CN113227917A - 模块化plc自动配置系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可编程逻辑控制器(下文中称为PLC)，其形成根据预设算法操作的自动控制系统。自动模块化PLC配置系统包括连接到公共数据总线的处理器模块，以及连接到处理器模块和公共数据总线的至少一个扩展模块，公共数据总线由位于每个模块内部的内部总线部分和提供模块之间的信号传递的交换设备的总和组成，其中公共数据总线包括用于寻址附加设备的服务总线、数据传输总线、报警信号传输线和“重置”命令传输线，其中每个模块内的服务总线都包含一个中继器，在接收到由作为同一模块的微控制器发出的命令时通过服务总线中断数据传输进程。处理器模块以基本处理器模块的形式布置，该基本处理器模块能够容纳通过公共数据总线与其连接的处理器子模块，子模块的计算资源超过基本处理器模块的计算资源，处理器子模块以主模式连接，处理器模块切换到从模式。本发明允许扩展可编程控制器的计算资源，而无需更换处理器模块和相关的连接电缆路由重建。

Description

模块化PLC自动配置系统

发明领域

本发明涉及可编程逻辑控制器(下文中称为PLC)，其形成根据预设算法操作的自动控制系统。PLC用于控制工程设备，即：建筑物和构筑物的生命支持系统(电源、供水、供暖、下水道系统、通风系统等)，安全系统(门禁系统、灭火系统等)，运输系统(自动扶梯、电梯、管道系统等)，服务区和各种工业设备(机械加工、制冷、化学加工设备、热处理机械等)。

背景技术

可编程逻辑控制器是一种由有源和无源电子组件、交换设备等组成的装置，该装置位于印刷板上，提供输入电信号处理和输出电信号生成。具有安装组件的控制器印刷板位于机箱内，该机箱将印刷板与电子组件机械地保持彼此在设定位置，并保护它们免受外部冲击。

单块PLC是已知的，也就是说，PLC被制成单个块，即作为一个整体，在其范围内实现整个PLC的功能范围，这对于组织自动化对象控制是必要的，包括与操作员和/或上级控制系统的接口。在所述功能中，强制功能包括根据给定算法的数据处理，输入信号的测量(模拟和/或离散的信号)，发出用于致动装置的控制指令和/或发出致动装置的电源电压；可选地，可以存在附加功能，即，手动输入监视的参数阈值，与上级控制系统的接口，Web服务器功能执行，给定状态的控制器和/或其输入/输出指示，数据显示，数据传输和接收等功能。单块PLC可以包括印刷板形式的子模块，这些子模块封装在单个主体内或没有主体，子模块直接安装在单块主体上，并连接到位于单块上/内的连接器。

单块PLC具有固定的模拟和离散输入输出标准集，用于控制这样一个集足够的对象，例如，在小型建筑物和构筑物的通风系统中。子模块允许对单块功能进行可选的修改或扩展。

此外，已知模块化PLC是功能模块和扩展模块的集合，每个功能模块被布置在单独的机箱内，作为处理器模块的一部分，该处理器模块具有执行数据处理算法的功能，扩展模块用于将输入信号转换为数据和/或将数据转换为控制信号以用于致动装置或用于冲击致动装置，例如用于电源电流/电压源。处理器模块可以具有扩展功能，例如，可以包括用于以太网网/互联网连接的端口、输入/输出、执行所配置的人机接口的功能，例如，作为触摸屏显示器或与控制元件(例如，按钮和/或编码器)结合使用的显示器。位于一个机箱内的扩展模块可以执行一个功能(例如，发出离散控制信号)和多个功能(例如，读取输入模拟/离散信号并发出控制信号/执行控制动作)。

处理器模块和扩展模块通过串行和/或并行内部数据总线交互，而无需执行需要处理的复杂传输信号转换(例如，当在以太网网/互联网网络中发送TCP/IP协议数据时)。

内部可编程控制器数据总线可以基于标准接口，例如RS-485，I2C，CAN(既可以单独使用也可以组合使用)，也可以基于原有的数据总线组织解决方案。

根据配置，内部数据总线本地化(物理数据传输限制)达到一到数米。

如果需要控制位于内部数据总线之外的扩展模块，则通过特殊接口(有线的，RS-485类型的，或无线的)或者通过分别位于处理器模块和扩展模块中的外部网络(有线的：以太网，CAN等；无线的：蓝牙，WiFi，GPRS等)运行的数据传输网关传输控制指令并交换控制器内部的数据(在处理器和功能模块之间)。

在一个模块化PLC的范围内，可以使用一个或多个类型(不同的引脚数量和/或数据传输协议)的数据总线来传输处理器模块和扩展模块之间的数据。

通过在处理器模块或模块化PLC扩展模块上安装子模块，可以增强处理器模块或模块化PLC扩展模块以及单块PLC的功能。

模块化PLC用于自动化所需输入/输出数量从几十个到几千个不等的对象。模块化PLC是一种灵活的设备，通过集成处理器模块和必要数量的扩展模块，提供所需数量的各种输入/输出(离散型、模拟型、功率型等)，可以以可接受的冗余级别(每个常规配置最多10个输入/输出)形成与自动化对象相匹配的输入/输出和数据传输通道的配置。

要在模块化PLC中的模块之间交换数据，数据总线被用作为单个设备或复合设备。可以以具有包含用于电信号传输的多个导体以及用于将外部元件连接到PLC模块的设备的单个设备的形式实现数据总线，例如，以具有用于连接模块的连接器的多核电缆的形式，或者以带状布置的印刷板的形式承载通过导体条电连接的模块连接的连接器，或者以带状布置的印刷板的形式承载模块电气触点固定在其上的开路导线条。

存在将数据总线和处理器单元结合在一起的解决方案，其中处理器单元被布置为以印刷形式承载数据总线的板，数据总线被设置成以安装在板上的引脚(包括用作触点的引脚)排列的形式连接到标准基座并用作功能子模块的基座，即致动离散/模拟输入/输出、电源模块或通信端口(接口)。

PLC具有内部数据总线，用于在处理器和功能模块之间进行数据交换，并且将控制指令从处理器传送到功能模块。

PLC通过特殊设备(即硬件接口)与外围单元进行交互。硬件接口将内部数据总线格式转换为外部系统格式。硬件接口既可以布置为处理器模块的一部分，也可以布置为扩展模块的一部分；或者可以单独作为一个扩展模块；也可以以子模块的形式安装到处理器模块或扩展模块上。

模块化PLC内部的控制结构是通过内部数据总线来实现的数据交换，该内部数据总线将控制指令从实现控制算法的处理器传输到功能单元，并将数据从功能单元传输到处理器或从处理器传输到功能单元。下文中的“功能单元”一词表示实现作为功能模块(处理器模块或扩展模块)的一部分的特定功能的独立的电路设计解决方案：

生成输出信号(离散或模拟)；

输入信号的检测或测量；

与外围单元交换数据：

·通过外部网络(以太网，CAN等)；

·通过端口：USB，SD卡读卡器等。

与人对接：

·接收操作员控制输入(按钮、编码器、插头电线等)；

·操作员验证(通过密码，通过电子密钥，通过读取生物特征数据)；

·向人发出信号(听觉和/或视觉信号，图形图像/文本)；

·交互信号输入/输出(触摸屏显示器)。

存在专用模块-具有已实现的基于图形显示(包括交互显示)与人进行交互的功能单元组的操作面板。操作面板可以通过标准接口(例如，以太网、RS-232、RS-485)、专有接口或通过PLC中使用的内部数据总线连接到处理器模块。

操作面板可布置为远离PLC的设备(即位于控制柜DIN导轨上)，例如，位于控制柜门或墙上。存在作为子模块布置的操作面板，可以直接安装在处理器模块上或其他位置，例如，控制柜门上；通过功能区进行连接。

存在具有处理器模块和操作面板组合的PLC；这种解决方案称为“面板控制器”。面板控制器和操作面板一样，可以位于控制柜门或墙上，也可以位于安装在DIN导轨上的适配器上，是带有连接器和面板控制器座的扩展模块。与扩展模块的连接可以通过标准接口(例如，RS-485)，或者通过将间隔开的面板控制器和适配器内部数据总线连接在一起的有线带(电缆)来实现，扩展模块连接到适配器。

在现有技术中，处理器模块可以在主模式和从模式下工作。在主模式下，处理器模块执行加载的算法，在此期间，处理器模块通过内部数据总线查询扩展模块，向扩展模块发送控制指令，并对接收到的数据进行处理；如果存在适当的功能通信模块，它可以连接到上一控制级(连接到SCADA系统)。在从模式下，处理器模块用作扩展模块，从处理器模块上可用的功能模块变得可直接访问，以便主处理器模块进行控制。从模式下的处理器模块计算资源可以用于执行加载到其中的算法，也可以将其禁用。如果使用计算资源，可执行算法可以直接寻址位于从处理器模块机箱中的功能单元，并且可以通过主处理器模块寻址位于从处理器模块机箱外部的功能模块。

所述解决方案有一个缺点，即当自动化具有发展潜力的对象控制系统时，必须首先投入非常高的处理器模块计算资源冗余，或者随着系统的发展，用更高效的处理器模块替换处理器模块，或者，如果对象上安装的设备线中没有具有所需吞吐量的处理器模块，则整个系统都应更换。所有这些都导致与对象自动化解决方案有关的高成本。

与所要求保护的发明最接近的对等物(作为原型)是可扩展控制器(参见于1998年9月9日公布的[1]EP0862755，МПКG05B19/042)，其包括连接到公共数据总线的处理器模块，并且处理器模块和公共数据总线能够容纳至少一个与其相连的扩展模块。该原型具有一个缺点，即，处理器功率扩展不存在任何可能性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了无需更换处理器模块即可扩展可编程控制器计算资源的可能性。

本发明的技术成果是在不更换处理器模块和相关连接电缆重新布线的情况下，扩展了可编程控制器的计算资源。

通过使用自动模块化PLC配置系统解决了该问题并获得了技术成果，该系统包括连接到公共数据总线的处理器模块，以及连接到处理器模块和公共数据总线的至少一个扩展模块，公共数据总线是由位于每个模块内部的内部总线部分以及提供模块之间信号传输的交换设备的总和形成，其中，公共数据总线包括用于寻址附加设备的服务总线、数据传输总线、报警信号传输线和重置命令传输线，其中，每个模块内部的服务总线都包括一个中继器(redriver)，该中继器在接收到由属于同一模块的微控制器发出的命令时，通过服务总线中断数据传输进程。

由于处理器模块以基本处理器模块的形式布置，该基本处理器模块能够容纳通过公共数据总线与其连接的处理器子模块，所述子模块的计算资源超过基本处理器模块的计算资源，所述处理器子模块以主模式连接，并且所述处理器模块被切换为从模式，因此能够获得该技术结果。

附图说明

图1-主要的可编程控制器组件。

图2-PLC处理器模块。

图3-PLC结构框图。

图4-配置为无处理器子模块的控制器的内部数据总线，以及支持的功能。

图5-配置为有处理器子模块的控制器的内部数据总线，以及支持的功能。

图6-基本处理器模块嵌入软件处理的任务流程

图7-处理器子模块嵌入软件处理的任务流程

图8-扩展模块嵌入软件处理的任务流程

下列项目用数字表示：

位置1-控制器处理器模块；位置2-扩展模块；位置3-基本处理器模块；位置4-处理器子模块；位置5-处理器模块交换连接器；位置6-处理器模块(结构框图)；位置7-处理器子模块(结构框图)；位置8-基本处理器模块(结构框图)；位置9-交换设备(结构框图)；位置10-扩展模块(结构框图)；位置11-功能单元；位置12-用于模块寻址的服务总线；；位置13–中继器；位置14-微控制器；位置15-数据传输总线；位置16-报警信号传输线；位置17-从设备重置命令线；位置18-外部网络设备的串行接口控制总线；位置19-外部网络设备；位置20-从主模式切换到从模式时，微控制器处理流程中排除的任务；位置21-从主模式切换到从模式时，微控制器处理流程中包含的任务。

具体实施方式

设备的静态描述。

PLC(见图1)由处理器模块(1)和执行特定任务时根据需要连接到前者的扩展模块(2)组成。为了传输数据、控制指令和电源电压，处理器模块和扩展模块通过柔性带状电缆电连接，该带状电缆串行连接控制器模块。所述PLC由位于其中一个扩展模块中的次电源供电；所述电源连接到外部电压源。

所述PLC处理器模块(见图2)，可以仅作为基本处理器模块(3)或作为包括基本处理器模块(3)和处理器子模块(4)的组装单元布置。处理器子模块和基本处理器模块通过交换设备电连接，该交换设备提供数据传输、控制指令传输和电源电压传输，并且仅作为处理器模块(5)交换连接器，或作为组合(5)和安装在位于基本处理器模块(3)和处理器子模块(4)上的对端(5)之间长达1m的柔性带状电缆布置。

所述PLC结构框图(见图3)显示了处理器模块(6)及其组件部分(即基本处理器模块(8)和处理器子模块(7))，以及扩展模块(10)的结构图。所有指定的控制器模块包含功能单元(11)，即微控制器、基于模数转换器和数模转换器的模拟输入/输出、电源键(固态开关、继电器)、离散输入/输出、无线电通信模块等。

模块功能单元配置是可变的(有超过10,000个配置)，根据对象特性，从生成的对象中为每个特定的控制对象选择最佳配置。

安装在处理器模块和扩展模块中的所有模块功能单元，其特点是控制器内部有一个独特的寻址方案，该寻址方案由自动对象控制算法设置；这允许基本处理器单元微控制器或处理器子模块微处理器通过内部数据总线寻址功能单元，将控制指令传递给它们，并从它们接收数据。

如果所述处理器模块(1)仅配置为基本处理器模块(3)，则控制算法位于基本处理器模块中。

如果预安装在基本处理器模块上的输入/输出数量不足以控制自动化对象，则将扩展模块连接到基本处理器模块。在这种配置中，基本处理器模块被分配主状态(驱动、控制状态)，即用于处理自动化对象控制算法(下文中称为“控制算法”)。扩展模块被分配为从状态(从动、受控状态)。

如果基本处理器模块的计算能力不足以控制自动化对象，则将处理器子模块安装到基本处理器模块上。在这样的配置中，处理器子模块被分配主状态(驱动、控制状态)，即用于处理自动化对象控制算法。基本处理器模块和扩展模块被分配从状态(从动、受控状态)。

控制器内部的所有数据、信号、控制指令和电源电压均通过内部总线传输。仅由基本处理器模块组成的处理器模块的内部总线配置以及总线支持的功能(见图4)不同于安装了子模块的处理器模块的内部总线配置和功能(见图5)。I2C服务总线(12)使用其适当的数据传输协议。数据传输总线(15)使用Modbus数据传输协议。

物理上，内部数据总线由位于模块内部的内部总线部分和交换设备的总和构成，该内部总线部分提供了模块内部的信号传输以及模块与这些信号总线的连接，交换设备(连接器、带状电缆)具有必要数量的导体/引脚。从设备内的服务总线(12)具有一个有源元件，即具有直接连接到微控制器(14)的特征的中继器(13)，该直接连接用于将控制信号传输到位于微控制器一侧(14)的中继器。根据微控制器(14)发送到中继器(13)的控制信号，中继器要么将发送的信号沿总线进一步传递，即，从主设备传递到连接到服务总线的其他从设备，要么阻塞信号。

基本处理器模块包含用于将外部设备(通过串行CAN或RS485接口连接)连接到网络的终端和提供从处理器子模块连接器到所述终端的信号传输的导体。

根据特定的对象自动化任务确定的PLC配置明确规定了在PLC中的主设备之后的从设备布置的物理序列。

主设备可以使用两条总线与从设备进行交互：服务总线(12)和数据总线(15)；因此，每个从设备都有两个地址：一个服务总线地址和一个唯一的Modbus协议数据总线地址。在服务总线和数据总线中从设备可以具有默认地址(在为所有设备分配特定地址之前，所有设备的初始地址相同)或唯一地址(由主设备分配)。

所有控制器模块均具有内部内置软件，用于处理控制器模块的任务流程(见图6、图7、图8)。由基本处理器模块在其主状态和从状态下处理的任务流程不同：

-在从主状态切换到从状态时，处理流程中排除的任务显示在位置20上

-在从主状态切换到从状态时，处理流程中包含的任务显示在位置21上。

临界阈值(达到临界阈值时微控制器应产生报警信号)可以存储在基本处理器单元和扩展模块微控制器内部，这些阈值可在PLC启动或设置过程中加载。自动化对象关键受控参数的列表是有限的；这些参数是从那些很快就会导致自动化对象事故(损害其操作或引起有害/危险影响)的参数中选择的。根据参数对于自动化对象操作的重要性和操作安全性，该算法分配关键控制参数的优先级。

基本处理器模块还包含带有安装有以太网端口的通信子模块，用于将基本处理器模块连接到本地网络或全球互联网网络。

运行中的设备说明。

为确保PLC的可操作性，在测试和调试过程中，在安装有专用加载软件的连接外部计算机的帮助下，将控制算法加载到PLC中。如果存在处理器子模块，则通过处理器子模块的以太网或USB端口将控制算法加载到处理器模块中。

如果不存在处理器子模块，则通过由数据传输总线(15)连接到外部计算机和处理器模块(5)交换连接器的特殊的加载电缆将算法加载到基本处理器模块中。此外，算法可以通过安装在基本处理器模块上的以太网端口子模块加载到基本处理器模块中。

在控制算法加载期间，基本处理器模块或处理器子模块被分配作为主设备的模块。所选设备分配主设备状态，该状态在切换到操作模式后保留。

当PLC开启时，选择用于执行算法的主设备将无地址配置重置广播消息(这是所有设备所必需的)发送到服务总线(12)，其结果是从默认地址检索到所有从设备(该重置信号是自动配置程序的一个组成部分，在控制器激活时自动启动；但是，当系统已经配置好，所有中继器都处于导通状态时，在这种情况下使用的就是这种特殊的配置重置信号，但是，需要重新配置系统，并且当激活后立即将所有中继器(13)置于关闭状态，并为设备分配其默认地址)。发送配置重置命令后，主设备将使用默认地址对连接到服务总线的第一个从设备(例如，1号设备)进行寻址(由于禁用了中继器，因此无法通过服务总线将信号发送给其他从设备(例如，2号、3号设备等))。在发送激活的从设备地址之后，发送从设备Modbus地址分配命令(在数据总线系统内)，然后根据开发的PLC配置对从设备(11)功能单元进行寻址，确认其存在，并将地址分配给其各自的输入/输出；下一步包括重新分配给从设备及其已分配的从设备的输入/输出(及其输入/输出)Modbus地址(它们被切换并记录，即从“应有”传递到“是”状态)。特定从设备自动配置过程中的最后一个操作是为其分配一个唯一的服务总线地址，此后，命令将发送到从设备中继器，将其从关闭状态切换到打开状态，让命令通过服务总线传递到其他从设备。在紧随主设备配置了从设备之后，以类似的方式配置第二个从设备，依此类推；通用从设备数据发送到数据总线并进行标识(包括设备中已经存在的数据)；从设备将为工作会话分配唯一的地址(直到下一次系统启动)。

根据控制算法，通过定期对受控对象进行受控参数评估(接收自动化对象反馈)，可以实现与自动化对象控制相关的主要PLC功能，通过为致动装置生成控制信号，使受控对象处于给定状态和/或使对象执行特定动作(情况分析和自动对象控制输入)。

主设备分三个阶段对受控对象执行受控参数评估：发送数据读取请求(第一阶段)，获取数据和处理所获得的数据。

通过发送数据请求并随后通过确定到达控制器(基本处理器单元或扩展模块，见图3)的模拟和/或离散输入和/或通过串行CAN/RS485接口(参见位置18)的信号并根据算法进行分析来获得有关受控对象输入状态的数据，从而实现自动对象状态评估。

通过数据总线(15)和/或通过外部网络设备控制总线(18)发送数据收集请求。数据总线(15)用于在系统启动时使用通过服务总线分配的地址对从设备进行主设备寻址。

从设备接收到数据请求后，以目标输入状态读取数据，并通过同一数据传输总线(15)将数据发送到主设备。

通过数据总线(15)和/或通过外部网络设备控制总线(18)发送数据收集请求。根据相同的协议，使用相同的总线来接收数据。外部网络设备(19)受控参数的状态通过控制算法设置的数据传输协议来查询，并基于CAN/RS485接口：CAN，Modbus，ProfiBus DP，LanDrive等运行。

主设备根据算法处理获取的数据，并根据情况生成用于自动对象纠正措施的控制指令和/或保存处理结果，和/或将获取的数据传递到上级，和/或使用配置的人机接口(可视指示器、显示器、声音信号)显示获得的数据。

通过向从设备及其功能单元发送命令，为连接到PLC的自动控制对象致动装置生成输出信号(离散或模拟信号，或电源电流/电压激活)，形成自动对象纠正措施。该命令通过数据传输总线(15)发送到从设备。

此外，主设备通过外部网络设备控制总线(18)将命令发送到外部网络设备(19)来形成自动对象纠正措施。

在可变控制参数设置过程中，以及在视觉信息读出过程中，操作员通过操纵控制(控制按钮、编码器)和通过图形显示器接收反馈进行交互。关键控制器和自动对象信息也输出到可视指示器。

如果由基本处理器模块和/或扩展模块控制的至少一个关键参数的值达到阈值水平，则相应的模块会生成报警信号，并通过特殊报警信号线(16)将其发送到主设备。主设备接收到报警信号后，根据算法设置的优先级，查询从设备，精确地排除故障，并执行算法规定的动作(向SCADA系统发送信号，停止设备等)。

如果单个从设备故障(停止响应主设备查询消息)，则主设备通过数据传输总线发送至连接的从设备，发送命令以忽略随后通过专用信号线(17)传输设备重置信号。在接收到警告命令之后，从设备根据其内部算法忽略通过专用信号线(17)接收到的后续设备重置命令。发生故障且无法接收重置命令覆盖指令的从属设备被重置。重新启动故障设备后，从设备将返回可操作状态，并通过服务总线(12)再次为其分配地址(无配置重置广播消息)。

Claims (2)

1.一种自动模块化PLC配置系统，包括连接到公共数据总线的处理器模块，以及连接到处理器模块和公共数据总线的至少一个扩展模块，公共数据总线由位于每个模块内部的内部总线部分和提供模块之间的信号传输的交换设备的总和组成，其特征在于，公共数据总线包括用于寻址附加设备的服务总线、数据传输总线、报警信号传输线和“重置”命令传输线，其中，每个模块内的服务总线包括中继器，所述中继器在接收到作为同一模块的一部分的微控制器发出的命令时通过服务总线中断数据传输进程。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器模块以基本处理器模块的形式布置，该基本处理器模块能够容纳通过公共数据总线与其连接的处理器子模块，所述子模块的计算资源超过所述基本处理器模块的计算资源，所述处理器子模块以主模式连接，所述处理器模块切换到从模式。

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