CN103809532A - 具备内置plc功能的双数据总线型主从控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，包括主控制器单元、从控制器单元、模拟量单元、数字量单元，及算法执行单元，其中控制器内部存在两条数据总线，其中一条公共数据总线由主控制器单元和从控制器单元分时共享，实现对模拟量单元和数字量单元的采样及输出，而且在任意时刻主控制器单元具有绝对优先使用权，该控制器通过地址总线进行寻址操作。该控制器将主控制器单元与从控制器单元的功能完全区分开，各自独立完成所规定的任务，同时它们之间实现高速通讯及数据交换，确保整个控制器的功能集成性及应用扩展性；同时能够节约外置PLC及相关外置采样输出的配置电路的成本，以及频繁升级控制器控制芯片的成本。

Description

具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器

技术领域

本发明涉及一种具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，尤其涉及该控制器的系统架构、功能划分及协调工作等方面的技术。

背景技术

现有技术中，需要使用包括控制器的设备，所用控制器除了要实现相应控制算法、完成设备所具备的功能外，还需要对系统所需模拟量进行采样及输出，以及对系统所需数字量进行采样和输出；在一些应用场合，还同时需要具备对外显示及通讯等功能。当使用控制器的设备本身较复杂，或者需要处理外部模拟及数字量较多，或者需要具备较强的显示功能，或者需要具备较多的对外通讯功能时，现有技术的控制器往往不能满足应用需要，被迫采用越来越高档的控制芯片，极大地增加了控制器的硬件成本，以及为了适应更高性能控制芯片的使用而重新编写软件等人力成本。

但是为解决控制器不能满足越来越复杂的应用需求，除了不断更换越来越高档的控制芯片外，还需要设计越来越多的模拟量及数字量采样及输出通道，以及要求越来越复杂的对外显示及通讯电路；这导致控制器中配置的模拟量及数字量的采集及输出的通道越来越多、相应电路规模越来越大，同时显示及通讯相关电路的规模也越来越大。为了适应越来越复杂的应用需求而设计的控制器，当应用到需求较简单的场合时，无论是控制芯片、模拟量及数字量的采样及输出通道，还是显示及通讯电路，都可能存在大量的浪费。

另一方面，即使通过采用更高档的控制芯片使控制器的性能大幅提高，也存在一些实际工况使控制器无法满足应用需要，特别是一些比较复杂的应用工况，还要在控制器外额外配备外置的PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，实现对系统的逻辑控制，以及对系统所需模拟量的采样及输出、对系统所需数字量的采样及输出；根据需要，还能实现对外显示及通讯等功能。

当一个高档控制器无法满足应用需求而再配备外置PLC后，在整个系统中同时存在两个具备控制功能的部件；根据应用需要，控制器和外置PLC都能够实现对模拟量及数字量的采样及输出，也都能够实现对外显示和通讯。但是根据使用控制器的设备的功能要求，控制器一般对模拟量及数字量的采样及输出，要求响应速度比较快，甚至很多情况要求实时采样来做实时控制；而外置PLC一般响应速度较慢，因此控制器和外置PLC难以共享对模拟量及数字量的采样及输出，以及统一对外显示和通讯。这导致二者资源的浪费，无论是控制器与外置PLC之间的资源重复配置，还是对模拟量及数字量的采样及输出通道的浪费，甚至还包括外部为这些采样通道提供配套条件的资源的浪费。

除了增加成本和浪费资源外，控制器9与外置PLC二者在系统集成及控制性能上也存在不协调的问题，导致二者的系统集成度较低。控制器与外置PLC是两套独立的系统，一套系统要求处理速度快、一套系统的处理速度慢，尽管可以通过通讯方式将两者联系起来，但外置PLC系统对模拟量及数字量的采样速度较慢，通过通讯送给控制器一般也会因实时性太差而难以使用。此外，系统对外的显示和通讯，控制器和外置PLC都能实现，而且在没有外置PLC时都是由控制器处理，一旦加入外置PLC后，若交由外置PLC处理，内部很多程序都要重新编写及调试，不仅增加了运营成本，而且还延长了应用时间；为了使系统内部程序标准化，很多时候不得不将显示和通讯等功能仍旧由控制器完成。因此在由控制器和外置PLC都存在的应用中，在二者的功能分配上，控制器除了实现相应控制算法的功能外，仍需要拿出大量的资源处理模拟量及数字量的采样及输出，以及对外显示和通讯，以及对外置PLC的通讯；这大量占用了控制器的宝贵资源、极大地降低了控制器的使用效率，并限制了控制器实现更加复杂的控制算法，进而使得在一些更为复杂的控制中，不得不不断采用功能更加强大的控制器，从另一方面再次提高了控制器的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，将传统控制器与外置PLC功能集成到一起，由主控制器实现核心控制算法功能，根据控制算法需要对模拟量及数字量进行采样和输出，同时与从控制器进行高速通讯，还可选配对外部其它控制器进行高速通讯来实现多机协调运行；从控制器实现除核心控制算法外的其它所有控制功能，包括系统逻辑控制、对外显示及通讯等功能，同时根据自身功能需要对模拟量及数字量进行采样和输出，同时与主控制器进行高速通讯。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9，包括主控制器单元(Master Central Processing Unit，称作MCPU单元2)、从控制器单元(SlaveCentral Processing Unit，称作SCPU单元3)、模拟量单元(Analog Input&OutputUnit，称作AIO单元4)、数字量单元(Digital Input&Output Unit，称作DIO单元5)，及算法执行单元(Algorithm Execute Unit，称作AEU单元1)，两条数据总线6(6a，6b)，以及地址总线7。

所述控制器9中，从MCPU单元2对外有两条数据总线6：一条数据总线6a是MCPU单元2为实现核心控制算法所配置的数据总线6，用来与一个或多个AEU单元1进行数据交换，实现MCPU单元2与AEU单元1之间的数据交换，确保AEU单元1按照MCPU单元2的要求执行相应控制算法的要求，完成相应产品功能。另一条数据总线6b是MCPU单元2与SCPU单元3公共、与AIO单元4和DIO单元5进行互联的数据总线6，实现它们之间按照需要进行相应的数据交换功能；对MCPU单元2来说，实现与AIO单元4和DIO单元5的数据交换，完成核心控制算法所需模拟量及数字量的采样及输出；以及实现与SCPU单元3的数据交换，完成两大控制单元的协调工作。根据应用需要，还可以在MCPU单元2上另外配置高速通讯接口，实现多套具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9之间的相互通讯，通过地址总线7寻址，实现控制器9间的并联运行或其它形式的配合运行。

所述控制器9中，SCPU单元3也利用与MCPU公共的数据总线6b，实现与AIO单元4和DIO单元5的数据交换，完成SCPU单元3所实现的系统逻辑控制、对外显示及通讯等功能所需要的模拟量及数字量的采样及输出；以及实现与MCPU单元2的数据交换，完成两大控制单元的协调工作。AIO单元4和DIO单元5同时通过这条公共的数据总线6b与MCPU单元2和SCPU单元3连接，分别供MCPU单元2和SCPU单元3进行模拟量及数字量的采样及输出。

所述控制器9中，MCPU单元2和SCPU单元3具备操作该公共数据总线6b的能力、AIO单元4和DIO单元5响应MCPU单元2和SCPU单元3的要求选通公共数据总线6b。为确保MCPU实现相应控制算法对模拟量及数字量的采样及输出的快速性、实时性要求，MCPU单元2在任何时候对公共数据总线6b都有绝对优先使用权，即在任何时候当MCPU单元2需要使用公共数据总线6b时，SCPU单元3自动退出对公共数据总线6b的任何操作。

所述控制器9中，为进一步确保MCPU单元2实现相应控制算法对模拟量采样及输出的快速性、实时性要求，AIO单元4的采样及输出直接由MCPU单元2控制；基于公共总线结构，它也可直接由SCPU单元3控制。

所述控制器9中，由于MCPU单元2和SCPU单元3对DIO单元5所处理数字量的快速性要求都不高，DIO单元5的采样及输出由DIO单元5自行处理，所得处理结果供MCPU单元2及SCPU单元3读取，同时接受MCPU单元2及SCPU单元3的控制指令对数字输出量的控制。

所述控制器9中，两个数据总线6都有较强的扩展功能，可根据应用需要配置数量不等的MCPU单元2、SCPU单元3、AIO单元4、DIO单元5和AEU单元1。可配置两块MCPU单元2实现控制器9的主控制单元的热备用，或两块SCPU单元3实现控制器9的从控制单元的热备用；可分别配置一块或多块AIO单元4和DIO单元5，实现对模拟量及数字量采样及输出通道的扩展，满足系统对更多采样及输出的需求；可配置一块或多块AEU单元1，实现MCPU单元2对数量不等的算法执行单元的通讯及控制。

与常规控制器相比，本发明的有益效果是：

该控制器9将主控制器和从控制器的功能完全区分开，每个控制器独立完成所规定的任务，目标任务明确，便于控制器架构的标准化和节约开发时间。

该控制器9的主控制器和从控制器均独立进行模拟量及数字量的采样和输出，避免主从控制器之间传递这些数据占用大量的高速通讯资源，以及主从控制器各自处理这部分通讯所浪费的大量资源，便于各自将有限的资源更有效地用于本职任务。

该控制器9的主从控制器之间有高速通讯联络，及时进行控制命令、保护命令等数据交换，确保整个控制器9的功能集成及应用扩展性。

该控制器9能够节约外置PLC及相关的采样、输出的配置电路的成本，以及为满足越来越复杂的应用需求所设计的越来越高档控制器的成本。

附图说明

图1是具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9架构的原理图；

图2是具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9用于单套设备的一种实现方式示例原理图；

图3是具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9用于多套设备的一种实现方式示例原理图；

图4是多套具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9通过高速通讯互联应用的一种实现方式示例原理图；

图5是是具备内置PLC功能的双数据线主从控制器MCPU单元2和SCPU单元3工作时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实现方式作进一步详细叙述。

见图1，具备内置PLC功能的双数据线主从控制器9架构是一个开放系统，内部两个数据总线6都可以根据需要扩充，而且MCPU单元2、SCPU单元3、AIO单元4、DIO单元5和AEU单元1也都可以扩充，根据具体应用需要选配。

见图2，具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9用于单套设备的一种实现方式示例原理图，适用于三电平等多电平电力电子设备、采用各种控制方法的工业产品、用于各种应用工艺的工业设备等各种各样的单套设备中。

见图3，具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器9用于多设备8的一种实现方式示例原理图，适用于需要多套设备8并联运行、配合运行、主从控制运行等应用场合。如可以通过对这套控制器的两个数据总线6进行扩充，以及加入更多数量的组成单元，作为多套配合运行工业设备的控制器9，也可以作为多套主从控制工业设备的控制器9，还可以作为多套并联运行的工业设备的控制器9。

见图4，多套具备内置PLC功能的双数据总线6型主从控制器9通过高速通讯互联应用的一种实现方式示例原理图；通过每套控制器9的MCPU单元2预留对外高速通讯接口实现相互通讯，实现控制器9间的并联运行，或其它形式的配合运行。

见图5，其中Ta为AIO单元操作周期，Td为DIO单元操作周期，Tcc为核心控制算法的操作周期，Tdc为显示及通讯功能的操作周期。可见，具备内置PLC功能的双数据线主从控制器9对公共数据总线6b的使用是有严格优先级的，MCPU单元2和SCPU单元3的工作时序是异步的，或者说是相对独立的。在MCPU单元2的每个控制周期开始后，MCPU单元2先对AIO单元4进行操作，主要是模拟量的采样，然后对DIO单元5进行操作，主要是数字量的采样；这里对AIO单元4的操作和对DIO单元5的操作顺序不是绝对的，它们的顺序可以互换。MCPU单元2做完对AIO单元4和DIO单元5的操作后，开始执行这个控制周期内的核心控制算法的功能，包括通过另一数据总线6a与AEU单元1的数据交换。SCPU单元3的控制周期与MCPU单元2一致(也可以不一致)，但是起始时间不一样，当MCPU单元2完成对AIO单元4和DIO单元5的操作后，SCPU单元3才开始先后对AIO单元4和DIO单元5的操作，包括对显示和通讯需要的模拟量及数字量的采集和输出；完成对这两部分的操作后，开始执行SCPU单元3所承担的显示和通讯功能。这种公共数据总线6b的方式，通过将MCPU单元2与SCPU单元3对AIO单元4和DIO单元5的操作时间分开，来确保数据总线6b在任一时候只给其中两个单元进行数据交换。

另一方面，由于图1至图3所示的控制器9原理图中，MCPU单元2与SCPU单元3之间存在高速通讯接口，可以十分灵活地协调MCPU单元2与SCPU单元3之间交替使用公共数据总线6b，包括MCPU单元2与SCPU单元3之间直接通过数据总线6b交换数据。从机制上保证了整个控制器9功能的灵活性及应用的多样化。

考虑到MCPU单元2和SCPU单元3对AIO单元4及DIO单元5进行模拟量及数字量的采样及输出不同步缺陷，在具体实现上，优先确保实现控制算法需要的数据的实时性，即确保对AIO单元4和DIO单元5所采集的数据是实时的。控制器9中让SCPU单元3的绝对运作服从于MCPU单元2的调度，当MCPU单元2在任何时候要占用公共数据总线6b时，SCPU单元3自动放弃对该数据总线6b的使用，只有当MCPU单元2不占用公共数据总线6b时，SCPU单元3才能占用公共数据总线6b进行相应操作。无论是显示还是通讯，对所获得数据的实时性要求并不高，因此SCPU单元3将异步于MCPU单元2采集的数据作为显示及通讯等非核心控制算法方面，是可以接受的。而且整个控制器9中MCPU单元2和SCPU单元3的系统频率一般都较高，一般在10kHz以上，因此整个控制周期的间隔也只在100us以内，再考虑到MCPU单元2和SCPU单元3采样数据的时间间隔远小于这个控制周期，因此它们获得的数据偏差并不大，在工程实际应用中是允许；经过大量实践证明，这种采用异步数据完全满足各种应用工况的要求。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，包括主控制器单元、从控制器单元、模拟量单元、数字量单元，及算法执行单元，其中控制器内部存在两条数据总线，其中一条公共数据总线由主控制器单元和从控制器单元分时共享，实现对模拟量单元和数字量单元的采样及输出，而且在任意时刻主控制器单元具有绝对优先使用权，该控制器通过地址总线进行寻址操作。

2.根据权利要求1中所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其中主控制器单元用于实现核心控制算法，从控制器单元完成内置PLC功能，实现除核心控制算法外的其它所有控制功能，包括系统逻辑控制、对外显示及通讯功能。

3.根据权利要求1中所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其特征在于，两条数据总线的架构及各组成单元都是开放的，根据应用场合需要可实现自由扩充。

4.根据权利要求1所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其特征在于，主控制器单元和从控制器单元对模拟量单元和数字量单元的模拟量及数字量的采样及输出是异步的，并确保了主控制器单元在任何时刻所采样或输出的数据是实时的。

5.根据权利要求2所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其特征在于，根据实际应用需要，该控制器的规模可以扩大或缩小，用一套控制器完成单套或多套设备的控制。

6.根据权利要求1中所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其中具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器用于需要多套设备的并联运行、配合运行或主从控制运行的应用场合。

7.根据权利要求3所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其特征在于，主控制器单元与从控制器单元之间配置高速通讯接口，在公共数据总线外架起另一高速通讯通道，实现主控制器单元与从控制器单元之间的高速通讯，确保主控制器单元与从控制器单元存在两条快速通讯通道，使得从控制器单元所完成的内置PLC能够与主控制器单元所完成的核心控制器之间集成。

8.根据权利要求1所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，在主控制器单元的每个控制周期开始后，主控制器单元先对模拟量单元进行操作，主要是模拟量的采样，然后对数字量单元进行操作，主要是数字量的采样。

9.根据权利要求8所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其中对模拟量单元的操作和对数字量单元的操作顺序不是绝对的，它们的顺序可以互换。

10.根据权利要求9所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，主控制器单元做完对模拟量单元和数字量单元的操作后，开始执行这个控制周期内的核心控制算法的功能，包括通过另一数据总线与算法执行单元的数据交换。

11.根据权利要求10所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，从控制器单元的控制周期与主控制器单元一致，但是起始时间不一样，当主控制器单元完成对模拟量单元和数字量单元的操作后，从控制器单元才开始先后对模拟量单元和数字量单元的操作，包括对显示和通讯需要的模拟量及数字量的采集和输出；完成对这两部分的操作后，开始执行从控制器单元所承担的显示和通讯功能。

12.根据权利要求10所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，从控制器单元的控制周期与主控制器单元不一致，而且起始时间也不一样，当主控制器单元完成对模拟量单元和数字量单元的操作后，从控制器单元才开始先后对模拟量单元和数字量单元的操作，包括对显示和通讯需要的模拟量及数字量的采集和输出；完成对这两部分的操作后，开始执行从控制器单元所承担的显示和通讯功能。

13.根据权利要求11或12中所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其中采用公共数据总线的方式，通过将主控制器单元与从控制器单元对模拟量单元和数字量单元的操作时间分开，来确保数据总线在任一时候只给其中两个单元进行数据交换。

14.根据权利要求1中所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，其中整个控制器中主控制单元和从控制单元的系统频率在10kHz以上，整个控制周期的间隔在100us以内。

15.根据权利要求1中所述的具备内置PLC功能的双数据总线型主从控制器，通过对这套控制器的两个数据总线进行扩充，以及加入更多数量的组成单元，作为电机低速直连用多套变频器的控制器或作为皮带机用多套变频器的控制器或多套并联运行的工业设备的控制器。

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