CN100541364C

CN100541364C - 基于现场总线通信的可编程逻辑控制方法

Info

Publication number: CN100541364C
Application number: CNB2008101063939A
Authority: CN
Inventors: 何振同; 刘刚; 焦邵华; 陈莉; 王海燕; 朱磊
Original assignee: BEIJING SIFANG BONENG AUTOMATION EQUIPMENT Co Ltd; Sifang Electric (Group) Co Ltd
Current assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd; Beijing Sifang Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2028-05-13
Also published as: CN101266475A

Abstract

本发明涉及电厂分布式电气控制系统中基于现场总线通信的可编程逻辑控制系统，公开了该控制系统以下核心环节的实现方法，包括：I/O驱动的实现方式：通过I/O驱动的引入，便于逻辑控制器对多种数据源的并发访问，同时增强了逻辑数据访问的开放性和灵活性；PLE功能块的扫描算法：自动生成功能块的扫描算法，无需人工设置，适用于树形网络和环形网络；结合了电厂电气控制的特点，设计了基于电气控制系统的逻辑功能块；基于I/O点号的逻辑组态方式克服了传统逻辑组态的局限性，整个组态过程更加直观、可读，数据全局共享和品质参与运算更方便。采用这些方法，可以有效的提高系统的灵活性和易用性。

Description

基于现场总线通信的可编程逻辑控制方法

技术领域

本发明涉及工业控制领域，更具体地涉及发电厂厂用电逻辑的实现方法。

背景技术

在很多工业控制领域中，可编程逻辑控制器(PLC)的I/O数据都是基于硬接线来完成的，即数据采集和控制命令都是通过单独敷设的电缆和就地I/O控制单元相联接，其带来的问题是：敷设的电缆多、造价高，工程实施强度大。

随着工业控制总线技术的日臻成熟，已经逐渐应用到工业控制领域。基于现场总线、工业以太网等通讯技术的可编程逻辑控制器能够节省大量的硬接线、变送器等其他硬件设备，显著降低工程造价。例如，在发电厂厂用电系统中，就地智能设备完成I/O数据采样，通过工业总线或以太网和逻辑控制器互联，已经实现了就地I/O数据的采集和电气逻辑的控制输出。

总线技术的引入，使得逻辑控制系统的许多设计环节的改良带来了新的契机。为此，我们进行了改进，研发了电厂电气控制系统。

发明内容

由于工业控制总线通讯技术的出现，使得逻辑控制器需访问的I/O数据源更加丰富、广泛。传统模式的逻辑数据的接入、数据处理已难以满足实际的工程需要，广大用户和工程人员的维护负担越来越重，维护费用也越来越高。

本发明中，针对逻辑控制器对实时数据的接入方式和逻辑组态过程进行了技术革新，旨在提高系统的灵活性，降低工程人员的工作强度和维护费用。

本发明公开了一种基于现场总线通信的可编程逻辑控制方法，在发电厂厂用电系统中，就地控制单元完成I/O数据采样，所述就地控制单元通过现场总线与逻辑控制器通信，实现就地I/O数据的采集和电气逻辑的控制输出，其特征为：

在逻辑组态图形工具PLE中，采用功能块语言编写控制程序，实现逻辑算法；

经编译、下装后，逻辑算法作为独立任务在逻辑控制器程序dpu中运行；

就地设备单元采集的数据通过总线传输到逻辑控制器DPU，由实时库服务将采集数据存储到实时库中；

通过I/O驱动程序读取实时库数据作为逻辑输入，逻辑控制器的运算结果通过I/O驱动程序由总线下发至就地控制单元，驱动其输出。

发明内容包括：

●I/O驱动(I/O driver)

I/O驱动的引入，使得逻辑控制器对多种数据源的并发访问更加简便易行，容易扩展。其实现机制不依赖于任何固定的通讯方式、通讯协议。工程人员在逻辑组态过程中只须指定逻辑数据区(输入区、输出区)中各区域所关联的I/O驱动即可；I/O驱动的实现方式，开发人员可灵活扩展。

●PLE功能块扫描顺序算法

Ple为工程人员提供了图形化的逻辑组态方式，工程人员只须通过添加功能块、联线、填写任务参数就能准确描述逻辑处理算法。PLE中能够根据功能块的拓扑关系和引脚连接的数据属性，自动推导逻辑算法的执行路径，生成功能块的扫描顺序，无需人工干预；

●基于电气控制系统的逻辑功能块库

结合电厂电气量控制的特点，经归纳和抽象，设计了多种基于电气控制的逻辑功能块：如步序逻辑、数据转发、控制权切换、即时报警、实时曲线、故障录波、故障反演、上网块、下网块等。设计过程中，兼顾了功能块的规范性、粒度和效率，每个功能块算法都确保稳定、高效；工程人员只需专注于控制应用的实现，而无限考虑更多内部实现细节。

●基于IO点号(数据id)的逻辑组态

克服了传统的逻辑控制器采用物理地址实现数据寻址的局限性，采用基于IO点号的方式寻址，其优点是：逻辑组态更加直观、可读，I/O数据的品质状态参与逻辑运算变得不再困难，便于逻辑运算和HMI的数据共享。

通过对I/O驱动、功能块自动扫描算法、基于电气控制系统的逻辑功能块库和基于I/O点号的逻辑组态等环节的革新，使得逻辑控制器对多样数据源的访问变得简单、灵活、容易扩展且不依赖于任何特定的通讯模式或通讯规约；逻辑组态的过程更加轻松、直观；有效的提高了系统的灵活性，降低了维护强度。

附图说明：

图1为本发明控制系统逻辑结构示意图；

图2为在dpu程序内部开辟的专用逻辑数据区示意图；

图3为在ple逻辑组态过程中对各输入区和输出区进行区域分组，指定各组内存区关联的I/O驱动的示意图；

图4为一个逻辑任务在周期运行过程中，执行I/O驱动的时序图；

图5为功能块树状扫描算法的示意图；(图中，各功能块下方的数字标明了功能块的执行顺序编号)

图6为功能块环状扫描算法的示意图；(图中，各功能块下方的数字标明了功能块的执行顺序编号)

图7为功能块扫描算法的流程图；

图8为基于I/O点号的逻辑组态，数据流动示意图。

具体实施方式

以下根据说明书附图，并通过具体实施方式对本发明的技术方案进一步详细阐述。

本发明的技术方案如下：基于现场总线通信的可编程逻辑控制方法，就地控制单元通过现场总线与DPU(逻辑控制器)通信，实现就地I/O数据的采集和电气逻辑的控制输出，其特征为：

经编译(自动生产扫描顺序)、下装后，逻辑算法作为独立任务在逻辑控制器程序dpu中运行；

就地设备单元采集的数据通过总线传输到DPU，由实时库服务将采集数据存储到实时库中；

I/O驱动程序采用基于I/O点号的方式在实时库中寻址

1、I/O驱动机制(I/O driver)

A、传统方式的缺点与不足：

在传统方式中，逻辑控制器对I/O数据的访问通常采用事先约定的方式进行，依赖于固定的通讯方式和通讯协议，甚至实时数据在控制器中的存储地址都要事先规划好；缺乏灵活性，不利于多数据源数据的接入，系统的维护成本很高。

B、引入I/O驱动的目的

由于工业控制总线等通讯技术的出现，使得逻辑控制器需访问的I/O数据源更加丰富、广泛。以输入数据为例，常见的数据源有：

●来源于I/O端口(控制器直接联结外围设备)；

●来源于逻辑控制器内部的实时库(通过控制总线采集现场就地智能设备，实时数据写入实时库，同时，实时库也接收主站HMI发来的参数命令；实时库中的数据既用于逻辑运算，也用于主站HMI中的画面监控)；

●来源于其他逻辑控制器，用于逻辑控制器间的互锁或同步；常通过工业实时以太网实现；

●来源于共享内存，用于实现控制器内其他程序对逻辑任务的操控；

而对于逻辑任务的输出，也存在类似的情况。

I/O驱动的引入，使得逻辑控制器对多种数据源的并行访问变得简单、灵活而且极易扩展。I/O驱动的实现不依赖于任何特定的通讯模式或通讯规约，各种各样的I/O数据源均可灵活接入。

C、实现机制

在dpu程序内部开辟了专用的逻辑数据区：输入区(input area)和输出区(output area)，如图2所示；输入区存储逻辑任务的输入数据，输出区存储逻辑任务的输出结果。一个逻辑任务在执行过程中，仅从输入区读取输入数据，运行后，将输出结果写入到输出区。

在PLE逻辑组态过程中，允许对各输入区和输出区进行区域划分，指定各区域(内存区)关联的I/O驱动。

在每个任务周期中，逻辑任务执行前，通过执行各区域关联的I/O驱动的read()函数实现该区域数据的刷新；执行结束后，执行结果写入到输出区中，并执行相应输出区域关联的I/O驱动的write()，实现计算结果的物理输出。

以一个周期执行的逻辑任务为例(如图4中所示)，在每周期执行时，要经过3个步骤：

●读取输入，即刷新输入区；(触发驱动read())

●运行任务体；

●输出计算结果，即刷新输出区；(触发驱动write())

逻辑任务的数据采用怎样的方式实现数据输入和结果输出，完全由数据所关联的驱动定义。

D、数据结构：

I/O驱动的定义与安装：

struct IOdrv

{

char drvname[12]；//驱动名称

U_int(＊drvopen)()；//函数指针：open function

U_int(＊drvclose)()；//函数指针：close function

U_int(＊drvread)()；//函数指针：read function

U_int(＊drvwrite)()；//函数指针：write function

}

安装io驱动：

U_int iodrv_install(IODrv＊iodrv)；

函数指针drvread的函数原型：

U_int io_read(PlcIODef＊in)

{

...

return(0)；//成功时，返回0；失败为非0

}

函数指针drvwrite()的函数原型：

U_int io_write(PlcIODef＊out)

{

...

return(0)；//成功时，返回0；失败为非0

}

struct IODef

{

U_long descId；//分组描述符

U_long size；//数据区长度

void＊data；//数据区起始地址

U_int userPar1；//IO驱动参数

U_int userPar2；

U_int userPar3；

U_int userPar4；

TIOdrv＊pDriver；//指针，关联的IO驱动

}；

输入区、输出区中的每个区域分区都使用IOdef描述，其中的pDriver标明了该区域所关联的I/O驱动。区域和I/O驱动的关联过程在PLE中通过界面指定。

2、功能块扫描顺序算法

传统的处理方法是由人工指定各功能块的执行顺序，或由程序半自动产生(即仅适应某种特定的网络结构)，不仅繁琐，而且极易出错，且不易查找。

在逻辑组态工具PLE中，自动生产功能块的扫描顺序，无需人工干预。确定功能块的扫描顺序是PLE编译时重要的一环。采用功能块完成逻辑算法的设计后，需要经过编译，确定图中功能块的扫描顺序。

A、问题描述：

扫描算法需要考虑两种情况：

(1)简单网络，各连通区域为树(tree)，如图5所示：

只有and1，and2执行结束后，才能执行Or1；所以对于树型网络重要的是，分辨出连通域中的上游块和下游块。

(2)反馈网络，各连通域中存在环(一个块的输出脚回流至本网络中的一个输入脚)，为图(graph)，如图6所示：

对于环形网络重要的是，需要确定先执行and3，还是先执行and4；即：如何分辨出出环，环的切入点在哪里？

B、算法描述：

在逻辑组态工具PLE中，维护着功能块链表blocklist，添加的每个功能块block都会添加到该链表中；此外还有有个扫描顺序链表：scanlist，该链表中的排列顺序决定了block的扫描顺序。

一个block的引脚关联包括两种情况：

●和实点关联，即和实际的I/O点关联；

●和虚点关联，即和其他功能块block的引脚通过联线连结，此时引脚关联的是中间结果；

每个block都有一个扫描标志，表示该block是否已被扫描(FB_block如小于0，表示该块未扫描；大于0，表示该块的扫描顺序)。

block的每个引脚都配有一个渗透标志(isCreep：置为1时，表示该引脚可渗透；为0时，表示该引脚未渗透)。如果一个block的所有输入脚的渗透标志都是1，则意味着该block可计算。

B.1树形网络的扫描算法：

【step1】初始化：如果一个block的引脚和实点关联，则设置该引脚可扫描(扫描标志置1)；

【step2】遍历blocklist；

逐个检查block，其所有输入引脚都可扫描吗？

【2.1】no，扫描下一个block

【2.2】yes，置这个block可扫描，即将该block放入scanlist中；同时将与该block输出引脚相联的所有输入引脚(相联的block)都置为可渗透；

【step3】重复step2，直至所有block都已扫描完成。

B.2环形网络的扫描算法：

环形算法考虑的环节有：

1、网络中有哪些环路？

2、如何选择环路的断点？即对于组成环路的block，从哪个block开始扫描？

如果step3陷入了死循环，即有些block始终无法扫描，则意味着网络中存在环路：

【step4】遍历step3中剩余的block，逐个进行寻径处理：

从一个block开始进行回溯(深度优先搜索)，能再次回到起点吗？

【step4.1】no，遍历下一个block；

【step4.2】yes，说明找到了一条环路，记下这条环路；

从这条环路中，选出左上角的block作为断点，即置该block可扫描，并置该block相应的输入脚为可渗透，转至【step2】重新生成扫描顺序。

【step5】重复step4，直至所有block都已扫描完成。

在实际的网络中，常常是树形网络和环形网络的混合体，甚至出现环形嵌套的情况。下面给出完整算法的流程图(如图7所示)：

【step1】初始化：

a、设置blocklist中的所有block扫描标志为false；即所有block都还未确定扫描顺序；

b、设置每个block各引脚的渗透标志：如果引脚和实点关联，则设置该引脚可渗透(渗透标志置1)，否则置0；

【step2】遍历blocklist；

逐个检查block，其所有输入引脚都可渗透吗？

【2.1】no，遍历下一个block

【2.2】yes，置这个block可扫描，即将该block放入scanlist中；同时将与该block输出引脚相联的所有输入引脚(与该block相联的后继块)都置为可渗透；

【step3】重复step2

存在两种情况：

[3.1]直至所有block都已扫描完成，即所有block获得了扫描顺序，算法结束；(树状网络)

[3.2]blocklist中仍有剩余的block，但step2中无法再选出新的block补充到scanlist中；这就意味着网络中存在环路，转入step4

【step4】遍历blocklist中的未扫描的block，逐个进行寻径处理：

【step4.1】no，遍历下一个block；

【step4.2】yes，说明找到了一条环路，记下这条环路；

【step5】重复step4，直至所有block都已扫描完成。

3.基于电气控制系统的逻辑功能块库

在保留逻辑运算、时间过程等传统功能的基础上，结合了电厂电气量控制的特点，设计了基于多种电气控制应用的功能块：

如步序逻辑、数据转发、控制权切换、即时报警、实时曲线、故障录波、故障反演、上网块、下网块及在多种操控情景下的手操器

●逻辑摇控LDO：

当收到和输入控点匹配的遥控命令时，输出置1；

功能块名称	输入描述	输出描述	参数描述
功能块名称	输入描述	输出描述	参数描述	逻辑遥控	Int DO1；DO点的id32	BOOL state	int opetype：0：分1：合int mode：0：保持1：跳变float delay；单位秒

●上下网点：

在电厂电气控制中，有时由于电气工艺的限制，一个dpu的点表中并不能包含所有用于逻辑控制的I/O点，此时就需要访问其它DPU的I/O点

netAI：读取一个上网点模拟量输入AI

netAO：输出到一个上网点模拟量输出AO

netDI：读取一个上网点数字量输入DI

netDO：输出到一个上网点数字量输出DO

●数据转发TRANSF：

把一个DPU的一些I/O点或逻辑运算的中间结果转发到其它系统中，例如集散控制系统DCS、厂级信息系统SIS；TRANSF可根据逻辑算法动态指定I/O点或过程点，灵活指定转发路径、可动态起停；运行过程中周期性把当前值发送到指定路径

实时曲线curve

把DPU的一些I/O点或逻辑运算的中间结果发送到逻辑组态工具PLE，在PLE中实时显示曲线变化，便于操作员监视逻辑的运行状况。

Curve可根据逻辑算法动态指定I/O点或过程点，可动态起停；运行过程中跟踪数据变化，把当前值发送到PLE

●控制权切换ARB

在电厂电气控制中，主站HMI画面和DCS系统均可下发对就地I/O设备的操控命令(AO、DO)；为保证操作安全，规定每时段仅允许一方拥有控制权。

ARB用于裁定哪一方获得操控命令的控制权。ARB动态监视两路DI输入(分别代表HMI画面和DCS系统)，先触发上升沿的将获得控制权，获得控制权期间该路DI必须保持为1，触发下降沿后，释放控制权；在一路获得控制权期间，另一路无论如何跳变，均不能获得控制权。

●故障录波wave

Wave跟踪DI0是否发生跳变，跳变后自动将DI2，AI0在跳变前后的数个数据值写入录波文件中；wave可动态指定触发量、触发模式、跟踪量。

Wave中内部指定录波文件由DI0点号和当前日前组成。

●检测同期sync

Sync用于检测两路电源的电压、频率、角度是否基本吻合，从而决定两路电源是否可以并投。

●即时报警alarm

当en产生上升沿触发时，alarm发送报警信息，信息包括：事件类型、事件编码，valarray数组中指定相关参数的数值。报警信息立即显示在HMI画面中。

4.基于I/O点号的逻辑组态

A、传统模式的局限性：

传统的逻辑控制器采用物理地址实现对数据的寻址，其带来的局限性有：

●共享不方便

需要创建和维护两套相互独立的数据区(或叫数据库)：一套用于逻辑控制器，另一套用于HMI。为了使得这两套数据保持同步，要时常进行导入/导出等类似处理。

●IO点的品质状态不好处理

通常的做法是：i/o点的实时值对应一个物理地址，i/o的品质数据对应另一个物理地址；开放人员必须对i/o点的品质数据仔细的规划物理地址，同时，应用算法人员必须明白实时值和品质值的对应关系。

B、PLE的改进方式：

PLE克服了传统PLC寻址模式的局限性，采用基于I/O点号的方式寻址。

I/o点号由逻辑控制器中的实时库统一编排，全局唯一。Ple中对引脚进行逻辑组态时，仅需指明该引脚关联的id号，无需考虑其存储的物理地址。由于逻辑任务和HMI都采用i/o点号作为数据的唯一标识，因而方便地实现了数据共享，完全不存在传统模式中的数据同步处理。

逻辑任务的输入区采用struct方式存储：

Struct TDataItem

{

Unsigned Int id；//id号

Union{

Float fval；//ai，pi值

Int ival；//di值

}val；

Byte virtue；//品质描述

}

逻辑控制器中的实时库服务负责实时库中实时数据的刷新，并动态监视和刷新各io点的品质。在逻辑任务运行过程中，通过io驱动，刷新输入区中各io点的实时值和品质值。

Ple对引脚进行数据组态时，仅需指明该引脚关联的id号，无需考虑该io点数值和品质值存储的物理地址，品质值对逻辑任务的影响由功能块的选项(option)决定。改进方式的优点是：

●逻辑组态更容易，数据更加直观、可读；

●便于数据的定位、检索；

●IO数据的品质状态参与逻辑运算很方便；

●便于逻辑运算和HMI的数据共享。

Claims

1、一种基于现场总线通信的可编程逻辑控制方法，在发电厂厂用电系统中，就地控制单元完成I/O数据采样，就地控制单元通过现场总线与逻辑控制器通信，实现就地I/O数据的采集和电气逻辑的控制输出，其特征为：

2、根据权利要求1所述的可编程逻辑控制方法，其特征为，通过I/O驱动程序实现逻辑控制器对多种数据源的并发访问：I/O驱动程序在逻辑控制器程序dpu内部开辟专用的逻辑数据区：输入区input area和输出区output area，在逻辑组态图形工具PLE中，允许对各输入区和输出区进行区域分组，指定各组内存区关联的I/O驱动。

3、根据权利要求1所述的可编程逻辑控制方法，其特征为，数据源包括：来源于I/O端口的数据、来源于逻辑控制器内部的实时库的数据、来源于其他逻辑控制器的数据和共享内存的数据。

4、根据权利要求2所述的可编程逻辑控制方法，其特征为，通过功能块扫描顺序算法自动生成功能块的扫描顺序，该算法适用于树形网络、环形网络以及树形网络和环形网络的混合体。

5、根据权利要求3所述的可编程逻辑控制方法，其特征为，根据用户的需求，结合电厂电气量控制的特点，设计了多种基于电气控制系统的逻辑功能块，所述逻辑功能块包括：步序逻辑、数据转发、控制权切换、即时报警、实时曲线、故障录波、故障反演、上网块、下网块。

6、根据权利要求4所述的可编程逻辑控制方法，其特征为，在逻辑组态图形工具PLE中，采用基于I/O点号的方式寻址，所述I/O点号由逻辑控制器中的实时库统一编排，全局唯一，在逻辑组态图形工具PLE中对I/O引脚进行逻辑组态时，仅需指明该引脚关联的I/O点号，无需考虑其存储的物理地址，逻辑任务和主站HMI都采用I/O点号作为数据的唯一标识，方便地实现了数据共享。