CN215006358U

CN215006358U - 一种可编程控制器的总线系统和可编程控制器

Info

Publication number: CN215006358U
Application number: CN202121316364.2U
Authority: CN
Inventors: 庄斌; 陈欢; 刘槐旭; 徐昌荣
Original assignee: Beijing Runpower Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Runpower Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2031-06-11

Abstract

本实用新型公开了一种可编程控制器的总线系统和可编程控制器。其中，该总线系统包括高速总线、控制总线、扩展总线和混合远程总线，其中，高速总线为基于现场可编程门阵列的高速串行总线，用于连接可编程控制器的主背板上的各个模块；控制总线为串行485总线，用于连接可编程控制器的主背板和扩展背板；扩展总线为基于自定义以太网协议的数据总线，用于连接可编程控制器的主机架和扩展机架；混合远程总线为基于TCP/IP协议的数据总线，用于连接可编程控制器的主背板和第三方设备。本实用新型通过上述四种总线，提升了远程通讯的通讯距离和响应速度，提升了大型控制系统的兼容性，还提升了近程通讯的响应速度，并降低了总线连接的复杂度。

Description

一种可编程控制器的总线系统和可编程控制器

技术领域

本实用新型涉及工业自动化领域，尤其是涉及一种可编程控制器的总线系统和可编程控制器。

背景技术

近年来，随着制造业的高速发展，中小型的PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)控制系统得以快速成长，但大型的PLC控制系统在工业化进程中发展的则相对缓慢。大型的PLC控制系统作为一种高性能的自动化控制器，可广泛应用于大中型的自动化控制项目和中高端装备配套中，如市政污水、工业节能、洁净厂房、城市管廊等各个领域中。

在现有技术中，大型PLC控制系统的通讯性能不够完备，例如，在远程通讯过程中，经常会出现通讯距离和响应速度无法兼顾以及兼容性差的问题，而在近程通讯过程中，则会出现响应速度慢和连接方式复杂等问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种可编程控制器的总线系统和可编程控制器，主要目的在于解决大型PLC控制系统中远程通讯距离和响应速度无法兼顾以及兼容性差的问题，和近程通讯响应速度慢以及连接方式复杂的问题。

为实现上述目的，本实用新型首先提供了一种可编程控制器的总线系统，该总线系统包括高速总线、控制总线、扩展总线和混合远程总线，其中，

高速总线为基于现场可编程门阵列的高速串行总线，用于连接可编程控制器的主背板上的各个模块；

控制总线为串行485总线，用于连接可编程控制器的主背板和扩展背板；

扩展总线为基于自定义以太网协议的数据总线，用于连接可编程控制器的主机架和扩展机架；

混合远程总线为基于TCP/IP协议的数据总线，用于连接可编程控制器的主背板和第三方设备。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，高速总线由现场可编程门阵列内部集成的高速收发器实现，用于传输低压差分信号。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，当可编程控制器的主背板上同时包含主控制模块和从控制模块时，高速总线用于将主控制模块中的存储数据和运行数据同步至从控制模块中。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，高速总线支持可编程控制器的控制模块扩展至少一个独立的以太网接口和/或RS485接口。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，控制总线用于连接可编程控制器的主背板和1-4组扩展背板，其中，每个扩展背板包括多个槽位。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，扩展总线采用RJ45网线接口，连接方式为RJ45连接方式或光纤连接方式，通讯协议为脱离以太网TCP/IP的自定义协议，网络拓扑结构为菊花链式拓扑结构。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，扩展总线用于连接可编程控制器的主机架和1-30个分布式扩展机架，其中，每个扩展机架包括多个槽位。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，扩展总线内部自带交换机功能。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，混合远程总线用于对当前可编程控制器和第三方可编程控制器进行远程互联，其中，第三方可编程控制器的控制逻辑在当前可编程控制器中实现。

此外，为实现上述目的，本实用新型还提出了一种可编程控制器，该可编程控制器包括上述任一项实施例所述的可编程控制器的总线系统。

本实用新型提供的一种可编程控制器的总线系统和可编程控制器，根据数据传输的种类和应用需求，分别针对性的设计了四种总线，分别为注重距离和响应速度的扩展总线，注重带宽的高速总线，注重简单灵活的控制总线和注重兼容性的混合远程总线，本方案通过在可编程控制系统中引入上述四种总线，实现了大型PLC控制系统的数据高速交互，提升了远程通讯的通讯距离和响应速度，也提升了大型PLC控制系统的兼容性，还提升了近程通讯的响应速度，并降低了总线连接的复杂度，有效的提升了自动化工程师的工作效率。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型实施例提供的一种可编程控制器的总线系统的结构示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

下面结合图1描述根据本实用新型一些实施例所述的可编程控制器的总线系统。如图1所示，本实施例首先提供了一种可编程控制器的总线系统，该总线系统包括高速总线(简称CH总线)、控制总线(简称CC总线)、扩展总线(简称CE总线)和混合远程总线(简称CR总线)，其中，高速总线为基于现场可编程门阵列的高速串行总线，可用于连接可编程控制器的主背板上的各个模块，特点是带宽高且通讯距离短；控制总线为串行485总线，可用于连接可编程控制器的主背板和扩展背板，特点是简单灵活；扩展总线为基于自定义以太网协议的数据总线，可用于连接可编程控制器的主机架和扩展机架，特点是传输距离远且响应速度快；混合远程总线为基于TCP/IP协议的数据总线，可用于连接可编程控制器的主背板和第三方设备，特点是兼容性好。

在上述实施例中，高速总线可用于传输串行低压差分信号(LVDS，Low VoltageDifferential Signaling)，该总线可以由现场可编程门阵列(FPGA，Field ProgrammableGate Array)内部集成的LVDS收发器实现，其特点是通信协议比较简单，数据传输速率能到100MB，但传输距离较短，因此适合在板内进行高速传输，故而，可以将其用做连接可编程控制器的主背板上的各个模块，以使主背板上的控制模块能够和其他模块进行高速通讯。

进一步的，控制总线可以为串行485总线，该总线的特点是通讯协议简单，可靠性较高，成本较低，其数据传输速率较低于1MB，主要可用在板内和低成本IO模块的通讯上，这些模块一般对于通讯速度没有过高的要求，故而，可以将其用做连接可编程控制器的主背板和扩展背板，从而扩展出更多的槽位，降低总线连接的复杂度。

再进一步的，扩展总线的通讯协议在物理层和数据链路层用的是以太网，但传输层不是用的TCP/IP协议，该总线的特点是实时性较高，且可靠性较高，此外，扩展总线内部自带交换机功能，数据传输速率可达100MB，但成本较高，故而，可以将其用做连接可编程控制器的主机架和扩展机架，从而为系统扩展出更多的机架，提高系统的性能。

最后，混合远程总线的通讯协议是基于TCP/IP协议的以太网自定义协议，其实现起来较为方便，成本也较低，兼容性也较好，数据传输速率约为100MB，但其缺点是延时较长，因此，混合远程总线较为适用于远程IO和第三方产品通讯，故而，可以将其用做连接可编程控制器的主背板和第三方设备，从而提高系统的兼容性，在本实施例中，第三方设备可以是其他可编程控制器。

本实施例提供的一种可编程控制器的总线系统，根据数据传输的种类和应用需求，分别针对性的设计了四种总线，分别为注重距离和响应速度的扩展总线，注重带宽的高速总线，注重简单灵活的控制总线和注重兼容性的混合远程总线，本方案通过在可编程控制系统中引入上述四种总线，实现了大型PLC控制系统的数据高速交互，提升了远程通讯的通讯距离和响应速度，也提升了大型PLC控制系统的兼容性，还提升了近程通讯的响应速度，并降低了总线连接的复杂度，有效的提升了自动化工程师的工作效率。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，高速总线可以由现场可编程门阵列内部集成的高速收发器实现，并用于传输低压差分信号。在本实施例中，为了保证信号的传输质量及抗干扰特性，在背板内部可以采用高速串行总线来传输高速信号。其中，现场可编程门阵列(FPGA)内部所集成的高速收发器，速率最高可达到十几个Gbps，而且，低电压差分信号传输(LVDS)技术还具有高速率、低噪声、低功耗、低电流驱动等特点，容易在FPGA中实现，性价比也较高，因此，将LVDS技术应用在高速总线中，可以有效的提升背板内部各模块之间的通讯速度并降低彼此之间的干扰。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，当可编程控制器的主背板上同时包含主控制模块和从控制模块时，高速总线可用于将主控制模块中的存储数据和运行数据同步至从控制模块中。在本实施例中，可编程控制器的主背板上同时包含主控制模块和从控制模块的模式又称为双CPU冗余模式，该模式可以针对系统结构比较简单，又有一定冗余需求的客户群体。具体的，高速总线是一个控制模块(CPU)和背板上其他模块之间的高速线路，其带宽高达1GHz，但通讯距离较短。对于双CPU冗余的使用环境，高速总线可以在无需同步模块和同步光纤的情况下同步CPU模块中的存储数据和运行数据，有效的提升了系统的冗余性能，并节约了占用空间。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，高速总线支持可编程控制器的控制模块扩展至少一个独立的以太网接口和/或RS485接口。在本实施例中，高速总线可支持CPU模块的高速通讯扩展，或者是第三方通信协议的拓展模块。目前除CPU自带的通讯模块外，通过高速总线，还可扩展出多个独立的RS485和/或以太网接口，有效的扩展了系统的通讯功能。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，控制总线可用于连接可编程控制器的主背板和1-4组扩展背板，其中，每个扩展背板包括多个槽位。在本实施例中，控制总线可用于简单的单机IO扩展，在无需通讯模块的情况下，控制总线能够近距离、低成本的最多扩展出4组11槽背板，因此，在小型项目或OEM(Original Equipment Manufacturer，定点生产)设备中，可节约出4个通讯模块，并为系统增加了4个有效槽位，提升了系统的扩展性。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，扩展总线可以采用RJ45网线接口，连接方式为RJ45连接方式或光纤连接方式，通讯协议为脱离以太网TCP/IP的自定义协议，网络拓扑结构为菊花链式拓扑结构。在本实施例中，扩展总线的接口内部协议并不是通常所理解的基于以太网TCP/IP的自定义协议，因为工业控制网络跟传统的以太网有很大的区别，工业控制网络特点是速度快但报文较短，并且有着低延时、高可靠、高响应的要求。传统的以太网通讯通过OSI模型一层一层封装到第7层，协议封装数据较多，带宽浪费严重，数据的碰撞和转发延时大大降低了数据的实时性。针对于这些特性和需求，本实施例提出的扩展总线在链路层传输数据，无需TCP/IP协议，并抛弃了传统的查询应答模式，采用一种实时以太网协议(如ethercat协议)，从而大大的提高了通讯效率，保证了所有扩展机架上的模块都具有相当高的实时性。此外，RJ45连接方式还可以转换为光纤的方法，来延长通讯距离。利用这种自定义通讯协议，用户可以方便地将多个控制设备组成一个大的系统，方便编程管理。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，扩展总线可用于连接可编程控制器的主机架和1-30个分布式扩展机架，其中，每个扩展机架可包括多个槽位。在本实施例中，扩展总线主要负责连接高速分布式IO扩展机架，单CPU模块可以通过扩展总线最多扩展出30个分布式机架，每个远程机架有11个槽位，通过这种方式，主机架无需通讯扩展模块即可直接扩展多个机架，这将帮助控制系统实现更多的I/O点控制，同时，在一定程度上降低了工程造价。在这种连接方式下，可以进行双机架冗余，这种冗余方式可以针对冗余效果要求较高的客户群体，该模式通过双机架上的两个冗余同步模块，以及中间的扩展总线连接进行数据交换，冗余性能较好，数据同步速度较快，切换速度快，并且将背板进行了备份，更为可靠。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，扩展总线内部自带交换机功能，数据传输速率可达100MB，通过在扩展总线内部集成交换机功能，可以有效的降低总线的连接复杂度，并提高通讯速度以及降低成本。

在本实用新型的一个实施例中，可选地，混合远程总线可用于对当前可编程控制器和第三方可编程控制器进行远程互联，其中，第三方可编程控制器的控制逻辑可以在当前可编程控制器中实现。在本实施例中，扩展总线脱离了TCP/IP模式，可以达到高速和多背板的效果，但是有很多第三方设备和应用还是不能脱离TCP/IP协议的使用，这时混合远程总线便派上用场了。混合远程总线通过TCP/IP与第三方可编程控制器进行远程互联，能够实现统一编程管理。我们可以想象，在一个大型系统里，主要站点采用大型PLC控制系统进行控制，分散的小型站点或成本有要求的站点或者低功耗无线传输站点采用中小型的PLC控制系统进行控制，这时中小型的PLC控制系统不需要编程，它只需要加入大型PLC控制系统的网络，通过家族通讯协议即可变成相对于标准一组从站，所有的控制逻辑均在大型PLC控制系统中编程完成。通过这种方式，不但大大方便了系统设计和调试，也在可靠性和经济性上取得一个最佳的平衡。

此外，为实现上述目的，本实用新型还提出了一种可编程控制器，该可编程控制器包括上述任一项实施例所述的可编程控制器的总线系统。该总线系统包括高速总线(简称CH总线)、控制总线(简称CC总线)、扩展总线(简称CE总线)和混合远程总线(简称CR总线)，其中，高速总线为基于现场可编程门阵列的高速串行总线，可用于连接可编程控制器的主背板上的各个模块，特点是带宽高且通讯距离短；控制总线为串行485总线，可用于连接可编程控制器的主背板和扩展背板，特点是简单灵活；扩展总线为基于自定义以太网协议的数据总线，可用于连接可编程控制器的主机架和扩展机架，特点是传输距离远且响应速度快；混合远程总线为基于TCP/IP协议的数据总线，可用于连接可编程控制器的主背板和第三方设备，特点是兼容性好。

本实施例提供的可编程控制器，在其总线系统中根据数据传输的种类和应用需求，分别针对性的设计了四种总线，分别为注重距离和响应速度的扩展总线，注重带宽的高速总线，注重简单灵活的控制总线和注重兼容性的混合远程总线，本方案通过在可编程控制系统中引入上述四种总线，实现了大型PLC控制系统的数据高速交互，提升了远程通讯的通讯距离和响应速度，也提升了大型PLC控制系统的兼容性，还提升了近程通讯的响应速度，并降低了总线连接的复杂度，有效的提升了自动化工程师的工作效率。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述可编程控制器的总线系统包括高速总线、控制总线、扩展总线和混合远程总线，其中，

所述高速总线为基于现场可编程门阵列的高速串行总线，用于连接所述可编程控制器的主背板上的各个模块；

所述控制总线为串行485总线，用于连接所述可编程控制器的主背板和扩展背板；

所述扩展总线为基于自定义以太网协议的数据总线，用于连接所述可编程控制器的主机架和扩展机架；

所述混合远程总线为基于TCP/IP协议的数据总线，用于连接所述可编程控制器的主背板和第三方设备。

2.根据权利要求1所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述高速总线由现场可编程门阵列内部集成的高速收发器实现，用于传输低压差分信号。

3.根据权利要求1或2所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，当所述可编程控制器的主背板上同时包含主控制模块和从控制模块时，所述高速总线用于将所述主控制模块中的存储数据和运行数据同步至所述从控制模块中。

4.根据权利要求1或2所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述高速总线支持所述可编程控制器的控制模块扩展至少一个独立的以太网接口和/或RS485接口。

5.根据权利要求1所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述控制总线用于连接所述可编程控制器的主背板和1-4组扩展背板，其中，每个所述扩展背板包括多个槽位。

6.根据权利要求1所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述扩展总线采用RJ45网线接口，连接方式为RJ45连接方式或光纤连接方式，通讯协议为脱离以太网TCP/IP的自定义协议，网络拓扑结构为菊花链式拓扑结构。

7.根据权利要求1或6所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述扩展总线用于连接所述可编程控制器的主机架和1-30个分布式扩展机架，其中，每个所述扩展机架包括多个槽位。

8.根据权利要求1或6所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述扩展总线内部自带交换机功能。

9.根据权利要求1所述的可编程控制器的总线系统，其特征在于，所述混合远程总线用于对当前可编程控制器和第三方可编程控制器进行远程互联，其中，所述第三方可编程控制器的控制逻辑在所述当前可编程控制器中实现。

10.一种可编程控制器，其特征在于，所述可编程控制器包括如权利要求1至9中任一项所述的可编程控制器的总线系统。