CN105549522B - 一种基于sparc 架构cpu 的plc 嵌入式实时安全控制运行系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业控制领域，具体涉及一种基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统及其运行方法，所述安全控制运行系统包括：主任务模块、通信模块、加载运行模块、IO管理模块、外部库模块、辅助功能模块、诊断模块、冗余模块、掉电保护模块、Modbus模块；所述主任务模块能分别调用加载运行模块、通信模块、IO管理模块、辅助功能模块、掉电保护模块和冗余模块；所述通信模块能分别调用加载运行模块、IO管理模块、诊断模块和Modbus模块；所述加载运行模块能调用外部库模块；所述运行方法包括主任务初始化、喂狗、写O数据、读I数据、运行*.nbp工程文件、运行周期控制。本发明填补了目前中国国产安全PLC的空白，具有安全性、实用性、通用性。

Description

一种基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统 及其运行方法

技术领域

本发明属于工业控制领域，具体涉及一种基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统及其运行方法。

背景技术

中国自80年代初引进PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，通过技术引进、消化吸收、仿制和国产化，使中国PLC产品近年来有较大的发展，小型PLC的有些品种己批量生产，中型PLC己有产品，大型PLC己开始研制。但是到目前为止，中国国内PLC形成产品化生产的企业约30多家，年产量超过1000台的不到10家，而且目前中国国内用户选用PLC产品仍以国外产品为主，中国国内产品的市场占有率不超过10％，有自主产权的PLC则更少，PLC的核心技术一直把握在欧、美、日本等工业发达国家手里。但中国市场对PLC的需求却以年递增率12％的速度增长。PLC作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用，在汽车制造、粮食加工、化学药品、金属冶炼、矿山开发，造纸业等多行业广泛使用。中国的PLC不能只停留在消化性研究的水平上，亟需有自主产权的新型的PLC的出现。

发明内容

本发明的目的是针对目前中国国产安全PLC的空白，提供一种基于SPARC(Scalable Processor ARChitecture，可扩充处理器架构)架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统(SCRS(Safety&Security Control Running System))及其运行方法。

本发明解决问题的技术方案是：提供一种基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统，包括：

用于作为所述安全控制运行系统的入口的主任务模块；

用于与上位机进行通信和信息交互的通信模块；

用于从PLC可执行*.nbp工程文件中解析出用户程序并运行所述用户程序的加载运行模块；

用于与现场设备进行IO(Input/Output，输入输出)通信的IO管理模块；

用于兼容IEC61131-3标准的外部库模块；

辅助功能模块；

用于用户逻辑组态程序自诊断的诊断模块；

用于保障所述安全控制运行系统的安全的冗余模块；

用于保障掉电时的数据安全的掉电保护模块；

用于兼容通用的Modbus总线协议的Modbus模块；

所述主任务模块能分别调用加载运行模块、通信模块、IO管理模块、辅助功能模块、掉电保护模块和冗余模块；所述通信模块能分别调用加载运行模块、IO管理模块、诊断模块和Modbus模块；所述加载运行模块能调用外部库模块。

进一步地，所述安全控制运行系统位于下位机的CPU模块中，且通过TCP/IP或RS232接口与所述上位机相连。

进一步地，所述下位机为用于采集和传输原始数据的PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)，所述PLC由所述CPU模块、耦合器模块、模拟输入量模块、模拟输出量模块、数字输入量模块、数字输出量模块和末端模块组成，所述CPU模块、耦合器模块、模拟输入量模块、模拟输出量模块、数字输入量模块、数字输出量模块和末端模块分别通过同一个EtherCAT现场总线和现场设备相连。

进一步地，所述CPU模块包括基于SPARC架构的CPU，以及分别与所述基于SPARC架构的CPU连接的SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)、DPRAM(Double Port Random Access Memory，双口随机存取存储器)、PROM(Programmable Read-Only Memory，可编程只读存储器)、GPIO(General Purpose InputOutput通用输入输出口或总线扩展器)、TIMER(定时器)、UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)、DSU(Debug Support Unit，调试支持单元)、AD(数模转换)单元、EtherNet(以太网)单元、I2C(Inter－Integrated Circuit，内部集成电路)串行总线。

进一步地，所述CPU模块还包括安全控制操作系统(SCOS(Safety&SecurityControl Operating System))，所述安全控制操作系统包括安全内核、文件系统驱动单元、EtherCAT协议栈、以太网协议栈、运行周期控制时钟、硬件设备驱动单元，所述硬件设备驱动单元和安全内核相连，所述安全内核分别与文件系统驱动单元、EtherCAT协议栈、以太网协议栈、运行周期控制时钟相连。

进一步地，所述上位机中配置有用于PLC逻辑组态、网络组态、编译、登录、下装、监视变量、诊断的SC-ProSys模块，所述SC-ProSys(Security&Safety Control-ProgramSystem，安全控制编程系统)模块为安全控制编程工具。

进一步地，所述现场设备包括智能仪表、传感器和阀门。

进一步地，所述主任务模块中设有看门狗子模块；所述外部库模块设有符合IEC61131-3标准的外部库接口；所述冗余模块采用基于双机热备的冗余架构，所述双机热备为二取一模式，所述双机热备中主机运算，从机不运算。

进一步地，所述辅助功能模块包括：

用于辅助诊断错误的日志子模块；

用于通过不同的闪烁方式来体现系统状态的状态显示子模块；

用于自动进行异常处理的异常处理子模块；

所述辅助功能模块的各个子模块用于保障PLC基本功能的正常运行。

所述基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统的运行方法，包括如下步骤：

步骤1：主任务初始化：包括安全控制运行系统时钟初始化、通信初始化、状态显示初始化、加载初始化、IO初始化、看门狗超时时间及任务周期初始化；

步骤2：喂狗：主任务每循环一次喂一次看门狗，每次下装时重新配置任务周期；

步骤3：写输出数据(写O数据)：从数据区向DPRAM写需要改写的输出数据；

步骤4：写输入数据(读I数据)：从DPRAM将所有输入数据读入数据区；

步骤5：运行*.nbp工程文件：根据现行状态是否为运行状态来确定是否执行*.nbp工程文件；

步骤6：安全控制运行系统与SC-ProSys模块通信：

步骤6.1：接收通信帧头：通过CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余检验)校验判断通信帧头是否正确；

步骤6.2：接收通信帧数据：通过CRC校验判断通信帧数据是否正确，解析出通信服务编码；通信服务编码是自定义协议时为每个通信服务绑定的唯一编码；

步骤6.3：根据服务编码进行不同服务处理：根据编码进入相应分支进行处理，处理包括：加载运行、变量监视与修改、日志查询、诊断、登录、退出、开始、停止；

步骤7：运行周期控制：控制周期运行时间，保证任务执行为一个周期时间，如任务提前结束则需要主任务延时余下的时间。

进一步地，所述上位机运行SC-ProSys模块，所述下位机运行安全控制运行系统。根据自定义的通信协议得到如下的上下位交互关系：

(1)所述上位机的SC-ProSys模块对下位机的安全控制运行系统能进行登录、监视、退出登录、退出监视、开始运行和停止运行服务；

(2)所述上位机的SC-ProSys模块将用于诊断的专家信息发送给下位机的安全控制运行系统，所述安全控制运行系统根据专家信息和日志信息进行比对，进行自诊断；

(3)所述SC-ProSys模块把PLC程序编译成*.nbp工程文件,将*.nbp工程文件下装到下位机，下位机的安全控制运行系统对*.nbp工程文件进行解析、初始化和存储；

(4)所述上位机的SC-ProSys模块发送状态查询命令，所述下位机的安全控制运行系统返回状态信息，也能作为通信心跳信号；

(5)所述SC-ProSys模块准备好写变量表，包括变量表基本信息和改写的值，发送给下位机，安全控制运行系统接收到所述写变量表后对变量进行改写；

(6)所述SC-ProSys模块定义一个监视变量表，传给下位机，下位机的安全控制运行系统收到变量表后，根据变量表进行数据采集；

(7)所述上位机发起读日志服务，下位机将日志返回，上位机存储起来；

(8)所述下位机将采集到的变量执行结果列表传回给上位机，上位机收到结果列表后，SC-ProSys模块进行展示结果。

本发明的有益效果是：

1.提高了PLC的安全性、实用性：所述安全控制运行系统中各模块之间的设计合理高效，冗余模块、掉电保护模块的设计，以及安全控制操作系统的设计显著提高了安全性和实用性；

2.增强了通用性：外部库模块、通信模块、Modbus模块的设计，使本发明所述安全控制运行系统的兼容性增强，通用性强；

3.提高了鲁棒性和稳定性；

4.提高了易用性，本发明设计紧凑，操作方便。

附图说明

图1是本发明所述基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统的结构示意图；

图2是在CPU模块中采用了图1所示安全控制运行系统的下位机的应用结构示意图；

图3是图2所示的CPU模块的结构框图；

图4是图2所示CPU模块的安全控制操作系统的结构框图；

图5是图1所述安全控制运行系统的运行方法示意图；

图6是图1所述安全控制运行系统与上位机的交互示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统，包括：

用于作为所述安全控制运行系统的入口的主任务模块；

用于与上位机进行通信和信息交互的通信模块；

用于从PLC可执行*.nbp工程文件中解析出用户程序并运行所述用户程序的加载运行模块；

用于与现场设备进行IO通信的IO管理模块；

用于兼容IEC61131-3标准的外部库模块；

辅助功能模块；

用于用户逻辑组态程序自诊断的诊断模块；

用于保障所述安全控制运行系统的安全的冗余模块；

用于保障掉电时的数据安全的掉电保护模块；

用于兼容通用的Modbus总线协议的Modbus模块；

所述主任务模块能分别调用加载运行模块、通信模块、IO管理模块、辅助功能模块、掉电保护模块和冗余模块；所述通信模块能分别调用加载运行模块、IO管理模块、诊断模块和Modbus模块；所述加载运行模块能调用外部库模块。

如图2所示，所述安全控制运行系统位于下位机的CPU模块中，且通过TCP/IP或RS232接口与所述上位机相连。

所述下位机为用于采集和传输原始数据的PLC，所述PLC由所述CPU模块、耦合器模块、模拟输入量模块、模拟输出量模块、数字输入量模块、数字输出量模块和末端模块组成，所述CPU模块、耦合器模块、模拟输入量模块、模拟输出量模块、数字输入量模块、数字输出量模块和末端模块分别通过同一个EtherCAT现场总线和现场设备相连。

如图3所示，所述CPU模块包括基于SPARC架构的CPU，以及分别与所述基于SPARC架构的CPU连接的SDRAM、DPRAM、PROM、GPIO、TIMER、UART、DSU、AD单元、EtherNet单元、I2C串行总线。

如图4所示，所述CPU模块还包括安全控制操作系统，所述安全控制操作系统包括安全内核、文件系统驱动单元、EtherCAT协议栈、以太网协议栈、运行周期控制时钟、硬件设备驱动，所述硬件设备驱动单元和安全内核相连，所述安全内核分别与文件系统驱动单元、EtherCAT协议栈、以太网协议栈、运行周期控制时钟相连。

所述上位机中配置有用于PLC逻辑组态、网络组态、编译、登录、下装、监视变量、诊断的SC-ProSys模块，所述SC-ProSys模块为安全控制编程工具。

所述现场设备包括智能仪表、传感器和阀门。

所述主任务模块中设有看门狗子模块；所述外部库模块设有符合IEC 61131-3标准的外部库接口；所述冗余模块采用基于双机热备的冗余架构，所述双机热备为二取一模式，所述双机热备中主机运算，从机不运算。

所述辅助功能模块包括：

用于辅助诊断错误的日志子模块；

用于通过不同的闪烁方式来体现系统状态的状态显示子模块；

用于自动进行异常处理的异常处理子模块；

所述辅助功能模块的各个子模块用于保障PLC基本功能的正常运行。

如图5所示，所述基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统的运行方法，包括如下步骤：

步骤1：主任务初始化：包括安全控制运行系统时钟初始化、通信初始化、状态显示初始化、加载初始化、IO初始化、看门狗超时时间及任务周期初始化；

步骤2：喂狗：主任务每循环一次喂一次看门狗。每次下装时重新配置任务周期；

步骤3：写O数据：从数据区向DPRAM写需要改写的O数据；

步骤4：读I数据：从DPRAM将所有I数据读入数据区；

步骤5：运行*.nbp工程文件：根据现行状态是否为运行状态来确定是否执行*.nbp工程文件；

步骤6：安全控制运行系统与SC-ProSys模块通信：

步骤6.1：接收通信帧头：通过CRC校验判断通信帧头是否正确；

步骤6.2：接收通信帧数据：通过CRC校验判断通信帧数据是否正确，解析出通信服务编码；通信服务编码是自定义协议时为每个通信服务绑定的唯一编码；

步骤6.3：根据服务编码进行不同服务处理：根据编码进入相应分支进行处理，处理包括：加载运行、变量监视与修改、日志查询、诊断、登录、退出、开始、停止；

步骤7：运行周期控制：控制周期运行时间，保证任务执行为一个周期时间，如任务提前结束则需要主任务延时余下的时间。

如图6所示，所述上位机运行SC-ProSys模块，所述下位机运行安全控制运行系统系统。根据自定义的通信协议得到如下的上下位交互关系：

(1)所述上位机的SC-ProSys模块对下位机的安全控制运行系统能进行登录、监视、退出登录、退出监视、开始运行和停止运行服务；

(2)所述上位机的SC-ProSys模块将用于诊断的专家信息发送给下位机的安全控制运行系统，所述安全控制运行系统根据专家信息和日志信息进行比对，进行自诊断；

(3)所述SC-ProSys模块把PLC程序编译成*.nbp工程文件,将*.nbp工程文件下装到下位机，下位机的安全控制运行系统对*.nbp工程文件进行解析、初始化和存储；

(4)所述上位机的SC-ProSys模块发送状态查询命令，所述下位机的安全控制运行系统返回状态信息，也能作为通信心跳信号；

(5)所述SC-ProSys模块准备好写变量表，包括变量表基本信息和改写的值，发送给下位机，安全控制运行系统接收到所述写变量表后对变量进行改写；

(6)所述SC-ProSys模块定义一个监视变量表，传给下位机，下位机的安全控制运行系统收到变量表后，根据变量表进行数据采集；

(7)所述上位机发起读日志服务，下位机将日志返回，上位机存储起来；

(8)所述下位机将采集到的变量执行结果列表传回给上位机，上位机收到结果列表后，SC-ProSys模块进行展示结果。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统，其特征在于，包括：

用于作为所述安全控制运行系统的入口的主任务模块；

用于与上位机进行通信和信息交互的通信模块；

用于从PLC可执行*.nbp工程文件中解析出用户程序并运行所述用户程序的加载运行模块；

用于与现场设备进行IO通信的IO管理模块；

用于兼容IEC61131-3标准的外部库模块；

辅助功能模块；

用于用户逻辑组态程序自诊断的诊断模块；

用于保障所述安全控制运行系统的安全的冗余模块；

用于保障掉电时的数据安全的掉电保护模块；

用于兼容Modbus总线协议的Modbus模块；

所述主任务模块能分别调用加载运行模块、通信模块、IO管理模块、辅助功能模块、掉电保护模块和冗余模块；所述通信模块能分别调用加载运行模块、IO管理模块、诊断模块和Modbus模块；所述加载运行模块能调用外部库模块；

上位机中配置有用于PLC逻辑组态、网络组态、编译、登录、下装、监视变量、诊断的SC-ProSys模块，所述SC-ProSys模块为安全控制编程系统模块。

2.根据权利要求1所述的安全控制运行系统，其特征在于，所述安全控制运行系统位于下位机的CPU模块中，且通过TCP/IP或RS232接口与所述上位机相连。

3.根据权利要求2所述的安全控制运行系统，其特征在于，所述下位机为用于采集和传输原始数据的PLC，所述PLC由所述CPU模块、耦合器模块、模拟输入量模块、模拟输出量模块、数字输入量模块、数字输出量模块和末端模块组成，所述CPU模块、耦合器模块、模拟输入量模块、模拟输出量模块、数字输入量模块、数字输出量模块和末端模块分别通过同一个EtherCAT现场总线和现场设备相连。

4.根据权利要求3所述的安全控制运行系统，其特征在于，所述CPU模块包括基于SPARC架构的CPU，以及分别与所述基于SPARC架构的CPU连接的同步动态随机存储器、双口随机存取存储器、可编程只读存储器、总线扩展器、定时器、通用异步收发传输器、调试支持单元、模数转换单元、EtherNet单元、I2C串行总线。

5.根据权利要求4所述的安全控制运行系统，其特征在于，所述CPU模块还包括安全控制操作系统，所述安全控制操作系统包括安全内核、文件系统驱动单元、EtherCAT协议栈、以太网协议栈、运行周期控制时钟、硬件设备驱动单元，所述硬件设备驱动单元和安全内核相连，所述安全内核分别与文件系统驱动单元、EtherCAT协议栈、以太网协议栈、运行周期控制时钟相连。

6.根据权利要求3所述的安全控制运行系统，其特征在于，所述现场设备包括智能仪表、传感器和阀门。

7.根据权利要求1所述的安全控制运行系统，其特征在于，所述主任务模块中设有看门狗子模块；所述外部库模块设有符合IEC 61131-3标准的外部库接口；所述冗余模块采用基于双机热备的冗余架构。

8.根据权利要求1所述的安全控制运行系统，其特征在于，所述辅助功能模块包括：

用于辅助诊断错误的日志子模块；

用于通过不同的闪烁方式来体现系统状态的状态显示子模块；

用于自动进行异常处理的异常处理子模块。

9.权利要求1-8任一项所述的基于SPARC架构CPU的PLC嵌入式实时安全控制运行系统的运行方法，包括如下步骤：

步骤1：主任务初始化：包括安全控制运行系统时钟初始化、通信初始化、状态显示初始化、加载初始化、IO初始化、看门狗超时时间及任务周期初始化；

步骤2：喂狗：主任务每循环一次喂一次看门狗，每次下装时重新配置任务周期；

步骤3：写输出数据：从数据区向双口随机存取存储器写需要改写的输出数据；

步骤4：读输入数据：从双口随机存取存储器将所有输入数据读入数据区；

步骤5：运行*.nbp工程文件：根据现行状态是否为运行状态来确定是否执行*.nbp工程文件；

步骤6：安全控制运行系统与SC-ProSys模块通信：

步骤6.1：接收通信帧头：通过CRC校验判断通信帧头是否正确；

步骤6.2：接收通信帧数据：通过CRC校验判断通信帧数据是否正确，解析出通信服务编码；通信服务编码是自定义协议时为每个通信服务绑定的唯一编码；

步骤6.3：根据服务编码进行不同服务处理：根据编码进入相应分支进行处理，处理包括：加载运行、变量监视与修改、日志查询、诊断、登录、退出、开始、停止；

步骤7：运行周期控制：控制周期运行时间，保证任务执行为一个周期时间，如任务提前结束则需要主任务延时余下的时间。