CN1174299C - 分布式控制系统的现场控制机 - Google Patents

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Abstract

该发明公开一种分布式控制系统的现场控制机,包括主控部分,测量控制模块,以及连接所述测量控制模块和主控部分的模块连接总线,所述的主控部分由计算模块和通信模块构成;所述计算模块承担控制策略的执行,所述通信模块负责与中央站点的通信,计算模块和通信模块经模块连接总线进行数据交换。该发明解决了现有技术中单一模块完成计算和通信功能所面临的数据的安全性问题。本发明主要在分布式控制系统作为现场控制机使用。

Description

分布式控制系统的现场控制机
技术领域
本发明涉及一种自动化系统的现场控制机,特别是分布式控制系统的现场控制机。
背景技术
在现有技术中,现场总线的现场控制机的典型构成是:主控部分、测量控制模块以及与主控部分和测量控制模块连接的模块连接总线。主控部分包括中央处理器、存储器、通讯电路和接口电路。主控部分承担控制策略的执行和与中央站通信的功能;测量控制模块,承担采集现场传感器信号、发送控制信号的功能。现场总线与更早流行的集散式控制系统相比,体现了功能分散、风险分散的特点,但是作为现场控制机核心和中枢的主控部分,功能上仍然过于集中。这是因为,在长时间连续工作中,由于软件缺陷、外部干扰等原因,主控部分中的存储器发生数据破坏是难以避免的,从而引发中央处理器错误运行,导致系统瘫痪,甚至难以预料的后果。另一方面,执行控制策略和与中央站的通信是两个相关度很低的功能,将其合在一起不符合控制系统从复杂、集中走向模块化、分散化的潮流。
发明内容
针对背景技术中现有技术的缺点,本发明提供一种分布式控制系统的现场控制机。本发明的现场控制机主要将主控部分的控制策略的执行功能和与中央站的通信功能分离,以提高其工作可靠性和数据的安全性。
本发明包括测量控制模块,主控部分,以及连接所述测量控制模块和主控部分的模块连接总线,所述电源向所述的测量模块和主控部分提供工作电压;其结构特点是:所述的主控部分包括计算模块和通信模块;
所述的计算模块包括中央处理器一、存储器一和接口电路一;所述的存储器一通过地址、数据和控制总线与中央处理器一连接,所述的接口电路一通过数据输入/输出线和控制线与中央处理器一及模块连接总线连接,并在中央处理器一的控制下通过模块连接总线发送或接收数据;
所述的通信模块包括中央处理器二、存储器二、接口电路二和站点通信电路;所述的存储器二通过地址、数据和控制总线与中央处理器二连接;所述的接口电路二通过数据输入/输出线和控制线与中央处理器二及模块连接总线连接,并在中央处理器二的控制下通过模块连接总线发送或接收数据;所述的站点通信电路通过数据总线和控制线与中央处理器二连接,并在中央处理器二的控制下通过站点连接总线与中央站进行数据交换;
所述计算模块承担控制策略的执行,所述通信模块负责与中央站点的通信,计算模块和通信模块经模块连接总线进行数据交换。
按照上述技术方案,所述的计算模块还包括复位电路一;所述的复位电路一的一输入与中央处理器一的一输出连接,以接收中央处理器一定时输出的脉冲信号;所述的复位电路一的一输出与中央处理器一的复位端连接,当中央处理器一运行程序进入死循环时,所述的复位电路一强制其复位。
按照上述技术方案,所述的通信模块还包括复位电路二;所述的复位电路二的一输入与中央处理器二的一输出连接,以接收中央处理器二定时输出的脉冲;所述的复位电路二的一输出与中央处理器二的复位端连接,当中央处理器二运行程序进入死循环时,所述的复位电路二强制其复位。
按照上述技术方案,所述的站点通信电路包括插接口电路和接口板电路;所述的插接口电路包括串行接口芯片和插接口,所述的串行接口芯片通过数据总线和控制线与中央处理器二连接,并与其以并行方式交换数据,串行接口芯片的串行输入/输出端与插接口连接;所述的接口板电路包括信号驱动芯片,与信号驱动芯片连接的光电耦合器,以及保护电路,接口板电路通过其插针与插接口电路和站点总线上的插槽电连接,并以光电隔离方式实现站点总线和插接口电路之间的数据传输。
按照上述技术方案,所述的接口板电路为RS232型接口板电路。
按照上述技术方案,所述的接口板电路为RS485型接口板电路。
按照上述技术方案,所述的接口板电路为CAN型接口板电路。
本发明用计算模块和通信模块共同替代现有技术中单一的主控部分,用计算模块承担控制策略的执行功能,用通信模块承担与中央站的通信功能,可以将重要的数据同时存放在计算模块和通信模块中,从而解决了数据的安全性问题。本发明现场控制机通信模块的硬件在计算模块基础上外展,使得其生产成本较低。与中央通信站的接口电路放在接口板上,接口板以插接方式与母板相连,以较低的成本实现对多种通讯物理介质的支持。
附图说明:
图1为本发明与中央站点连接的结构框图;
图2为本发明的计算模块硬件结构框图;
图3为本发明的通讯模块硬件结构框图;
图4为本发明的计算模块和通信模块与模块连接总线的接口电路原理图;
图5为本发明电源的电路原理图;
图6为本发明的计算模块和通信模块的复位电路原理图;
图7为本发明的计算模块和通信模块的中央处理器与存储器连接的电路原理图;
图8为本发明的通信模块的站点通信电路的原理图;
图9为RS-232型接口板电路原理图;
图10为RS-485型接口板电路原理图;
图11为CAN型接口板电路原理图。
实施例
如图1所示,现场控制机由主控部分、测量控制模块6和模块连接总线5构成。主控部分包括计算模块3和通信模块4,通信模块4负责通过站点连接总线2与中央站1进行通信,并通过模块连接总线5与计算模块3和测量控制模块6进行数据交换。计算模块3通过测量控制模块6从现场传感器7-1获取信息并根据需要发送给通信模块4,或将控制信息通过测量控制模块6发送到现场执行器7-2
如图2所示:存储器一10-1通过数据、地址和控制总线与中央处理器一8-1连接。存储器一10-1中存储有完成控制策略和与模块通讯所需的程序。复位电路一12-1及接口电路一9-1通过输入/输出连接线与中央处理器一8-1连接。复位电路一12-1用来防止中央处理器运行程序时进入死循环。
如图3所示:存储器二10-2通过数据、地址和控制总线与中央处理器二8-2连接。存储器二10-2中存储有实现与中央站1和模块通讯所需的程序。复位电路二12-2及接口电路二9-2通过输入/输出连接线与中央处理器二8-2连接。站点通信电路13通过数据、地址和控制线与中央处理器二8-2连接。从图中可看出,通信模块4是在计算模块3的基础上增加了站点通信电路13,即通讯模块的硬件结构完全包含了计算模块的硬件结构,这给实际生产带来极大的方便。
图4为计算模块3和通信模块4与模块连接总线5的接口电路图。通讯接口芯片U6型号为MAX490,单稳触发器U7A与“或”门U5B组成保护电路。
模块连接总线5上的信息由接口J-3和接口J-4进入,经过通讯接口芯片U6和“或”门芯片U5B送至中央处理器一8-1(或中央处理器二8-2)的脚RXD,而本模块欲发送的信息则由中央处理器一8-1(或中央处理器二8-2)脚TXD输出,经通讯接口芯片U6发至接口J-1和接口J-2。接口J-5至接口J-8为模块地址,与中央处理器一8-1(或中央处理器二8-2)的P0口低4位相连,以确定本模块在本现场控制机内的地址。跳接端子J1、J2和J3用于硬件跳线设定通讯波特率。
单稳触发器U7A输入端14、15连接的电阻R17和电容C24组成时间常数τ=R17C24,这个时间常数决定单稳触发器U7A输出脉冲的宽度。当单稳触发器U7A的1脚有一个下降沿触发脉冲时,就会在4脚输出宽度为τ=R17C24的低电平脉冲。在正常通讯的情况下,单稳触发器U7A的1脚收到的通讯信息是模块发送来的由高电平和低电平组成的脉冲序列,因此,单稳触发器U7A的输出脚4始终为低电平。当输入长时间为低电平信号时,因其不会再出现下降沿脉冲,因此,当经过时间τ=R17C24之后,单稳触发器U7A的4脚上将输出高电平信号,同时强制“或”门U5B输出为高电平信号。
图5为模块的电源电路原理图。24V交流电压经过变压器T2降压成两组9V交流电压,第一组经二极管D9、D10、D11、D13整流,再经过干扰抑制器I2,用稳压块L2(7805)产生5V直流电压,为单片机系统及其它内层电路供电,第二组经二极管D3、D4、D5、D6整流,再经过干扰抑制器I3,用稳压块L3(7805)产生5V直流电压,为外层电路即站点通信电路4中与中央站通讯部分电路供电。在设计硬件时在内外层电路完全分开,包括电源的完全隔离,可有效提高硬件的抗干扰性能。
如图6所示:复位电路一12-1、复位电路二12-2结构相同。其CLR-DOG信号来自各自的中央处理器,其输出端REST连接中央处理器的复位端。正常工作时中央处理器每隔一定时间就发出一个清复位电路的脉冲,送入可重触发的单稳态触发器U8A的A端,其输出端Q连接单稳态触发器U8B的A端,使单稳态触发器U8B的输出Q得到重新触发,其输出端不会使中央处理器复位。一旦程序进入死循环,单片机就不会发出清复位电路的脉冲,在由电阻R11和电容C30确定的时间之后,单稳态触发器U8B的Q端发生变化,使中央处理器复位,程序从头执行。
图7为计算模块3和通讯模块4的中央处理器与存储器连接的电路原理图。计算模块3和通讯模块4的中央处理器、存储器相同,中央处理器型号为80C196KC,存储器包括只读存器U16和动态随机存储器U3。动态随机存储器U3为数据存储器,只读存器U16为程序存储器。各存储器地址总线和数据总线复用,译码芯片U11控制各存储器及相关芯片的片选信号端。
图8为通信模块4的插接口电路14的电路图。串行接口芯片U12通过数据线连接至中央处理器二8-2,其串行输入/输出线与插接口RHCOM相连。串行接口芯片U12的片选输入CS2信号来自图7所示“非”门U10的输出端Y,为低电平选通,中央处理器二8-2用该信号控制串行接口芯片与中央站进行数据交换。晶体振荡器X2为串行接口芯片U12提供通讯速率的基准。
为了满足与中央站点的电连接,接口板15可以做成各种符合标准规范的形式。
如图9所示,接口板15为RS-232型接口板,信号驱动芯片U5-1型号为MAX202,专用于驱动符合RS-232标准的信号。单排插针J2与通讯模块4的插接口RHCOM连接,单排插针J4与站点连接总线2相连。站点连接总线2上的信号由单排插针J4的1端引入,经过信号驱动芯片U5-1驱动,光耦U3隔离,再经过单稳态触发器芯片U1A及“或”门U2A组成的保护电路,由单排插针J2的1端进入通讯模块4的插接口RHCOM脚5。通讯模块4发送的信号由插接口RHCOM脚6输出至单排插针J2的2端,经过单稳态触发器芯片U1B及“或”门U2B组成的保护电路输出至光耦U4,再通过信号驱动芯片U5-1驱动后,从单排插针J4的2端送到站点连接总线2上。
如图10示,接口板15为RS-485型接口板,信号驱动芯片U5-2型号为MAX483,专用于驱动符合RS-485标准的信号。单排插针J2与通讯模块4的插接口RHCOM连接,单排插针J4与站点连接总线2相连。站点连接总线2上的信号由单排插针J4的1端引入,经过信号驱动芯片U5-2驱动,光耦U3隔离,再经过单稳态触发器芯片U1A及“或”门U2A组成的保护电路,由单排插针J2的1端进入通讯模块4的插接口RHCOM脚5。通讯模块4发送的信号由插接口RHCOM脚6输出至单排插针J2的2端,经过单稳态触发器芯片U1B及“或”门U2B组成的保护电路输出至光耦U4,再通过信号驱动芯片U5驱动后,从单排插针J4的2端送到站点连接总线2上。
由“或”门U2C、光耦U6、电阻R8、R9及三极管T1组成的电路可将MAX483置为高阻态/使能态。单稳态触发器芯片U1B及与之相连的元器件组成的保护电路可在通讯模块故障时将“或”U2C的9脚置高,使该节点处于高阻状态。单排插针J4的6端与5端分别与1端和2端相连,连至通讯模块外接端子中的一对,可通过将这一对端子短接使匹配电阻R7有效。
如图11所示,接口板15为CAN型接口板,信号驱动芯片U5-3型号为82C250,专用于驱动符合CAN标准的信号。接口板15为RS-485型接口板。单排插针J2与通讯模块4的插接口RHCOM连接,单排插针J4与站点连接总线2相连。站点连接总线2上的信号由单排插针J4的1端引入,经过信号驱动芯片U5-3驱动,光耦U3隔离,再经过单稳态触发器U1A及“或”门U2A组成的保护电路,由单排插针J2的1端进入通讯模块4的插接口RHCOM脚5。通讯模块4发送的信号由插接口RHCOM脚6输出至单排插针J2的2端,经过单稳态触发器芯片U1B及“或”门U2B组成的保护电路输出至光耦U4,再通过信号驱动芯片U5-3驱动后,从单排插针J4的2端送到站点连接总线2上。单排插针J4的6端与5端分别与1端和2端相连,连至通讯模块外接端子中的一对,可通过将这一对端子短接使匹配电阻R7有效。

Claims (7)

1、一种用于分布式控制系统的现场控制机,包括电源(11),测量控制模块,主控模块,以及连接所述测量控制模块和主控模块的模块连接总线(5),所述电源(11)向所述的测量模块和主控模块提供工作电压;其特征在于所述的主控模块包括计算模块(3)和通信模块(4);
所述的计算模块(3)包括中央处理器一(8-1)、存储器一(10-1)和接口电路一(9-1);所述的存储器一(10-1)通过地址、数据和控制总线与中央处理器一(8-1)连接,所述的接口电路一(9-1)通过数据输入/输出线和控制线与中央处理器一(8-1)及模块连接总线(5)连接,并在中央处理器一(8-1)的控制下通过模块连接总线(5)发送或接收数据;
所述的通信模块(4)包括中央处理器二(8-2)、存储器二(10-2)、接口电路二(9-2)和站点通信电路(13);所述的存储器二(10-2)通过地址、数据和控制总线与中央处理器二(8-2)连接;所述的接口电路二(9-2)通过数据输入/输出线和控制线与中央处理器二(8-2)及模块连接总线(5)连接,并在中央处理器二(8-2)的控制下通过模块连接总线(5)发送或接收数据;所述的站点通信电路(13)通过数据总线和控制线与中央处理器二(8-2)连接,并在中央处理器二(8-2)的控制下通过站点连接总线(2)与中央站(1)进行数据交换;
所述计算模块(3)承担控制策略的执行,所述通信模块(4)负责与中央站点的通信,计算模块(3)和通信模块(4)经模块连接总线(5)进行数据交换。
2、根据权利要求1所述的用于分布式控制系统的现场控制机,其特征在于所述的计算模块(3)还包括复位电路一(12-1);所述的复位电路一(12-1)的一输入与中央处理器一(8-1)的一输出连接,以接收中央处理器一(8-1)定时输出的脉冲信号;所述的复位电路一(12-1)的一输出与中央处理器一(8-1)的复位端(REST)连接,当中央处理器一(8-1)运行程序进入死循环时,所述的复位电路一(12-1)强制其复位。
3、根据权利要求1所述的用于分布式控制系统的现场控制机,其特征在于所述的通信模块(4)还包括复位电路二(12-2);所述的复位电路二(12-2)的一输入与中央处理器二(8-2)的一输出连接,以接收中央处理器二(8-2)定时输出的脉冲;所述的复位电路二(12-2)的一输出与中央处理器二(8-2)的复位端(REST)连接,当中央处理器二(8-2)运行程序进入死循环时,所述的复位电路二(12-2)强制其复位。
4、根据权利要求1所述的用于分布式控制系统的现场控制机,其特征在于所述的站点通信电路(13)包括插接口电路(14)和接口板电路(15);所述的插接口电路(14)包括串行接口芯片(U12)和插接口(RHCOM),所述的串行接口芯片(U12)通过数据总线和控制线与中央处理器二(8-2)连接,并与其以并行方式交换数据,串行接口芯片(U12)的串行输入/输出端与插接口(RHCOM)连接;所述的接口板电路(15)包括信号驱动芯片,与信号驱动芯片连接的光电耦合器,以及保护电路,接口板电路(15)通过其插针与插接口电路(14)和站点总线(2)上的插槽电连接,并以光电隔离方式实现站点总线(2)和插接口电路(14)之间的数据传输。
5、根据权利要求4所述的用于分布式控制系统的现场控制机,其特征在于所述的接口板电路(15)为RS232型接口板电路。
6、根据权利要求4所述的用于分布式控制系统的现场控制机,其特征在于所述的接口板电路(15)为RS485型接口板电路。
7、根据权利要求4所述的用于分布式控制系统的现场控制机,其特征在于所述的接口板电路(15)为CAN型接口板电路。
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