CN111314228B - 一种支持时间敏感网络功能的plc控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，其包括电源模块、时钟模块、与以太网进行互连用于接收或发送具有TSN功能的数据信息的以太网接口、与TSN转换模块之间进行数据交互的中央处理模块以及TSN转换模块，其发送来自中央处理模块的数据帧和接收来自以太网接口的数据帧，并对其进行识别；对于来自于中央处理模块的非TSN数据帧，直接由中央处理模块进行提取数据，TSN转换模块将数据转换为TSN数据帧后发送出去；对于来自以太网接口的TSN数据帧，则将其进行数据解析后再发送给中央处理模块，中央处理模块提取数据发送给输出模块执行。本发明有效地提高数据传输可靠性。

Description

一种支持时间敏感网络功能的PLC控制系统
技术领域
本发明涉及可编程逻辑控制器以及以太网通信领域，具体涉及一种支持时间敏感网络（以下简称TSN）功能的PLC控制系统。
背景技术
近十几年来，随着工业对于以太网应用的需求日益激增，对网络的带宽及服务质量提出了更高的要求。由于以太网原本只设计用于处理纯粹的静态非实时数据和保证其可靠性，至于顺序和包延迟等并非作为重要的考虑因素。现代生产制造企业的运营往往横跨IT和OT基础设施，通常涵盖成千上万的设备，PLC控制系统往往通过多种复杂的现场总线连接，造成布置复杂并且成本较高，传统的PLC控制系统存在传输带宽低、传输延时和抖动大的特点，延缓并阻碍工业互联网的发展。
智能制造的发展离不开底层的控制器，需要建设一个提供确定性时延、抖动和低分组丢失率，为用户提供更好服务质量的可靠网络。
发明内容
针对现有的PLC控制系统存在的布局复杂、传输带宽低和传输延时较高的问题，本发明提出一种支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，具体技术方案如下：
一种支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，所述的PLC控制系统包括：
电源模块，为PLC控制系统正常运行提供电源，控制电源的上下电时序，监控电源的工作状态；
时钟模块，为PLC控制系统提供时钟源, 提供微秒级的同步时钟；
以太网接口，与以太网进行互连，用于接收或者发送数据信息；
中央处理模块，用于I/O模块的数据采集、与TSN转换模块之间进行数据交互；
TSN转换模块，发送来自中央处理模块的数据帧和接收来自以太网接口的数据帧，并对其进行识别；对于来自于中央处理模块的非TSN数据帧，直接由所述的中央处理模块进行提取数据，TSN转换模块将数据转换为TSN数据帧后发送出去；对于来自以太网接口的TSN数据帧，则将其进行数据解析后再发送给中央处理模块，中央处理模块提取数据发送给输出模块执行，来自以太网接口的非TSN数据帧直接由中央处理模块提取数据发送给输出模块执行。
进一步地，所述的TSN转换模块包括：
集中式网络控制器接口，其用于配置所述的PLC控制系统的流量参数，并将其放在时间敏感流需求项中；还用于获取客户的自定义需求配置；
时间敏感流需求项，其为描述和控制工业端站点的流量的信息存储库，其读取预定的配置信息发送给以太网接口，并控制管理传输的流量，还用于通过集中式网络控制接口将配置信息发送出去，通过外接的网络控制系统进行计算和规划传输方案；
网络接口，支持帧抢占和对TSN数据帧的排队功能，负责TSN数据帧在网络中的传输；
端站点配置状态机，用来指示所述的PLC控制系统的工作状态信息，指示所述的PLC控制系统是否可以收发信息；
时间同步模块，对接入所述的PLC控制系统中的设备进行时钟信息的统一，协调网络流量传输；
拓扑路径发现模块，通过使用链路发现协议，获取网络的物理拓扑结构，由外接的网络配置系统计算出最优的传输路径；
数据应用模块，用于对所述的中央处理模块处理的数据进行TSN数据帧封装和解析，加入时间戳和优先级信息。
进一步地，所述的PLC控制系统还包括：
JTAG模块，用于所述的中央处理模块的运行程序的加载和单板功能在线调试。
串口模块，提供简洁的人机交互界面，进行自定义端点设备的需求配置，访问所述的PLC控制系统的配置信息和状态信息。
进一步地，所述的时钟模块支持作为主从时钟的功能，并提供参考时钟。
进一步地，时钟模块支持外部GPS模块。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，采用新兴的确定性网络技术，其在时间敏感网络中作为一组位于数据链路层的协议簇，从底层架构中改变了以太网的不确定性，将它转变为确定性网络，触发了以太网本身的一次自我迭代。
（2）本发明的支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，支持TSN技术，纳入了各种标准以太网速率并支持全双工通信；TSN技术对重要的控制网络进行保护，并集成最重要的IT安全规定，分段、性能保护和时间可组合性为安全框架增加了多层保护；可靠地提供符合严格时间要求的通信，TSN提供了自动化配置来实现高可靠性数据路径，通过复制和合并数据包来提供无损路径冗余。
（3）本发明的支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，具备强大的网络规划、配置和监控能力，全面利用以太网高带宽的优势，弥补标准以太网“非确定性”的短板。
（4）本发明的支持时间敏感网络功能的PLC控制系统采用标准的IEEE 802.1协议，支持以太网通信，这样有助于兼容其他的传统的PLC控制设备构成一个大规模的工业控制系统，使得设备之间技术进行解耦，接入网络的条件更加的简单，有效地降低技术更新成本。
（5）本发明的支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，通过使用网线进行接入，相比传统的总线模式来看，更加的节省成本和空间，提高易用性；提高数据传输的带宽，接入的设备的数量能够增加，适合大规模的工业化系统；采用以太网接口提高了传输的距离和抗干扰性；同时采用多路径冗余技术，有效的提高数据传输的可靠性。
附图说明
图1为本发明的支持时间敏感网络功能的PLC控制系统的结构示意图；
图2为PLC控制器的功能模块示意图；
图3为高优先级数据帧抢占示意图；
图4为门控功能示意图；
图5为本发明的PLC控制系统组网示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，该PLC控制系统兼容基于以太网的传统的工业控制系统，同时，本发明的PLC控制系统的网络具有确定性传输时延的特征，对工业互联网具有强大的吸引力。对于一些对时间因素特别敏感的应用来说，例如控制信号传输，确定性意味着整个系统的可行与可靠，也决定了系统的安全可控。支持时间敏感网络功能的PLC控制系统通过集成多项关键技术，对传统以太网协议进行适当修改，其基于传统以太网实现时间敏感数据传输，同时保证对非时间敏感数据传输的兼容。
如图1所示，本发明的基于支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，其包括：
电源模块，为PLC系统正常运行提供电源，控制电源的上下电时序，监控电源的工作状态；
时钟模块，为PLC系统提供时钟源。支持时间敏感网络的PLC控制系统支持IEEE1588v2协议标准，支持主从时钟模式配置，为整个控制系统的实时性提供精准时钟基准，保证数据传输的准确性；
以太网接口，与以太网进行互连，用于接收或者发送具有TSN功能的数据信息，兼容传统以太网数据，该模块采用的是传统的PHY物理接口芯片，采用以太网物理口可以有效的提高网络的传输距离。
TSN转换模块，发送来自中央处理模块的数据帧和接收来自以太网接口的数据帧，并对其进行识别；对于来自于中央处理模块的非TSN数据帧，直接由所述的中央处理模块进行提取数据，TSN转换模块将数据转换为TSN数据帧后发送出去；对于来自以太网接口的TSN数据帧，则将其进行数据解析后再发送给中央处理模块，中央处理模块提取数据发送给输出模块执行，来自以太网接口的非TSN数据帧直接由中央处理模块提取数据发送给输出模块执行。
如图2所示，本发明的TSN转换模块包括：
集中式网络控制器接口，其用于配置所述的PLC控制系统的流量参数，并将其放在时间敏感流需求项中；还用于获取客户的自定义需求配置，包括对传输数据的流量带宽、数据传输的优先级等需求进行即插即用的配置；
时间敏感流需求项，其为描述和控制工业端站点的流量的信息存储库，其读取预定的配置信息发送给以太网接口，并控制管理传输的流量，还用于通过集中式网络控制接口将配置信息发送出去，通过外接的网络控制系统进行计算和规划传输方案；
网络接口，支持图3和图4的帧抢占和对TSN数据帧的排队功能，负责TSN数据帧在网络中的传输；
端站点配置状态机，用来指示所述的PLC控制系统的工作状态信息，指示所述的PLC控制系统是否可以收发信息；
时间同步模块，对接入所述的PLC控制系统中的设备进行时钟信息的统一，协调网络流量传输，保证网络上的服务质量，提高数据传输的准确性和实时性；
拓扑路径发现模块，通过使用链路发现协议，获取网络的物理拓扑结构，由外接的网络配置系统计算出最优的传输路径；
数据应用模块，用于对所述的中央处理模块处理的数据进行TSN数据帧封装和解析，加入时间戳和优先级信息。
网络接口的数据收发流程如图3和图4所示，如图3所示，数据到达之后进入帧队列中，根据数据的优先级设计了eMAC高优先级传输通道和pMAC可被抢占通道，eMAC可以抢占pMAC的数据传输，可以中断标准以太网或巨型帧的传输，以允许高优先级帧的传输，然后在不丢弃之前传输的被中断的消息，被中断的消息将在MAC合并子层进行重组。如图4所示，数据的传输由门进行控制，门有“开”、“关”两个状态，在传输的选择过程中仅选择数据队列的门是“开”状态的信息，而门的状态由网络时间表进行定义的。在网络进行配置时队列就分为ScheduledTraffic、Reserved Traffic、Best-effortTraffic三种，对于Schedule而言则直接按照原定的配置时间通过，其它则按优先级。在支持由IEEE 802.1Qbu定义的优先级的链路上，可以中断标准以太网或巨型帧的传输，以允许高优先级帧的传输，快速帧的Express（eMAC）数据通道可以抢占Preemptable MAC（pMAC）的数据传输，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小以太网帧受到保护的，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。
如图5所示，为本发明的支持时间敏感网络功能的PLC控制系统在以太网中的组网示意图。普通的PLC控制系统和支持时间敏感网络的PLC控制系统能够在同一网络中，TSN交换机支持实时流和普通流共网传输。普通的PLC控制系统对数据的传输无实时性要求，按照Qos机制进行收发处理，TSN的数据流无法识别和处理；本发明的TSN PLC控制系统的数据是对实时性有要求的，收到的数据如果是普通数据则直接进行IO设备处理，如果是TSN数据流则需要TSN PLC进行数据解析，解析出处理数据后IO设备进行执行，发出去的数据为TSN数据流；网络配置系统具有通用的以太网接口，主要是获取TSN PLC控制系统对数据传输的优先级、带宽和实时性等要求，进行最优传输路径规划，保证数据传输的实时性和可靠性。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，其特征在于，所述PLC控制系统包括：
电源模块，为PLC控制系统正常运行提供电源，控制电源的上下电时序，监控电源的工作状态；
时钟模块，为PLC控制系统提供时钟源, 提供微秒级的同步时钟；
以太网接口，与以太网进行互连，用于接收或者发送数据信息；
中央处理模块，用于I/O模块的数据采集、与TSN转换模块之间进行数据交互；
TSN转换模块，发送来自中央处理模块的数据帧和接收来自以太网接口的数据帧，并对其进行识别；对于来自于中央处理模块的非TSN数据帧，直接由所述中央处理模块进行提取数据，TSN转换模块将数据转换为TSN数据帧后发送出去；对于来自以太网接口的TSN数据帧，则将其进行数据解析后再发送给中央处理模块，中央处理模块提取数据发送给输出模块执行，来自以太网接口的非TSN数据帧直接由中央处理模块提取数据发送给输出模块执行；
所述TSN转换模块包括：
集中式网络控制器接口，其用于配置所述PLC控制系统的流量参数，并将其放在时间敏感流需求项中；还用于获取客户的自定义需求配置；
时间敏感流需求项，其为描述和控制工业端站点的流量的信息存储库，其读取预定的配置信息发送给以太网接口，并控制管理传输的流量，还用于通过集中式网络控制接口将配置信息发送出去，通过外接的网络控制系统进行计算和规划传输方案；
网络接口，支持帧抢占和对TSN数据帧的排队功能，负责TSN数据帧在网络中的传输；
端站点配置状态机，用来指示所述PLC控制系统的工作状态信息，指示所述PLC控制系统是否可以收发信息；
时间同步模块，对接入所述PLC控制系统中的设备进行时钟信息的统一，协调网络流量传输；
拓扑路径发现模块，通过使用链路发现协议，获取网络的物理拓扑结构，由外接的网络配置系统计算出最优的传输路径；
数据应用模块，用于对所述中央处理模块处理的数据进行TSN数据帧封装和解析，加入时间戳和优先级信息。
2.根据权利要求1所述支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，其特征在于，所述PLC控制系统还包括：
JTAG模块，用于所述中央处理模块的运行程序的加载和单板功能在线调试；
串口模块，提供简洁的人机交互界面，进行自定义端点设备的需求配置，访问所述PLC控制系统的配置信息和状态信息。
3.根据权利要求1所述支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，其特征在于，所述时钟模块支持作为主从时钟的功能，并提供参考时钟。
4.根据权利要求3所述支持时间敏感网络功能的PLC控制系统，其特征在于，时钟模块支持外部GPS模块。
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