroller when switching from the Master mode to the Slave mode; pos. 19 - tasks included in the processing flow of the microcontroller when switching from the Master mode to the Slave mode.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Сущность технического решения заключается в ведении в состав процессорного модуля процессорного субмодуля, вычислительные ресурсы которого превышают вычислительные ресурсы процессорного модуля.The essence of the technical solution consists in introducing a processor submodule into the processor module, the computing resources of which exceed the computing resources of the processor module.

При необходимости увеличения вычислительных ресурсов процессорного модуля (по мере развития системы объектов, подлежащей автоматизации управления) на процессорный модуль может быть установлен процессорный субмодуль. Процессорный субмодуль подключается в режиме Master, несущий процессорный модуль переводится в режим Slave.If it is necessary to increase the computing resources of the processor module (as the system of objects subject to control automation develops), a processor submodule can be installed on the processor module. The processor submodule is connected in the Master mode, the carrier processor module is switched to the Slave mode.

Процессорный субмодуль подключается к процессорному модулю по внутренней шине данных. Размещаться процессорный субмодуль может, как на процессорном модуле, расположенном на DINрейке, (подключение к внутренней шине данных процессорного модуля осуществляется через разъем), так и других носителях, удаленных от DIN-рейки на расстояние до 1 м, например на дверце шкафа автоматики (подключение к внутренней шине данных процессорного модуля осуществляется через шлейф/кабель).The processor submodule is connected to the processor module via the internal data bus. The processor submodule can be placed either on a processor module located on a DIN rail (connection to the internal data bus of the processor module is via a connector), or on other media remote from the DIN rail at a distance of up to 1 m, for example, on the door of an automation cabinet (connection to the internal data bus of the processor module via a loop/cable).

Основные отличия от имеющихся решений:The main differences from existing solutions:

в числе увеличиваемых вычислительных ресурсов процессорного модуля является вычислительная мощность (процессор);among the increased computing resources of the processor module is the computing power (processor);

увеличение вычислительных ресурсов осуществляет законченным функциональным устройством, процессорным субмодулем, полностью выполняющим функции процессора;the increase in computing resources is carried out by a complete functional device, a processor submodule that fully performs the functions of a processor;

при установке процессорного субмодуля на процессорный модуль, процессорный субмодуль функционирует в режиме Master, а вычислительная часть процессорного модуля переходит в режим Slave.when the processor submodule is installed on the processor module, the processor submodule operates in the Master mode, and the computing part of the processor module switches to the Slave mode.

Описание устройства в статике.Description of the device in statics.

ПЛК (см. фиг. 1) состоит из процессорного модуля 1 и подключаемых к нему, по мере необходимости конкретной задачи, модулей расширения 2. Электрическое подключение процессорного модуля и модулей расширения для передачи данных, управляющих команд и питающего напряжения, осуществляется гибкими шлейфами, последовательно соединяющими модули контроллера. Электрическое питание ПЛК осуществляется от вторичного источника питания, размещаемого в одном из модулей расширения, который подключается к внешнему источнику напряжения.The PLC (see Fig. 1) consists of a processor module 1 and expansion modules 2 connected to it, as necessary for a specific task. The electrical connection of the processor module and expansion modules for transmitting data, control commands and supply voltage is carried out by flexible cables, in series connecting controller modules. The PLC is powered by a secondary power source located in one of the expansion modules, which is connected to an external voltage source.

Процессорный модуль ПЛК (см. фиг. 2) может состоять или только из базового процессорного модуля 3, или из сборки базового процессорного модуля 3 и процессорного субмодуля 4. Электрическое подключение процессорного субмодуля и базового процессорного модуля осуществляется через коммутирующее устройство, обеспечивающее передачу данных, управляющих команд и питающего напряжения, выполненное или только в виде коммутирующего разъема процессорного модуля 5, или в виде комбинации: разъема 5 и гибкого шлейфа, длиной до 1 м, установленного между ответными частями разъема 5, которые размещены на базовом процессорном модуле 3 и процессорном субмодуле 4.The PLC processor module (see Fig. 2) can either consist of a basic processor module 3 only, or an assembly of a basic processor module 3 and a processor submodule 4. commands and supply voltage, made either only in the form of a switching connector of the processor module 5, or in the form of a combination of: connector 5 and a flexible cable, up to 1 m long, installed between the mating parts of the connector 5, which are located on the base processor module 3 and the processor submodule 4 .

На структурной схеме ПЛК (см. фиг. 3) отображены структурные схемы процессорного модуля 6, его составных частей - базового процессорного модуля 8 и процессорного субмодуля 7, а также и модулей расширения 10. Все указанные модули контроллера содержат функциональные блоки 11 - микроконтроллеры, аналоговые входы-выходы, выполненные на базе аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, силовые ключи (твердотельные, реле), дискретные входы-выходы, модули радиосвязи и т.д.The block diagram of the PLC (see Fig. 3) shows the block diagrams of the processor module 6, its components - the basic processor module 8 and the processor submodule 7, as well as expansion modules 10. All of these controller modules contain functional blocks 11 - microcontrollers, analog inputs-outputs made on the basis of analog-to-digital and digital-to-analogue converters, power switches (solid-state, relays), discrete inputs-outputs, radio communication modules, etc.

Конфигурация функциональных блоков модулей может быть различной (более 10 тыс. конфигураций), т.к. для каждого конкретного объекта управления выбирается из числа производимых оптимальная конфигурация, в зависимости от его особенностей.The configuration of the functional blocks of modules can be different (more than 10 thousand configurations), because for each specific control object, the optimal configuration is selected from among those produced, depending on its features.

Все функциональные блоки модулей, установленные в процессорном модуле и в модулях расширения, имеют уникальную адресацию внутри контроллера, задаваемую алгоритмом управления автоматизированным объектом, что позволяет микроконтроллеру базового процессорного блока или микропроцессору процессорного субмодуля обращаться к ним по внутренней шине данных, передавать им управляющие команды и получать от них данные.All functional blocks of modules installed in the processor module and in expansion modules have a unique addressing inside the controller, set by the automated object control algorithm, which allows the microcontroller of the base processor unit or the microprocessor of the processor submodule to access them via the internal data bus, send them control commands and receive data from them.

При конфигурации процессорного модуля 1 в виде только базового процессорного модуля 3, размещение управляющего алгоритма осуществляется в базовом процессорном модуле.When the processor module 1 is configured as only the base processor module 3, the control algorithm is placed in the base processor module.

При недостаточном для осуществления управления автоматизируемым объектом количестве входоввыходов, предустановленных на базовом процессорном модуле, к нему подключаются модули расширения. В такой конфигурации базовый процессорный модуль имеет статус Master (ведущий, управляющий), т.е. на немIf the number of inputs/outputs pre-installed on the base processor module is insufficient to control the automated object, expansion modules are connected to it. In this configuration, the base processor module has the status of Master (leading, controlling), i.e. On him

- 4 042500 обрабатывается алгоритм управления автоматизированным объектом (далее по тексту управляющий алгоритм). Модули расширения имеют статус Slave (ведомый, управляемый).- 4 042500 the automated object control algorithm is being processed (hereinafter referred to as the control algorithm). Expansion modules have the Slave status (slave, controlled).

При недостаточной для осуществления управления автоматизируемым объектом вычислительной мощности базового процессорного модуля, на него устанавливается процессорный субмодуль 4. В данной конфигурации процессорный субмодуль имеет статус Master (ведущий, управляющий), т.е. на нем обрабатывается алгоритм управления автоматизированным объектом, базовый процессорный модуль и модули расширения имеют статус Slave (ведомый, управляемый).If the computing power of the base processor module is insufficient to control the automated object, the processor submodule 4 is installed on it. it processes the automated object control algorithm, the base processor module and expansion modules have the Slave status (slave, controlled).

Вся передача данных, сигналов, управляющих команд, а также питающего напряжения внутри контроллера осуществляется через внутреннюю шину. Конфигурация внутренней шины процессорного модуля, состоящего только из базового процессорного модуля, и поддерживаемые ею функции (см. фиг. 4) отличается от конфигурации внутренней шины процессорного модуля, с установленным субмодулем (см. фиг. 5). В сервисной шине I2C 12 для передачи данных используется соответствующий ей протокол передачи данных. В шине для передачи данных 13 для передачи данных используется протокол Modbus.All transmission of data, signals, control commands, as well as supply voltage inside the controller is carried out via the internal bus. The configuration of the internal bus of the processor module, consisting only of the basic processor module, and the functions it supports (see Fig. 4) differs from the configuration of the internal bus of the processor module, with the submodule installed (see Fig. 5). The I2C 12 service bus uses its corresponding data transfer protocol for data transfer. The data bus 13 uses the Modbus protocol for data transmission.

Физически, внутренняя шина данных образуется совокупностью участков внутренней шины, расположенных внутри модулей и обеспечивающих транзитную передачу сигнала внутри модуля и подключение модуля к этим сигнальным линиям, и коммутирующих устройств (разъемов, шлейфов), обладающих необходимым количеством проводников/пинов. Сервисная шина 12 имеет активные элементы, которые могут прерывать передачу данных в направлении от Master - устройства в сторону устройств, подключенных за опрашиваемым модулем.Physically, the internal data bus is formed by a combination of sections of the internal bus located inside the modules and providing transit signal transmission inside the module and connecting the module to these signal lines, and switching devices (connectors, loops) with the required number of conductors / pins. The service bus 12 has active elements that can interrupt the data transfer in the direction from the Master device to the devices connected behind the polled module.

Базовый процессорный модуль содержит клеммы для подключения к сети внешних устройств, подключенных по последовательному интерфейсу CAN или RS485, а также проводники, обеспечивающие транзитную передачу сигнала от разъема подключения к процессорному субмодулю к указанным клеммам.The base processor module contains terminals for connecting to the network of external devices connected via a serial CAN or RS485 interface, as well as conductors that provide transit signal transmission from the connection connector to the processor submodule to the specified terminals.

Во все модули контроллера встроено внутреннее ПО для обработки потоков задач (см. фиг. 6-8) модулей контроллера. Потоки обрабатываемых задач базового процессорного модуля в состояниях Master и Slave отличаются:All controller modules have built-in internal software for processing task flows (see Fig. 6-8) controller modules. The threads of processed tasks of the base processor module in the Master and Slave states are different:

Задачи, выключаемые из потока обработки при изменении статуса Master в статус Slave отображены на фиг. 6, поз. 18;Tasks that are switched off from the processing flow when the status of Master changes to Slave are shown in Fig. 6, pos. 18;

Задачи, включаемые в поток обработки при изменении статуса Master в статус Slave отображены на фиг. 6, поз. 19.The tasks included in the processing flow when the Master status changes to the Slave status are shown in Fig. 6, pos. 19.

Внутри микроконтроллеров базового процессорного блока и модулей расширения могут храниться, загружаемые при старте или при настройке ПЛК, критические пороговые значения, при достижении которых микроконтроллер должен выдать тревожный сигнал. Перечень критических контролируемых параметров автоматизированного объекта является ограниченным, выбирается из числа тех показателей, достижение которых способно в короткий срок привести автоматизированный объект к аварии (нарушить его работоспособность и привести к вредным/опасным последствиям). Для критических контролируемых параметров алгоритмом назначаются приоритеты в соответствии со степенью их важности для функционирования автоматизированного объекта и безопасности его эксплуатации.Inside the microcontrollers of the base processor unit and expansion modules, critical threshold values can be stored, loaded at startup or when setting up the PLC, upon reaching which the microcontroller should issue an alarm signal. The list of critical controlled parameters of an automated object is limited, it is selected from among those indicators, the achievement of which can lead the automated object to an accident in a short time (disrupt its performance and lead to harmful / dangerous consequences). For critical controlled parameters, the algorithm assigns priorities in accordance with the degree of their importance for the functioning of the automated object and the safety of its operation.

В составе базового процессорного модуля имеется также коммуникационный субмодуль, в котором установлен Ethernet порт для подключения базового процессорного модуля в локальную сеть или в глобальную сеть Интернет.The base processor module also includes a communication submodule, which has an Ethernet port for connecting the base processor module to a local network or the global Internet.

Описание устройства в действииDescription of the device in action

Для обеспечения работоспособности ПЛК, при его пусконаладке, в него осуществляется загрузка управляющего алгоритма при помощи подключаемого к нему внешнего компьютера, на котором установлено специальное загрузочное ПО. Загрузка управляющего алгоритма в процессорный модуль при наличии процессорного субмодуля осуществляется через Ethernet или USB порты процессорного субмодуля.To ensure the operability of the PLC, during its commissioning, the control algorithm is loaded into it using an external computer connected to it, on which special boot software is installed. The loading of the control algorithm into the processor module in the presence of the processor submodule is carried out via the Ethernet or USB ports of the processor submodule.

В отсутствие процессорного субмодуля, загрузка алгоритма в базовый процессорный модуль осуществляется через специальный загрузочный кабель, подключаемый к внешнему компьютеру и к коммутирующему разъему процессорного модуля 5 через шину для передачи данных 13. Также, загрузка алгоритма в базовый процессорный модуль может осуществляться через субмодуль Ethernet-порта, установленный на базовый процессорный модуль.In the absence of a processor submodule, the algorithm is loaded into the base processor module through a special download cable connected to an external computer and to the switching connector of the processor module 5 via the data bus 13. Also, the algorithm is loaded into the base processor module through the submodule of the Ethernet port installed on the core processor module.

В процессе загрузки управляющего алгоритма задается модуль, который будет выполнять роль Master-устройства: базовый процессорный модуль или процессорный субмодуль. Выбранному устройству присваивается статус Master-устройства, который сохраняется после перехода в рабочий режим.During the loading of the control algorithm, a module is specified that will act as a Master device: a basic processor module or a processor submodule. The selected device is assigned the status of the Master device, which is retained after switching to the operating mode.

При включении ПЛК Master-устройство, на котором осуществляется исполнение алгоритма, через сервисную шину обращается к Slave-устройствам, идентифицирует их, в т.ч. имеющиеся в устройстве функциональные блоки 11 и присваивает им уникальные адреса на время рабочей сессии (до следующей перезагрузки системы).When the PLC is turned on, the Master device, on which the algorithm is executed, accesses the Slave devices via the service bus, identifies them, incl. functional blocks 11 present in the device and assigns unique addresses to them for the duration of the working session (until the next system reboot).

Реализация главной функции ПЛК по осуществлению автоматизированного управления объектом осуществляется посредством периодической оценки контролируемых параметров управляемого объекта (получение обратной связи от автоматизированного объекта), в соответствии с управляющим алгоритмом, и выработки управляющих сигналов для исполнительных устройств, которые должны привестиThe implementation of the main function of the PLC for the implementation of automated control of the object is carried out by periodically evaluating the controlled parameters of the controlled object (receiving feedback from the automated object), in accordance with the control algorithm, and generating control signals for actuators, which should lead

- 5 042500 управляемый объект в заданное состояние и/или объект должен выполнить заданное действие (анализ ситуации и осуществление управляющего воздействия на автоматизированный объект).- 5 042500 the managed object is in a given state and/or the object must perform a given action (analysis of the situation and implementation of a control action on the automated object).

Оценку контролируемых параметров управляемого объекта Master-устройство осуществляет в три этапа: первый этап отправка запроса на считывание данных, получение данных и обработка полученных данных.The master device evaluates the controlled parameters of the managed object in three stages: the first stage is sending a request for reading data, receiving data, and processing the received data.

Оценка состояния автоматизированного объекта осуществляется посредством отправления запросов на предоставление данных, последующего получения данных о состоянии контролируемых входов объекта путем детерминации сигналов, поступающих на аналоговые и/или дискретные входы контроллера (базового процессорного блока или модулей расширения, см. фиг. 3) и/или через последовательный интерфейс CAN/RS485 (см. поз. 16) и их анализа, в соответствии с алгоритмом.Assessment of the state of an automated object is carried out by sending requests for the provision of data, then obtaining data on the state of the controlled inputs of the object by determining the signals received at the analog and / or discrete inputs of the controller (the main processor unit or expansion modules, see Fig. 3) and / or via the CAN/RS485 serial interface (see pos. 16) and their analysis, in accordance with the algorithm.

Отправка запроса на сбор данных осуществляется через шину данных 13 и/или через шину управления внешними сетевыми устройствами 16. По шине данных 13 Master-устройство обращается к Slave-устройствам по адресам, назначенным через сервисную шину при старте системы.Sending a request for data collection is carried out through the data bus 13 and / or through the control bus of external network devices 16. On the data bus 13, the Master device accesses the Slave devices at the addresses assigned via the service bus at system startup.

Slave-устройство, после получения запроса на предоставление данных, производит считывание данных о состоянии интересующего входа и передает их Master-устройству по той же шине передачи данных 13.The slave device, after receiving a request to provide data, reads the data on the state of the input of interest and transmits them to the Master device via the same data transfer bus 13.

Также отправка запроса на сбор данных осуществляется, в соответствии с используемым протоколом, через шину управления внешними сетевыми устройствами 16. По ней же, в соответствии с тем же протоколом, данные принимаются. Опрос состояния контролируемых параметров внешних сетевых устройств 17 осуществляется по протоколу передачи данных, заданному управляющим алгоритмом и функционирующем на базе интерфейса CAN/RS485: CAN, Modbus, ProfiBus DP, LanDrive и др.Also, sending a request for data collection is carried out, in accordance with the protocol used, via the control bus for external network devices 16. According to it, in accordance with the same protocol, data is received. The status of the controlled parameters of external network devices 17 is polled according to the data transfer protocol specified by the control algorithm and operating on the basis of the CAN / RS485 interface: CAN, Modbus, ProfiBus DP, LanDrive, etc.

Полученные данные Master-устройство обрабатывает в соответствии с алгоритмом и, в зависимости от ситуации, вырабатывает управляющие команды для выполнения корректирующих действий автоматизированного объекта и/или сохраняет результаты обработки, и/или передает полученные данные на верхний уровень, и/или отображает полученные данные посредством имеющегося в конфигурации человеко-машинного интерфейса (световых индикаторов, дисплея, звукового сигнала).The Master device processes the received data in accordance with the algorithm and, depending on the situation, generates control commands to perform corrective actions of the automated object and / or saves the processing results, and / or transfers the received data to the upper level, and / or displays the received data through available in the configuration of the human-machine interface (light indicators, display, sound signal).

Формировании корректирующих действий автоматизированного объекта осуществляется посредством подачи команд Slave-устройствам и их функциональным блокам на выработку выходных сигналов (дискретных, аналоговых или включение силовых токов/напряжений) для подключенных к ПЛК исполнительных устройств автоматизированного объекта управления. Команды Slave-устройствам подаются через шину передачи данных 13.The formation of corrective actions of the automated object is carried out by sending commands to Slave devices and their functional blocks to generate output signals (discrete, analog or switching on power currents / voltages) for the actuators of the automated control object connected to the PLC. Commands to slave devices are given through the data bus 13.

Также формирование корректирующих действий автоматизированного объекта осуществляется посредством подачи Master-устройством команд внешним сетевым устройствам 17 через шину управления внешними сетевыми устройствами 16.Also, the formation of corrective actions of an automated object is carried out by sending commands to external network devices 17 by the Master device through the control bus of external network devices 16.

Взаимодействие оператора при настройке изменяемых контролируемых показателей, а также по визуальному считыванию информации, осуществляется посредством воздействия на органы управления (кнопки управления, энкондер) и получение обратной связи через графический дисплей. Критическая информация о состоянии контроллера и автоматизированного объекта выводится на световые индикаторы.The interaction of the operator when setting up variable controlled indicators, as well as visual reading of information, is carried out by acting on the controls (control buttons, encoder) and receiving feedback through a graphic display. Critical information about the state of the controller and the automated object is displayed on the light indicators.

В случае, когда, значение, по крайней мере одного, критического показателя, контролируемого базовым процессорным модулем и/или модулем расширения, достигнет порогового значения, соответствующий модуль вырабатывает тревожный сигнал и передает его Master-устройству по специальной линии для передачи тревожных сигналов 14. Master-устройство, получив тревожный сигнал, в соответствии с приоритетом, заданным алгоритмом, опрашивает Slave-устройства, точно диагностирует ситуацию и выполняет действия, заданные алгоритмом (передает сигнал в SCADA-систему, останавливает оборудование и т.д.).In the event that the value of at least one critical indicator controlled by the base processor module and/or expansion module reaches a threshold value, the corresponding module generates an alarm signal and transmits it to the Master device via a special line for transmitting alarm signals 14. Master - the device, having received an alarm signal, in accordance with the priority set by the algorithm, interrogates the Slave devices, accurately diagnoses the situation and performs the actions specified by the algorithm (sends a signal to the SCADA system, stops the equipment, etc.).

При возникновении сбоя в отдельном Slave-устройстве, когда устройство перестает откликаться на запросы Master-устройства, Master-устройство передает через шину передачи данных для подключенных Slave-устройств команду на игнорирование последующей передачи сигнала сброса устройства по выделенной сигнальной линии 15. Получив команду-предупреждение Slave-устройства, в соответствии со своим внутренним алгоритмом, игнорируют последующую команду сброса устройства, получаемую по выделенной сигнальной линии 15. Slave-устройство, которое находилось в состоянии сбоя и не было способно принять команду об игнорировании команды сброса, перезапускается. После перезапуска сбойного устройства производится повторное присвоение ему адреса через сервисную шину 12. Slaveустройство возвращается в работоспособное состояние.If a failure occurs in a separate Slave device, when the device stops responding to requests from the Master device, the Master device sends a command via the data transfer bus for the connected Slave devices to ignore the subsequent transmission of the device reset signal over a dedicated signal line 15. Having received a warning command The slave devices, in accordance with their internal algorithm, ignore the subsequent device reset command received on the dedicated signal line 15. The slave device, which was in a failed state and was not able to receive the command to ignore the reset command, restarts. After the failed device is restarted, the address is reassigned to it via the service bus 12. The slave device returns to a working state.

Claims (2)

1. Программируемый логический контроллер, включающий подключенный по общей шине данных процессорный модуль, подключенный в режиме Master, с возможностью подключения к нему и к общей шине данных по меньшей мере одного модуля расширения, отличающийся тем, что процессорный модуль содержит в своей конструкции вычислительное устройство с низкой вычислительной мощностью, шинный разъем для подключения к процессорному модулю по внутренней шине процессорного субмо1. A programmable logic controller, including a processor module connected via a common data bus, connected in Master mode, with the ability to connect to it and to a common data bus at least one expansion module, characterized in that the processor module contains in its design a computing device with low computing power, bus connector for connection to the processor module via the internal bus of the processor submodule - 6 042500 дуля, выполненного в отдельном корпусе, содержащего в своей конструкции вычислительное устройство с высокой вычислительной мощностью, процессорный модуль, в отсутствии подключенного к нему процессорного субмодуля, находится в режиме Master и осуществляет взаимодействие с подключенными к нему в режиме Slave модулями расширения, процессорный модуль с подключенным к нему процессорным субмодулем находится в режиме Slave и управляется процессорным субмодулем, который находится в режиме Master.- 6 042500 module, made in a separate housing, containing in its design a computing device with high computing power, the processor module, in the absence of a processor submodule connected to it, is in the Master mode and interacts with expansion modules connected to it in the Slave mode, the processor the module with the processor submodule connected to it is in the slave mode and is controlled by the processor submodule, which is in the master mode. 2. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что процессорный субмодуль размещен непосредственно на процессорном модуле с подключением к внутренней шине данных процессорного модуля через разъем или на носителе, удаленном от процессорного модуля, с подключением к внутренней шине данных процессорного модуля через шлейф или кабель.2. The programmable logic controller according to claim 1, characterized in that the processor submodule is placed directly on the processor module with connection to the internal data bus of the processor module via a connector or on a carrier remote from the processor module, connected to the internal data bus of the processor module via a loop or cable.