專利名稱：具備內置plc功能的雙數據總線型主從控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，尤其涉及該控制器的系統架構、功能劃分及協調工作等方面的技術。
背景技術：
現有技術中，需要使用包括控制器的設備，所用控制器除了要實現相應控制算法、完成設備所具備的功能外，還需要對系統所需模擬量進行采樣及輸出，以及對系統所需數字量進行采樣和輸出；在一些應用場合，還同時需要具備對外顯示及通訊等功能。當使用控制器的設備本身較復雜，或者需要處理外部模擬及數字量較多，或者需要具備較強的顯示功能，或者需要具備較多的對外通訊功能時，現有技術的控制器往往不能滿足應用需要，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雜的應用需求，除了不斷更換越來越高檔的控制芯片外，還需要設計越來越多的模擬量及數字量采樣及輸出通道，以及要求越來越復雜的對外顯示及通訊電路；這導致控制器中配置的模擬量及數字量的采集及輸出的通道越來越多、相應電路規模越來越大，同時顯示及通訊相關電路的規模也越來越大。為了適應越來越復雜的應用需求而設計的控制器，當應用到需求較簡單的場合時，無論是控制芯片、模擬量及數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。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，也存在一些實際工況使控制器無法滿足應用需要，特別是一些比較復雜的應用工況，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),實現對系統的邏輯控制，以及對所需模擬量的采樣及輸出、對系統所需數字量的采樣及輸出；根據需要，還能實現對外顯示及通訊等功能。當一個高檔控制器無法滿足應用需求而再配備外置PLC后，在整個系統中同時存在兩個具備控制功能的部件；根據應用需要，控制器和外置PLC都能夠實現對模擬量及數字量的采樣及輸出，也都能夠實現對外顯示和通訊。但是根據使用控制器的設備的功能要求，控制器一般對模擬量及數字量的采樣及輸出，要求響應速度比較快，甚至很多情況要求實時采樣來做實時控制；而外置PLC —般響應速度較慢，因此控制器和外置PLC難以共同對模擬量及數字量的采樣及輸出，以及統一對外顯示和通訊。這導致二者資源的浪費，無論是控制器與外置PLC之間的資源重復配置，還是對模擬量及數字量的采樣及輸出通道的浪費，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。除了增加成本和浪費資源外，控制器9與外置PLC 二者在系統集成及控制性能上也存在不協調的問題，導致二者的系統集成度較低。控制器與外置PLC是兩套獨立的系統，一套系統要求處理速度快、一套系統的處理速度慢，盡管可以通過通訊方式將兩者聯系起來，但外置PLC系統對模擬量及數字量的采樣速度較慢，通過通訊送給控制器一般也會因速度太慢而難以使用。此外，系統對外的顯示和通訊，控制器和外置PLC都能實現，而且在沒有外置PLC時都是由控制器處理，一旦加入控制器后，若交由外置PLC處理，內部很多程序都要重新編寫及調試，不僅增加了運營成本，而且還延長了應用時間；為了使系統內部程序標準化，很多時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都存在的應用中，在二者的功能分配上，控制器除了實現相應控制算法的功能外，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，并限制了控制器實現更加復雜的控制算法，進而使得在一些更為復雜的控制中，不得不不斷采用功能更加強大的控制器，從另一方面再次提高了控制器的成本。
實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，將傳統控制器與外置PLC功能集成到一起，由主控制器實現核心控制算法功能，根據控制算法需要對模擬量及數字量進行采樣和輸出，同時與從控制器進行高速通訊，還可選配對外部其它控制器進行高速通訊來實現多機協調運行；從控制器實現除核心控制算法外的其它所有控制功能，包括系統邏輯控制、對外顯示及通訊等功能，同時根據自身功能需要對模擬量及數字量進行采樣和輸出，同時與主控制器進行高速通訊。為實現上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現:一種具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，包括主控制器單元、從控制器單元、模擬量單元、數字量單元，及算法執行單元，其中控制器內部存在兩條數據總線，其中一條公共數據總線由主控制器單元和從控制器單元分時共享，實現對模擬量單元和數字量單元的采樣及輸出，而且在任意時刻主控制器單元具有絕對優先使用權，該控制器通過地址總線進行尋址操作。優選地，所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，該控制器連接單套設備進行控制。優選地，所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，該控制器連接多套設備進行控制。優選地，所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，該控制器中每套控制器的主控制器單元有預留的高速通訊接口，實現多套控制器的互聯，完成控制器間的并聯運行。優選地，所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，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，在公共數據總線外架起另一高速通訊通道，實現主控制器單元與從控制器單元之間的高速通訊。具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器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)、數字量單兀(Digital Input&Output Unit，稱作DIO單兀5)，及算法執行單兀(Algorithm ExecuteUnit，稱作AEU單元I)，兩條數據總線6，以及地址總線7。所述控制器9中，從MCPU單元2對外有兩條數據總線6:—條數據總線6是MCPU單元2為實現核心控制算法所配置的數據總線6，用來與一個或多個AEU單元I進行數據交換，實現MCPU單元2與AEU單元I之間的數據交換，確保AEU單元I按照MCPU單元2的要求執行相應控制算法的要求，完成相應產品功能。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進行互聯的數據總線6，實現它們之間按照需要進行相應的數據交換功能；對MCPU單元2來說，實現與AIO單元4和DIO單元5的數據交換，完成核心控制算法所需模擬量及數字量的采樣及輸出；以及實現與SCPU單元3的數據交換，完成兩大控制單元的協調工作。根據應用需要，還可以在MCPU單元2上另外配置高速通訊接口，實現多套具備內置PLC功能的雙數據總線6型主從控制器9之間的相互通訊，通過地址總線7尋址，實現控制器9間的并聯運行或其它形式的配合運行。所述控制器9中，SCPU單元3也利用與MCPU公共的數據總線6，實現與AIO單元4和DIO單元5的數據交換，完成SCPU單元3所實現的系統邏輯控制、對外顯示及通訊等功能所需要的模擬量及數字量的采樣及輸出；以及實現與MCPU單元2的數據交換，完成兩大控制單元的協調工作。AIO單元4和DIO單元5同時通過這條公共的數據總線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進行模擬量及數字量的采樣及輸出。所述控制器9中，MCPU單元2和SCPU單元3具備操作該公共數據總線6的能力、AIO單元4和DIO單元5響應MCPU單元2和SCPU單元3的要求選通公共數據總線6。為確保MCPU實現相應控制算法對模擬量及數字量的采樣及輸出的快速性、實時性要求，MCPU單元2在任何時候對公共數據總線6都有絕對優先使用權，即在任何時候當MCPU單元2需要使用公共數據總線6時，SCPU單元3自動退出對公共數據總線6的任何操作。所述控制器9中，為進一步確保MCPU單元2實現相應控制算法對模擬量采樣及輸出的快速性、實時性要求，AIO單元4的采樣及輸出直接由MCPU單元2控制；基于公共總線結構，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，所得處理結果供MCPU單元2及SCPU單元3讀取，同時接受MCPU單元2及SCPU單元3的控制指令對數字輸出量的控制。所述控制器9中，兩個數據總線6都有較強的擴展功能，可根據應用需要配置數量不等的MCPU單元2、SCPU單元3、AIO單元4、DIO單元5和AEU單元I。可配置兩塊MCPU單元2實現控制器9的主控制單元的熱備用，或兩塊SCPU單元3實現控制器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，實現對模擬量及數字量采樣及輸出通道的擴展，滿足系統對更多采樣及輸出的需求；可配置一塊或多塊AEU單元1，實現MCPU單元2對數量不等的算法執行單元的通訊及控制。與常規控制器相比，本實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分開，每個控制器獨立完成所規定的任務，同時主從控制器之間實現高速通訊及數據交換，確保整個控制器9的功能集成及應用擴展性。該控制器9能夠節約外置PLC及相關的采樣、輸出的配置電路的成本，以及為滿足越來越復雜的應用需求所設計的越來越高檔控制器的成本。
圖1是具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器9架構的原理圖；圖2是具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器9用于單套設備的一種實現方式示例原理圖；圖3是具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器9用于多套設備的一種實現方式示例原理圖；圖4是多套具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器9通過高速通訊互聯應用的一種實現方式不例原理圖；圖5是是具備內置PLC功能的雙數據線主從控制器MCPU單元2和SCPU單元3工作時序圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實現方式作進一步詳細敘述。見圖1，具備內置PLC功能的雙數據線主從控制器9架構是個開放系統，內部兩個數據總線6都可以根據需要擴充，而且MCPU單元2、SCPU單元3、AIO單元4、DIO單元5和AEU單元I也都可以擴充，根據具體應用需要選配。見圖2，具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器9用于單套設備PWM控制的一種實現方式示例原理圖，適用于變頻器、靜止無功發生器、輕型直流輸電等各種各樣的單套設備中。見圖3，具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器9用于多設備8的一種實現方式示例原理圖，適用于需要多套設備8并聯運行、配合運行、主從控制運行等應用場合。如可以通過對這套控制器的兩個數據總線6進行擴充，以及加入更多數量的組成單元，作為電機低速直連用多套變頻器的控制器9，也可以作為皮帶機用多套變頻器的控制器9，以及多套并聯運行的工業設備的控制器9。見圖4，多套具備內置PLC功能的雙數據總線6型主從控制器9通過高速通訊互聯應用的一種實現方式示例原理圖；通過每套控制器9的MCPU單元2預留對外高速通訊接口實現相互通訊，實現控制器9間的并聯運行，或其它形式的配合運行。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，具備內置PLC功能的雙數據線主從控制器9對公共數據總線6的使用是有嚴格優先級的，MCPU單元2和SCPU單元3的工作時序是異步的，或者說是相對獨立的。在MCPU單元2的每個控制周期開始后，MCPU單元2先對AIO單元4進行操作，主要是模擬量的采樣，然后對DIO單元5進行操作，主要是數字量的采樣；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，開始執行這個控制周期內的核心控制算法的功能，包括通過另一數據總線6與AEU單元I的數據交換。SCPU單元3的控制周期與MCPU單元2 —致(也可以不一致)，但是起始時間不一樣，當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字量的采集和輸出；完成對這兩部分的操作后，開始執行SCPU單元3所承擔的顯示和通訊功能。這種公共數據總線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的操作時間分開，來確保數據總線6在任一時候只給其中兩個單元進行數據交換。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，可以十分靈活地協調MCPU單元2與SCPU單元3之間交替使用公共數據總線6，包括MCPU單元2與SCPU單元3之間直接通過數據總線6交換數據。從機制上保證了整個控制器9功能的靈活性及應用的多樣化。考慮到MCPU單元2和SCPU單元3對AIO單元4及DIO單元5進行模擬量及數字量的采樣及輸出不同步缺陷，在具體實現上，優先確保實現控制算法需要的數據的實時性，即確保對AIO單元4和DIO單元5所采集的數據是實時的。控制器9中讓SCPU單元3的絕對運作服從于MCPU單元2的調度，當MCPU單元2在任何時候要占用數據總線6時，SCPU單元3自動放棄對數據總線6的使用，只有當MCPU單元2不占用數據總線6時，SCPU單元3才能占用數據總線6進行相應操作。無論是顯示還是通訊，對所獲得數據的實時性要求并不高，因此SCPU單元3將異步于MCPU單元2采集的數據作為顯示及通訊等非核心控制算法方面，是可以接受的。而且整個控制器9中MCPU單元2和SCPU單元3的系統頻率都較高，一般系統在IOkHz以上，因此整個控制周期的間隔也只在IOOus以內，再考慮到它們采樣數據的時間間隔遠小于這個控制周期，因此它們獲得的數據偏差并不大，在工程實際應用中是允許。以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式
，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
權利要求1.一種具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，包括主控制器單元、從控制器單元、模擬量單元、數字量單元，及算法執行單元，其中控制器內部存在兩條數據總線，其中一條公共數據總線由主控制器單元和從控制器單元分時共享，實現對模擬量單元和數字量單元的采樣及輸出，而且在任意時刻主控制器單元具有絕對優先使用權，該控制器通過地址總線進行尋址操作。
2.根據權利要求1所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，該控制器連接單套設備進行控制。
3.根據權利要求1所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，該控制器連接多套設備進行控制。
4.根據權利要求1所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，該控制器中每套控制器的主控制器單元有預留的高速通訊接口，實現多套控制器的互聯，完成控制器間的并聯運行。
5.根據權利要求1所述的具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，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，在公共數據總線外架起另一高速通訊通道，實現主控制器單元與從控制器單元之間的高速通訊。
專利摘要本實用新型涉及一種具備內置PLC功能的雙數據總線型主從控制器，包括主控制器單元、從控制器單元、模擬量單元、數字量單元，及算法執行單元，其中控制器內部存在兩條數據總線，其中一條公共數據總線由主控制器單元和從控制器單元分時共享，實現對模擬量單元和數字量單元的采樣及輸出，而且在任意時刻主控制器單元具有絕對優先使用權，該控制器通過地址總線進行尋址操作，該控制器將主控制器單元與從控制器單元的功能完全區分開，各自獨立完成所規定的任務，同時它們之間實現高速通訊及數據交換，確保整個控制器的功能集成性及應用擴展性；同時能夠節約外置PLC及相關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 優先權日2012年11月9日
發明者黃新明, 張其生 申請人:黃新明