总线在可编程计算机控制器的应用
作者：admin 来源：未知 日期：2020-06-28 08:59人气：
摘要：本文介绍了一种采用冗余系统的可编程计算机控制器（PCC）如何与触摸屏进行快速切换的方法。通过运用POWERLINK总线，使贝加莱PCC与人机界面按照一个主站，多个从站的方式进行数据通信，实现了系统的无缝切换，增强了整个系统人机交互的能力。
关键词：冗余系统；可编程计算机控制器；powerlink；人机界面
奥地利贝加莱公司生产的可编程计算机控制器（PCC）在浮点运算和分时多任务等方面比传统的PLC具有非常明显的优势，在国内的工业领域应用也越来越广泛[1]。在采用了冗余配置的控制系统中，主PCC和备用PCC存在着一种切换机制，当一个设备故障发生，系统就会同时激活另外一个拥有同样配置的设备作为主机。但是采用以往的直连方式，即一个主机连接一个人机界面，主机与触摸屏的通信将无法做到同步切换。Powerlink是一种实时工业以太网，它的出现满足了现场实时性要求，具有传输速度快，传输数据量大等许多优点。尤为重要的是，它所具有的通信传输机制解决了人机界面与PCC冗余系统的切换控制问题，具有很强的实用性。
1POWERLINK原理
1.1概述
现场总线由来已久，几种出现较早、应用较多的现场总线，如CAN、RS485等，这些总线传输速度慢、每帧传输的数据包小。随着工业自动化由低速向高速、由集中式控制向分布式控制的发展，对现场总线的传输速度和数据量都提出了新的要求。由此诞生了POWERLINK、EtherNet/IP、ModBusTCP、ProfinetSRT、EtherCat等这些工业实时以太网的技术。在这其中POWERLINK以其优异的性能在各类总线中脱颖而出，在工程技术领域得到了长足的发展，大量运用在现代工业领域[2]。POWERLINK完全建立在标准的以太网基础上，它与传统以太网最大的不同在于：传统的以太网需要特定的硬件来实现，而POWERLINK在传输完全是通过软件来完成的，以太网只是其运行的一个物理桥梁。
1.2OSI模型
OSI是一个用于开放信息处理系统标准化的通信模型，它是当今许多通用数据优先级传输协议的参考模型。这个模型将数据传输的任务分为7层，每层（除了最底层）建立在另一层的基础之上。POWERLINK是一个三层的网络通信[3]，它规定了数据通信的物理层、数据链路层和应用层。物理层是POWERLINK的依托，数据链路层是其核心所在，应用层遵循CANopen标准，这个标准定义了不同种类设备的参数，为应用程序提供统一的接口，方便系统的搭建。
1.3通信机制
POWERLINK定义了一个管理节点MN，对整个网络进行数据收发的管理，其它所有节点作为控制节点CN。MN的作用就是协调管理各个CN，合理分配时间，避免数据冲突、实现实时通信。这种网络通信方式有两种：请求/应答模式（PReq/PRes模式）和主动上报模式（PRC模式），其中请求/应答模因其准确性得到了广泛的应用，本文也是针对这种模式进行分析。POWERLINK的一个循环周期包含三个阶段：等时同步阶段、异步阶段和空闲阶段，见图1所示。在POWERLINK一个周期开始时，MN应通过以太网多播发送一个SoC帧给所有节点。此帧的发送和接收的时刻，成为所有节点共同的定时基准，也代表同步阶段的开始。在SoC帧发送完毕后，MN开始进行等时同步数据交换。PReq帧发送到每个已配置的且活动的节点，被访问的节点应以PRes帧进行响应。PReq帧是以太网单播帧，只由目标节点接收。PRes帧作为以太网多播帧形式进行发送。PReq帧和PRes帧都可以传输应用数据。MN用一个独立的数据帧给一个CN发送PReq数据。PReq帧传输仅专用于被寻址CN的相关数据。相比之下，PRes帧可以由所有节点接收。这个阶段直到网络上所有的的CN都被轮循一次。当MN开始发送SoA帧的时候，表示异步阶段的开始，这个阶段用来处理一些对实时性要求不要的数据。空闲阶段是相邻两个周期的时间间隔[4]。
2硬件实现
2.1系统组成
触摸屏作为系统人机交换的操作界面，与主备PCC，I/O从站和N个驱动器共同组成了控制系统冗余网络。采用POWERLINK环形连接方式，一个节点的丢失不会影响系统的数据通信，环形冗余是一种常用的冗余，也是一种线路的冗余，当拓扑结构的最后一个节点再与主站相连接时，就构成了一个环。当某一根线缆出问题，这个系统依然可以继续工作，系统组成见图2所示。在整个控制系统中，两个PCC分别作为主站与备站，两者互为备份且构成冗余。由于采用了POWERLINK总线连接方式，同一时间内，只能有一个PCC处于激活状态，另外一个处于待机模式。此时，整个网络内只有一个管理节点MN，其它设备都将作为从站，而触摸屏作为其中一个从站，实现了与主站PCC进行实时数据交换的过程。当主站PCC一旦发生故障，系统自动启用备用PCC作为主站，同时备站PCC将作为整个网络的管理节点，继续完成与触摸屏的通信，系统可以实现无缝切换。
2.2触摸屏及接口连接
加莱的触摸屏5AP1120与PCC需要通过POWERLINK口连接，但触摸屏本身是不具备这样的功能，需要在其内部专门安插POWERLINK板卡用于实现其功能，两个连接口，其中一个负责接入POWERLINK，另外一个负责与其它设备构成环形网络。
3软件设计
在POWERLINK总线网络中，主站不间断的向从站发送请求，从站在收到请求后，会将相应的数据在网络中进行广播发送。在每个循环周期，触摸屏作为从站，在收到主站发送来的查询指令后，会将相应的参数上传到PCC缓冲区中，由PCC处理后发送到执行机构，从而完成系统的运行过程。
3.1上位机触摸屏开发
贝加莱的触摸屏没有单独的组态软件，它与PCC共同使用一个运行环境进行相应的操作。在新建的PCC项目中，需要另外新增一个带触摸屏的配置，两者通过激活来切换控制权。当触摸屏进行组态时，需要在触摸屏的PLK接口进行相关的配置，打开I/O通道，定义输入输出的变量类型。定义完成后，软件会自动生成设备的硬件变量信息，此时可以定义过程变量，与原先的硬件变量进行互相关，在界面组态时，选用过程变量可以间接连接到对应的硬件变量中，继而与外部设备进行互相通信。
3.2下位机PCC通信
在开发软件中，将PCC切换到激活状态，从而进行PCC与触摸屏的通信配置。首先，添加触摸屏固态信息到PCC工程设计界面，其次，将触摸屏设备和接口地址与PCC进行关连，让两种设备真正在软件上实现互连。最后，需要将PCC中的变量与触摸屏中的硬件变量进行相关联，从而启动信息传递的作用，实现了两者之间的实时通信过程。
4结束语
采用POWERLIN总线，将触摸屏作为从站连接到网络中，解决了人机界面与PCC冗余系统直接切换难的问题。该技术方案的使用，使得系统传输速度快、传输数量大，不仅易于实现，还提高了控制系统的可靠性和灵活性。
参考文献
[1]齐荣,肖维荣.可编程计算机控制技术[M].北京:电子工业出版社,2005.
[2]胡书立,王清理.等Powerlink总线技术的研究与实现[J].计算机工程与设计,2012,33(10):3821—3827.
[3]朱晓枫,等.基于EthernetPowerlink多轴伺服运动控制系统的同步性能研究[J].数控加工技术,2014,11-0064-05.
