CN103926868A - 一种模块化安全可编程逻辑控制器 - Google Patents

Abstract

一种模块化安全可编程逻辑控制器，包括主控模块、输入模块、输出模块和安全模块，输入模块连接在安全模块上，主控模块连接在安全模块上，安全模块连接在输出模块上，输出模块又与外部安全设备连接，的主控模块包括开关模块和处理器模块，处理器模块包括功能块存储器单元和梯形电路，开关模块包括至少开关单元，开关单元具有连接串行通信线的N对N开关。本发明利用开关模块与处理器模块构成星型串行通信网络，无需考虑位间交错、串扰、地线跳动的影响。总线不会因为连接模块数的增加而降低传输性能。此外，还可以将各安全模块或者处理器模块和开关模块之间的串行通信线作为并列的多个线路，确保最佳数据通信能力。

Description

一种模块化安全可编程逻辑控制器

技术领域

本发明涉及电学领域，尤其涉及可编程逻辑控制器，特别是一种模块化安全可编程逻辑控制器。

背景技术

现有技术中，在控制系统中，多个可编程逻辑控制器之间采用并行总线方式、串行总线方式或储体中继方式通信。但由于总线结构的制约，随着连接模块数的增加，多个可编程逻辑控制器的数据流入总线时的传输性能明显降低。尤其是在安全系统中，数据传输性能降低会影响安全设备的相应速度。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种模块化安全可编程逻辑控制器，所述的这种模块化安全可编程逻辑控制器要解决现有技术中多个可编程逻辑控制器的数据流入总线时传输性能明显降低的技术问题。

本发明的这种模块化安全可编程逻辑控制器，包括主控模块、输入模块、输出模块和安全模块，输入模块连接在安全模块上，主控模块连接在安全模块上，安全模块连接在输出模块上，输出模块又与外部安全设备连接，其中，所述的主控模块包括开关模块和处理器模块，所述的处理器模块包括功能块存储器单元和梯形电路，所述的开关模块包括至少开关单元，所述的开关单元具有连接串行通信线的N对N开关。

进一步的，处理器模块作为中心节点，开关模块作为周边节点，开关模块与处理器模块构成了星型串行通信网络。

进一步的，主控模块设置在一个机架中，所述的机架中设置有两个槽位。

进一步的，所述的开关单元包括存储器。

本发明的工作原理是：功能块存储器单元存储多个个功能块，功能块分别准用用于安全装置的相应连接规范；梯形电路用于计算输出信号，该输出信号基于来自被编程在所述多个功能块的每个功能块中的对应安全装置的输入信号来确定，处理器模块中的ID号获取单元读取连接至连接器的安全模块的识别号，处理器模块利用程序连接单元基于读取的识别号依次链接从功能块存储器单元接收功能块，以创建安全程序。开关单元具有连接多个串行通信线的N对N开关功能。多个功能块可以级联方式连接。

开关单元包括存储器，存储器在实现多个线路的串行通信线的相互间的N对N开关动作时，存储用于定义该开关的动作状态的设定信息，同时开关单元按照由存储在存储器中的设定信息所定义的动作状态，进行开关动作。所述的开关动作的状态是：将输入到开关单元的一个通信用端口的通信帧，无条件地从所述开关单元的预先设定的一个或两个以上的通信用端口输出的状态。其中，在具有多个通信帧的串行数据输入到开关单元的一个通信用端口、且在其开头帧中含有目的地信息以及开关保持指令时，到连串的帧从目的地信息所确定的关单元的一个以上的通信用端口输出结束为止的期间，保持开关状态。串行通信线的传输速度为2Gbps以上。

采用本发明的结构，所以无需考虑位间交错、串扰、地线跳动的影响。总线不会因为连接模块数的增加而降低传输性能。此外，还可以将各安全模块或者处理器模块和开关模块之间的串行通信线作为并列的多个线路，则可根据各个模块的传送容量，确保最佳数据通信能力。各模块间连接方式可采用底面方式和重叠方式。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明利用开关模块与处理器模块构成星型串行通信网络，功能块存储器单元存储多个个功能块，分别准用用于安全装置的相应连接规范；梯形电路用于计算输出信号，处理器模块利用程序连接单元基于读取的识别号依次链接从功能块存储器单元接收功能块，以创建安全程序。开关单元具有连接多个串行通信线的N对N开关功能。多个功能块可以级联方式连接，无需考虑位间交错、串扰、地线跳动的影响。总线不会因为连接模块数的增加而降低传输性能。此外，还可以将各安全模块或者处理器模块和开关模块之间的串行通信线作为并列的多个线路，则可根据各个模块的传送容量，确保最佳数据通信能力。

附图说明：

图1是本发明的一种模块化安全可编程逻辑控制器的逻辑构造示意图。

图2是本发明的可编程逻辑控制器的结构图。

图3是开关模块的内部细节的结构图。

图4是处理器模块的逻辑构造的块图。

图5是安全程序的连接构造的程序结构图。

图6是地址查找表的表结构视图。

图7是实施程序连接单元的控制顺序的流程图。

图8是表示发送用单元功能结构图。

图9是表述接收用单元功能结构图。

具体实施方式：

本发明的一种模块化安全可编程逻辑控制器，包括主控模块、输入模块、输出模块和安全模块，输入模块连接在安全模块上，主控模块连接在安全模块上，安全模块连接在输出模块上，输出模块又与外部安全设备连接，其中，所述的主控模块包括开关模块和处理器模块，所述的处理器模块包括功能块存储器单元和梯形电路，所述的开关模块包括至少开关单元，所述的开关单元具有连接串行通信线的N对N开关。

进一步的，处理器模块作为中心节点，开关模块作为周边节点，开关模块与处理器模块构成了星型串行通信网络。

进一步的，主控模块设置在一个机架中，所述的机架中设置有两个槽位。

进一步的，所述的开关单元包括存储器。

实施例1：

如图1所示，一种模块化安全可编程逻辑控制器包括：电源模块15；处理器模块10，用于执行管理开关模块12、安全模块11、输出模块（图中未示）、输入模块（图中未示）以及外部设备模块（图中未示）的控制；用于在任何时间检测涉及安全的预定条件的安全模块11连接至每个I/O模块。另外，每个I/O模块构建为满足适于每个可连接安全模块11的每个连接的单独规范。

安全模块的输入/输出操作是通过使用外部输入和输出接触作为输入/输出接口来执行的。每个处理器模块包括：微处理单元（MPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口等。

图2表示一种模块化安全可编程逻辑控制器的结构图。如图2所示，该可编程逻辑控制器包括：处理器模块10，安装了用于实现可编程逻辑控制器的CPU功能的CPU系统101和通信用接口单元（I/F单元）102；多个安全模块11、11、11，安装了用于实现构成可编程逻辑控制器的IO模块、安全系统111和通信接口单元通信用接口单元（I/F单元）112；以及开关模块12，安装了具有多个线路（在该例子中，4个线路）的串行通信线SL1-SL4的相互间的N对N开关功能的开关单元121。

处理器模块10与、安全模块11、开关模块12通过重叠方式的模块连接机构而一体地连接。

而且，在通过模块间连接机构而一体地连接的状态中，开关模块12和三个安全模块11以及一个处理器模块10的模块之间，由单一线路或者多个线路（在该例子中，单一线路）的专用串行通信线SL1-SL4连接。

由此，构筑了将开关模块12作为中心节点，将处理器模块10以及三个安全模块11、11、11作为周边节点的星型的串行通信网络。接着，说明模块间连接机构的详细结构由开关模块12侧的连接机构和处理器模块10以及三个安全模块11、11、11的各自侧的连接机构构成。

图3表示开关模块的内部细节的结构图。如图3所示，开关模块12侧的连接结构包括：开关模块侧的半连接器CN(L)，设置在开关模块12的模块壳体的左右至少任一个侧面（在该例子中，右侧侧面），并具有多个线路（在该例子中，4个线路）的通信用端子组（L11-L14，L21-L24，L31-L34，L41-L44）;以及开关连接线CLO1-CLO4，连接该开关模块12侧的半连接器CN(L)的各通信用端子组（L11-L14，L21-L24，L31-L34，L41-L44）和开关模块12内的开关单元121的相应的通信用端口（P1-P4）之间。

图4是示出了处理器模块10的逻辑构造的块图。处理器模块10包括：ID获取单元111、程序连接单元112、功能块存储器单元113、I/O数据缓存区域114等。例如，I/O数据缓存区域114表示在主存储器装置中形成在预定段中的输入/输出数据缓存区域，并且当其操作时，I/O数据缓存区域114中的输入/输出数据基于输入/输出总线102的操作从其他模块得以引用或更新。

功能存储器单元113存储多个功能块FB1、FB2、FB3……，其中针对每个安全装置的连接规范，用于计算输出信号的梯形电路被编程，该输出信号根据来自每个安全装置的输入信号来确定。该梯形电路适合于预定的安全标准。因此，这些功能块FB1、FB2、FB3……也适合于对应的安全标准。

ID获取单元111通过I/O数据缓存区域114来读取连接至输入/输出总线的每个I/O模块的ID号。程序连接单元112基于读取的ID号依次链接从功能块存储器单元113接收的功能块以便在主存储器装置中的预定区域上创建安全程序。

由于可基于ID号唯一地确定对应的功能块，可在已经准备得功能块的单元中单独执行关联于每个安全装置的安全功能。二次存储器装置D可是可安装在处理器模块10上的任何非易失性存储器装置，如可写ROM。

图5出了安全程序的连接构造的程序结构图。在I/O区域114上保持了全部直接对应于4个外部输入接触的变量X001至X004以及直接对应于3个外部输出接触的变量Y001至Y003。下文将变量X001至X004以及变量Y001至Y003称作功能块FB1的外部变量。

通过程序链接单元112连接的功能块FB1具有内部变量存储区域A21。初始处理S包括用于将直接对应于外部输入接触的变量X001至X004拷贝至内部变量存储区域21的输入处理。另外，结束处理E包括用于将内部变量存储区域A21上的计算的输出信息拷贝至拷贝变量Y001至Y003的输出处理。

具有连接至功能块FB1的功能块FB2的功能块采用类似方式构建。然而，功能块FB2是用于执行必须通过I/O模块表现的安全操作程序。相关于级联连接的因数K001共用于功能块FB1和FB2之间。结果，来自任一功能块的输出信息的一条可被用作至另外一个功能块的输入信息。

图6示出了地址查找表的构造。地址查找表的地址1150对应于插槽0，并且存储：I/O数据缓存区域1140的地址、位于插槽0的I/O模块的1D号、对应于该ID号的功能块号（FB号）、包括在I/O模块中的外部输入和输出接触的连接数、以及内部变量存储区A21的地址。在下文中，其余的区1151、1152、……对每个插槽类似地限定。

在此情形中，重要的是图4的每个功能块FB1、FB2、FB3……针对由ID号唯一限定的I/O模块的每个分类而准备，并且图4和图5的内部变量存储区域A21和A22针对每个插槽而准备。

图7用于实施程序连接单元的控制顺序的流程图。在该处理的第一步骤410，连接至输入/输出总线的每个I/O模块的ID号根据插槽号通过使用ID号获取单元从插槽依次读取，并且存储在图6的地址查找表中的对应区域中。随后，以下步骤420至450被执行程序连接单元。

在步骤420，基于由ID号限定的每个I/O模块特定分类来完成地址查找表。然后，在步骤430，存储在功能块存储器单元中的数据基于在步骤420完成的地址查找表从顶部区依次检索，以便搜索对应的功能块FB1、FB2……。然后，对应的功能块被加载到区域上的对应区上。

在步骤440，如图6中所示基于地址查找表来确定在内部变量区中限定的用于使用输入/输出总线的输入/输出处理的每个内部变量与在I/O区域中限定的用于每个输入/输出操作的每个外部变量之间的关系。加载到主存储器装置上的功能块FB1、FB2……链接至可执行程序。在步骤450，已经在步骤440中自动创建的安全程序被存储在二次存储装置中。

然后通过使用LED显示等将创建于主存储装置中的安全程序处于可执行条件的事实通知给用户以便允许用户执行对RUN开关的操纵。另外，激活安全程序的用户将每个安全装置安装在对应的I/O模块中。通过使用安全程序检查安全装置的连接状况。随后，当确认这些连接满足对应的连接规范之后，基于安全程序的操作或设置将期望系统的状况变化至安全操作的状况。

如以上说明，根据本发明的一种模块化安全可编程逻辑控制器，在可维持根据用户的控制规格来灵活地变更模块结构的模块化可编程逻辑控制器的优点的同时，再通过模块间连接机构来连接的状态下，构筑了将安装了CPU系统的开关模块作为中心节点，将多个安全模块作为周边节点的星型的串行通信网络。

因此，在各模块的相互之间，不会受到位间交错、串扰、地线跳动等的影响，而且与连接模块的块数大小无关，能够以一定的高速通信速度，进行各模块相互间的数据交换。特别地，本发明一种模块化安全可编程逻辑控制器在各串行通信线的传输速度为2Gbps以上。

如图8所示，发送用处理单元包括：发送缓冲器901、CRC生成电路902、选择器903、数据分配电路904、n系统的码变换电路905-1-905-n、n系统的并行/串行变换电路906-1-906-n、以及同样n系统的差动信号对生成电路907-1-907-n。

选择器903适当地选择开始码（SoF）801、发送用数据803、首标（Header）802、CRC码804以及结束码（EoF）805，送到数据分配电路904.于是，在数据分配电路904中，将基于从选择器903提供的各数据801-805而生成的单一系统的数据分解由第1线路、第2线路、……第n线路构成的n系统的发送用帧到对应的串行信号线（SL1、SL2、……SLn）并进行相应的处理。

如图9所示，接收用处理单元包括：接收缓冲器1001、CRC检验电路1002、控制码删除电路1003、数据组合电路1004、n系统的码变换电路1005-1-1005-n、n系统的并行/串行变换电路1006-1-100606-n、以及同样n系统的差动信号对再现电路1007-1-1007--n。

而且，来自n个系统的串行通信线SL1、SL2、SL3、……SLn的差动信号对经各系统的来现电路1007-1-1007—n而变换为单一系统的信号之后，经由各系统的串行/并行电路1006-1-100606-n以及码变换电路1005-1-1005-n之后，进行数据的再现。

这样再现的各系统的数据通过数据组合电路1004而组合成单一系统的数据之后，经由控制码删除电路1003，进行开始码(SoF)、结束码（EoF）等的删除，从而连接并再现为单一系统的数据后存储在接收缓冲器并进行相应的处理。

主控模块机架设置为红色并设有两个红色插槽。从而使系统范围内的集成变得更加容易，而且能够在显示器或者选取框上方便地显示安全状态。发明中，在所述多个设备模块中，具有应有应分别连接到不同线路的专用支持串行通信线的多个通信用端口，和介于这些多个通信用端口和内部的设备系统之间的通信用接口单元，从而可以使串行通信线支持多个线路式的设备模块。此外，所述多线路支持式的设备模块中的通信用接口包括：发送用处理单元，基于单一系统的发送用数据源，生产应从多个通信用端口的每个端口发送的多个系统的发送帧；以及接收用处理单元，基于从多个通信端口的每个端口得到的多个系统的接收帧，生成单一系统的接收用数据。

  发送数据时，在连接设备和所述开关模块的多个线路串行通信线的每个中，分散地发送将发送源数据分割为多个所得到的各个分割数据。可以讲一个数据分割为多个，同时流入到多个发送线，由此可以实现数据通信的高速化；接收数据时，在所述接收用处理单元生产单一系统的接收用数据，可以是从多个系统的接收帧的每个所包含的接收数据，按照一定的规则所选择的一个接收数据。

从多个线路的串行通信线并列地获得接收数据，但只使用按照规定的规则所选择的一个接收数据，所以即使其中一个串行通信线故障，也能通过切换到其他的串行通信线，实现可靠性的接收动作。

将各安全模块或者处理器模块和开关模块之间的串行通信线作为并列的多个线路，并且，作为多线路支持式设备模块内的通信用接口，如果包括以下部件构成：发送用处理单元，基于单一系统的发送用源数据，生产用从多个通信用端口的每个端口发送的多个系统的发送帧；以及接收用处理单元，基于从多个通信用端口的每个端口的每个端口得到的多个系统的接收帧，生成单一系统的接收用数据，则可以将一个发送数据或者接收数据与多个线路的串行通信线相关联，所以能活用星型串行网络本来的特征，可进行可靠性高或者更高速的数据通信。

Claims (4)

1.一种模块化安全可编程逻辑控制器，包括主控模块、输入模块、输出模块和安全模块，输入模块连接在安全模块上，主控模块连接在安全模块上，安全模块连接在输出模块上，输出模块又与外部安全设备连接，其特征在于：所述的主控模块包括开关模块和处理器模块，所述的处理器模块包括功能块存储器单元和梯形电路，所述的开关模块包括至少开关单元，所述的开关单元具有连接串行通信线的N对N开关。

2.如权利要求1所述的一种模块化安全可编程逻辑控制器，其特征在于：处理器模块作为中心节点，开关模块作为周边节点，开关模块与处理器模块构成了星型串行通信网络。

3.如权利要求1所述的一种模块化安全可编程逻辑控制器，其特征在于：主控模块设置在一个机架中，所述的机架中设置有两个槽位。

4.如权利要求1所述的一种模块化安全可编程逻辑控制器，其特征在于：所述的开关单元包括存储器。