CN104750028A - 使用了与多个cpu进行通信的io单元的安全通信系统 - Google Patents

使用了与多个cpu进行通信的io单元的安全通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用了与多个CPU进行通信的IO单元的安全通信系统。在将一台数值控制装置和具有通信控制器的多个IO单元连接的通信系统中，在数值控制装置和IO单元的通信控制器之间接收发送通信数据。通信控制器在从数值控制装置接收到的通信数据中包含的ID与在自身的ID设定部中设定的ID一致时，向数值控制装置返回通信数据。

Description

使用了与多个CPU进行通信的IO单元的安全通信系统
技术领域
本发明涉及一种将数值控制装置与具有通信控制器的一个以上的IO单元连接，在数值控制装置和IO单元的通信控制器之间收发通信数据的通信系统。
背景技术
在数值控制装置和机床(未图示)之间，为了进行DI/DO信号(输入信号/输出信号)的输入输出，采用了连接多个外部信号输入输出用单元(IO单元)的结构，如图1所示，通常在数值控制装置10和IO单元30之间、IO单元30和IO单元32之间，进行DI/DO信号的传送。
IO单元30、32的通信控制器31、33在与数值控制装置10的通信中，通过接收到的通信数据的报头中包含的ID与在自身的寄存器中设定的ID一致来识别该接收到的数据是发送给自身的数据，并向数值控制装置10返回数据(参照日本特开2008-191989号公报)。此外，在从IO单元30、32返回的DI/DO信号由在数值控制装置10的内容运行的顺序程序实际使用时，需要对数值控制装置10的内部的地址分配DI/DO信号。在该DI/DO信号中，包含了紧急停止信号、门开关信号等为了避免危险等而需要的安全信号。
但是，在电气电子安全关联系统或机械类控制系统中，作为安全标准存在IEC61508、ISO13849-1等。关于上述的安全信号，希望按照这些标准进行处理以及传送。在日本特开2013-235300号公报中已经公开了基于标准的处理以及传送方法。
在上述的日本特开2013-235300号公报中，如图2所示，对应于第一CPU11、第二CPU12存在第一IO单元30、第二IO单元32，第一CPU11和第一IO单元30的组合、第二CPU12和第二IO单元32的组合相互独立地进行安全信号的处理和传送，确保了高的安全性(参照图2)。此外，信号的传送基于PROFIsafe，对通信数据赋予了计数器值、CRC等。如上所述，第一CPU11和第一IO单元30的组合、第二CPU12和第二IO单元32的组合相互独立，所以这些被赋予的值也与刚才的两组对应具有两组，各自相互独立。
此时，为了确保安全，被赋予的数据相互独立为无关系的值也变得重要。例如，即使第二IO单元32错误地处理第一CPU11的数据，但由于被赋予的计数器值不同所以成为错误。在这样的机制中，无法将第一CPU11和第一IO单元30的组合、第二CPU12和第二IO单元32的组合进行互换。即，无法对第一CPU11的地址分配第二IO单元32的DI/DO信号，无法对第二CPU12的地址分配第一IO单元30的DI/DO信号，或者无法将第一IO单元30分配给第一CPU11和第二CPU12双方的地址。其原因在于，如上所述，通信数据被赋予的计数器值或CRC等对应于CPU和IO单元的组合，无法进行互换。
但是，近年来，机床越来越多样化，很少设计具有多个变化的机械。在一个一个变化中，基于结构所需要的DI/DO信号的点数不同。无论在哪个结构中，从成本的观点出发，进行设计以使连接的IO单元的个数成为最小都是重要的。
但是，在DI/DO信号中包含有安全信号的情况下，当使用在上述的日本特开2013-235300号公报中记载的方法来构成时，如上所述，因为CPU与IO单元的组合无法互换，所以有时必须连接需要个数以上的IO单元。例如，首先考虑通过一个单元具有32点的DI信号的IO单元来构成安全ID信号的总点数为32点(比特)的机械的情况。因为具有两个(第一和第二)CPU11、12，安全DI信号为32点，所以能够通过各自具有32点的DI信号的第一IO单元30和第二IO单元32这两个IO单元构成上述机械(参照图3)。
但是，接着作为相同的机械的变化，在设计安全DI信号的总点数为48点的机械时，相对于图3的系统增加的安全DI信号为16点，所以如果具有16点×2＝32点的DI信号即可，如果追加一个32点的IO单元(第三IO单元40)，则应该能够覆盖总点数。但是，实际上关于安全DI数据的处理，如上所述，对于第一CPU11、第二CPU12需要第一IO单元、第二IO单元的组合，并且需要连接第三IO单元40、第四IO单元42这两个单元(参照图4)。
如此在构成安全DI/DO信号时，在上述日本特开2013-235300号公报中记载的方法中，由于与CPU和IO单元的分配有关的制约，存在有时必须连接需要个数以上的多个IO单元的问题。
发明内容
因此，为了解决上述现有技术问题，本发明的目的在于提供一种使用了与多个CPU进行通信的IO单元的安全通信系统。
在本发明的通信系统中，将数值控制装置和一个或一个以上的IO单元连接，这些IO单元各自具有通信控制器，在上述数值控制装置和上述IO单元的通信控制器之间收发通信数据。然后，上述通信控制器具备设定自身的ID的多个ID设定部、把从上述数值控制装置接收到的通信数据中包含的ID与上述多个ID设定部设定的ID进行比较的比较部，作为上述比较部进行比较的结果，在从上述数值控制装置接收到的通信数据中包含的ID与上述多个ID设定部设定的ID中的任意一个一致时，将上述通信数据返回给上述数值控制装置。
上述通信控制器可以对应于上述多个ID设定部还具备处理安全通信数据的多个安全通信数据处理部。
上述通信控制器可以对应于上述多个ID设定部还具备多个外部输入输出信号分配对应设定部，上述外部输入输出信号分配对应设定部用于设定上述通信数据对应于多个外部输入输出信号中的哪一个。
根据本发明，能够提供一种使用了与多个CPU进行通信的IO单元的安全通信系统。
附图说明
通过参照附图对以下的实施例进行说明，本发明上述以及其他的目的以及特征会变得清楚。在这些附图中：
图1表示在数值控制装置和IO单元之间进行DI/DO信号的传送。
图2表示第一CPU11和第一IO单元30的组合、第二CPU12和第二IO单元32的组合相互独立地进行安全信号的处理和传送的现有的安全通信系统。
图3表示通过每个单元具有32点(比特)的DI信号的IO单元构成安全DI信号的总点数为32点的机械的现有的安全通信系统。
图4用于说明在图3的安全通信系统中必须进一步连接两个IO单元。
图5表示IO单元的通信控制器内置两个用于设定自身的ID的寄存器的本发明的安全通信系统的结构。
图6表示数值控制装置与IO单元之间的通信。
图7说明当接收报头和寄存器的ID一致时IO单元的通信控制器对数值控制装置进行回复。
图8表示由图9的IO单元的通信控制器中包含的安全通信用数据处理电路处理的安全通信用数据的结构例子。
图9说明IO单元的通信控制器在内部具备处理安全通信用数据的安全通信用数据处理电路。
图10(1)～(3)表示在主装置(数值控制装置)和从装置之间进行安全数据的发送接收。
图11表示与多个CPU进行通信的IO单元。
图12表示具备与数值控制装置的多个CPU进行通信的IO单元的安全通信系统的结构。
具体实施方式
图5表示IO单元的通信控制器内置两个用于设定自身的ID的寄存器的本发明的安全通信系统的结构。
将安装在机床本体上的第一、第二、第三IO单元5、6、7以菊花式链接(daisy chaining)的方式连接在控制机床的数值控制装置10上。在与数值控制装置10的通信中，在通信控制器15中内置有两个寄存器，该寄存器用于设定作为从装置的第三IO单元7用于识别发送给自身的数据的ID。第三IO单元7的一半的DI信号16点(比特)对应于数值控制装置10的第一CPU1，另一半的DI信号16点(比特)对应于第二CPU2。
把第三IO单元7的DI中的一半的16点分配给第一CPU1的地址，把另一半的16点分配给第二CPU2的地址。安全DI信号需要将一个信号分别分配给两个(第一、第二)CPU1、2来进行处理。换句话说，针对一个IO单元的DI接收器输入，存在成对的其他的IO单元的DI接收器输入。
由此，还分别将第一IO单元5、第二IO单元6以及第三IO单元7的DI进行组合，以使两个DI接收器输入成为一对。于是，将第一IO单元5的一半的DI的16点和第二IO单元6的一半的DI的16点组合为一对(第一对)，将第二IO单元6的剩余一半的DI的16点和第三IO单元7的一半的DI的16点组合为另一对(第二对)，将第三IO单元7的剩余一半的DI的16点和第一IO单元5的剩余一半的DI的16点组合为最后一对(第三对)，由此将DI的全部48点分别分配给第一CPU1和第二CPU2的地址来进行输入。
第三IO单元7的通信控制器71通过自身(通信控制器71)接收到的通信数据的报头中包含的ID与在自身的两个ID设定寄存器中设定的ID中的任意一个一致，向数值控制装置10返回数据。此外，按照预先设定的自身的寄存器，与两个(第一、第二)CPU1、2对应地进行安全信号的处理。
如上所述，第一CPU1和第二CPU2它们都能够对于第三IO单元71的一个通信控制器71进行安全通信用数据的更换，从而输入输出与各个第一、第二CPU1、2对应的DI/DO。因为能够对第三(一个)IO单元7的DI/DO信号分配第一、第二CPU1、2双方的地址，所以不会受到现有技术那样的CPU和IO单元的组合的制约的限制，能够以最小限度的IO单元连接数构成所需要的安全DI/DO信号点数。
图6说明数值控制装置与IO单元之间的通信。
在将数值控制装置和一个或多个IO单元连接的结构中，数值控制装置10具备通信控制器15和两个独立的第一CPU1以及第二CPU2。第一、第二IO单元5、6具备：通信控制器51、61；用于对外部(机械侧)输入输出通过通信传送的DI/DO的驱动器54、64；接收器53、63。第一、第二IO单元5、6的通信控制器51、61在内部具备表示自身的ID的ID设定寄存器52、62。数值控制装置10一侧的通信控制器15作为主装置进行动作，第一、第二IO单元5、6一侧的通信控制器51、61作为从装置进行动作，两者以主从的方式进行一对一的通信。
图7说明当接收报头和寄存器的ID一致时IO单元的通信控制器对数值控制装置进行回复。
与数值控制装置连接的IO单元中的第n IO单元n的通信控制器n1在与数值控制装置10的通信中，通过接收到的通信数据的报头中包含的ID与自身的设定寄存器(ID设定寄存器n2)中设定的ID(＝n)一致，识别接收到的数据是发送给自身的数据，并向数值控制装置10返回该主旨的数据。
图9说明IO单元的通信控制器在内部具备处理安全通信用数据的安全通信用数据处理电路。
IO单元n的通信控制器n1在内部具备用于处理安全通信用数据(参照图8)的电路，自身处理在发送或接收的安全通信用数据中包含的序列号、计数器、CRC(循环冗余码)。
在安全通信用数据的头部，如图8所示，赋予了对各IO单元(从装置)预先设定的序列号。第一CPU1、第二CPU2以及IO单元n(参照图9)中内置的通信控制器n1的安全通信用数据处理电路n5分别对自身接收到的序列号进行检查。在检测到不正确时，产生错误或警报，将接收数据丢弃。
图10(1)～(3)表示在主装置(数值控制装置)和从装置之间进行安全通信用数据的发送接收。
在从作为主装置的数值控制装置10向作为从装置的IO单元发送数据时，赋予在安全通信用数据中包含的计数器(参照图8)(参照图10(1))。另一方面，从装置当从主装置接收到安全通信用数据时，将安全通信用数据中包含的计数器值暂时保存在内部寄存器中，作为替代向主装置返回原来在内部寄存器中保存的计数器值(参照图10(2))。主装置一侧在从从装置接收到回复时，检查自身发行的计数器值与接收到的安全通信用数据中包含的计数器值的差分(参照图10(3))。在通信结束后，主装置在下次通信时，使发行的计数器值加1，来重复同样的动作。第一CPU1以及第二CPU2独立地进行该计数器值的发行。因为第一CPU1和第二CPU2的计数器的初始值不同，所以第一CPU1和第二CPU2不会连续多次发行相同的计数器值。
如果通信正常，则主装置发行的计数器值与主装置从从装置接收到的计数器值的差分始终为1，但是在由于某种原因通信失败的情况下，差分值成为2以上。在该差分值高于预先设定的允许值时，主装置(数值控制装置10)将其检测为无法忽略的警报。此外，关于从装置接收到的计数器值和在从装置的内部保存的计数器值，如果正常地进行通信，则差分值同样成为1，但是在由于某种原因通信失败的情况下，差分值成为2以上。在该差分值超过了预先设定的允许值时，同样将其检测为无法忽略的警报。并且，在该差分值为0时，成为没有更新第一CPU1或第二CPU2发行的计数器值的情况。关于差分值的更新，在超过预先设定的允许次数未更新时，也将其检测为无法忽略的警报。
如图8所示，在安全通信用数据的末尾赋予了CRC513，它保护序列号、计数器、安全I/O数据。第一CPU1、第二CPU2以及从装置中内置的安全通信用数据处理电路(参照图9的安全通信用数据处理电路n5)在接收到数据时检查CRC。在检测出不正确时，产生错误或警报，将接收数据丢弃。
图11表示与多个CPU进行通信的IO单元。
在现有技术中，上述的ID设定寄存器和安全通信用数据处理电路(参照图9)在一个通信控制器中各具有一个，但在本发明实施方式的安全通信系统中，具备在内部包含两个该安全通信用数据处理电路的IO单元。第三IO单元7的通信控制器71通过自身接收到的通信数据的报头中包含的ID与自身的两个(第一、第二)ID设定寄存器72a、72b中的任何一个一致，确认接收到的数据是发送给自身的数据。
此外，通信控制器71具有与两个ID(ID1、ID2)对应的安全通信用数据处理电路77a、77b，按照接收到的ID对应的安全通信用数据处理电路77a或安全通信用数据77b进行动作，处理安全通信用数据。并且，通信控制器71具有外部输入输出信号分配对应寄存器，用于通过各个ID设定将接收到的数据分配给哪个驱动器和接收器，按照预先设定的外部输入输出信号分配对应寄存器，将收发的DI/DO分配给外部输入输出驱动器/接收器。
图12说明使用了与数值控制装置的多个CPU进行通信的IO单元的安全通信系统。
通信控制器在与第一CPU1的通信中，使用ID1进行安全数据用通信，按照预先设定的外部输入输出信号分配对应寄存器，通过驱动器/接收器输入输出DI/DO。此外，在与第二CPU2的通信中，使用ID2进行安全数据用通信，按照预先设定的外部输入输出信号分配对应寄存器，通过驱动器/接收器输入输出DI/DO。

Claims (3)

1.一种通信系统，其连接数值控制装置以及一个或一个以上的IO单元，这些IO单元各自具有通信控制器，在上述数值控制装置与上述IO单元的通信控制器之间收发通信数据，
上述通信系统的特征在于，
上述通信控制器具备：
多个ID设定部，其设定自身的ID；以及
比较部，其将从上述数值控制装置接收到的通信数据中包含的ID与上述多个ID设定部设定的ID进行比较，
作为上述比较部的比较结果，在从上述数值控制装置接收到的通信数据中包含的ID与上述多个ID设定部设定的ID中的任意一个ID一致时，将上述通信数据返回给上述数值控制装置。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，
上述通信控制器对应于上述多个ID设定部还具备处理安全通信数据的多个安全通信数据处理部。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，
上述通信控制器对应于上述多个ID设定部还具备多个外部输入输出信号分配对应设定部，
上述外部输入输出信号分配对应设定部用于设定上述通信数据对应于多个外部输入输出信号中的哪一个。
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