CN102591247A - 基于电力载波的可寻址的继电器和开关的plc控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统，包括PLC控制器和网络控制器，网络控制器还包括主站通讯协议栈和从站管理器和主站隔离变压器，开关状态接口和开关控制接口均与主站通讯协议栈和从站管理器连接，主站通讯协议栈和从站管理器与主站隔离变压器连接；PLC控制系统还包括可寻址的继电器和开关，从站隔离变压器与主站隔离变压器通过电力载波网络连接，从站隔离变压器与从站网络协议栈连接，从站网络协议栈通过第一光电隔离器开关输入电路连接，并通过第二光电隔离器与与驱动电路连接，开关输入电路与开关反馈电路连接，驱动电路与继电器连接，继电器为负载的控制开关。本发明施工方便、便于维护、降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及分布式控制系统，尤其是一种分布式PLC控制系统。
背景技术
使用PLC控制多个开关设备、检测多个开关状态的应用系统很常见，如电气控制柜、自动化生产线上的开关控制和检测等。若用一个(m+n)点PLC，控制m个开关设备，并检测n个开关状态，一般来说需要(2m+2n)根信号线以及供电传输线。当开关设备和被检测的开关在生产线分布较分散，且m和n都比较大时，布局这些线束不仅施工复杂，而且不易维护。
使用控制网络技术可以组建分布式控制和检测系统，能有效地减少电气线路的线束，如ProfiBus、ASi、Hart、Device Net和CAN等网络，已经广泛地应用于各种控制领域。然而，ProfiBus和ASi等网络技术需要付费，Device Net和CAN等网络的数据延迟存在不确定性，Hart网络采用特殊调制解调技术，成本较高。此外，使用这些网络时需要专用的通讯接口电路和协议栈，并搭配应用处理器，不仅增加成本，还使得网络节点电路和软件更复杂。
发明内容
为了克服已有现有的分布式控制系统的施工复杂、不易维护、成本较高的不足，本发明提供一种施工方便、便于维护、降低成本的基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统，包括PLC控制器和网络控制器，所述PLC控制器包括开关信号输入端和开关控制输出端，所述网络控制器包括开关状态接口和开关控制接口，所述开关状态接口与所述开关信号输入端连接，所述开关控制接口与所述开关控制输出端连接，所述网络控制器还包括主站通讯协议栈和从站管理器和主站隔离变压器，所述开关状态接口和开关控制接口均与所述主站通讯协议栈和从站管理器连接，所述主站通讯协议栈和从站管理器与所述主站隔离变压器连接；所述PLC控制系统还包括可寻址的继电器和开关，所述可寻址的继电器和开关包括开关输入电路、驱动电路、从站通讯协议栈和从站隔离变压器，所述从站隔离变压器与所述主站隔离变压器通过电力载波网络连接，所述从站隔离变压器与所述从站网络协议栈连接，所述从站网络协议栈通过第一光电隔离器开关输入电路连接，并通过第二光电隔离器与与驱动电路连接，所述开关输入电路与开关反馈电路连接，所述驱动电路与继电器连接，所述继电器为负载的控制开关。
进一步，所述可寻址的继电器和开关有至少两个，相邻的可寻址的继电器和开关的从网络隔离变压器之间通过电力载波网络连接。
所述从网络隔离变压器与所述主网络隔离变压器之间的通讯方式采用半双工方式，所述网络控制器周期性地轮询所述基于可寻址的继电器和开关。
所述负载和继电器分别与供电传输线连接，所述继电器与负载连接，所述供电传输线与所述从站隔离变压器、所述主站隔离变压器连接。
本发明的有益效果主要表现在：施工方便、便于维护、降低成本。
附图说明
图1是基于电力载波的可寻址的继电器和开关的原理框图。
图2是基于电力载波的网络控制器的原理框图。
图3是基于电力载波的基于可寻址的继电器和开关的PLC控制系统的原理框图。
图4是数据帧格式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统，包括PLC控制器20和网络控制器23，所述PLC控制器20包括开关信号输入端和开关控制输出端，所述网络控制器23包括开关状态接口201和开关控制接口202，所述开关状态接口201与所述开关信号输入端连接，所述开关控制接口202与所述开关控制输出端连接，所述网络控制器20还包括主站通讯协议栈和从站管理器24和主站隔离变压器214，所述开关状态接口201和开关控制接口202均与所述主站通讯协议栈和从站管理器24连接，所述主站通讯协议栈和从站管理器24与所述主站隔离变压器214连接；所述PLC控制系统还包括可寻址的继电器和开关，所述可寻址的继电器和开关包括开关输入电路101、驱动电路102、从站通讯协议栈14和从站隔离变压器111，所述从站隔离变压器111与所述主站隔离变压器214通过电力载波网络连接，所述从站隔离变压器111与与所述从站网络协议栈14连接，所述从站网络协议栈14通过第一从站光电隔离器103与开关输入电路101连接，并通过第二从站光电隔离器104与驱动电路102连接，所述开关输入电路101与开关反馈电路10连接，所述驱动电路102与继电器12连接，所述继电器12为负载11的控制开关。
所述可寻址的继电器和开关有至少两个，相邻的可寻址的继电器和开关的从网络隔离变压器之间通过电力载波网络连接。
所述从网络隔离变压器与所述主网络隔离变压器之间的通讯方式采用半双工方式，所述网络控制器周期性地轮询所述基于可寻址的继电器和开关。所述负载11和继电器12分别与供电传输线15连接，所述继电器12与负载11连接，所述供电传输线15与所述从站隔离变压器111、所述主站隔离变压器214连接。
本实施例所述的可寻址的(干簧或固态)继电器和开关(简称从站)的内部结构和功能单元见图1。
从站(图1)包括电源部分，调制解调部分和执行部分。15为供电传输线，它除了为从站以及从站负载供电外，还为从站传输信息。作为电源直接为负载供电，并且通过变压器为从站弱电部分供电。作为物理信道，还传输载波信号。电力线上的电通过从站隔离变压器111后衰减，保护从站不被高压损坏。衰减后的信号经过高通滤波器后送至电力线载波调制解调器107。109和110为从站的时钟系统，109波特率与主站一致。从站地址配置单元108，分配连接在从站上的继电器的地址。应用层状态机113根据主站送到的命令和数据来执行状态转移。从站看门狗106的作用：只要调制解调器处于上电状态就要给看门狗喂电。第一从站光电隔离器103和第二从站光电隔离器104均采用光耦，用于强弱电的隔离。开关状态反馈电路10通过开关输入电路13后经第一从站光电隔离器103送到从站。应用层状态机113的状态改变通过输出控制单元105作用到光耦。
当主站发送载波信号后，载波信号通过从站隔离变压器111后，首先经过滤波电路去除低频，然后经过从站电力线载波调制解调器107解调后送到应用层状态机113，送过来的信号是个数据帧，根据原先制定好的协议提取地址位，如果地址位不对则放弃该数据帧，如果地址位是自己从站的地址的话再提取信息位和校验位。如果校验正确则提取信息，如果错误则放弃该数据帧。主站发送的数据帧地址与自身相符且校验通过，则提取信息，APP层状态机根据用用信息执行状态转移，输出控制单元105接受到状态变化后改变其输出，从而实现继电器的控制，同时发送一个应答帧给主站。
所述的网络控制器(主站)的内部结构和功能单元见图2。
主站(图2)的部分结构与从站类似，25是供电传输线，通过供电电源215为主站供电，并且通过主站隔离变压器214为主站传输信号。211和213是时钟电路，211波特率和从站一致。电网上的信号经过主站隔离变压器214后的首先经过滤波电路去除低频，然后送至主站电力线载波调制解调器212中，此部分与从站一致。主站电力线载波调制解调器212解调信号后把数字信号送到主站APP层状态机和从站管理器210和从站管理器。从站配置表209为FROM，存放的是从站配置表内容，它为主站APP层状态机和从站管理器210和映射207提供从站的配置信息。映射状态机207读取从站配置表209的从站配置内容，刷新自身状态，改变开关状态映射寄存器区204和开关控制映射寄存器区205寄存器对于开关关系的映射关系。(22)为编程器，它通过从站配置接口203与从站配置表209连接。
写入数据到从站配置表209(FROM)。(20)是主PLC，它的开关状态作用于开关控制接口202后改变开关状态映射寄存器区204和开关控制映射寄存器区20寄存器里面的内容，并且通过开关状态接口201来读取开关状态映射寄存器的内容。
PLC端口状态的改变会引起开关控制接口202寄存器对应数据的改变，主站在下一个周期的时候会读取开关控制接口202寄存器的数据。主站APP层状态机和从站管理器210根据数据生成对应的数据帧送到主站电力线载波调制解调器212调制解调器中，主站电力线载波调制解调器212将数据调制成载波信号后通过隔离变压器加载到电力线上，然后等待从站的应答数据帧。在得到一个从站的应答后继续编写下一条数据帧发送到电力线上。这样周而复始的运行。
网络通讯协议：协议栈包括有物理层、数据链路层和应用层。物理层完成数据的调制解调及传输，应用层是功能层，完成状态查询和动作。数据链路层传输数据帧，数据帧由报文头、地址、命令、数据、校验、结束组成。
(1)通讯方式： 半双工，主站周期性地轮询从站。
(2)数据帧格式如图4所示；
1)8位数据帧报文头，在空闲时有主站给出“高”电平信号，通讯开始时由主站先发送报文头。
2)此21位包含有地址信息，控制命令，数据和校验信息，此处的校验是指查错，不包含改错。为了确保信息的准确无误，当从站查到有错误信息时将放弃该帧，等待主站重发。
因为是采用海明码校验的方式，所以这21个数据中包含有5位的校验数据，分别是B1、B2、B4、B8、B16。
其中，B1代表B3、B5、B7、B9、B11、B13、B1 5、B17、B19、B21这些位中1的奇偶，如果1是奇数者B1取1，如果是偶数者取0。
同理，B2代表B3、B6、B7、B10、B11、B14、B15、B18、B19中1的奇偶。
B4代表B5、B6、B7、B12、B13、B14、B15、B20、B21中1的奇偶。
B8代表B9、B10、B11、B12、B13、B14、B15中1的奇偶。
B16代表B17、B1 8、B19、B20、B21中1的奇偶。
从站在收到数据帧后检查数据是否正确，如果不对者放弃信道控制权(等同于没有回复)，等待主机重新发送数据帧。
地址信息段位于B3、B5、B6、B7、B9、B10、B11、B12。共8位，最多可运行254个从站(主站地址和广播地址占用2个)。
命令信息段位于B13、B14、B15、B17。共8位
4位控制命令，从站或主站根据这个命令进行相应的功能操作，所谓功能操作是指主站查询从站状态或者是控制从站如何执行动作。
(3)波特率和通讯周期、开关控制和状态的刷新周期之间关系。
系统波特率可选(1200/2400/4800/9600)，根据工作环境选择，主站发送1bit给从站所需的时间为t＝1S/波特率，则发送一个数据帧既32bit的时间为T＝32*t，主站发送完一个数据帧需要等待从站一个应答帧，而且发送完数据帧后主站放弃总线控制权到从站掌管控制权需要1ms的时间，同样从站放弃总线控制权到主站掌管总线也需要1ms的时间，所以完成一次主从间的通讯需要的时间为2T+2ms。假设有N个从站，则主站刷新一次从站状态的时间最多为N*(2T+2ms)，既PLC一次开关状态的改变最多需要N*(2T+2)ms的时间。
使用本发明所述的可寻址的(干簧或固态)继电器和开关(从站)与网络控制器(主站)通过电力线组建的分布式系统如图3所示。
每个周期通讯开始前，主站读取开关控制映射寄存器的内容从而更新自身的状态，根据从站配置表生成相应的数据帧发送给从站。在完成对N个从站的更新后把从站的状态数据写入到开关状态映射寄存器中。然后再读取开关控制映射寄存器的内容，重新更新从站的状态。
Claims (4)
1.一种基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统，包括PLC控制器和网络控制器，所述PLC控制器包括开关信号输入端和开关控制输出端，所述网络控制器包括开关状态接口和开关控制接口，所述开关状态接口与所述开关信号输入端连接，所述开关控制接口与所述开关控制输出端连接，其特征在于：所述网络控制器还包括主站通讯协议栈和从站管理器和主站隔离变压器，所述开关状态接口和开关控制接口均与所述主站通讯协议栈和从站管理器连接，所述主站通讯协议栈和主站隔离变压器连接；所述PLC控制系统还包括可寻址的继电器和开关，所述可寻址的继电器和开关包括开关输入电路、驱动电路、从站通讯协议栈和从站隔离变压器，所述从站隔离变压器与所述主站隔离变压器通过电力载波网络连接，所述从站隔离变压器与所述从站网络协议栈连接，所述从站网络协议栈通过第一光电隔离器开关输入电路连接，并通过第二光电隔离器与与驱动电路连接，所述开关输入电路与开关反馈电路连接，所述驱动电路与继电器连接，所述继电器为负载的控制开关。
2.如权利要求1所述的基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统，其特征在于：所述可寻址的继电器和开关有至少两个，相邻的可寻址的继电器和开关的从网络隔离变压器之间通过电力载波网络连接。
3.如权利要求1或2所述的基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统，其特征在于：所述从网络隔离变压器与所述主网络隔离变压器之间的通讯方式采用半双工方式，所述网络控制器周期性地轮询所述基于可寻址的继电器和开关。
4.如权利要求1或2所述的基于电力载波的可寻址的继电器和开关的PLC控制系统，其特征在于：所述负载和继电器分别与供电传输线连接，所述继电器与负载连接，所述供电传输线与所述从站隔离变压器、所述主站隔离变压器连接。
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