基于CAN總線的模塊化冗余PLC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、基于CAN總線的模塊化冗余PLC構(gòu)造設(shè)計(jì)摘 要：為了滿足惡劣環(huán)境下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高可靠性需求，將冗余技術(shù)結(jié)合到CAN總線模塊的硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)中，介紹其總體方案、硬件設(shè)計(jì)方法，給出了部分實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)及設(shè)計(jì)流程。測(cè)試結(jié)果說明，此設(shè)計(jì)可成功實(shí)現(xiàn)CAN冗余模塊在總線故障情況下的冗余切換，進(jìn)步了設(shè)備可靠性。關(guān)鍵詞：雙冗余;CAN;模塊化;PLC中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302202101-00-020 引 言冗余可編程工業(yè)控制器是一種新型的可編程工業(yè)控制器，在通用性，可靠性等方面比傳統(tǒng)可編程工業(yè)控制器更有優(yōu)勢(shì)。在總結(jié)可編程工業(yè)控制器的根本構(gòu)造，工作原理根底上，提出了一種

2、基于ATMEL公司的ARM9微控制器AT91SAM9M10-G45的可編程工業(yè)控制器的設(shè)計(jì)方案。1 CAN總線的開展及前景CAN總線是德國BOSCH公司為解決汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。在多年的應(yīng)用過程中，CAN以它卓越的特性、極高的可靠性在工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連方面得到廣泛的應(yīng)用。本測(cè)控系統(tǒng)采用 CAN總線作為分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信部分，正是利用了CAN總線的實(shí)時(shí)性和可靠性的特點(diǎn)。CAN 總線是一種串行通信總線，傳輸介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜和光纖。通信速率最高到達(dá)1 Mb/s，可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局播送的傳輸方式。2

3、 模塊化PLC構(gòu)造模塊化構(gòu)造的可編程工業(yè)控制器將CPU模塊、存儲(chǔ)模塊、I/O模塊、電源模塊、通訊模塊的工作單元分別模塊化。各個(gè)模塊插在卡槽上用螺絲固定，各個(gè)模塊之間用通信電纜連通，通過總線進(jìn)展通信。模塊化構(gòu)造的可編程工業(yè)控制器配置比較靈敏，需要哪些模塊就配置哪些模塊，目前大中型PLC都已經(jīng)采用了這種構(gòu)造。模塊化的可編程工業(yè)控制器的構(gòu)造框圖如圖1所示：圖1 系統(tǒng)總體框架3 冗余PLC測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)硬件冗余的可編程工業(yè)控制器是通過系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)冗余所需的數(shù)據(jù)同步以及主備設(shè)備的切換。系統(tǒng)由主/備兩套PLC系統(tǒng)組成。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，主/備兩個(gè)CPU模塊、通信接口A和B、主/備I/O模塊、主/備總線等冗余設(shè)

4、備由手動(dòng)設(shè)備其中的一個(gè)為主設(shè)備，另一個(gè)設(shè)備為備用設(shè)備。I/O模塊與現(xiàn)場的儀表通過FAT模塊進(jìn)展數(shù)據(jù)通信。雙PLC冗余測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：圖2 雙PLC冗余測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)4 模塊化冗余PLC的架構(gòu)針對(duì)上述PLC整機(jī)冗余技術(shù)的特點(diǎn)，我們提出基于雙CAN總線模塊化冗余PLC設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。整套冗余系統(tǒng)啟動(dòng)后，CPU模塊首先進(jìn)展冗余功能軟件初始化。主/備CPU互相發(fā)出握手信號(hào)后，反響給冗余模塊，主CPU處于工作狀態(tài)，備用CPU處于熱備狀態(tài)。主CPU將工作中的通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的備份給備用CPU。同時(shí)備用CPU不斷檢測(cè)主CPU的工作狀態(tài)，一旦主CPU發(fā)生故障，主CPU就會(huì)發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤的握手信號(hào)給備

5、用CPU，備用CPU立即激活，備用CPU再瞬間無擾切換的主動(dòng)狀態(tài)接替主CPU的繼續(xù)工作，同時(shí)發(fā)出一個(gè)備用CPU啟動(dòng)的信號(hào)給上位機(jī)，通知設(shè)備維護(hù)人員對(duì)先前的主CPU進(jìn)線維護(hù)。主CPU執(zhí)行讀取輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、拷貝冗余數(shù)據(jù)、分析狀態(tài)等操作;備用CPU承受主CPU熱備的冗余數(shù)據(jù)，只有當(dāng)接替主CPU的工作時(shí)才會(huì)擁有主CPU的一切功能。圖3 雙 CAN總線模塊化冗余PLC構(gòu)造4.1 CPU模塊構(gòu)造設(shè)計(jì)CPU模塊是可編程工業(yè)控制器的核心。CPU處理器主要完成數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算與外設(shè)通訊等功能。AT91SAM9M10-G45芯片內(nèi)部資源比較豐富，外圍擴(kuò)展接口也比較豐富。在本文所設(shè)計(jì)的可編程工業(yè)控制器中主要是利

6、用該芯片擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、E2PROM、DDR2 SDRAM、電源控制單元、串行外設(shè)接口SPI、I/O控制器、定時(shí)器、以太網(wǎng)接口、USB接口、UART接口等。CPU模塊硬件構(gòu)造如圖4所示。圖4 CPU模塊硬件構(gòu)造4.2 雙CAN總線I/O模塊構(gòu)造I/O模塊采用基于Microchip的dsPIC30F6014單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)。該單片機(jī)采用精簡指令集RISC，哈佛總線構(gòu)造，流水線取指令方式，具有實(shí)用、低價(jià)、低功耗、功能和抗干擾才能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它內(nèi)含12位A/D轉(zhuǎn)換器200 kS/s、內(nèi)部E2PROM存儲(chǔ)器、比較輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信USART接口等，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理才能

7、。模塊如圖5所示。圖5 I/O模塊構(gòu)造圖5 結(jié) 語本文在內(nèi)核CPU硬件設(shè)計(jì)中核心處理器主芯片選用的是Atmel公司的AT91SAM9M10-G45的ARM9芯片，外部擴(kuò)展了一片256 MB的NandFlash存儲(chǔ)器和4片64 MB的DDR2 SDRAM存儲(chǔ)器，本文研制的可編程工業(yè)控制器已經(jīng)根本到達(dá)了預(yù)期的效果，運(yùn)行結(jié)果說明該可編程工業(yè)控制器在技術(shù)上有一定的可靠性。參考文獻(xiàn)1劉沖，付江梅.雙重冗余PLC控制系統(tǒng)的可靠性與可用性研究J.自動(dòng)化與儀表，2021，319：44-46，532王黎明， 夏立， 邵英， 等. CAN 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京： 電子工業(yè)出版社，2021.3廖常初.S7-300PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.4黃中平.關(guān)于進(jìn)步PLC程序可靠性的討論J