可編程邏輯控制器的用戶定義埠和協議方案的製作方法

2023-05-04 02:55:36 2

專利名稱：可編程邏輯控制器的用戶定義埠和協議方案的製作方法
技術領域：
本發明涉及可編程邏輯控制器和可編程邏輯控制器的用戶定義埠和協議方案。
迄今為止，可編程邏輯控制器已經有些趨於專門化或適於具體類型或類別的設備。然而，用于越來越小型設備的可編程邏輯控制器有增長的趨勢。而且，還有一種趨勢是使用適合於不同工藝流程、系統和設備的可編程邏輯控制器。其結果是需要可編程邏輯控制器製造商生產更小更廉價的但提供更強適應性和性能的控制器。而且，競爭也迫使製造商生產從小型裝置-如積木式PLC到高度複雜裝置的可編程邏輯控制器。但是，不論尺寸或複雜度如何，都需要製造商在繼續提供其它性能的同時生產低成本的PLC。
因此，提供具有模塊化方式的PLC變得越來越重要。即能夠通過提供其它性能和/或其它輸入/輸出模擬和/或數字I/O接口來擴大系統。模塊化系統允許適用於簡單和複雜情況，同時可管理程度越高成本也越高。而且，由於可編程邏輯控制器的使用增多，事實上現在需要這種控制器能夠通過各種裝置在網絡環境中互連以及被編程和重複編程。
典型的可編程邏輯控制器，包括具有多個I/O接口以用於數字和/或模擬相互作用的主控制器。然而，經常有具體應用所需要的I/O接口與其提供的接口不同或要選用的I/O接口數目大於通常PLC提供的接口數。其結果是到目前為止的可擴展的可編程邏輯控制器具有任選的附加模塊的系統。這些模塊需要一種用於主控制器的裝置以選擇訪問的各個擴展模塊。以前進行這種選擇方法包括使用具有激活每個模塊位置用的各個選擇線的固定底板(fixed back planes)。因此，主控制器激活一特定選擇線來訪問一特定模塊。或者，固定底板與在每一模塊位置處提供的識別地址碼一起使用。所以主控制器經一地址總線提供一個地址，該地址由接收模塊與它預先編程的位置地址相匹配。
第三種方法是利用在安裝時變更的每個模塊的地址開關或跨接線(jumper)從而提供一個唯一地址。第四種方法是採用固定序列訪問的方式，其中在某一狀態改變序列完成之前，每個模塊禁止訪問一鏈中的後續模塊。在訪問該特定模塊完成之後，它將事務處理轉到後續模塊直到某一主信號表示開始一新訪問序列為止。
第五種方法使用了位置相關數據，其數據報文(data telegrams)從一個模塊傳到另一模塊，其中每一模塊將數據元素提取或加到報文中對應於鏈中各模塊位置的報文中地址處。然而，上述方法使用起來越來越有困難且越來越不方便，尤其是在積木式PLC中，由於該種PLC存儲量和處理能力受到限制而且其容納這些功能的尺寸小，所以愈加困難。
而且，PLC的最主要的或許是最重要的一個性能是能夠在需要儘管可快時間內運行特定的序列或程序。已經認識到實際處理過程經常不是高速「處理過程」，測量的各種參數需要運算，進行這種運算必須以高速方式從而使整個過程不被幹擾。這些高速運算一般利用中斷例程。然而至今，這種中斷例程需要用戶使用專門的預置程序段，PLC將對感興趣事件的控制轉移到該預定程序段。因此，在用戶能指定何時發生中斷的同時，用戶也被限制在一個特定的可被執行的中斷例程中。所以這限制了處理器的使用或需要非常長的中斷，即，可能感興趣的每種情況都必須編入相同的中斷例程中使得考慮到所有偶然情況的發生。
而且，越來越需要使用一種通常稱作高速計數器或功能元件的部件。使用這些計數器或功能元件來區分時間、事件頻率等以便啟動後續事件。一旦預定數目的事件發生就需要停止高速計數器的操作和/或擾亂高速計數器當前值-即清零以對下一個預定值進行重新編程。因此，在此復位和重新編程期間這會產生時間延遲或中斷。尤其成問題的是當需要一連串高速計數時，隨後的對計數器的復位會引起在總的時間期間中累積誤差或偏移。
現有可編程邏輯控制器存在的進一步問題是涉及它們的通信埠。可編程邏輯控制器一般提供用於控制作業系統軟體的通信埠。需要這種通信埠以使PLC可以進行編程。然而，這些與PLC通信的接口使用生產商專用通信協議或生產商庫設置或指定協議。而且，通信功能是PLC的必不可少部分且使用越來越頻繁，但終端用戶通常不能從用戶程序以一般途徑訪問該埠。至多，有些PLC可以使用戶能將消息發送給一設備—如印表機，但是不允許收到消息。因此，使用不同的PLC來適用於超出原先設計的或指定的協議的新的或不同的協議要困難、昂貴而且有時實際上是不可能的。至多，這些附加協議不能經普通接口或通信埠編程。
另外，現有PLC存在的問題是處理可去除程序存儲(removable programmemory)。可去除程序存儲器是將PLC適用於新設備、不同處理過程、不同參數等必要的一項功能。至今，這種可去除程序存儲器裝置採用並行存取裝置—如EPROM、帶有電池的RAM或快閃式EPROM。這些可去除盒式存儲器通常必須被插入到另一個器件中—如手持編程器。因此這表明將新程序下載到各個PLC是很麻煩的並且需要外部設備。而且，通常將特定PLC程序在系統中其它PLC或全工廠中類似PLC中傳播是一件很困難的事。
為了改進現有PLC的缺點和滿足對PLC的要求和需要，本發明將提供一種可編程邏輯控制器，其具有模塊擴展單元，其不需要固定的底板或不需要任意底板是其優點。而且還期望生產模塊化、可擴展的PLC，該PLC不需要開關或跨接線的成本和空間，也不需要在安裝時正確設置開關或跨接線。另一個優點是可以使用簡單的、低成本的異步邏輯以提供PLC的模塊擴展。還有一個優點是所提供的模塊化的可擴展的PLC，該PLC不需要時鐘信號或狀態機來實現順序操作或通過序列計數或定時鑑別的數據。
本發明還有一個優點是提供一用戶中斷例程，該程序可以動態地分配(assign)以在可編程控制器中使用。還有一個優點是PLC指令和系統允許PLC系統轉移對一個或多個感興趣事件—如輸入點的上升沿、高速計數器當前值等於預置值、特定時間期滿等的控制。還有一個優點是除分配一程序段外，PLC還可以從一特定事件中解除分配(De-assign)一程序段，即指定一具體事件不再是由用戶程序作專門處理所感興趣的，以及還根據特定工作條件對一個事件分配不同程序段。尤其有益的是，它能在程序執行期間而不是程序編譯期間動態地再分配那些中斷例程，並且它可以由PLC系統自動地執行以完成控制轉移。
還有，其進一步的優點是在PLC和系統中用戶定義的可動態分配的中斷例程，其允許用戶PLC程序在不停止高速計數器工作和不影響計數器當前值的情況下動態地修改指定的高速計數器的預定值。還期望有一具有高速計數器的PLC，該高速計數器設置有預定值，該預定值在感興趣事件，即當前值等於預定值的中斷事件發生的各個點上是可更新的，從而在不影響計數器當前狀態的情況下動態地對於下一個感興趣事件的預定值重新編程。
另一個所期望特性是具有高速計數器的PLC，其中該高速計數器的當前值不用復位為零就可以繼續計數同時可以對下一個感興趣的預定值重新編程。還期望一個特性是具有高速脈衝串輸出的PLC，其中高速脈衝串輸出用於形成流水線或排除從而使用戶PLC程序在一操作序列步驟之間沒有「死時間」地完成多步脈衝串輸出操作。
另一個優點是能夠有效地消除級聯誤差，該級聯誤差是在高速計數期間進行多次復位計數器操作時產生的。按照本發明所述的PLC還有一個優點是能夠在一操作序列中提供一附加步驟，該附加步驟可以使所述序列與程序步驟的執行並行形成流水線，由此PLC系統在完成正在進行中的一個步驟時自動地開始排隊步驟。
PLC的另一個所期望的優點是使用戶獲得PLC所固有的通信功能，從而使用戶對來自用戶程序的功能進行完全的控制。本發明還有一個優點是用戶能產生一個程序且該程序將在PLC管理下執行，這種能力可以支持用戶想要實現的任何通信協議(當然在用於實現這種通信功能的器件的能力範圍之內)。
本發明的另一個優點是通過利用通用異步接收/發送器(UART)裝置提供協議改變方案，從而向系統發出中斷以表示一個字符與狀態指示一起被接收到或發送出去。本發明還有一個優點是使用了可在用戶數據空間中獲得的虛擬UART或反射UART。
本發明的還有一個優點是提供虛擬UART，虛擬UART能使用戶發送和接收中斷、訪問數據寄存器的發送和接收、訪問控制和狀態信息，即發送緩衝器空、波特率、奇偶性選擇、成幀誤差指示等。
本發明還有一個優點是提供一PLC，該PLC具有通信埠可互換性，使其允許用戶PLC程序經標準通信埠接收信號字符從而該PLC系統將控制轉到一用戶指定程序以處理收到的字符，由此提供用戶所期望的和定義的「在空中」(「on the fly」)協議。本發明的進一步優點是在不使用或不需要附加或增加智能I/O模塊的情況下提供通信協議變化。
本發明的另一個優點是在於PLC指令和系統功能，該功能使用戶PLC程序啟動接收操作以接收多字符消息從而PLC系統向用戶指定程序轉移控制以處理收到的消息。本發明的還有一個優點是提供一種PLC指令和系統功能，該功能允許用戶PLC程序啟動對單個字符、多個字符或二者的結合進行接收操作從而向用戶指定程序轉移PLC系統控制。本發明還有一個優點是提供一種協議功能，這種協議功能有效地與現有硬體技術—如條形碼掃描儀、通信尋呼機間的通信。
本發明的另一個優點是提供一種串行訪問的電可擦除的可重編程的只讀存儲器(EEPROM)，該EEPROM可用於存儲用戶編程數據。另一個優點和期望的性能是盒式存儲器(memory cartridge)，其可以由用戶命令適當地重新編程，然後將用戶程序和數據傳送到另一個PLC。本發明還有一個優點是提供一種盒式存儲器，其可以完成迄今未知的不尋常的小型盒式存儲器的功能且只需要四路電連接。
本發明的另一個目的是提供用於可編程控制器(PLC)的用戶可定義協議方案，包括一具有至少一個輸入和一個輸出端的PLC，用於發送和接收相應的預定信號；該PLC中包含的至少一個微處理器，用於執行多個用戶指定的通信協議方案；連接到PLC的通信埠，用於按照至少其中一個協議方案來實現PLC和至少一個外部設備的通信；以及協議啟動裝置，其與該至少一個微處理器協調工作從而使PLC經通信埠執行所述多個用戶指定通信協議方案中的一個。
以下結合附圖對本發明實施例進行描述。


圖1是本發明的PLC系統的立體圖，具有一個基本單元、一個擴展I/O模塊和一個總線連接器；圖2是一張類似圖1的立體圖，表示圖1中安裝的各部件之間的互相連接；圖3是關於本發明基本單元的本發明盒式存儲器的使用示意圖；圖4是按照本發明的PLC系統的各種功能和部件的框圖；圖5是根據本發明組成和使用多個I/O模塊的示意圖；圖6是根據本發明的多個基本單元與多個類似基本單元互相連接的連接圖；圖7是根據本發明的基本單元的框圖；圖8是根據本發明的I/O模塊框圖；圖9是本發明基本單元使用的環狀掃描周期；圖10是類似於圖9的示意圖，表示用戶如何使本發明的基本單元在掃描周期上任意或所有輸入和輸出點操作；圖11是根據本發明由PLC系統處理的應用實例的示意圖12是根據本發明表示事件的高速流水線的時序圖；在描述本發明的作業系統和硬體之前，先總覽一下本發明的適用範圍以便幫助理解本發明。而且，應指出在下文描述中，本發明中遇到的實際書寫編程指令和用戶程序代碼的技術類似於本領域技術人員目前已知的技術，並且某種程度上取決於使用的硬體或作業系統。因此，下文除了充分描述示例程序之外，將不提供實際代碼的更詳細描述。
參照圖1，PLC系統總的由20表示。一個PLC系統包括一個CPU或基本單元22，該基本單元22可以與擴展或輸入-輸出(I/O)模塊24協作使用。應指出擴展模塊24是多個擴展模塊中的一個。而且，可以認為使用基本的基本模塊22在其本身內和對其本身不需要擴展模塊24。由總線連接器26實現基本單元22分別和I/O模塊24間的相互連接，其中總線連接器26與I/O擴展埠32協調工作。在本發明的優選實施例中，基本22單元是電連接到I/O模塊24，並且後續各I/O模塊利用設在I/O模塊24任意一側的總線連接器和擴展埠32連接到相鄰的I/O模塊(未示出)上。
在本發明的優選實施例中，總線連接器是邊沿卡(edge card)到邊沿卡的連接器，其與基本單元22和擴展模塊24內包含的電路協調工作。然而，應指出在不脫離本發明精神和範圍的情況下還可使用其他連接器。基本單元22和擴展模塊24一起被可滑動地安裝在DIN軌道28上，且基本單元22和擴展模塊24通過保持/DIN夾子30「掛在」DIN軌道28上並維持在適當位置。由於DIN軌道及其與各部件間的操作對於本領域的技術人員易於理解，因此省略了更詳細的描述。
參照圖2，圖2所示為本發明的PLC系統20的更詳細的立體圖，該圖示出基本單元22與擴展模塊24的連接。可以看到基本單元22有一個輸出開口蓋34和一個輸入開口蓋36。這些蓋子是樞軸鉸接的並且使其與外部器件以與可編程邏輯控制器常用方式相同的方式相互連接，且這種連接方式對本領域的技術人員是容易理解和獲得的。擴展模塊24類似地有I/O模塊上開口蓋38和I/O模塊下開口蓋40，這些蓋子用於適當的輸入和輸出線。關於這點，下文會更充分地描述，在本發明的最佳實施例中，I/O模塊24按照用戶需要可以有不同的I/O配置—如數字輸入、模擬輸入或二者適當地結合。
沿著基本單元22的邊緣安置有通信埠42，通信埠42由連接器構成用於與多個基本單元22相互連接，不僅用於通信目的而且還可作為不同協議方案的埠，這些及其類似的將在下文更充分地描述。在基本單元22與通信埠42相同的一側與輸入開口蓋36相鄰部位安置有連接電線用的輸入連接器44。雖然圖中未示出，但是一類似連接器—如連接器46以類似方式安置在鄰近開口蓋34的部位，且I/O模塊連接器50安置在鄰近I/O模塊上開口蓋38的位置。
在基本單元22和I/O模塊24的表面安置有多個狀態LED(發光二極體)48。這些LED表示如下文將要充分描述的各個寄存器的狀態和裝置本身內部的運行操作狀況，應指出在PLC上使用狀態指示器等對於本領域的技術人員是易於了解的並且可以獲得的。而且，可以理解在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以使用其它布局的連接器、狀態指示器、埠開口等，而且還可使用除DIN軌道以外的安裝裝置。
參照圖3，圖3所示為由下文將要充分描述的EEPROM構成的存儲器模塊52沿箭頭53方向如何插入盒式存儲器插座54中。鄰接插座54的區域位於基本單元22的開口蓋下部。在插座54的任一側放置有模塊開關56和模擬調節器58。模擬調節器58用於保持表示模擬調節位置的數字值，且在本發明的優選實施例中，這個值是由模擬調節器產生並且由程序適當地修改定時器、計數器當前值、預置值或設定值或限定值。
在本發明的優選實施例中，模塊開關56是三位置開關。當這個開關置於STOP(停止)模式時，儘管此時不允許執行用戶程序，但是用戶可以生成/編輯用戶程序。當開關處於RUN(運行)模式時，執行駐留在基本單元22中的用戶程序，同時禁止用戶生成或編輯用戶程序。然而，由於改變用戶數據值不編輯程序本身，所以在RUN模式下可修改用戶數據值。當開關處於第三種或最後一個位置-TERM，基本單元22使得可以通過通信埠或從智能模塊得到模式改變從而確定PLC的操作模式以及經通信埠來自正在進行編程或操作的接口裝置的模式改變命令，下文將作詳細描述。
參考圖4，圖4為本發明的功能模型或簡圖。在本發明的優選實施例中，電源產生24伏和5伏DC輸出作為DC或AC輸入電壓的結果。電源23給基本單元或CPU22供電。在本發明的優選實施例中，存儲器模塊52連接CPU22並且是邊沿卡連接器的一部分。模塊52是一個只需要在存儲器模塊52和CPU22之間有四根電線的串行裝置(以下將充分描述)。輸入和輸出44、46與CPU22協調工作以便如有關可編程邏輯控制器領域的技術人員易知道的那樣接收數據或執行功能和命令。因此，雖然圖中未示出，但在PLC通電期間，與一般可編程邏輯控制器一樣，執行多個診斷檢查—包括確定存儲器模塊52是否存在。而且，通電期間當存在存儲器模塊時也進行診斷測試。
圖5是本發明的I/O總線擴展特性。圖中所示有存儲器模塊24a、24b-24n，其中n表示總模塊數。應指出雖然能夠和可以根據需要的各種模塊的性能和需要的整個系統的運行速度以及CPU基本單元22的性能使用較低或較高編號的模塊，但是本發明的優選實施例可以使用七個模塊。
圖6所示為以20a、20b、20c表示的鄰近PLC系統20的部分的相互連接。不同的PLC系統20通過互連電纜64彼此連接在一起。被連接到至少一個PLC系統20的電纜是編程電纜62(programming cable)，該電纜連接正處於編程的裝置60。應指出互連電纜64和處於編程的裝置60可以保持與系統連接，也可以當完成編程、不再需要在不同PLC系統20a、20b、20c之間通信時取消這種連接。互連電纜64與每個基本單元22中安置的通信埠連接器42協調工作。雖然未示出，但是在不脫離本發明要旨和範圍的情況下一個或多個I/O模塊22可以連接到一個或多個PLC基本單元22從而連到PLC系統20。在這種方式中，通過在網絡模式或方式中運行，所有PLC可以同時完成編程，且PLC系統之間或編程裝置60之間的通信也可以完成。
存儲器利用與I/O模塊擴展圖7是本發明的CPU或基本單元22的框圖。基本單元22的核心是中央處理器，本發明優選實施例中是80C32。在不脫離本發明要旨和範圍的情況下，能夠和可以使用其它類型的處理器。連接80C32處理器是提供PLC裝置固有的多種功能的ASIC(專用集成電路)。這些特性和「服務」包括1、處理器總線支持邏輯，包括地址/數據解復用器和本地片選(chipselect)；2、分頁邏輯，從而將外部存儲器空間映射到80C32處理器程序和數據存儲區域中；3、本地I/O緩衝和過濾；4、直接中斷，轉到軟體計數輸入和轉到用戶中斷例程，下文將更充分描述；5、高速輸入計數器和高速脈衝輸出功能；6、用於擴展模塊24的I/O總線接口；
7、監視時鐘(watchdog timer)；以及8、電位器輸入58的定時器。
還能看到數據和地址線連接到80C32處理器並與ASIC、RAM和快閃EPROM協調工作。在本發明的優選實施例中，RAM是8×32k字節的RAM，其具有一電容器以用於提供備份電源從而在間歇斷電期間保持RAM的內容。這個32k×8 RAM提供所有易失數據的空間—如作業系統暫存填充數據、消息緩衝器、非駐留用戶數據以及用戶編譯代碼。在不脫離本發明範圍的情況下還可以採用其他功能元件和/或其他型號的RAM。
在本發明的一優選實施例中，快閃EPROM是128k×8的EPROM，在不脫離本發明精神和範圍的情況也也可採用其他型號的EPROM。這個快閃EPROM存儲系統代碼且其中有多個扇區-其中每個扇區都可單獨擦除和重列編程。但是應指出在不脫離本發明精神範圍的情況下可使用標準EPROM。還可看到連接到ASIC的有各種管腳輸出，這是一般數字電路設計常遇到的—如片選、中斷零(INT 0)、中斷(INT 1)以及存儲單元選擇(bankselects)。連接到ASIC的還有隔離的輸出電路，其在本發明優選實施例中是光耦合的並具有用於上述狀態指示器等的LED指示器。
一個30MHz的主振蕩器提供系統定時，且80C32連接到其復位管腳，從而有利於正在進行中的掉電，因此能有效地關閉。連接80C32處理器的還有RS-485驅動器，該驅動器連接通信埠連接器42。雖然在不脫離本發明要旨和範圍的情況下也可以採用其他驅動器，但本發明優選實施例中使用的是485驅動器。在這種情況情況下使用了一個RS-232轉換器如圖中所示。該RS-485驅動器還與動態可變中斷方案(dynamically changeableinterrupt scheme)協調工作，下文中將詳細予以描述。
連接80C32處理器的還有一串行時間的時鐘以提供實時信息。如圖所示，設有一個連接80C32處理器的一個8×8k的串行EEPROM來存儲用戶代碼和用戶及系統數據，這些代碼和數據在沒有電的擴展期間必須要保持住。這樣提供的一個好處是在電源中斷、變化等之後不需用戶將代碼下載到PLC上。這個串行EEPROM位於CPU或基本單元22中。如圖3所示第二個具有8×8k存儲量的串行EEPROM構成盒式存儲器52的核心並且按需要間歇性地在需要時與PLC基本單元22連接。因為只需四個電連接線就可以用非常小的盒式存儲器，所以使用一串行存取EEPROM。另外由於這個存儲器的存取是串行的，因此將其做成連接器就更小更便宜並且更容易防止靜電等幹擾。這與以前使用的並行存取方法相比尤其明顯。並行存取方法一般需要20或更多個連接線且並行存取方法極易受到靜電釋放幹擾，將其連接器化和防止靜電幹擾也昂貴。另外，當與存儲器模塊如模塊52進行接口操作時一般對速度無要求，所以可以不考慮讀寫的串行存取的時間損失。
該EEPROM盒式存儲器52經傳統的電連接器，最好以邊沿卡形式連接到80C32。應指出儘管本發明優選實施例中使用了一個EEPROM，但是盒式存儲器52可以簡單地由一個ROM構成，該ROM使用戶程序可經80C32直接下載到駐留的串行EEPROM。以這種方式，ROM形式的盒式存儲器能用於更新多個PLC基本單元。然而，使用串行EEPROM是為了將用戶碼能從駐留串行EEPROM上載到存儲器模塊以便將來傳播到其他PLC，由用戶等進行使用或學習從而使PLC成為一種「編程器」。
如圖所示的指示器LED-如狀態指示器48表示基本單元22是否處於FAULT(故障)、STOP或RUN模式。因此，如圖1和圖2所示的這些指示器，若表示SF-即表示系統故障(System Fault)，SF最好用紅燈表示，當燈亮時表示基本單元22出現致命錯誤。類似地，RUN LED最好用綠色表示PLC處於運行模式並且正在執行用戶程序，而STOP LED最好用黃色表示該可編程邏輯控制器處於STOP模式且停止運行程序。
其餘的指示器，當標記為I時，最好為綠色，向PLC系統表示各輸入點的當前狀態，從而作為邏輯側狀態指示器(logic side-status indicators)；而基本單元22上的指示器標記為Q時，最好用綠色表示各輸出點的當前狀態，因此是邏輯側狀態指示器。而且，雖然未在圖中示出，但是擴展模塊24也可以利用Q指示器，如果各輸出點是位於該模塊上。
如所示出的，盒式存儲器52不使用編程裝置60即向基本單元如PLC系統20提供現場(field)升級能力。盒式存儲器52有效地複製基本單元22中提供的內部不易失的存儲器，並且在安裝時更換(Supercede)在駐留串行EEPROM中包含的信息。
安裝或使用盒式存儲器52是相對簡單的。為了從盒式存儲器向基本單元22的內部存儲器複製程序，所需做的全部工作只是安裝盒式存儲器52並且給基本單元22周期性地供電(斷電然後供電)。因此，盒式存儲器52可以按照需要被去掉或保留在原位。當從盒式存儲器52下載程序時，首先利用與串行EEPROM相同的總線將信息加載到駐留串行EEPROM中。然後，程序被加載到執行和數檢驗的RAM中以確定下載的完整性並隨後再次加載到駐留EEPROM中。以這種方式，使用RAM來保持輸入值(如測量的加侖數，稱量磅數等)而駐留串行EEPROM保持實際用戶程序。
一個大電容用來保持存儲所述用戶值的RAM部分區域中的數據。為將程序複製到盒式存儲器52需要做的全部工作是如先前所述的那樣安裝盒式存儲器52。然後，必須使用編程裝置如60來命令80C32處理器將存儲信息拷貝到盒式存儲器52，然後該盒式存儲器可按照需要被去掉或留在原位。當向盒式存儲器52寫用戶程序時，首先將該程序從駐留串行EEPROM發送到執行和數檢驗的RAM中，然後，如前所述用戶程序與和數檢驗值一起被發送到盒式存儲器。當基本單元22接收命令從而將程序拷貝到盒式存儲器時，RAM數據如用戶程序用戶數據的第一128/512位元組、站地址、駐留範圍確定(如果存在)、固定(freeze)/拷貝狀態和RUN到STOP變化的輸出表值、口令和限定類別以及所有增強操作數和他們的值都自動拷貝。
圖8為按照本發明的一擴展I/O模塊24的功能框圖。如前所述，多個模塊利用邊沿卡連接器端對端的相互連接。在本發明的優選實施例中，對於一個基本單元22，最大可有7個模塊。然而，在不脫離本發明的範圍的情況下，其他數目的模塊也可以被使用，這要取決於基本單元22的性能和環境。由於模塊24不使用公用底板並且他們實際上是自己識別，所以大多數但不是全部的連接是菊花鏈。關於這點，從基本單元22到全部模塊24的電源(未示出)和邏輯連接都是菊花鏈。信號線IODB用作I/O數據總線；IORA用作I/O寄存器地址；IOWRT-N用作I/O寫選通；IORD-N用作I/O讀選通以及I/O DATEN用作I/O使能輸出；所有這些信號均是經這些模塊的菊花鏈。然而，可以看到用作I/O模塊地址的邏輯引線IOA在每一模塊被邏輯地中斷和再產生。
在本發明的優選實施例中，IOA模塊選擇地址在它經過每一模塊時在數值上遞減。當一個模塊在其IOA線上接收到例如零(0)的地址時，該模塊被識別。因此，當CPU22將「0」的地址給到鏈的開始處時，第一個模塊被選中。當CPU22給出1的地址時，第二個模塊看到0的地址被選中，如此進行下去。
所以，當開始工作時，CPU22將7的地址給第一模塊。然後，這個模塊檢查是否給出的地址是0，如果不是，則該地址減1並傳送到下一個模塊並且進行同樣操作直到一個模塊收到0的地址，由此讓模塊知道它的地址是0。照此，如果一個模塊沒有收到0地址，則該模塊知道給它的編號不是它自己的模塊號。因此，任意混合的I/O模塊類型可以被聯接而不用地址開關和固定底板。不需要從每個模塊向CPU給出地址，原因在於設計的用戶程序知道連接的是哪個模塊及其模塊地址。因此CPU22本來就知道應有多少模塊是PLC系統20的一部分。對於每個模塊唯一重要的是要知道自己的模塊號。照此，當CPU22從一個模塊請求信息時，只是那些特定模塊響應而且因此甚至不需要模塊將自己的地址號給出到信號線IOA上。然而，應指出在不脫離本發明要旨和範圍的情況下，擴展模塊24實際可以包括給CPU的地址。類似地，模塊IOA地址可以在它們的地址號被傳播時被遞增以便讓CPU確定或知道有多少個模塊在該線上。
模塊24本身的控制邏輯是本領域技術人員容易知道和獲得的數字電路。每一模塊中的相互連接是ID寄存器，該ID寄存器連接控制邏輯和信號線IODB。這個識別寄存器與I/O和模塊邏輯84相互作用並且用於使處理器22識別連接到CPU的是什麼類型的模塊。通過模塊類型適當地具體說明模塊24是分離的或模擬的模塊、輸入和輸出點的混合等。
類似地，該寄存器也被連接到信號線IODB和控制邏輯，且用於給出從外部裝置讀取的特定值或作用於從CPU22輸出的命令。如有關識別寄存器所述的，這個寄存器還連接到I/O邏輯控制單元84。這個邏輯控制I/O邏輯和控制單元84包括例如濾波器、模/數和數/模轉換器、隔離電路等熟知的用於I/O的裝置。
圖9所示為CPU22的RUN模式期間常用的掃描周期。應指出，在不脫離本發明的要旨和範圍的情況下，在正常操作或不同序列期間，考慮到其它因素能夠和可以利用其它掃描周期。因此，在本發明的優選實施例中，基本掃描周期由五個操作組成，開始是讀取輸入，其後是執行用戶程序。接著是處理通信請求。然後是下文將會詳細描述的內部內務處理零碎工作。最後是適當地寫所有輸出。然而，如下文將會詳細描述的，使用戶能夠發出中斷是根據用戶按照它們出現的順序設定的優先級來提供的。在本發明的優選實施例中，當中斷事件發生時中斷處理是與掃描異步完成的。
如上所述，每一個掃描周期都是從讀取輸入位的當前值開始，然後將這些值寫入RAM(圖7)中包含的輸入圖像寄存器。接著開始執行程序，該程序從第一個指令直到最後一個指令執行。照此，在該程序或中斷例程執行期間，即時的I/O的指令最好提供對輸入和輸出的即時訪問。而且，如果用戶確定使用中斷，與每個中斷事件有關的例程作為程序的一部分被存儲。中斷例程不是作為圖9所示的一般掃描周期的一部分來執行，而是只有當中斷事件發生時被執行，當然其可以出現在掃描周期的任一點上。
在掃描周期的消息處理部分，PLC基本單元22處理由通信埠收到的消息。其後，在該周期的自診斷階段，做內部內務處理零碎工作。這些零碎工作包括對可編程邏輯控制或固件和用戶程序存儲器做周期性地自診斷檢查或以及作I/O模塊狀態檢查。掃描周期的最後一個階段是有關輸入/輸出，藉此圖像寄存器值被寫入輸入模塊/從輸出模塊讀取，從而完成一個掃描周期。在本發明的優選實施例中，基本單元22不自動更新作為掃描周期的部分的模擬輸入和輸出的模擬值，因此不用保持模擬I/O圖像寄存器。然而，這些值可以直接由用戶程序訪問。
圖10所示為本發明使用的強制功能(force function)型掃描周期。人們已經發現這種掃描周期是重要的，不僅因為當第一次運行有故障(bug)時，一般PLC可以編程；而且因為其能夠動態地改變一些功能—如中斷、復位等需要仔細控制和精度的操作。例如使用強制功能的例子有臨時重寫(overwrite)輸入狀態從而調試應用邏輯；重寫離散輸出點可變存儲器和其它數據以及利用具有強加存儲器位的轉移指令跳過用戶程序。在如圖10所示的強制功能掃描周期中，強加的數據值可以由用戶程序輸入輸出更新周期或通信處理來改變。由此，基本單元22在掃描周期的不同點上再給出每個強加值，並且可以按照所期望的在程序執行之前、期間、之後進行，以及消息處理期間或之前以及緊挨輸出寫之前進行操作。高速功能和中斷功能人們知道利用中斷處理某些當時知道的系統信息是極其有用和有益的。現在的PLC一般不能處理多於一個的中斷。但是，本發明的PLC基本單元22不用等待掃描周期的特定部分，通過使被分配的例程任務滿足利用當時中斷/事件知道的系統信息的要求，通過高速處理這些中斷，從而實現中斷/事件例程的動態分配。另外，本發明還允許解除分配用戶程序部分以便使用戶程序在發生感興趣的事件時將控制轉移。已經發現與現在的PLC相比，現有的PLC只在編譯期間進行中斷分配，從而實際上是在靜態條件下進行處理；而本發明允許在程序執行期間動態地分配中斷，這是一個很大的優點。因此，動態用戶-中斷例程分配可以將用戶程序部分指定給在動態環境中的一個中斷事件，且使PLC基本單元22自動實現控制轉移。
在本發明的一個優選實施例中，基本單元22支持8個I/O中斷事件，這些中斷事件可以根據上升沿事件和下降沿事件。但是，應指出在不脫離本發明要旨和範圍的情況下，實際中可以有更少或更多的中斷事件。另外，本發明的基本單元允許2個定時中斷發生、兩個串行通信中斷發生(接收/發送)；根據方向改變、外部復位的最多可達七個高速計數器中斷及兩個脈衝串輸出中斷。
在本發明優選實施例中，所有這些中斷的優先順序是按照固定的優先級方案由高到低確定好的。該優先級方案最好是通信中斷、I/O中斷、定時中斷。每個中斷在各自優先級分配範圍中，根據先來先處理的原則由基本單元22處理。另外，只有一個用戶中斷服務例程是在任意時間點一直是激活的，並且如果例如定時中斷正在被處理，那麼後續分離位中斷或通信中斷都不會優先於定時中斷例程。但是，發生於其他中斷正在被處理時的多個中斷則要按照所述的優先級方案進行排隊以在以後作處理。但在不脫離本發明要旨和範圍的情況下，還可以採用其他的優先排序方案。
在本發明的優選實施例中，一些累加邏輯最好被存儲以供中斷使用或在中斷期間使用，該累加邏輯可包括—如觸點、線圈和累加信息。因此，為了使用本發明的中斷功能，需要做的全部工作是當事件發生時，將中斷事件與用戶希望執行的程序段聯繫起來。這項工作可以在用戶程序編程期間通過簡單的相連指令就可完成。已發現通過利用相連指令，用戶有可能將多個中斷事件與一個中斷例程相連。而且，在本發明的優選實施例中，總體上說根據用戶的具體要求，可以使能或禁止所有中斷。或者是，通過使用簡單的分斷(detach)指令來切斷中斷事件與中斷例程之間的聯繫可以禁止單個中斷，從而使中斷返回非活動狀態或被忽略狀態。
因此，通過這裡提及的種類進行優先排序和使用中斷，用戶現在可以實現許多增加的功能。其中一個功能是使用基本單元22的串行通信埠42，將其稱之為自由埠模式。在這種自由埠模式中，用戶程序可以決定和定義如下特徵波特率、每字符的各個位、奇偶性以及特定的協議等。其可以由使用接收和發送中斷來實現，其中接收和發送中斷可以使用戶對基本單元編程以便進行編程受控的通信。
通信埠啟動中斷的一個例子是使用有關於條形碼閱讀器、秤、焊接設備、安全編碼標記設備(Security encoded badge)以及信用卡型閱讀器等的接收功能，這裡僅是舉幾個例子。在該例子中，在有關所需的協議和用來啟動中斷的實際字符或代碼方面完全取決於用戶。或者，在傳輸功能模式，消息可以被發送到印表機或顯示器，這些都是所述通信中斷優先級方案的一部分。
在本發明的一優選實施例中，傳送(X/T)消息允許該單元用緩衝區的最後一個字符被發送後產生的中斷將一個或多個字符的緩衝區發送。類似地，由每個接收的字符產生一個中斷，在中斷控制下執行通信的接收。
如前所述，I/O中斷包括上開/下降沿中斷、高速計數器中斷和脈衝串輸出中斷。上升和下降事件可以對每個輸入點捕獲，而高速計數器中斷允許用戶響應這些情況-如到達一個預定值的當前值、計數方向改變(該方向對應於正在轉動的軸，如電機等的轉動方向的反向)以及外部計數器復位。每個高速計數器事件允許實時地採取行動並且能響應不能由一般PLC控制器掃描速度控制的高速事件。而且，脈衝串(pu1se train)輸出中斷為輸出的完成的用戶程序提供即時的通知，例如可在步進式電機遇到的規定數目的脈衝。
關於本發明的定時中斷功能，一個中斷事件在每次定時器到時間時將控制傳送給合適的中斷例程。這種功能在以規則間隔對模擬輸入進行採樣中是極有用的。在本發明的優選實施例中，定時中斷被使能並且當中斷例程被連接到定時的中斷事件時定時開始。本發明的一個顯著優點是在這種連接期間，系統捕獲周期時間值從而後續的變化不影響周期時間。因此，這使得定時器可在中間點而不是在定時器的開始進行有效地「復位」。所以，用戶能夠在系統中出現事件時動態地分配問題塊。
如前所述，在本發明的優選實施例中，基本單元22內駐留有三個高速計數器。但是，在不脫離本發明的要旨和範圍的前提下，可以使用其它數量的計數器。這些計數器的計數方向(向上或向下)由利用方向控制位的用戶編程者控制。每個計數器要有用於時鐘、方向控制、復位和開始等的輸入，並且還要提供正交模式以便在1×或4×之間選擇記數速率。在本發明優選實施例中，這些時鐘中至少有兩個彼此相互獨立。
而且，當一個具體時鐘的復位輸入被啟動時，該復位清除當前值並且保持它在清除態直到該復位被取消。當用戶啟動開始輸入時，它允許計數器計數並連續計數，而該次開始的取消使計數器當前值保持恆定並忽略時鐘事件。另外，如果開始輸入是激活的同時復位保持激活態，則當前值被清除。在使用高速計數器之前，利用高速計數器定義指令選擇計數器模式以便在特定高速計數器和計數器模式之間提供所述的必需的聯繫。
通過利用位於當執行高速計數器定義指令時使用的各個計數器的控制字節中的控制位來在至少一個計數器選擇激活狀態和1×/4×計數模式。其後，一旦用戶已經定義了要使用的計數器以及這個特定計數器的計數器模式，用戶就可以對該計數器的動態參數進行編程。每個高速計數器有一控制字節，該字節使相關的計數器使能操作和禁止操作、使計數器計數方向可被控制或全部模式用初始的計數方向、使當前值被再次加載以及使該預定值被加載。
而且，通過使用如前面所述的動態中斷能力，尤其是作為高速計數器的一部分，可以實現動態預置值，且可以為高速脈衝串輸出提供流水線排隊。這使得後續操作與被完成的先前操作的執行並行。而且，基本單元22在完成前一個操作後，開始後續操作，從而使得從一個序列順利地轉移到下一個序列和在該序列可被完成時刻或該序列中另一個步驟由用戶程序排成流水線時將控制傳送到用戶指定的程序。通過避免眾多步驟與多步序列之間的「死時間」，大大加速了整個處理過程並更充分利用了本發明的高速能力。
圖12所示的時序圖表示後續操作與當前操作是如何重疊或排成流水線以及流水線操作的自動開始是如何實現的。實際上，該脈衝串類似於使用前面提到的有關高速計數器的預置。而且，還提供在預置間隔後改變脈衝寬度或計數數目的能力。
並且，在本發明的優選實施例中，基本單元22為給定數目的脈衝和指定的周期時間提供具有50％佔空比的方波輸出的脈衝串輸出。在脈寬調製(PWM)功能中，基本單元22提供具有可變佔空比輸出的固定周期時間。為了從普通連續模式或功能改變或啟動脈寬調製，由計數器完成更新。關於這點，每個脈衝串輸出或脈寬調製產生器中本身有一個控制字節-最好是一控制字節，一周期時間值和一無符號的脈衝寬度值，一16位數值和一也是無符號的脈衝記數值以及一32位元組值。其後，通過在程序中簡單執行脈衝指令(PLS)啟動操作，由此使基本單元22讀取指定的存儲器位的位置並而對PTO或PWM產生器編程。
由於上面脈衝串輸出(PTO)，則所提及的流水線是可能實現的。這可由除控制信息外的兩個狀態位來實現，其中控制信息表示產生的特定數目的脈衝被產生和/或是否發生流水線或溢出情況。這種PTO功能允許將至少兩個脈衝輸出特性或者是一串在一起或者是一個排在另一個之後，由此在後續輸出脈衝或之間產生連續性。自由埠和用戶可定義的通訊協議如前所述，本發明採用UART。發現與前面所述的中斷能力一起使用UART可以使本發明的通信埠42可完全適應於用戶定義的或可定義的協議方案或為現存標準的部分的各種方案。但是，不是生產在其中具有多個協議的基本單元22，而是在本發明的優選實施例中，所有協議中除了用於有關基本單元22自身PLC編程所用的之外的協議都必須在用戶程序中處理。而且，通過使用戶使用/適應/定義一協議方案，使得用戶可能需要與新設備或可能非常舊的設備相互作用的適當方案是可能實現的。
如前所述，可以利用通信埠42來使用和選擇具有用戶定義協議的自由埠模式。在本發明的優選實施例中，所有與通信埠42進行的通信都是產生的中斷。用戶程序通過使用這些中斷-如接收中斷，接收或發送中斷以及接收/發送指令來控制埠操作。因此，為了啟動或進行自由埠或可變協議操作(且自由埠標誌位已被設置以便建立下面將會充分描述的自由埠的通信)採用前面所述的中斷性能。一旦開始一中斷，用戶程序如前所述方式用於選擇波特率、奇偶性、START(開始)和STOP(停止)位以及多個數據位，這些多個數據位在本發明的優選實施例中是7個或8個數據位寬度。通過結束中斷例程或禁止操作以及當CPU12進入STOP模式時重新建立正常通信可以很簡單地完成從自由埠模式退出。
上面提及的與埠42進行的通信開始一次中斷。但是，為使CPU22在正被使用的編程裝置60(預設模式)與自由埠通信之間存在區別，必須要設置一標誌位。因此，通過使用一專用標誌位(SF)可以選擇通信埠的有效功能。所以，在本發明的優選實施例中，該專用標誌位的預設或關閉狀態使用戶能夠將通信埠42用作編程器接口如圖6例子中所示。而且，用戶程序可以打開控制通信埠使用的專用標誌位從而使用戶程序能夠通過作為自由埠的這個通信埠發送或接收消息。如這裡所述，該專用標誌位能由用戶程序啟動、I/O啟動或通信埠啟動。
因此，在本發明的優選實施例中，進入通信埠42的任何通信被當作中斷處理。如前所述，在該中斷中，專用標誌位的預設狀態用於使通信埠42作為普通編程器接口工作。但是，如果該標誌位被打開，然後通信埠42用作或進入自由模式而允許用戶定義使用的協議方案。在這種方式中，由於通信埠總是將經通信埠進行的通信視作中斷，所以協議方案可以是任意包括單一字符或多字符消息的方案。在自由埠通信模式期間，用戶程序被停止直到中斷被終止/完成。另一方面，來自基本單元中包括的任意I/O或任意模塊或用戶程序本身確定的條件的輸入可以通過使用一中斷例程將通信埠從編程模式切換到自由埠模式。
自由埠模式的另一方面是經過埠42，基本單元22可以與例如印表機進行通信，印表機一般與通信埠連接以便可以列印適當的錯誤消息、數值等。因此，這使得不同類型印表機或甚至記錄裝置都能使用。這種用途的另一個例子是尋呼機的尋呼使用。即哪裡I/O程序條件存在就會反過來開始一中斷，該中斷允許並且指示通信埠與例如電話線或其他在用戶中斷程序控制下的通信裝置相互作用。其可以用於撥打維護人員BP機或尋呼機的號碼並提供預先編程好的消息-如材料用完、機器停止等。類似地，製造處理過程可利用語音合成器來指示具體的缺陷、引起對具體操作器的注意等，而不是利用尋呼機尋呼方案。
另外，自由埠協議使用的另一個例子是有關汽油泵的使用和用於智能或標準卡的卡閱讀器的使用，其中卡閱讀器與通信埠相互作用從而在PLC自由埠適當地控制燃料泵的情況下提供或確認用戶帳號、燃料類型以及燃料允許量等。另一方面，該PLC自由埠能夠用來測量使用的燃料量並經通信埠向中央管理機構報告此使用燃料量，由此使例如稅務管理機關將泵出的燃料量與燃料零售商/批發商實際付的稅和費用相比較。
例子圖11所示為一示例的樣本程序的示意圖，該樣本程序可根據本發明解決。具體講，如圖中所示的第一、第二泵控制器66，72分別由相應的第一、第二泵來控制。一排放泵80設置在與排放閥相鄰的位置，該排放閥76直接與箱74相連且蒸氣閥(steam valve)78也直接與箱74相連。在這個示例方案中，混合箱74用於產生顏料(paint)的不同顏色。有兩根輸料管道分別與泵控制器1和2相連，其中每一根管道帶入不同成分。在箱74的底部有一根輸送管道靠近排放閥76，並且排放泵80將完成的顏料混合物輸送給需要的中間工作區域(未示出)，在操作期間，期望控制填充操作，同時監視箱中水平並控制混合和供料周期。因此，操作過程如下1.填充箱等待泵開始推動要按動的按鈕開關。當這些按鈕開關閉合時，開始1和2。如果兩個泵停止開關中任何一個被斷開，則停止泵工作。填充不同成份的顏料直到高限開關閉合。然後關閉兩個泵。
2.混合和加熱諸成分在規定周期內(例如10秒)打開混合器電機和蒸氣閥。
3.排放混合箱中的成分在混合和加熱循環後，打開排放閥排放容器內成分。排放該泵直到箱中水平到達低限。
4.計數每個循環計數每次混合箱經歷的完全/填充/混合/排放的循環。
圖表1(Chart1)所示為一編程和測試邏輯用的樣本程序1，其中該邏輯是對利用圖11給出的例子對本發明的PLC進行編程所必需的。因此，在該圖表左邊可看到梯形邏輯框圖，在圖表1右邊可看到實際代碼。其它的和中間步驟都沒有給出，因為對本領域技術人員而言，一般PLC編程是件容易的工作。
例子2-自由埠通訊本發明的另一個例子如下所述。這個例子是利用如前所述的自由埠通信或可變協議方案，並且利用這種通信接收來自條形碼閱讀器的字符串。在這個例子中，具有不同條形碼的八種產品類型在一條輸送線上混合併且必需分送至兩個目的地之一做最終包裝。條形碼閱讀器讀取包括12個ASCII字符的條形碼，該條形碼以回車和換行字符結束。當接收到回車和換行字符時，開始檢驗條形碼。根據該條形碼值，激活分送裝置閂從而將產品送到庫A或B。條形碼的最後4位確定產品要送到的庫。在這個例子中使用或假定當下載用戶程序時，特定資料庫(DB1)的示例數據值(V0-V95)也已下載。因此，下面的表1-4所示描述了使用的不同地址和參數。
表1中描述所用的輸入和輸出，可以看出，字節的數目對應於地址的大小。而且，可以看到表1處理的是由基本單元22完成的I/O功能，表2，3，4(如下面將會充分描述的)處理的是基本單元22內的內部數據移動。表C2處理的是永久數據存儲，同時可以看到12位字節正好對應於地址的12位。類似地，表C3處理具有字節和地址大小的易失性數據存儲，而表4處理子例程中斷描述，其掌握整個採樣程序的全部操作。
圖表2所示為易於實現上面所述的條形碼閱讀程序的主程序、子例程和中斷例程。從圖表2可看到，圖表的不同部分對應於表1、2、3、4列舉的功能和描述。
權利要求
1.一種可編程邏輯控制器(PLC)的用戶可定義協議方案，包括具有至少一個輸入和一個輸出端的PLC，用於發送和接收相應的預定信號；在所述PLC中包含的至少一個微處理器，用於執行多個用戶指定通信協議方案；與所述PLC連接的通信埠，用於按照至少一個所述協議方案在所述PLC和至少一個外部設備之間實現通信；以及與所述至少一個微處理器協調工作的協議啟動裝置，用於使所述PLC經所述通信埠能夠執行所述多個用戶指定通信協議中的一個協議。
全文摘要
PLC具有附著其上的用戶可配置的協議埠。簡而言之,在PLC通信埠或者是作為用戶程序結果或者是I/O事件,可設置一專用標誌位從而允許激活該通信埠。這是由該標誌位使PLC中用戶程序發生中斷來完成的,該標誌位允許一用戶與用戶指定協議方案通信而不是與當沒有設置該專用標誌位時的普通通信/編程協議通信。
文檔編號G05B19/05GK1171851SQ95197172
公開日1998年1月28日 申請日期1995年7月12日 優先權日1994年12月29日
發明者羅納德·米切爾, 坦普爾·J·富爾頓 申請人:西門子能量及自動化公司