CN106292504A - 聚变装置plc集群消息共享系统 - Google Patents

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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
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Abstract

本发明涉及磁约束受控核聚变装置的逻辑控制和安全保护领域，具体公开一种聚变装置PLC(可编程逻辑控制器)集群消息共享系统，包括用于实现聚变装置逻辑及安全控制的PLC集群，所述PLC集群包括需要共享消息的若干PLC，所述聚变装置PLC集群消息共享系统还包括与所述PLC数量相等且一一对应的交换机，每台所述PLC和与其对应的所述交换机连接且所有所述交换机依次连接成环形成PLC通讯环网，每个所述PLC均连接一台上位机。本发明可以解决现有的PLC集群采用铜缆信号线直接连接的通信方式带来的信号线数量大、无法了解详细信息、无法实现点对面的通信、扩展性差等等一些列的问题，进而提供一种能够克服前述问题的PLC集群的消息共享系统。

Description

聚变装置PLC集群消息共享系统
技术领域
本发明涉及磁约束受控核聚变装置的逻辑控制和安全保护领域，尤其涉及一种聚变装置PLC(可编程逻辑控制器)集群消息共享系统。
背景技术
在磁约束受控核聚变装置中，存在很多子系统，例如典型的存在电机系统、电源系统、诊断系统、真空系统、冷却系统、中性束系统、电子回旋系统、等离子体控制系统、数据采集系统、网络系统、真空系统、送气系统、中央控制系统等等，并且这些系统均分散在实验区域的各个现场，为了实现成功的等离子体放电实验，需要将所有的子系统同时协调的参与进来，并且需要保证在放电实验过程之前、放电过程中、放电之后以及实验某个系统出现问题的时候，所有的子系统按照预设的逻辑顺序动作，进行协调配合和保护，这就使得各个子系统上有大量的逻辑上的操作必须及时处理，同时大量的逻辑结果必须及时地上传到同级或者上一级进行高级的逻辑分析并进行各子系统之间的协调操作，这样才能够保证各个子系统以及整个装置运行的总体逻辑上的正确以及保证整个装置在等离子体放电实验期间，参与实验的各种人员和各种设备的安全。
进行逻辑协调和装置保护的最典型的并且实现了商用的设备是PLC，常规的做法是，按照功能和地理的位置在每个系统设置一个到多个PLC，连接本系统当地的所有需要进行逻辑和保护控制的设备，对本地的逻辑信号进行与或者并的逻辑计算，进行本系统的逻辑和保护控制，并将结果发送到需要进行通讯的其他的PLC。特别的，一般均存在一个中央的PLC，对从各个子系统的PLC传递过来的消息进行综合性的逻辑分析和判断并向整个的PLC系统的发送相关的指令来协调各个子系统的动作。
与一般的小型装置不同的是，参与磁约束受控核聚变实验的系统和设备非常多，因此，在聚变装置中，整个装置内部按照功能存在有大量的PLC，这些大量的PLC组成了一个PLC集群，共同实现整个装置的逻辑控制和安全保护功能。在这个PLC集群内部各个PLC之间，存在大量的逻辑和安全信号的实时通讯需求，并且存在PLC集群外部的系统需要实时获取PLC集群内部的信息的需求。当PLC集群内部的通讯信息和需要对外部共享的信息数量变得十分庞大的时候，高效的信息共享的方式就成为一个必须面对的问题。
但是目前一般实现PLC集群内部通讯的方式是采用铜缆信号线直接连接，这种方式在小型的系统中不会存在大的问题，但是在核聚变装置这种大规模的PLC集群中，则存在下述一系列的问题：
1、一个信号对应一根信号线，各子系统之间特别是中央PLC与各个子系统的PLC进行通讯的信号线非常多，很容易达到几十甚至上百的规模，这个就意味着需要铺设大量的电缆信号线，一旦某根信号线出现问题，维护排查变得很困难；
2、因为信号线的总的数量有限，所以一般PLC之间只能够了解大致总结性的内容，无法了解对方详细的内部信息。例如，在做实验的时候，可能知道某个系统出了故障，但是当需要具体详细了解这个系统的出故障的原因细节的时候，则力不从心，因为拉的信号线个数不够；
3、电缆信号线是点对点的通讯，无法实现点对面的通讯，即一个消息无法让所有的PLC全部都知道；
4、所有的PLC群内部的信息，全部是在PLC群内部流通，无法将这些信息共享到非PLC群管理员之外，某些PLC群内部的信息对于整个装置的运行是非常有必要的，即PLC群外部的系统需要这些信息做进一步的分析和处理。
5、在聚变实验的强电磁背景噪声的情况下，很容易出现信号干扰，导致出现误动作。
6、当需要增加新的消息的时候，需要设置新的信号线，因为不同PLC之间的地理位置较远，并且实验区域空间紧张，导致信号线布设困难，即扩展性和可维护性较差。
因此，有必要开发一套新的方法和新的系统，来克服上述的这些问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有的PLC集群采用铜缆信号线直接连接的通信方式带来的信号线数量大、无法了解详细信息、无法实现点对面的通信、扩展性差等等一些列的问题，进而提供一种能够克服前述问题的PLC集群的消息共享系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
聚变装置PLC集群消息共享系统，包括用于实现聚变装置逻辑及安全控制的PLC集群，所述PLC集群包括需要共享消息的若干PLC，所述聚变装置PLC集群消息共享系统还包括与所述PLC数量相等且一一对应的交换机，每台所述PLC和与其对应的所述交换机连接且所有所述交换机依次连接成环形成PLC通讯环网，每个所述PLC均连接一台上位机，每台所述上位机根据配置信息，将与其连接的所述PLC上的、需要在所述PLC通讯环网上通讯的PLC变量通过所述交换机在所述PLC通讯环网上进行传递，并且指明通讯的对象。
所述PLC集群中的一台所述PLC为中央PLC，所述聚变装置PLC集群消息共享系统还包括转换工作站，所述转换工作站包括依次相连的OPC服务器、OPC-EPICS转换器、EPICS服务器，所述OPC服务器经以太网与所述中央PLC连接，所述EPICS服务器通过以太网将信息共享出去在所述EPICS服务器上设置有数据库，所述数据库中设置有与所述PLC集群中的所有需要外部共享的PLC变量对应的PV变量列表，设置所述PLC上需要外部共享的PLC变量在所述PLC通讯环网上的通讯对象为所述中央PLC，所述OPC服务器读取所述中央PLC上的PLC变量发送至OPC-EPICS转换器转换成对应的PV变量存储至所述EPICS服务器上并向外发布。
所述OPC-EPICS转换器将所述OPC服务器读取的所述PLC通讯环网的PLC变量的值直接写入到所述EPICS服务器上所述数据库中相应的PV变量列表中。
所述OPC-EPICS转换器上设置有DCS模块，所述DCS模块通过DataSoket协议与所述OPC服务器建立连接，实现对所述OPC服务器读取的PLC变量的实时监控，当所述OPC服务器读取的某个PLC变量的值发生变化时，将变化的值写入到所述EPICS服务器上对应的PV变量的值中。
所述EPICS服务器通过CA协议将所有的PV变量实现向外发布，使EPICS客户端能够监测EPICS服务器PV变量的值的变化，并在PV变量的值发生变化时进行读取。
所述PLC通讯环网中的内部通讯是采用数据块的方式，一次发送一组数据。
所述交换机通过光纤连接。
任意两个相邻的所述交换机之间存在两对光纤。
所有所述交换机全部并联至同一个独立供电电源上。
每个所述PLC和与其对应的所述交换机采用RJ45的网线连接，所述上位机采用wincc工作站。
本发明的有益效果如下：
本发明的PLC集群的消息共享系统，将PLC集群内所有的PLC通过光纤互联组成一个高度可靠、拓扑结构十分简单的PLC环网，各PLC的消息均可以通过Profinet协议实现网内单个或者所有节点共享，且网内所有需要对外共享的消息通过OPC协议实时的转化为EPICS(Experimental Physics and Industrial ControlSystem，实验物理及工业控制系统)系统中对应的Process Variable(PV)的值，所有的EPICS客户端均可以第一时间通过EPICS CA协议收到整个PLC通讯环网内部的PLC消息，从而实现PLC集群内部的信息向外部的共享功能，同时PLC集群网内消息共享传输时间和对外消息共享的时间满足对应的需求。
附图说明
图1为本发明的聚变装置PLC集群消息共享系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果进一步进行说明。
参见附图1，本发明的聚变装置PLC集群消息共享系统，包括用于实现聚变装置逻辑及安全控制的PLC集群，PLC集群包括需要共享消息的若干PLC，聚变装置PLC集群消息共享系统还包括与PLC数量相等且一一对应的交换机，每台PLC和与其对应的交换机连接且所有交换机依次连接成环形成PLC通讯环网，每个PLC均连接一台上位机。
每台上位机根据配置信息，将与其连接的PLC上的、需要在PLC通讯环网上通讯的PLC变量通过交换机在PLC通讯环网上进行传递，并且指明通讯的对象，从而实现任一PLC上的变量在PLC通讯环网上其它各PLC之间的自由共享，在环网内部点对点的传递的信息不受数量的限制，可以获得每个PLC内部的详细信息，而且当需要增加新的PLC通讯环网上各PLC之间的连接时，不需要布线，直接在相关上位机的软件中进行配置即可，具有极强的扩展性和可维护性。
为了使PLC集群外部的系统能够共享到PLC集群内部的信息，本发明中将PLC集群中的一台PLC设置为中央PLC，并设置转换工作站，转换工作站包括依次相连的OPC服务器、OPC-EPICS转换器、EPICS服务器，OPC服务器经以太网与中央PLC连接，EPICS服务器通过以太网将信息共享出去。
在EPICS服务器上设置有数据库，数据库中设置有与PLC集群中的所有需要外部共享的PLC变量对应的PV变量列表，设置PLC上需要外部共享的PLC变量在PLC通讯环网上的通讯对象为中央PLC，OPC服务器读取中央PLC上的PLC变量发送至OPC-EPICS转换器转换成对应的PV变量存储至EPICS服务器上并向外发布，从而PLC集群的消息可以通过EPICS的CA协议在PLC通讯环网以外方便获得。
本发明中通过EPICS服务器的设置，不仅能够实现PLC集群内部的信息向集群外的共享，而且EPICS通讯协议的服务器，还可以实现对PLC通讯环网的隔离和保护，即外界不能操作PLC系统。
为了提高信息的存储速度，本发明中的OPC-EPICS转换器将OPC服务器读取的PLC通讯环网的PLC变量的值直接写入到EPICS服务器上数据库中相应的PV变量列表中，这种方法下没有通讯的过程，直接写EPICS服务器端内存，从而大大提高的存储速度。
本发明中，通过DataSoket通讯协议和CA(Channel Access)协议对PLC变量和PV变量实现实时监控与读写，将PLC环网内部的消息转化为EPICS消息共享，具体的：
OPC-EPICS转换器上设置有DCS模块，DCS模块通过DataSoket协议与OPC服务器建立连接，实现对OPC服务器读取的PLC变量的实时监控，当OPC服务器读取的某个PLC变量的值发生变化时，将变化的值写入到EPICS服务器上对应的PV变量的值中；
EPICS服务器通过CA协议将所有的PV变量实现向外发布，使EPICS网络中的客户端能够监测EPICS服务器PV变量的值的变化，并在PV变量的值发生变化时进行读取。
为了提高通讯效率，本发明中，PLC通讯环网中的内部通讯可以采用数据块的方式，一次发送一组数据。
为了使本发明的聚变装置PLC集群消息共享系统的通信不受强电磁背景噪声的干扰，本发明中的交换机通过光纤连接。
本发明的结构下，通过使任意两个相邻的交换机之间存在两对光纤。从而使本发明中的PLC通讯环网具有很强的冗余度，在环网中断后，网络重组时间最大为0.3s，保证了环网快速响应、快速传输、广泛灵活的特点。从而，本发明中只需要与PLC的总个数的2倍的光纤，就可以实现用大量铜缆信号线才能实现的功能。
本发明中，将所有交换机全部并联至同一个独立供电电源上，不是使用当地的PLC电源，从而保证在聚变装置等离子体实验期间，所有的交换机均能正常工作，从而保证环网是通畅的。
具体实施时，根据采用的PLC的具体型号，可以使每个PLC和与其对应的交换机采用RJ45的网线连接，并可以采用wincc工作站作为上位机。
综上，本发明的聚变装置PLC集群消息共享系统将所有的参与实验的PLC用光纤连接成一个环网，所有的信息均可以在环网内高速传播和共享，通讯的消息个数不受限制，并且环网内部的消息可以转化成EPICS消息在环网外进行共享，使得实验网内的各个系统能在实时得到其想要的任何PLC环网内部的信息。下面解决一个具体实施例对本发明的技术方案进行说明，本实施例中：
1、在PLC集群的每个PLC上均配置交换机，其中所有的PLC均采用西门子系列的产品，所有的PLC均配备西门子的交换机，该西门子的PLC产品采用wincc工作站作为上位机；
2、将西门子的交换机的RJ45口用网线与PLC的网口相连接；
3、将PLC环网内部所有的交换机并联在同一个24V的电源上，而不是使用当地的PLC电源，保证在聚变装置等离子体实验期间，所有的交换机均能正常工作，从而保证环网是通畅的；
4、将PLC集群内部的所有交换机依次用光纤进行依次连接成环，最终保证每两个交换机之间存在两对光纤，用于维持整个网络的冗余度，即当一对主光纤出现问题的时候，备用光纤可以在很短的时间内投入使用，从而保证整个网络的通畅；各PLC之间通讯采用S7连接和PROFINET协议；PLC之间采用系统功能块(SFB12和SFB13)进行DB块数据传输；
5、在PLC集群内部的所有的PLC子系统上，在wincc工作站上进行配置，将PLC与交换机在软件上进行相连接，将需要进行环网内部通讯的变量通过交换机放到环网上并且指明通讯的对象，利用Profinet协议实现环网内部的自由通讯；
6、在PLC集群的每个PLC对应的wincc工作站上操作，将所有需要对外共享的变量通过同样的方式发送到中央PLC；
7、使用一台转换工作站，这台工作站通过以太网连接到中央PLC上，并通过以太网将信息发送出去；
8、西门子的PLC上位机上提供对外的专用OPC协议接口，在转换工作站上利用Labview建立OPC服务器，并通过OPC协议与中央PLC进行连接，实时获取所有的PLC环网内部消息，将中央PLC中包含的PLC环网需要对外共享的内部变量全部读入到本地OPC服务器上；
9、在此转换工作站上，利用LabVIEW建立起EPICS服务器，充当独立的IOC(I/O Controller)，PLC通讯环网内部所有的消息从这里向PLC通讯环网外部发布，具体的，在EPICS服务器上导入与PLC变量对应的PV列表，通过EPICSCA协议将所有的PV变量向外实现发布；
10、在转换工作站上，利用NI(美国国家仪器有限公司)DSC(数据记录与监控)模块作为OPC-EPICS转换器，通过DataSoket协议与OPC服务器建立连接，对PLC变量实时监控，一旦某个PLC的值有变化，立即将变化的值写入到对应的EPICS服务器上的PV的值中，从而建立起PLC环网消息与EPICS的PV之间的联动机制；11、网络上所有的EPICS客户端均可以实时检测到这台EPICS服务器上的PV值的改变，并作出对应的处理动作，达到PLC环网对外共享目的。
11、最终实现PLC环网内DB块消息传输的时间在10毫秒以内，满足PLC环网内的通讯逻辑运行和安全保护对时间的需求；每个PLC变量转成PV值所需要的耗时在40微秒以内，满足PLC环网外部所需要的处理的时间需求。

Claims (10)

1.聚变装置PLC集群消息共享系统，包括用于实现聚变装置逻辑及安全控制的PLC集群，所述PLC集群包括需要共享消息的若干PLC，其特征在于：所述聚变装置PLC集群消息共享系统还包括与所述PLC数量相等且一一对应的交换机，每台所述PLC和与其对应的所述交换机连接且所有所述交换机依次连接成环形成PLC通讯环网，每个所述PLC均连接一台上位机，每台所述上位机根据配置信息，将与其连接的所述PLC上的、需要在所述PLC通讯环网上通讯的PLC变量通过所述交换机在所述PLC通讯环网上进行传递，并且指明通讯的对象。
2.如权利要求1所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：所述PLC集群中的一台所述PLC为中央PLC，所述聚变装置PLC集群消息共享系统还包括转换工作站，所述转换工作站包括依次相连的OPC服务器、OPC-EPICS转换器、EPICS服务器，所述OPC服务器经以太网与所述中央PLC连接，所述EPICS服务器通过以太网将信息共享出去在所述EPICS服务器上设置有数据库，所述数据库中设置有与所述PLC集群中的所有需要外部共享的PLC变量对应的PV变量列表，设置所述PLC上需要外部共享的PLC变量在所述PLC通讯环网上的通讯对象为所述中央PLC，所述OPC服务器读取所述中央PLC上的PLC变量发送至OPC-EPICS转换器转换成对应的PV变量存储至所述EPICS服务器上并向外发布。
3.如权利要求2所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：所述OPC-EPICS转换器将所述OPC服务器读取的所述PLC通讯环网的PLC变量的值直接写入到所述EPICS服务器上所述数据库中相应的PV变量列表中。
4.如权利要求3所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：所述OPC-EPICS转换器上设置有DCS模块，所述DCS模块通过DataSoket协议与所述OPC服务器建立连接，实现对所述OPC服务器读取的PLC变量的实时监控，当所述OPC服务器读取的某个PLC变量的值发生变化时，将变化的值写入到所述EPICS服务器上对应的PV变量的值中。
5.如权利要求4所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：所述EPICS服务器通过CA协议将所有的PV变量实现向外发布，使EPICS客户端能够监测EPICS服务器PV变量的值的变化，并在PV变量的值发生变化时进行读取。
6.如权利要求,5所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：所述PLC通讯环网中的内部通讯是采用数据块的方式，一次发送一组数据。
7.如权利要求6所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：所述交换机通过光纤连接。
8.如权利要求7所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：任意两个相邻的所述交换机之间存在两对光纤。
9.如权利要求8所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：所有所述交换机全部并联至同一个独立供电电源上。
10.如权利要求1至9中任一项所述聚变装置PLC集群消息共享系统，其特征在于：每个所述PLC和与其对应的所述交换机采用RJ45的网线连接，所述上位机采用wincc工作站。
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