CN105955179B - 一种一体式小型plc及其扩展io模块的自动识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式小型PLC及其扩展IO模块的自动识别方法。PLC包括设有2个工业实时以太网端口的核心板、设有1个现场总线端口的IO板。工业实时以太网端口和现场总线端口在APP层具有世代性：在应用层的代码一致，而在通讯设备驱动层的代码不同。现场总线端口共10条线：2条线用于数据通讯而为通信总线；4条线用于地址分配；4条线用于给多个扩展IO模块供电的+5V、+12V以及两个GND地线。每个扩展IO模块的电源线和地址线采用级联的方式，PLC通过4根地址线自动识别多个扩展IO模块。本发明还公开PLC的扩展IO模块的自动识别方法。

Description

一种一体式小型PLC及其扩展IO模块的自动识别方法

技术领域

本发明涉及一种一体式小型PLC，尤其涉及一种兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC及其扩展IO模块的自动识别方法。

背景技术

可编程逻辑控制器(PLC)是一种专为在工业环境下应用而设计制造的数字运算操作电子系统。它是以微处理器为核心带有指令存储器和输入输出接口，将自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。

目前状态：一体式小型PLC的本体不同时具有工业实时以太网和现场总线。个别机型可以通过扩展单元扩展到以太网，而能扩展到工业实时以太网的就更少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼有工业实时以太网和现场总线的PLC及其扩展IO模块的自动识别方法，本发明能把工业实时以太网和现场总线技术同时运用到高性能一体式小型PLC的研发中。

本发明通过以下技术方案实现：一种兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC；所述PLC上设置有工业实时以太网端口2个、现场总线端口1个；所述PLC包括能相互通信的核心板、IO板；2个工业实时以太网设置在所述核心板上，1个现场总线设置在所述IO板上；所述工业实时以太网和所述现场总线在APP层具有世代性：在应用层的代码一致，而在通讯设备驱动层的代码不同；所述现场总线端口共10条线：2条线用于数据通讯而为通信总线，4条线用于地址分配，4条线用于给多个扩展IO模块供电的+5V、+12V以及两个GND地线；每个扩展IO模块的电源线和地址线采用级联的方式，所述PLC通过4根地址线自动识别多个扩展IO模块；

所述PLC通过4根地址线自动识别时，自动识别地址过程：

第一，所述PLC通过地址线连接的第1个连接的扩展IO模块，发送"0001"给第1个扩展IO模块，第1个扩展IO模块定义为model_0模块；

第二，model_0模块通过软件实现加'1'算法，构成model_0模块的地址自动生成器，得出加法和为4位'0010'地址，将此加法和地址输出到第二个扩展IO模块即model_1模块，同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_1模块连接成功；所述IO板使model_1模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第三，model_1模块的地址线连接的model_0模块的加法和地址，同样进行加'1'算法，生成第三个扩展IO模块地址，得加法和地址为4位'0011'，将此加法和地址输出到第三个扩展IO模块即model_2模块；同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_2模块连接成功；所述IO板使model_2模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第四，余下扩展IO模块同上面的连接方式和识别方式，以此类推；

其中，所述核心板上还有微控制器组合，所述微控制器组合是MCU与FPGA集成在一个芯片内部，MCU上运行RTOS，RTOS上运行PLC应用层、工业实时以太网应用层、现场总线应用层和设备描述、诊断这些C程序，FPGA上固化工业实时以太网和现场总线的IP核，负责工业实时以太网和现场总线的MAC通信及驱动，IP核内有MACRO宏处理器，负责IP核内的介质访问、交换机切换、数据缓冲，FPGA上的IP核与RTOS上的MCU通过片内高速总线通讯，FPGA上的IP核通过介质接口访问物理层。

作为上述方案的进一步改进，所述PLC还包括分别对所述核心板与所述IO板供电的电源板。

作为上述方案的进一步改进，所述IO板上还设置有2个RS232或RS485或USB或INTERNET网端口。

作为上述方案的进一步改进，所述核心板与所述IO板采用板间BUS通信。

作为上述方案的进一步改进，MCU与FPGA各自占用一个芯片，两个芯片之间采用SPI或并行或PCI或PCIe数据通讯以交换信息。

作为上述方案的进一步改进，所述IO板还包括输入/输出电路和输入/输出端子。

本发明提供一种自动识别方法，其应用于上述任意兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC中，所述PLC通过4根地址线自动识别时，所述自动识别方法包括：

第一，所述PLC通过地址线连接的第1个连接的扩展IO模块，发送"0001"给第1个扩展IO模块，第1个扩展IO模块定义为model_0模块；

第二，model_0模块通过软件实现加'1'算法，构成model_0模块的地址自动生成器，得出加法和为4位'0010'地址，将此加法和地址输出到第二个扩展IO模块即model_1模块，同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_1模块连接成功；所述IO板使model_1模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第三，model_1模块的地址线连接的model_0模块的加法和地址，同样进行加'1'算法，生成第三个扩展IO模块地址，得加法和地址为4位'0011'，将此加法和地址输出到第三个扩展IO模块即model_2模块；同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_2模块连接成功；所述IO板使model_2模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第四，余下扩展IO模块同上面的连接方式和识别方式，以此类推。

本发明能把工业实时以太网和现场总线技术同时运用到高性能一体式小型PLC的研发中，可以广泛满足逻辑控制、运动控制、过程控制的数据处理和通信联网等方面的应用，使得一体式小型PLC兼有工业实时以太网和现场总线，并能通过4根地址线自动识别扩展IO模块的。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的一体式小型PLC的结构示意图。

图2为图1中一体式小型PLC的一种实现形式图。

图3为图1中一体式小型PLC的另一种实现形式图。

图4为图2中一体式小型PLC的具体组合例图。

图5为图4中一体式小型PLC的总体硬件实施例图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，本发明的一体式小型PLC兼有工业实时以太网和现场总线，PLC1包括电源板5、核心板6、IO板7。电源板5接受输入电源信号并生成规定电压等级的直流电源，为核心板6和IO板7上的电路供电。核心板6与IO板7能相互通信，核心板6与IO板7之间是通讯和供电用的板间BUS。

在PLC1上，工业实时以太网占用2个端口(端口也即接口的意思)、现场总线占用1个端口，另外还有RS232或RS485或USB或INTERNET网占2个端口。也就是说，在PLC1上，设置有2个工业实时以太网端口2、1个现场总线端口4、2个RS232或RS485或USB或INTERNET网端口3。RS232或RS485或USB或INTERNET网占2个端口，端口可以是RS232或RS485或USB或INTERNET，任选其中的1～2个，用途是编程口、连接上位机、连接屏。

通过2个工业实时以太网端口2的工业实时以太网，PLC1可以组成任意符合规范的星形网络、环状网络、菊花链网络，比如，带有2口Powerlink(一种基于工业以太网技术的自动化总线及标准)的PLC，可以与其它Powerlink设备组成符合Powerlink规范的星形网络、环状网络、菊花链网络，从而实现远程IO扩展，设备远程诊断、监控和操作。

通过1个现场总线端口4的现场总线，PLC1能实现本地IO扩展，可以在近场范围内扩展一系列功能模块，诸如，扩展数字量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块、计数器模块等。自动识别模块的地址，并根据该地址自动配置模块的现场总线ID号码。一个PLC本体能通过现场总线同时加载的IO模块数量是有限的，同时PLC本体通过现场总线与IO模块通讯的方式，详见本公司的专利2015209787.2；201510863641.4；2015209787.2；201510863641.4。

IO板7上安装有输入输出电路和输入输出端子，1个现场总线端口4、2个RS232或RS485或USB或INTERNET网端口3均设置在IO板7上。2个工业实时以太网端口2设置在核心板6上。用于PLC的工业实时以太网和现场总线必须满足在APP层(OSI模型的APP层)具有世代性，工业实时以太网的APP协议栈采用现场总线的APP协议栈演变而来，它们在应用层的代码一致，只是在通讯设备驱动层的代码不同。比如工业实时以太网Powerlink与现场总线CANopen，或工业实时以太网Profinet与现场总线Profibus，或工业实时以太网Ethercat与现场总线CANopen，或工业实时以太网SERCOS III与现场总线SERCOS I/II，或工业实时以太网MODbus-TCP与现场总线MODbus，或工业实时以太网CCLINK IE与现场总线CCLINK等。

核心板6上还有微控制器组合8(MCU+FPGA)、SRAM、flash、指示灯电路。核心板6上的现场总线端口4共10条线：2条线用于数据通讯DATA，4条线用于地址分配ADD，4条线用于给扩展IO模块供电POWER。需要重点说明的是，核心板6上的微控制器组合8(MCU+FPGA)，这个组合的不同搭配，会产生不同的效果和性能。

组合1可以是MCU与FPGA(可编程逻辑单元)集成在一个芯片内部，如图2所示，即SoC ASIC或SoC FPGA，比如smartfusion2、ZYNQ7000、Altera SoC。MCU核与FPGA，集成在一个SoC中，MCU上运行RTOS，RTOS上运行PLC应用层、APP应用层、和设备描述、诊断等C程序。MCU核还负责左侧的5个框内的功能。FPGA上固化IP核，工业实时以太网和现场总线的IP核，负责工业实时以太网和现场总线的MAC通信及驱动，IP核是用硬件描述语言编写的一段程序(如VHDL、system C、VERILOG)IP核内有MACRO(是一种精简了很多不相关功能的微控制器IP core，只保留与应用有关的功能)宏处理器，负责IP核内的介质访问、交换机切换、数据缓冲。FPGA上的IP核与RTOS上的MCU通过片内高速总线(如AHB)通讯。FPGA上的IP核通过RMII、MII等介质接口访问物理层。

在组合1的架构中集成了基于ARM(或INTEL×86CPU或MIPS CPU)的硬核处理器系统(MCU)，包括处理器、外设和存储器接口。它同时实现了硬核知识产权(IP)的性能和低功耗特性，以及可编程逻辑的灵活性。

另一种组合2是MCU与FPGA分开，如图3所示，各自占用一个芯片。芯片和芯片之间要采用数据通讯才可以交换信息。MCU与FPGA分开，单独的元件，组合更丰富多彩。与组合1的区别在于，组合2的FPGA上的IP核与RTOS上的MCU通过片间总线通讯，(比如SPI、并口通讯、PCI、PCIe等)

组合1的由于MCU和FPGA采用片内高速总线(比如AXI、AHB等)，因而性能最优；组合2必须采用芯片与芯片间通讯的方法(比如SPI、并口通讯、PCI、PCIe等)才可以保证MCU和FPGA交换数据，因而性能不如组合1，但元器件选择的范围会相当地广泛。

以兼有工业实时以太网Powerlink和现场总线CANopen的一体式PLC为例，如图4所示，Cortex M3MCU核与FPGA，集成在一个SoC FPGA Smartfusion2中，Cortex M3上运行RTOSecOS，ecOS上运行PLC应用层、APP应用层、和设备描述、诊断等C程序。Cortex M3MCU核还负责左侧的5个框内的功能。FPGA上固化IP核，Powerlink工业实时以太网和现场总线CANopen的IP核，负责工业实时以太网和现场总线的通信及驱动，IP核是用硬件描述语言编写的一段程序(如VHDL、system C、VERILOG)IP核内有MACRO宏处理器，负责IP核内的介质访问、交换机切换、数据缓冲。FPGA上的IP核与ecOS上的Cortex M3通过片内高速总线AHB通讯。FPGA上的IP核通过RMII、MII等介质接口访问媒体控制器+物理层。

与图4对应的PLC在应用时，其硬件框架实施例如图5所示。现场总线端口4的10根扩展线的应用及扩展方法：采用通信总线+地址线将两部分连接起来。从PLC的IO板直接引出CANopen现场总线，每个扩展模块通过自身的CAN接口挂接在CANopen现场总线上，每个扩展模块的电源线和地址线采用级联的方式。4根电源线包括+5V、+12V以及两个GND地线，另外4根为地址线。

通过4根地址线自动识别扩展IO模块的，自动识别地址过程如下。

第一，PLC通过地址线第1个连接的扩展IO模块，发送"0001"给第1个扩展IO模块(model_0模块，图5中的扩展模块1)。备注:此处不发送'0000'或者'1111'是防止与管脚不连接时冲(有些管脚默认为'0000'或者'1111')。

第二，model_0模块通过软件实现加'1'算法，构成PLC扩展模块地址自动生成器，得出加法和为4位'0010'地址。将此加法和地址输出到第二个扩展IO模块(model_1模块，图5中的扩展模块2)。同时该地址补位若不为'0000'和'1111'表示该模连接成功。扩展IO模块M3处理器输出某值，使该模块的有效指示灯点亮，并反馈给PLC核心板一个有效标志位。

第三，model_1模块的地址线连接的model_0模块的加法和地址，同样进行加'1'算法，生成扩展模块地址，得加法和地址为4位'0011'，将此加法和地址输出到第三个扩展IO模块(model_2模块，图5中的扩展模块3)。同时该地址补位若不为'0000'和'1111'表示该模连接成功。扩展IO模块M3处理器输出某值，使该模块的有效指示灯点亮，并反馈给PLC核心板一个有效标志位。

第四，余下模块同上面的连接方式和识别原理是一样的，以此类推。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC；其特征在于：所述PLC上设置有工业实时以太网端口2个、现场总线端口1个；所述PLC包括能相互通信的核心板、IO板；2个工业实时以太网设置在所述核心板上，1个现场总线设置在所述IO板上；所述工业实时以太网和所述现场总线在APP层具有世代性：在应用层的代码一致，而在通讯设备驱动层的代码不同；所述现场总线端口共10条线：2条线用于数据通讯而为通信总线，4条线用于地址分配，4条线用于给多个扩展IO模块供电的+5V、+12V以及两个GND地线；每个扩展IO模块的电源线和地址线采用级联的方式，所述PLC通过4根地址线自动识别多个扩展IO模块；

所述PLC通过4根地址线自动识别时，自动识别地址过程：

第一，所述PLC通过地址线连接的第1个连接的扩展IO模块，发送"0001"给第1个扩展IO模块，第1个扩展IO模块定义为model_0模块；

第二，model_0模块通过软件实现加'1'算法，构成model_0模块的地址自动生成器，得出加法和为4位'0010'地址，将此加法和地址输出到第二个扩展IO模块即model_1模块，同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_1模块连接成功；所述IO板使model_1模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第三，model_1模块的地址线连接的model_0模块的加法和地址，同样进行加'1'算法，生成第三个扩展IO模块地址，得加法和地址为4位'0011'，将此加法和地址输出到第三个扩展IO模块即model_2模块；同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_2模块连接成功；所述IO板使model_2模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第四，余下扩展IO模块同上面的连接方式和识别方式，以此类推；

其中，所述核心板上还有微控制器组合，所述微控制器组合采用MCU与FPGA组合实现，MCU上运行RTOS，RTOS上运行PLC应用层、工业实时以太网应用层、现场总线应用层和设备描述、诊断这些C程序，FPGA上固化工业实时以太网和现场总线的IP核，负责工业实时以太网和现场总线的MAC通信及驱动，IP核内有MACRO宏处理器，负责IP核内的介质访问、交换机切换、数据缓冲， FPGA上的IP核通过介质接口访问物理层；

MCU与FPGA集成在一个芯片内部，FPGA上的IP核与RTOS上的MCU通过片内高速总线通讯，或者MCU与FPGA各自占用一个芯片，两个芯片之间采用SPI或并行或PCI或PCIe数据通讯以交换信息。

2.如权利要求1所述的兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC，其特征在于：所述PLC还包括分别对所述核心板与所述IO板供电的电源板。

3.如权利要求1所述的兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC，其特征在于：所述IO板上还设置有2个RS232或RS485或USB或INTERNET网端口。

4.如权利要求1所述的兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC，其特征在于：所述核心板与所述IO板采用板间BUS通信。

5.如权利要求1所述的兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC，其特征在于：所述IO板还包括输入/输出电路和输入/输出端子。

6.一种扩展IO模块的自动识别方法，其应用于如权利要求1至5中任意一项所述的兼有工业实时以太网和现场总线的一体式小型PLC中，其特征在于：所述PLC通过4根地址线自动识别时，所述自动识别方法包括：

第一，所述PLC通过地址线连接的第1个连接的扩展IO模块，发送"0001"给第1个扩展IO模块，第1个扩展IO模块定义为model_0模块；

第二，model_0模块通过软件实现加'1'算法，构成model_0模块的地址自动生成器，得出加法和为4位'0010'地址，将此加法和地址输出到第二个扩展IO模块即model_1模块，同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_1模块连接成功；所述IO板使model_1模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第三，model_1模块的地址线连接的model_0模块的加法和地址，同样进行加'1'算法，生成第三个扩展IO模块地址，得加法和地址为4位'0011'，将此加法和地址输出到第三个扩展IO模块即model_2模块；同时此地址补位若不为'0000'和'1111'表示model_2模块连接成功；所述IO板使model_2模块的有效指示灯点亮，并反馈给所述核心板一个有效标志位；

第四，余下扩展IO模块同上面的连接方式和识别方式，以此类推。