專利名稱:具備內(nèi)置plc功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,尤其涉及該控制器的系統(tǒng)架構(gòu)、功能劃分及協(xié)調(diào)工作等方面的技術(shù)。
背景技術(shù):
現(xiàn)有技術(shù)中,需要使用包括控制器的設(shè)備,所用控制器除了要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制算法、完成設(shè)備所具備的功能外,還需要對系統(tǒng)所需模擬量進(jìn)行采樣及輸出,以及對系統(tǒng)所需數(shù)字量進(jìn)行采樣和輸出;在一些應(yīng)用場合,還同時(shí)需要具備對外顯示及通訊等功能。當(dāng)使用控制器的設(shè)備本身較復(fù)雜,或者需要處理外部模擬及數(shù)字量較多,或者需要具備較強(qiáng)的顯示功能,或者需要具備較多的對外通訊功能時(shí),現(xiàn)有技術(shù)的控制器往往不能滿足應(yīng)用需要,被迫采用越來越高檔的控制芯片,極大地增加了控制器的硬件成本,以及為了適應(yīng)更高性能控制芯片的使用而重新編寫軟件等人力成本。但是為解決控制器不能滿足越來越復(fù)雜的應(yīng)用需求,除了不斷更換越來越高檔的控制芯片外,還需要設(shè)計(jì)越來越多的模擬量及數(shù)字量采樣及輸出通道,以及要求越來越復(fù)雜的對外顯示及通訊電路;這導(dǎo)致控制器中配置的模擬量及數(shù)字量的采集及輸出的通道越來越多、相應(yīng)電路規(guī)模越來越大,同時(shí)顯示及通訊相關(guān)電路的規(guī)模也越來越大。為了適應(yīng)越來越復(fù)雜的應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的控制器,當(dāng)應(yīng)用到需求較簡單的場合時(shí),無論是控制芯片、模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出通道,還是顯示及通訊電路,都可能存在大量的浪費(fèi)。另一方面,即使通過采用更高檔的控制芯片使控制器的性能大幅提高,也存在一些實(shí)際工況使控制器無法滿足應(yīng)用需要,特別是一些比較復(fù)雜的應(yīng)用工況,還要在控制器外額外配備外置的PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器),實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的邏輯控制,以及對所需模擬量的采樣及輸出、對系統(tǒng)所需數(shù)字量的采樣及輸出;根據(jù)需要,還能實(shí)現(xiàn)對外顯示及通訊等功能。當(dāng)一個(gè)高檔控制器無法滿足應(yīng)用需求而再配備外置PLC后,在整個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)存在兩個(gè)具備控制功能的部件;根據(jù)應(yīng)用需要,控制器和外置PLC都能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出,也都能夠?qū)崿F(xiàn)對外顯示和通訊。但是根據(jù)使用控制器的設(shè)備的功能要求,控制器一般對模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出,要求響應(yīng)速度比較快,甚至很多情況要求實(shí)時(shí)采樣來做實(shí)時(shí)控制;而外置PLC —般響應(yīng)速度較慢,因此控制器和外置PLC難以共同對模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出,以及統(tǒng)一對外顯示和通訊。這導(dǎo)致二者資源的浪費(fèi),無論是控制器與外置PLC之間的資源重復(fù)配置,還是對模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出通道的浪費(fèi),甚至還包括外部為這些采樣通道提供配套條件的資源的浪費(fèi)。除了增加成本和浪費(fèi)資源外,控制器9與外置PLC 二者在系統(tǒng)集成及控制性能上也存在不協(xié)調(diào)的問題,導(dǎo)致二者的系統(tǒng)集成度較低??刂破髋c外置PLC是兩套獨(dú)立的系統(tǒng),一套系統(tǒng)要求處理速度快、一套系統(tǒng)的處理速度慢,盡管可以通過通訊方式將兩者聯(lián)系起來,但外置PLC系統(tǒng)對模擬量及數(shù)字量的采樣速度較慢,通過通訊送給控制器一般也會(huì)因速度太慢而難以使用。此外,系統(tǒng)對外的顯示和通訊,控制器和外置PLC都能實(shí)現(xiàn),而且在沒有外置PLC時(shí)都是由控制器處理,一旦加入控制器后,若交由外置PLC處理,內(nèi)部很多程序都要重新編寫及調(diào)試,不僅增加了運(yùn)營成本,而且還延長了應(yīng)用時(shí)間;為了使系統(tǒng)內(nèi)部程序標(biāo)準(zhǔn)化,很多時(shí)候不得不將顯示和通訊等功能仍舊由控制器完成。因此在由控制器和外置PLC都存在的應(yīng)用中,在二者的功能分配上,控制器除了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制算法的功能外,仍需要拿出大量的資源處理模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出,以及對外顯示和通訊,以及對外置PLC的通訊;這大量占用了控制器的寶貴資源、極大地降低了控制器的使用效率,并限制了控制器實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制算法,進(jìn)而使得在一些更為復(fù)雜的控制中,不得不不斷采用功能更加強(qiáng)大的控制器,從另一方面再次提高了控制器的成本。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,將傳統(tǒng)控制器與外置PLC功能集成到一起,由主控制器實(shí)現(xiàn)核心控制算法功能,根據(jù)控制算法需要對模擬量及數(shù)字量進(jìn)行采樣和輸出,同時(shí)與從控制器進(jìn)行高速通訊,還可選配對外部其它控制器進(jìn)行高速通訊來實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行;從控制器實(shí)現(xiàn)除核心控制算法外的其它所有控制功能,包括系統(tǒng)邏輯控制、對外顯示及通訊等功能,同時(shí)根據(jù)自身功能需要對模擬量及數(shù)字量進(jìn)行采樣和輸出,同時(shí)與主控制器進(jìn)行高速通訊。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,包括主控制器單元、從控制器單元、模擬量單元、數(shù)字量單元,及算法執(zhí)行單元,其中控制器內(nèi)部存在兩條數(shù)據(jù)總線,其中一條公共數(shù)據(jù)總線由主控制器單元和從控制器單元分時(shí)共享,實(shí)現(xiàn)對模擬量單元和數(shù)字量單元的采樣及輸出,而且在任意時(shí)刻主控制器單元具有絕對優(yōu)先使用權(quán),該控制器通過地址總線進(jìn)行尋址操作。優(yōu)選地,所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,該控制器連接單套設(shè)備進(jìn)行控制。優(yōu)選地,所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,該控制器連接多套設(shè)備進(jìn)行控制。優(yōu)選地,所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,該控制器中每套控制器的主控制器單元有預(yù)留的高速通訊接口,實(shí)現(xiàn)多套控制器的互聯(lián),完成控制器間的并聯(lián)運(yùn)行。優(yōu)選地,所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,其特征在于,主控制器單元與從控制器單元之間配置高速通訊接口,在公共數(shù)據(jù)總線外架起另一高速通訊通道,實(shí)現(xiàn)主控制器單元與從控制器單元之間的高速通訊。具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器9,包括主控制器單元(MasterCentral Processing Unit,稱作 MCPU 單兀 2)、從控制器單兀(Slave Central ProcessingUnit,稱作SCPU單兀3)、模擬量單兀(Analog Input&Output Unit,稱作AIO單兀4)、數(shù)字量單兀(Digital Input&Output Unit,稱作DIO單兀5),及算法執(zhí)行單兀(Algorithm ExecuteUnit,稱作AEU單元I),兩條數(shù)據(jù)總線6,以及地址總線7。所述控制器9中,從MCPU單元2對外有兩條數(shù)據(jù)總線6:—條數(shù)據(jù)總線6是MCPU單元2為實(shí)現(xiàn)核心控制算法所配置的數(shù)據(jù)總線6,用來與一個(gè)或多個(gè)AEU單元I進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)MCPU單元2與AEU單元I之間的數(shù)據(jù)交換,確保AEU單元I按照MCPU單元2的要求執(zhí)行相應(yīng)控制算法的要求,完成相應(yīng)產(chǎn)品功能。另一條是MCPU單元2與SCPU單元3公共、與AIO單元4和DIO單元5進(jìn)行互聯(lián)的數(shù)據(jù)總線6,實(shí)現(xiàn)它們之間按照需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換功能;對MCPU單元2來說,實(shí)現(xiàn)與AIO單元4和DIO單元5的數(shù)據(jù)交換,完成核心控制算法所需模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出;以及實(shí)現(xiàn)與SCPU單元3的數(shù)據(jù)交換,完成兩大控制單元的協(xié)調(diào)工作。根據(jù)應(yīng)用需要,還可以在MCPU單元2上另外配置高速通訊接口,實(shí)現(xiàn)多套具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線6型主從控制器9之間的相互通訊,通過地址總線7尋址,實(shí)現(xiàn)控制器9間的并聯(lián)運(yùn)行或其它形式的配合運(yùn)行。所述控制器9中,SCPU單元3也利用與MCPU公共的數(shù)據(jù)總線6,實(shí)現(xiàn)與AIO單元4和DIO單元5的數(shù)據(jù)交換,完成SCPU單元3所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)邏輯控制、對外顯示及通訊等功能所需要的模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出;以及實(shí)現(xiàn)與MCPU單元2的數(shù)據(jù)交換,完成兩大控制單元的協(xié)調(diào)工作。AIO單元4和DIO單元5同時(shí)通過這條公共的數(shù)據(jù)總線6與MCPU單元2和SCPU單元3連接,分別供MCPU單元2和SCPU單元3進(jìn)行模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出。所述控制器9中,MCPU單元2和SCPU單元3具備操作該公共數(shù)據(jù)總線6的能力、AIO單元4和DIO單元5響應(yīng)MCPU單元2和SCPU單元3的要求選通公共數(shù)據(jù)總線6。為確保MCPU實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制算法對模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出的快速性、實(shí)時(shí)性要求,MCPU單元2在任何時(shí)候?qū)矓?shù)據(jù)總線6都有絕對優(yōu)先使用權(quán),即在任何時(shí)候當(dāng)MCPU單元2需要使用公共數(shù)據(jù)總線6時(shí),SCPU單元3自動(dòng)退出對公共數(shù)據(jù)總線6的任何操作。所述控制器9中,為進(jìn)一步確保MCPU單元2實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制算法對模擬量采樣及輸出的快速性、實(shí)時(shí)性要求,AIO單元4的采樣及輸出直接由MCPU單元2控制;基于公共總線結(jié)構(gòu),它也可直接由SCPU單元3控制。所述控制器9中,由于MCPU單元2和SCPU單元3對DIO單元5所處理數(shù)字量的快速性要求都不高,DIO單元5的采樣及輸出由DIO單元5自行處理,所得處理結(jié)果供MCPU單元2及SCPU單元3讀取,同時(shí)接受MCPU單元2及SCPU單元3的控制指令對數(shù)字輸出量的控制。所述控制器9中,兩個(gè)數(shù)據(jù)總線6都有較強(qiáng)的擴(kuò)展功能,可根據(jù)應(yīng)用需要配置數(shù)量不等的MCPU單元2、SCPU單元3、AIO單元4、DIO單元5和AEU單元I??膳渲脙蓧KMCPU單元2實(shí)現(xiàn)控制器9的主控制單元的熱備用,或兩塊SCPU單元3實(shí)現(xiàn)控制器9的從控制單元的熱備用;可分別配置一塊或多塊AIO單元4和DIO單元5,實(shí)現(xiàn)對模擬量及數(shù)字量采樣及輸出通道的擴(kuò)展,滿足系統(tǒng)對更多采樣及輸出的需求;可配置一塊或多塊AEU單元1,實(shí)現(xiàn)MCPU單元2對數(shù)量不等的算法執(zhí)行單元的通訊及控制。與常規(guī)控制器相比,本實(shí)用新型的有益效果是:該控制器9將主控制器和從控制器的功能完全區(qū)分開,每個(gè)控制器獨(dú)立完成所規(guī)定的任務(wù),同時(shí)主從控制器之間實(shí)現(xiàn)高速通訊及數(shù)據(jù)交換,確保整個(gè)控制器9的功能集成及應(yīng)用擴(kuò)展性。該控制器9能夠節(jié)約外置PLC及相關(guān)的采樣、輸出的配置電路的成本,以及為滿足越來越復(fù)雜的應(yīng)用需求所設(shè)計(jì)的越來越高檔控制器的成本。
圖1是具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器9架構(gòu)的原理圖;圖2是具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器9用于單套設(shè)備的一種實(shí)現(xiàn)方式示例原理圖;圖3是具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器9用于多套設(shè)備的一種實(shí)現(xiàn)方式示例原理圖;圖4是多套具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器9通過高速通訊互聯(lián)應(yīng)用的一種實(shí)現(xiàn)方式不例原理圖;圖5是是具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)線主從控制器MCPU單元2和SCPU單元3工作時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)現(xiàn)方式作進(jìn)一步詳細(xì)敘述。見圖1,具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)線主從控制器9架構(gòu)是個(gè)開放系統(tǒng),內(nèi)部兩個(gè)數(shù)據(jù)總線6都可以根據(jù)需要擴(kuò)充,而且MCPU單元2、SCPU單元3、AIO單元4、DIO單元5和AEU單元I也都可以擴(kuò)充,根據(jù)具體應(yīng)用需要選配。見圖2,具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器9用于單套設(shè)備PWM控制的一種實(shí)現(xiàn)方式示例原理圖,適用于變頻器、靜止無功發(fā)生器、輕型直流輸電等各種各樣的單套設(shè)備中。見圖3,具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器9用于多設(shè)備8的一種實(shí)現(xiàn)方式示例原理圖,適用于需要多套設(shè)備8并聯(lián)運(yùn)行、配合運(yùn)行、主從控制運(yùn)行等應(yīng)用場合。如可以通過對這套控制器的兩個(gè)數(shù)據(jù)總線6進(jìn)行擴(kuò)充,以及加入更多數(shù)量的組成單元,作為電機(jī)低速直連用多套變頻器的控制器9,也可以作為皮帶機(jī)用多套變頻器的控制器9,以及多套并聯(lián)運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備的控制器9。見圖4,多套具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線6型主從控制器9通過高速通訊互聯(lián)應(yīng)用的一種實(shí)現(xiàn)方式示例原理圖;通過每套控制器9的MCPU單元2預(yù)留對外高速通訊接口實(shí)現(xiàn)相互通訊,實(shí)現(xiàn)控制器9間的并聯(lián)運(yùn)行,或其它形式的配合運(yùn)行。見圖5,其中Ta為AIO單元操作周期,Td為DIO單元操作周期,Tcc為核心控制算法的操作周期,Tdc為顯示及通訊功能的操作周期,可見,具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)線主從控制器9對公共數(shù)據(jù)總線6的使用是有嚴(yán)格優(yōu)先級的,MCPU單元2和SCPU單元3的工作時(shí)序是異步的,或者說是相對獨(dú)立的。在MCPU單元2的每個(gè)控制周期開始后,MCPU單元2先對AIO單元4進(jìn)行操作,主要是模擬量的采樣,然后對DIO單元5進(jìn)行操作,主要是數(shù)字量的采樣;這里對AIO單元4的操作和對DIO單元5的操作順序不是絕對的,它們的順序可以互換。MCPU單元2做完對AIO單元4和DIO單元5的操作后,開始執(zhí)行這個(gè)控制周期內(nèi)的核心控制算法的功能,包括通過另一數(shù)據(jù)總線6與AEU單元I的數(shù)據(jù)交換。SCPU單元3的控制周期與MCPU單元2 —致(也可以不一致),但是起始時(shí)間不一樣,當(dāng)MCPU單元2完成對AIO單元4和DIO單元5的操作后,SCPU單元3才開始先后對AIO單元4和DIO單元5的操作,包括對顯示和通訊需要的模擬量及數(shù)字量的采集和輸出;完成對這兩部分的操作后,開始執(zhí)行SCPU單元3所承擔(dān)的顯示和通訊功能。這種公共數(shù)據(jù)總線6的方式,通過將MCPU單元2與SCPU單元3對AIO單元4和DIO單元5的操作時(shí)間分開,來確保數(shù)據(jù)總線6在任一時(shí)候只給其中兩個(gè)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另一方面,由于圖1至圖3所示的控制器9原理圖中,MCPU單元2與SCPU單元3之間存在高速通訊接口,可以十分靈活地協(xié)調(diào)MCPU單元2與SCPU單元3之間交替使用公共數(shù)據(jù)總線6,包括MCPU單元2與SCPU單元3之間直接通過數(shù)據(jù)總線6交換數(shù)據(jù)。從機(jī)制上保證了整個(gè)控制器9功能的靈活性及應(yīng)用的多樣化??紤]到MCPU單元2和SCPU單元3對AIO單元4及DIO單元5進(jìn)行模擬量及數(shù)字量的采樣及輸出不同步缺陷,在具體實(shí)現(xiàn)上,優(yōu)先確保實(shí)現(xiàn)控制算法需要的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,即確保對AIO單元4和DIO單元5所采集的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的。控制器9中讓SCPU單元3的絕對運(yùn)作服從于MCPU單元2的調(diào)度,當(dāng)MCPU單元2在任何時(shí)候要占用數(shù)據(jù)總線6時(shí),SCPU單元3自動(dòng)放棄對數(shù)據(jù)總線6的使用,只有當(dāng)MCPU單元2不占用數(shù)據(jù)總線6時(shí),SCPU單元3才能占用數(shù)據(jù)總線6進(jìn)行相應(yīng)操作。無論是顯示還是通訊,對所獲得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求并不高,因此SCPU單元3將異步于MCPU單元2采集的數(shù)據(jù)作為顯示及通訊等非核心控制算法方面,是可以接受的。而且整個(gè)控制器9中MCPU單元2和SCPU單元3的系統(tǒng)頻率都較高,一般系統(tǒng)在IOkHz以上,因此整個(gè)控制周期的間隔也只在IOOus以內(nèi),再考慮到它們采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于這個(gè)控制周期,因此它們獲得的數(shù)據(jù)偏差并不大,在工程實(shí)際應(yīng)用中是允許。以上所述,僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
,但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可輕易想到變化或替換,都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此,本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,包括主控制器單元、從控制器單元、模擬量單元、數(shù)字量單元,及算法執(zhí)行單元,其中控制器內(nèi)部存在兩條數(shù)據(jù)總線,其中一條公共數(shù)據(jù)總線由主控制器單元和從控制器單元分時(shí)共享,實(shí)現(xiàn)對模擬量單元和數(shù)字量單元的采樣及輸出,而且在任意時(shí)刻主控制器單元具有絕對優(yōu)先使用權(quán),該控制器通過地址總線進(jìn)行尋址操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,該控制器連接單套設(shè)備進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,該控制器連接多套設(shè)備進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,該控制器中每套控制器的主控制器單元有預(yù)留的高速通訊接口,實(shí)現(xiàn)多套控制器的互聯(lián),完成控制器間的并聯(lián)運(yùn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,其特征在于,主控制器單元與從控制器單元之間配置高速通訊接口,在公共數(shù)據(jù)總線外架起另一高速通訊通道,實(shí)現(xiàn)主控制器單元與從控制器單元之間的高速通訊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具備內(nèi)置PLC功能的雙數(shù)據(jù)總線型主從控制器,包括主控制器單元、從控制器單元、模擬量單元、數(shù)字量單元,及算法執(zhí)行單元,其中控制器內(nèi)部存在兩條數(shù)據(jù)總線,其中一條公共數(shù)據(jù)總線由主控制器單元和從控制器單元分時(shí)共享,實(shí)現(xiàn)對模擬量單元和數(shù)字量單元的采樣及輸出,而且在任意時(shí)刻主控制器單元具有絕對優(yōu)先使用權(quán),該控制器通過地址總線進(jìn)行尋址操作,該控制器將主控制器單元與從控制器單元的功能完全區(qū)分開,各自獨(dú)立完成所規(guī)定的任務(wù),同時(shí)它們之間實(shí)現(xiàn)高速通訊及數(shù)據(jù)交換,確保整個(gè)控制器的功能集成性及應(yīng)用擴(kuò)展性;同時(shí)能夠節(jié)約外置PLC及相關(guān)外置采樣輸出的配置電路的成本,以及頻繁升級控制器控制芯片的成本。
文檔編號G05B19/05GK202995367SQ201220588058
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者黃新明, 張其生 申請人:黃新明