CN112947288A - 一种plc多模块扩展的设备及识别枚举方法 - Google Patents

一种plc多模块扩展的设备及识别枚举方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PLC多模块扩展的设备及识别枚举方法，基于GPIO与CAN总线通讯的原则，所有PLC模块基于同一架构的ARM控制器设计，每个模块均可作为CPU功能模块使用，同时各自具备扩展功能模块的功能；电路由以下两部分组成：GPIO总线电路，当前PLC模块GPIO隔离输出接口和下级PLC模块隔离输入接口通过电缆连接后，即可实现不同PLC间的主从或从从互联；CAN总线电路，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的通讯互联。本发明可以解决实现PLC的多模块设备识别枚举的技术问题。

Description

一种PLC多模块扩展的设备及识别枚举方法
技术领域
本发明涉及一种自动化控制系统的改进技术。特别是涉及实现多个PLC模块进行主从互连扩展的方法。
背景技术
在自动化控制系统中，为满足广大厂家的实际使用需求，PLC(可编程逻辑控制器)应具有可将一种或多种类型的功能模块(数字模块、模拟模块、热电偶模块等)级联扩展，以提供更多采集控制通道的功能。在这种情况下，需要一种实现多个PLC模块进行主从互连扩展的方法，同时，还要能识别出某些模块出现的异常情况。常用的实现PLC模块之间扩展互联通信的方法有EtherCAT总线、I/O端口实现、RS485总线(PPI协议、MPI协议等)、CAN总线等。这些外部总线标准，规范了计算机与主从设备的连接和通讯。
传统PLC系统，一般由“CPU功能模块”和“扩展功能模块”两类基本模块组成，模块与模块之间通过通讯背板连接，存在着距离限制等问题。扩展功能模块虽然依据通用的总线协议，但种类繁多，不便识别及管理。同时当PLC主模块或从模块出现故障时，现场无法实现其他模块的即时替代，需要额外的设备维修时间，系统维护成本过大。
发明内容
本发明的目的是提供一种PLC多模块扩展的设备识别枚举方法，以解决实现PLC的多模块设备识别枚举的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种PLC多模块扩展的设备，基于GPIO与CAN总线通讯的原则，所有PLC模块基于同一架构的ARM控制器设计，每个PLC模块均可作为CPU功能模块使用，同时各自具备扩展功能模块的功能；设备由以下两部分组成：
GPIO总线电路，当前PLC模块GPIO隔离输出接口和下级PLC模块隔离输入接口通过电缆连接后，即可实现不同PLC间的主从或从从互联；
CAN总线电路，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的通讯互联；所有PLC设备使用同一电源，并且同一时刻加电；
GPIO总线电路由输入IO隔离电路、输出IO隔离电路、电平预置电路、保护电路组成；输入输出IO隔离电路均使用光耦继电器进行光隔离；电平预置电路通过电阻上拉、下拉的方式实现用户外侧与控制内侧的初始电平为固定状态；保护电路通过肖特基二极管及TVS管实现信号的反接、过流、过压及静电、浪涌保护；其中，输入IO(PE4)、输出IO(PC2)分别接ARM控制芯片的输入输出IO口，IO_OUT信号作为当前模块的对外输出接口，通过互联电缆连接下一个级联模块的对外输入接口IO_IN信号。同样，IO_IN信号作为当前模块的对外输输入接口，通过互联电缆连接上一个级联模块的对外输出接口IO_OUT信号。
CAN总线电路由CAN驱动电路、共模抑制电路、阻抗匹配电路组成；其中，CAN驱动电路采用了自带iCoupler数字信号隔离的CAN收发器，转换为CAN总线规范所要求的物理层特性；共模抑制电路采用了共模电感滤波器；阻抗匹配电路采用电阻进行差分阻抗匹配；其中，CAN2_RX、CAN2_TX分别接ARM控制芯片的输入输出IO口PB12、PB13，CAN2L、CAN2H信号作为当前模块的对外CAN总线接口，通过两根互联电缆分别连接上一个级联模块及下一个级联模块的对外CAN总线接口，这样，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的两两互联；基于自定的CAN总线通讯协议，当CAN主从设备初始化完毕后，CAN从设备通过CAN总线逐级传递信息的方式，最终将设备的类型、软件版本号、硬件版本号信息发送给CAN主设备保存；主设备通过定时更新从设备顺序链表，来感知从设备当前状态，并以此链表进行主、从设备数据同步。
一种PLC多模块扩展的设备识别枚举方法，基于GPIO与CAN总线通讯的原则，所有PLC模块基于同一架构的ARM控制器设计，每个模块均可作为CPU功能模块使用，同时各自具备扩展功能模块的功能；电路由以下两部分组成：GPIO总线电路，当前PLC模块GPIO隔离输出接口和下级PLC模块隔离输入接口通过电缆连接后，即可实现不同PLC间的主从或从从互联；CAN总线电路，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的通讯互联；
其具体步骤如下：
若干PLC模块1…n通过GPIO级联后，所有PLC设备使用同一电源，并且同一时刻加电；
设备上电后，硬件上输入/输出IO均为高电平，主程序运行，系统进行初始化，包括全局变量及GPIO端口；随后将输出IO口电平拉低，然后延迟500毫秒，检测当前模块的输入IO口的电平变化；由于第一个设备的输入IO口没有连接其他设备，检测为高电平，而其他设备的输入IO都被相连的前一个设备拉为低电平，因此CAN链表中的主从设备角色便可以进行区分，即第一个设备便是PLC主设备，也是CAN主站设备；其他设备便是PLC从站设备也是CAN从站设备；
CAN主设备初始化完毕后，通过输出IO口向其直接相连的CAN从设备发送一串约定的脉冲信号；第一个CAN从设备接收到约定的脉冲信号后，通过CAN总线向CAN主设备发送位置请求信号；CAN主设备收到请求信号后，查表获取该设备的位置号，即请求顺序号，然后将该位置号通过CAN总线下发给该CAN从设备；该从设备接收到位置信息后继续初始化，通过输出IO口向与其相连的下一个CAN从设备发送约定的高低脉冲信号；第二个CAN从设备重复前一个CAN从设备的操作，完成初始化并下发脉冲信号，以此类推，直到所有的CAN从设备都从CAN主设备那里接收到了自己的顺序号；所有的CAN主从设备初始化完毕后，CAN主设备内部便保存了现场安装设备的数量、位置等信息；所有的CAN设备在每次通讯时，在通讯协议里面包含了数据包的发送和接收的设备顺序号信息，以供其他设备识别和处理；至此完成了CAN总线设备的整个枚举过程；
CAN主从设备初始化完毕后，CAN从设备继续与CAN主设备通讯，将设备的类型、软件版本号、硬件版本号信息发送给CAN主设备保存；这样，CAN主设备内部便保留了一份包含CAN链路上所有设备的信息链表；主设备通过定时更新从设备顺序链表，来感知从设备当前状态，并以此链表进行主、从设备数据同步，进而实现主从设备协同工作时，能够正确处理各自的数据的功能。
通过将CAN主设备内部的链表与用户组态中配置的链表信息进行对比，便能够识别从设备的多种故障。
当设备链表中的从设备出现故障时，如果替换成同一类型不同ID的设备，PLC主设备识别，并能正常运行用户组态程序，仅仅上报该故障状态信息；如果替换成不同类型的设备，PLC主设备识别后，停止运行用户组态信息，以防出现意外。
本发明的优点及积极效果如下：
采用本发明的基于GPIO及CAN总线的PLC多模块设备识别枚举方法，将传统意义的“CPU功能模块”和“扩展功能模块”结合到了一起，减少了模块种类，增强了模块功能。模块与模块之间通过GPIO总线来确定主从关系，并通过CAN总线通讯来实现主从设备之间的数据同步。基于新型的通讯机制，打破了传统的使用通讯背板的距离限制，理论上主、从设备之间可以实现远距离分布，真正意义上实现了分布式。同时，当现场PLC模块出现故障时，基于新型的主从区分及链表排序同步机制，任何一个主PLC设备或从PLC设备经过简单调整，都可以即时替代其他故障的设备，大大缩短了系统维护时间，降低了系统维护成本。
附图说明
图1是本发明的GPIO总线电路图。
图2是本发明的CAN总线电路。
图3是本发明的PLC主从模块级联示意图。
图4是本发明的脉冲波形图。
图5是本发明的软件流程图。
具体实施方式
本发明的设备参见图1、2、3所示，一种PLC多模块扩展的设备，基于GPIO与CAN总线通讯的原则，所有PLC模块基于同一架构的ARM控制器设计，每个PLC模块均可作为CPU功能模块使用，同时各自具备扩展功能模块的功能；设备由以下两部分组成：
GPIO总线电路，当前PLC模块GPIO隔离输出接口和下级PLC模块隔离输入接口通过电缆连接后，即可实现不同PLC间的主从或从从互联；
CAN总线电路，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的通讯互联；所有PLC设备使用同一电源，并且同一时刻加电。
第一个CAN从设备接收到约定的脉冲信号后，通过CAN总线向CAN主设备发送位置请求信号；CAN主设备收到请求信号后，查表获取该设备的位置号(即请求顺序号)，然后将该位置号通过CAN总线下发给该设备；从设备接收到位置信息后继续初始化，通过输出IO口向与其相连的下一个CAN从设备发送约定的高低脉冲信号。第二个CAN从设备重复前一个CAN从设备的操作，完成初始化并下发脉冲信号。以此类推，直到所有的CAN从设备都从CAN主设备那里接收到了自己的顺序号。所有的CAN主从设备初始化完毕后，CAN主设备内部便保存了现场安装设备的数量、位置等信息。所有的CAN设备在每次通讯时，在通讯协议里面包含了数据包的发送和接收的设备顺序号信息，以供其他设备识别和处理。至此完成了CAN总线设备的整个枚举过程。
参见图1所示，GPIO总线电路由输入IO隔离电路、输出IO隔离电路、电平预置电路、保护电路等组成。输入输出隔离电路均使用光耦继电器进行光隔离，实现用户外侧与控制内侧的电气隔离，增强抗干扰效果；电平预置电路通过电阻上拉、下拉的方式实现输用户外侧与控制内侧的初始电平为固定状态；保护电路通过肖特基二极管及TVS管实现信号的反接、过流、过压及静电、浪涌等保护。
其中，输入IO(PE4)、输出IO(PC2)分别接ARM控制芯片的输入输出IO口，IO_OUT信号作为当前模块的对外输出接口，通过互联电缆连接下一个级联模块的对外输入接口IO_IN信号。同样，IO_IN信号作为当前模块的对外输输入接口，通过互联电缆连接上一个级联模块的对外输出接口IO_OUT信号。
所有PLC设备在同一时刻加电后，电平预置电路使得硬件上输入/输出IO初始态均为高电平，然后主程序运行，系统进行初始化；每一个模块均将输出IO口电平拉低，然后延迟500毫秒，检测当前模块的输入IO口的电平变化。由于第一个设备的输入IO口没有连接其他设备，检测为高电平，而其他设备的输入IO都被相连的前一个设备拉为低电平，因此CAN链表中的主从设备角色便可以进行区分，即第一个设备便是PLC主设备，也是CAN主站设备；其他设备便是PLC从站设备也是CAN从站设备。
参见图2所示，CAN总线电路由CAN驱动电路、共模抑制电路、阻抗匹配电路等组成。其中，CAN驱动电路采用了自带iCoupler数字信号隔离的CAN收发器，转换为CAN总线规范所要求的物理层特性；共模抑制电路采用了共模电感滤波器，对高速差分信号线上的共模噪声可以有效抑制，增强电路的EMC性能；阻抗匹配电路采用120欧电阻进行差分阻抗匹配，减小因为长距离或阻抗不连续等反射带来的噪声。
其中，CAN2_RX、CAN2_TX分别接ARM控制芯片的输入输出IO口PB12、PB13，CAN2L、CAN2H信号作为当前模块的对外CAN总线接口，通过两根互联电缆分别连接上一个级联模块及下一个级联模块的对外CAN总线接口。这样，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的两两互联。基于自定的CAN总线通讯协议，当CAN主从设备初始化完毕后，CAN从设备通过CAN总线逐级传递信息的方式，最终将设备的类型、软件版本号、硬件版本号等信息发送给CAN主设备保存。这样，CAN主设备内部便保留了一份包含CAN链路上所有设备的信息链表。主设备通过定时更新从设备顺序链表，来感知从设备当前状态，并以此链表进行主、从设备数据同步。
参见图3所示，PLC模块1、PLC模块2、…、PLC模块n通过GPIO级联后，为了保证PLC设备能够正确识别枚举，按照图3进行PLC模块级联。所有PLC设备使用同一电源，并且同一时刻加电。
设备上电后，硬件上输入/输出IO均为高电平，主程序运行，系统进行初始化，包括全局变量及GPIO端口等；随后将输出IO口电平拉低，然后延迟500毫秒，检测当前模块的输入IO口的电平变化。由于第一个设备的输入IO口没有连接其他设备，检测为高电平，而其他设备的输入IO都被相连的前一个设备拉为低电平，因此CAN链表中的主从设备角色便可以进行区分，即第一个设备便是PLC主设备，也是CAN主站设备；其他设备便是PLC从站设备也是CAN从站设备。
本发明的识别枚举方法如下：
设备上电后，硬件上输入/输出IO均为高电平，主程序运行，系统进行初始化，包括全局变量及GPIO端口等；随后将输出IO口电平拉低，然后延迟500毫秒，检测当前模块的输入IO口的电平变化。由于第一个设备的输入IO口没有连接其他设备，检测为高电平，而其他设备的输入IO都被相连的前一个设备拉为低电平，因此CAN链表中的主从设备角色便可以进行区分，即第一个设备便是PLC主设备，也是CAN主站设备；其他设备便是PLC从站设备也是CAN从站设备。
CAN主设备初始化完毕后，为了抑制干扰信号，保证可靠通信传输，通过输出IO口向其直接相连的CAN从设备发送一串约定的脉冲信号。见图4。第一个CAN从设备接收到约定的脉冲信号后，通过CAN总线向CAN主设备发送位置请求信号；CAN主设备收到请求信号后，查表获取该设备的位置号(即请求顺序号)，然后将该位置号通过CAN总线下发给该设备；从设备接收到位置信息后继续初始化，通过输出IO口向与其相连的下一个CAN从设备发送约定的高低脉冲信号。第二个CAN从设备重复前一个CAN从设备的操作，完成初始化并下发脉冲信号。以此类推，直到所有的CAN从设备都从CAN主设备那里接收到了自己的顺序号。所有的CAN主从设备初始化完毕后，CAN主设备内部便保存了现场安装设备的数量、位置等信息。所有的CAN设备在每次通讯时，在通讯协议里面包含了数据包的发送和接收的设备顺序号信息，以供其他设备识别和处理。至此完成了CAN总线设备的整个枚举过程。
CAN主从设备初始化完毕后，CAN从设备继续与CAN主设备通讯，将设备的类型、软件版本号、硬件版本号等信息发送给CAN主设备保存。这样，CAN主设备内部便保留了一份包含CAN链路上所有设备的信息链表。主设备通过定时更新从设备顺序链表，来感知从设备当前状态，并以此链表进行主、从设备数据同步。这样确保了主从设备协同工作时，能够正确处理各自的数据，见图5。
基于上述PLC主从区分与链表排序同步机制，PLC主设备对从设备的识别本质为“类型&ID”模式。通过将CAN主设备内部的链表与用户组态中配置的链表信息进行对比，便能够识别从设备的多种故障。当链表上某一个位置的设备被替换，或被替换的设备是否为同一型号时，PLC均可进行识别枚举。
当设备链表中的从设备出现故障时，如果替换成同一类型不同ID的设备，PLC主设备可以识别，并能正常运行用户组态程序，仅仅上报该故障状态信息，用户可以忽略或简单干预消除报警；如果替换成不同类型的设备，PLC主设备识别后，停止运行用户组态信息，以防出现意外。当用户更新组态中的链表信息后，即可消除故障。当设备链表中的主设备出现故障时，通过替换为任意一个PLC设备，使用组态软件重建模块的链表信息后，新设备即可投入使用。

Claims (6)

1.一种PLC多模块扩展的设备，基于GPIO与CAN总线通讯的原则，所有PLC模块基于同一架构的ARM控制器设计，每个PLC模块均可作为CPU功能模块使用，同时各自具备扩展功能模块的功能；其特征在于，设备由以下两部分组成：
GPIO总线电路，当前PLC模块GPIO隔离输出接口和下级PLC模块隔离输入接口通过电缆连接后，即可实现不同PLC间的主从或从从互联；
CAN总线电路，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的通讯互联；所有PLC设备使用同一电源，并且同一时刻加电。
2.根据权利要求1所述的一种PLC多模块扩展的设备，其特征在于，GPIO总线电路由输入IO隔离电路、输出IO隔离电路、电平预置电路、保护电路组成；输入输出IO隔离电路均使用光耦继电器进行光隔离；电平预置电路通过电阻上拉、下拉的方式实现用户外侧与控制内侧的初始电平为固定状态；保护电路通过肖特基二极管及TVS管实现信号的反接、过流、过压及静电、浪涌保护；其中，输入IO、输出IO分别接ARM控制芯片的输入输出IO口，IO_OUT信号作为当前模块的对外输出接口，通过互联电缆连接下一个级联模块的对外输入接口IO_IN信号；同样，IO_IN信号作为当前模块的对外输输入接口，通过互联电缆连接上一个级联模块的对外输出接口IO_OUT信号。
3.根据权利要求1所述的一种PLC多模块扩展的设备，其特征在于，CAN总线电路由CAN驱动电路、共模抑制电路、阻抗匹配电路组成；其中，CAN驱动电路采用了自带iCoupler数字信号隔离的CAN收发器，转换为CAN总线规范所要求的物理层特性；共模抑制电路采用了共模电感滤波器；阻抗匹配电路采用电阻进行差分阻抗匹配；其中，CAN2_RX、CAN2_TX分别接ARM控制芯片的输入输出IO口PB12、PB13，CAN2L、CAN2H信号作为当前模块的对外CAN总线接口，通过两根互联电缆分别连接上一个级联模块及下一个级联模块的对外CAN总线接口，这样，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的两两互联；基于自定的CAN总线通讯协议，当CAN主从设备初始化完毕后，CAN从设备通过CAN总线逐级传递信息的方式，最终将设备的类型、软件版本号、硬件版本号信息发送给CAN主设备保存；主设备通过定时更新从设备顺序链表，来感知从设备当前状态，并以此链表进行主、从设备数据同步。
4.一种PLC多模块扩展的设备识别枚举方法，基于GPIO与CAN总线通讯的原则，所有PLC模块基于同一架构的ARM控制器设计，每个模块均可作为CPU功能模块使用，同时各自具备扩展功能模块的功能；电路由以下两部分组成：GPIO总线电路，当前PLC模块GPIO隔离输出接口和下级PLC模块隔离输入接口通过电缆连接后，即可实现不同PLC间的主从或从从互联；CAN总线电路，当前PLC模块和下级PLC模块通过隔离CAN总线即可实现不同PLC间的通讯互联；
其具体步骤如下：
若干PLC模块1…n通过GPIO级联后，所有PLC设备使用同一电源，并且同一时刻加电；
设备上电后，硬件上输入/输出IO均为高电平，主程序运行，系统进行初始化，包括全局变量及GPIO端口；随后将输出IO口电平拉低，然后延迟500毫秒，检测当前模块的输入IO口的电平变化；由于第一个设备的输入IO口没有连接其他设备，检测为高电平，而其他设备的输入IO都被相连的前一个设备拉为低电平，因此CAN链表中的主从设备角色便可以进行区分，即第一个设备便是PLC主设备，也是CAN主站设备；其他设备便是PLC从站设备也是CAN从站设备；
CAN主设备初始化完毕后，通过输出IO口向其直接相连的CAN从设备发送一串约定的脉冲信号；第一个CAN从设备接收到约定的脉冲信号后，通过CAN总线向CAN主设备发送位置请求信号；CAN主设备收到请求信号后，查表获取该设备的位置号，即请求顺序号，然后将该位置号通过CAN总线下发给该CAN从设备；该从设备接收到位置信息后继续初始化，通过输出IO口向与其相连的下一个CAN从设备发送约定的高低脉冲信号；第二个CAN从设备重复前一个CAN从设备的操作，完成初始化并下发脉冲信号，以此类推，直到所有的CAN从设备都从CAN主设备那里接收到了自己的顺序号；所有的CAN主从设备初始化完毕后，CAN主设备内部便保存了现场安装设备的数量、位置等信息；所有的CAN设备在每次通讯时，在通讯协议里面包含了数据包的发送和接收的设备顺序号信息，以供其他设备识别和处理；至此完成了CAN总线设备的整个枚举过程；
CAN主从设备初始化完毕后，CAN从设备继续与CAN主设备通讯，将设备的类型、软件版本号、硬件版本号信息发送给CAN主设备保存；这样，CAN主设备内部便保留了一份包含CAN链路上所有设备的信息链表；主设备通过定时更新从设备顺序链表，来感知从设备当前状态，并以此链表进行主、从设备数据同步，进而实现主从设备协同工作时，能够正确处理各自的数据的功能。
5.根据权利要求4所述的一种PLC多模块扩展的设备识别枚举方法，通过将CAN主设备内部的链表与用户组态中配置的链表信息进行对比，便能够识别从设备的多种故障。
6.根据权利要求4所述的一种PLC多模块扩展的设备识别枚举方法，当设备链表中的从设备出现故障时，如果替换成同一类型不同ID的设备，PLC主设备识别，并能正常运行用户组态程序，仅仅上报该故障状态信息；如果替换成不同类型的设备，PLC主设备识别后，停止运行用户组态信息，以防出现意外。
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