功能安全plc背板通信组件及通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功能安全PLC的背板通信组件及通信方法，该组件应用于关键控制系统和高安全要求系统的安全PLC产品中，是一种基于冗余结构的多串行总线无源背板，用于实现电源模块，控制器模块，I/O模块，总线模块的连接，实现模块之间供电和通信，保证系统的功能安全，功能安全背板支持热插拔。
【背景技术】
[0002]随着紧急停车系统、过程停车系统、火气系统和燃烧管理系统等领域对功能安全要求的不断提高。功能安全PLC的应用越来越广泛，功能安全PLC (安全可编程系统)指的是在自身或外围元器件或执行机构出现故障时，依然能正确响应并及时切断输出的可编程系统。与普通PLC不同，安全PLC不仅可提供普通PLC的功能，更可实现安全控制功能，符合国际电工委员会61511以及61508等控制系统安全相关部件标准的要求。
[0003]对此，本领域技术人员对普通PLC与功能安全PLC的区别有了清晰的认识。传统的冗余架构每条总线分别与模块上的不同CPU通信，而本设计可以支持冗余总线与一个CPU通信。传统的冗余架构中，当其中一条总线出现故障会导致系统安全功能降级，而本设计不会因为一条总线故障而降低系统的安全性。硬件结构上，传统背板电源、控制器、I/o模块需要插在指定的槽位上，而本设计每个槽位可以支持各种模块，而且模块地址形成方式非常灵活，可以支持任意槽数的背板，并且不需要硬件或软件设定。
[0004]目前，已有的技术方案不能够兼顾所有的方面，未在功能安全与兼顾可靠性、系统结构，支持模块种类、通信速度、成本等方面做出综合的介绍。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是设计一种功能安全无源背板组件，所有模块均统一使用一种背板，模块不会因为插错位置而导致模块损坏，在简化背板结构，保证背板通信速度，提高背板支持模块种类与数量，降低背板通信成本的基础上，提高功能安全背板的可靠性，降低通信协议的复杂性，提高系统的快速响应特性。
[0006]为了实现上述目的，本发明的具体技术方案包括:
[0007]-功能安全背板，用于安装电源、控制器、I/O模块、以及总线模块，所述功能安全背板具有电源通路、模块地址形成电路、串行总线通路及可靠性插拔标志电路其他功能；
[0008]-背板延长器，用来延长扩展模块的距离；
[0009]还包括终端匹配器，除用于固定背板外，左终端匹配器在功能安全背板的左端，还为其他背板组件或者本地背板组件提供电源输入输出端口，为模块内部串行差分总线进行阻抗匹配；右终端匹配器，为模块背板内部串行差分总线进行阻抗匹配；总体采用支持冗余的多串行总线技术，低速串行总线与高速串行总线混合设计，多种串行总线同时工作；具体体现在功能安全背板的2种串行总线通路，2种串行总线通路分别连接不同的模块，具体为:
[0010]I)低速串行总线，采用1Mbps (最高32Mbps)半双工异步通信，物理层为RS-485通信方式，具有两组低速串行差分总线，其中一组用于与I/o模块传送数据，另一组用于时钟同步，每组低速差分总线支持冗余，控制器与I/o模块采用主从查询方式通信，控制器发送读写请求给I/o模块，I/O模块根据请求返回相应的响应，通过件可编程逻辑器件实现控制器与I/o模块的数据传输，提高系统的安全性和系统的通信速度；低速串行总线可用于I/o模块的通信；
[0011]2)高速串行总线，采用50Mbps (最高100Mbps)半双工异步通信，物理层为MLVDS方式，具有一组高速串行差分总线，差分总线支持冗余，软件上采用曼彻斯特编码方式进行通信，采用主从查询的通信方式，高速串行总线的功能是完成控制器与总线模块之间的数据传输；
[0012]进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点:
[0013]I)控制器读操作:所有读操作都由命令帧和数据帧组成，控制器发送命令帧，从站模块返回应答数据帧；
[0014]2)控制器写操作:由命令帧、数据帧和从站模块返回值组成，控制器发送命令帧和数据帧，从站模块根据命令返回相应的返回值；
[0015]进一步地，所述多串行总线有如下特点，所述低速串行总线具体由同步时钟信号、从站RS-485通信信号组成，每组信号均支持冗余，其中:同步时钟信号提供数据通信同步时钟，由控制器模块或时钟模块产生，支持冗余；从站模块数据收发通道与控制器数收发通道相连，支持冗余；
[0016]进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，在进行读写过程数据时，由控制器本地CPU通过外部存储器接口自动产生本地双口 RAM读写时序，本地可编程逻辑器件在CPU读写时序的控制下自动对读写指令进行解析和操作，对于控制器所要发送或者接收的数据量，可以自动写入本地可编程逻辑器件内部的寄存器内；可编程逻辑器件通过背板接收完相应字节数据后，接收数据缓冲区的首地址自动加I ;本地CPU通过该外部存储器接口可以把数据读出或者写入到可编程逻辑器件中；
[0017]进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，在进行读和写过程数据传输时，背板通信采用的数据包格式包括:数据包头、安全层报文、应用层报文、CRC校验和数据包尾；模块返回给控制器的数据包采用的格式:数据包头、安全层报文、应用层报文、CRC校验和数据包尾；控制器完成数据写操作后，还需要进行从站模块应答数据的回读操作，回读的数据包含从站模块的地址及数据包校验信息。
[0018]进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，本地CPU完成对本地可编程逻辑器件的写操作后，需要对可编程逻辑器件中的发送使能寄存器进行写操作，然后，本地可编程逻辑器件中的数据才会通过背板发送给从站模块；
[0019]进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，控制器与从站模块均采用CPU和可编程逻辑器件组合的结构，可编程逻辑器件作为双口 RAM和背板通信的传输通道完成背板通信数据的收发和缓存，通过中断机制，CPU对可编程逻辑器件进行读操作，CPU在规定的任务时间内对可编程逻辑器件进行写操作；
[0020]进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，本地可编程逻辑器件在未收到发送使能命令的前提下，实时接收串行总线上双冗余通道的数据，当检测到协议中规定的数据包起始界定标识后，开始将接收到的数据写入本地可编程逻辑器件中，当检测到数据的起始发送位超时后，本地可编程逻辑器件向本地CPU产生中断请求，请求CPU读取背板通信接收到的数据，由于背板通信的模块类型和串行总线不同，本地可编程逻辑器件向CPU产生的中断请求也会不同，分为低速串行总线中断请求，高速串行总线中断请求；本地CPU未响应中断请求之前，可编程逻辑器件的接收数据缓冲区中的数据不会被清除或者覆盖，当本地CPU响应中断请求，完成读数据操作后，通过中断寄存器清除中断信号，同时，可编程逻辑器件数据缓冲区被释放；
[0021]进一步地，所述多串行总线有两种操作模式具有如下特点，对于功能安全背板上的冗余通道，本地可编程逻辑器件也实时进行数据的接收，将接收到的数据暂存到可编程逻辑器件接收数据缓冲区中，可编程逻辑器件把串行总线上的两个通道的数据进行分别暂存，CPU接收到可编程逻辑器件中断请求后，可以通过双口 RAM分别访问双通道接收到的数据。
[0022]本发明采用多串行总线技术，且串行总线支持冗余，低速串行总线与高速串行总线混合设计，根据不同模块的特点采用不同的总线，满足不同模块的要求。多种串行总线可同时工作，提高功能安全和通信速度。更