专利名称:用于危险环境的可编程逻辑控制器系统的制作方法
本发明涉及可编程逻辑控制器，例如，适用于工业厂房的可编程逻辑控制器。现在通用的、可编程控制器已被公知。然而，本发明提出一种适用于危险环境例如有爆炸危险的地方的可编程逻辑控制器系统。
本发明提出一种可连接若干单元的系统，它包括(1)第一单元，它是一个适用于危险环境的控制器，它包括一个受已存贮程序控制、并能装配一个存贮此程序的非易失存贮器的微处理机。
(2)第二单元，它包括一个可变更型存贮器，它允许在不清除此存贮器的全部内容的情况下有选择地改变存在各个存贮地址中的数据。
此控制器和上述第二单元被设计得能连接在一起，至少此控制器放在危险环境中，此控制器由一个(至少在初始时)存贮在上述第二单元的可变更型存贮器中的程序来控制。然后，将程序传送给装配在控制器上的非易失存贮器。
本发明能在被检验的程序装入安装在控制器上的非易失存贮器进行例行操作之前让使用者检验正在控制器上并在危险环境下使用的程序，不需在程序写入非易失存贮器以后检测程序。本发明的优点是允许使用者修改和重新检验正在危险环境中工作着的程序。
在控制器的微处理机运行前，上述第二单元的可变更型存贮器中存贮的程序可以复制到控制器的易失存贮器中。控制器既能装配一个非易失存贮器，也能装配一个易失存贮器(程序从第二单元复制到此存贮器)。
最好给控制器和/或第二单元配备一个能在危险环境用的键盘，以便修改第二单元的可变更型存贮器中的程序。
第二单元最好是一个适合危险环境使用的便携式单元，不管它是否是便携式的，第二单元最好包括一个微处理机。
便携式的第二单元与控制器的连接可通过电气连接器和电缆直接连接，此时两者都放在危险环境中。
另一种连接可通过也放在危险环境中的一个中间装置连接。这时此中间装置可以用来监控控制器的操作和监控控制器正在操作下的工厂，这种监控单元可以放在远离控制器的地方。
还有一种连接可用来从危险环境的外部延伸到危险环境内部。如果第二单元不能便携时，这种连接常被采用。
“可变更型存贮器”包括易失存贮器，它最好是具有备用电源的随机存取存贮器(RAM)，以防丢失存贮内容。
当可变更的存贮器中的程序满意时，可将它传到一个非易失存贮器，然后把此非易失存贮器装配在控制器上，以使控制器由此程序来控制。传送给非易失存贮器通常在危险环境以外进行。
非易失存贮器通常是半导体存贮器，在没有任何电源的情况下就能保存存贮内容，此存贮器可以是可编程只读存贮器(EPROM)，如果不擦掉存贮器的全部内容，其内容不会消失。
可以代替EPROM的是电可变可读存贮器(EAROM)，可改变单个存贮器地址，但改写的速度要比读一个存贮器地址或写到RAM中的速度慢。
通常，控制器不能改变非易失存贮的内容。
更好的是，本系统包括在危险环境外把程序从便携式单元传送到非易失存贮器用的装置。这种装置最好是、或包括一个EPROM编程器(有时也叫EPROM固化器)。
为了给EPROM传送程序，最好把便携式单元与EPROM编程器直接连接。这种EPROM编程器也能用来复制此程序，在EPROM中这些复制的程序当作备份。它还能执行其它功能，比如给打印机提供输出以便制作程序表的复印文本或把此程序通过工业标准接口复制到其它外围设备或主机上去。
更好的是，便携式单元有电池电源，在控制器与便携式单元连接时，最佳地通过一个或多个光绝缘器连接，以保持电气绝缘。
另一优点是，便携式的第二单元是一个配套单元，它包括一个键盘，一个显示器和一个微处理机，不管便携式单元与控制器连接与否，它都能载荷或变更存贮器。
在最佳的安排中，控制器和第二单元是这样安排和操作的(如上简述)把一个程序从上述第二单元的可变更存贮器传送到控制器中的RAM。此后，控制器的微处理机就在这个被传送的程序的控制下运行。
最好以这样的速度把程序从第二单元传送到控制器，即以比控制器的微处理机直接存取存贮器时正常运行的时钟速度(即在微处理机和存放微处理机执行程序的存贮器之间，直接通信时的速度)要慢的速度(必然伴随着低的频率)传输。传送的脉冲很可能比以正常时钟速度直接存取的脉冲更长。
这种慢速传输可由以一种脉冲频率(即比控制器和第二单元中的微处理机的时钟频率还低的频率)的传输所组成。这种传输可在两个单元之间通过信号交换来实现，但往往并非如此，也可以是串行传输。
慢速传送可实现更远地选取光隔离器，由于选取光隔离器的距离远了，在两电路的导体之间就能给出更大的物理空间，借此将它们隔开。
为了通过实例进一步解释本发明，现在结合下列本发明的几个实施例图1示出系统的各部分，图2和图3示出稍有区别的系统的一部分电路。
先参阅图1，可编程逻辑控制器10被置于一种危险环境(可能是煤矿)之中。
按照危险区的要使用鎧装电缆的要求，控制器配备了多路输入和多路输出的连接器(如12，14)以连接鎧装电缆。
控制器有相当多的输入/输出(I/O)通道，并配备一些可互换的电路板，以使这些通道与输入和输出连接器接口，这些电路板有三种，一种电路板是16路输入与I/O通道接口。其它两种电路板都是将控制器与输出通道传感器接口，其中一种电路板在控制器的微处理机的指令下，给16路输出提供直流驱动。而另一种电流板在控制器的微处理机的指令下，在带输出负载状态监控的情况下，给8路输出提供直流驱动。
控制器由电源单元16a(它适用于危险区)供电，此单元也为上述传感器的输入接口的电路板供电。可是，每个输出电路板还需要一、两个附加电源单元，每个16通道电路板有两个工作于8通道的电路，而每个8通道电路板有两个工作于4通道的电路。这些电路在电气上互相绝缘，也与控制器的其它电路绝缘，每个电路设计成由一个独立的电源单元16b供电。使用许多个电源单元并彼此电气绝缘，满足了危险区的要求。这些电气绝缘的输出驱动电路的输入信号是经过光隔离器传输的。
在控制器内有一个微处理器(CPU)、一个永久装配的、存放操作系统的非易失性存贮器和一个永久装配的打算在程序运行时当作暂存器用的RAM存放一些变量和一个堆栈。此外，控制器还包括一个为连接可拆卸电路板22用的连接器20。
为了有选择地使用，提供了两种电路板，一种板22a带有RAM23，另一种电路板22b至少带有一个可以是EPROM43的非易失存贮器，不管装配那种板，存贮器在控制器微处理机的存贮变换中占有同样的空间、板22a和22b最好是相同的或尽可能相似的。
便携式的第二单元30有一个键盘32、一个液晶(LCD)显示器34、内部的一个微处理器(CPU)、一个存有监控程序的非易失存贮器和RAM35，此单元由一个单独的充电器37复充的镉镍电池36供电。因而此单元是完全配套的。此系统的使用者可装入一个打算由控制器10运行的控制程序。使用者可以使用便携式单元的键盘32，把此控制程序装入便携式单元的RAM35。然后，使用者在通过键盘32输入指令时，用显示器34检查程序。便携式单元30还有一个或多个的端口38，可以与带有一个EPROM编程器42的许多外围设备连接，这样就能把程序装入装在电路板22b上的EPROM。
EPROM编制器42和电池充电器37这样的外围设备从不进入危险区。
便携式单元30要放入危险区，通过端口39与控制器10相连，这两个单元连接时是通过光隔离器连接的。在数据传输时，用光隔离器使这两个单元之间电绝缘。光隔离器既可以放在控制器里，也可以放在便携式单元里，两种方式都可取。
选用光隔离器在两电路之间呈现物理上的分离，这种分离足以满足在危险区使用的技术要求。
当单元10、30在危险区内连接时，可用键盘32输入一个指令，来起动一个程序(它保存在便携式单元的RAM35中、并被复制到控制器电路板22a上的RAM23中)，然后，此程序由控制器的微处理机来执行。
用法如下将指定程序通过键盘或其他外围设备如EPROM编程器装入RAM35中。然后把便携式单元30带到已安装控制器10并装有RAM板22a的危险区，把程序复制到板22a上的RAM23中，然后检验指定程序(即由控制器运行此程序来检验，然而在这阶段，控制器操作系统还允许通过便携式单元的键盘直接输入指令)。
在检验期间，可以修改RAM35中的程序。在现场，如果有必要，可把修改了的程序复制到RAM23中，以检验这个程序。当程序到了最后版本时，把单元30从危险区拿出，接到EPROM编程器42上，把程序复制到EPROM43上，EPROM43装在板22b上后，带入危险区，并换掉板22a，这样就把使用者的程序的最后版本作为控制器程序，此程序保存在板22b的EPROM中。
应该重视在危险区现场提供程序的变更可以更充分地利用这个系统，这样还可以充分利用便携式单元的配套性能。
控制器10和便携式单元30和它们的操作系统的程序是这样设计的，即任何一个微处理机都不能从另一单元的存贮器中直接存取。表面看来，通过两个单元之间的接口对存贮器的直接存取是一种很适用的技术，然而，我们已经发现宁可回避这种技术，不再设计这些单元，而是以把RAM35中的程序设计得利用串行数据传输的方法，复制到控制器的存贮器中去。较慢的传输速率允许使用慢速的光隔离器，使电路之间有较大的实际分离。
RAM35最好是CMOS型的，因为这种RAM功耗低。在系统中的其他地方也最好采用CMOS型RAM。实际上，所有芯片(包括微处理机)都是CMOS(互补型金属-氧化物-半导体)型的。
如图所示便携式单元30，有两个独立的端口38和一个独立的端口39，端口要尽可能少，有可能只用一个具有三个端口功能的端口。
便携式单元30可以有一片与RAM35分开的RAM芯片用来存放一些变量和一个堆栈。换句话说，在RAM35内的一些地址就是做这个用的。
可互换的电路板22a、22b，除了装有可互换的RAM和非易失存贮器外，最好少装甚至不装部件。可是，其上可以很方便地装上附加的部件，这些部件被复印在两板上以减少控制器需要的电路板的总数，于是这些电路板可以带有存入控制器的操作系统程序、地址译码逻辑的ROM和微处理机的芯片。
在此开发阶段，存在RAM35中的程序可以想到采取措施来实现单步操作、停留在一些指定的中断点，或其他诊断功能(这些功能在复制到EPROM之前立即消失)。电路板22a可以带有单步操作用的硬件，但电路板22b不需要此项功能，可以省掉。
图2和图3所示的系统除了互换的电路板22a、22b没被用以外，可把RAM23或非易失存贮器(如EPROM43)装在控制器的省力的插座上。
图2示出控制器的一部分电路。另一部分电路(如时钟脉冲发生、变换输入输出的存贮器的连接)可以是微控制器结构的、通用的微处理机。
如图2所示，控制器10包括一个与数据总线D和地址总线A相连接微处理机50(总线中除三条最主要的地址线51，52和53外，其余各线没画出)、一个与数据总线和地址总线相连的ROM54(ROM54存放在微处理机的操作系统即监控程序)一个作为暂存器存放一些变量和一个堆栈的RAM55、一个省力的插座56(用来安放一个片RAM芯片23或一个非易失存贮器如EPROM芯片43)，如图所示。两条最主要的地址线52，53与一个2/4译码芯片58相连，此芯片还与ROM54和RAM55的芯片选择(CS)脚相连，此芯片还与插座56上“接受RAM23或非易失存贮器43的芯片选择(CS)脚连线”的那个接线端相连。
译码芯片的接线确定了微处理机交替选取存贮器是用译码后的四条线中的三条线，连续选取ROM54、插座中的存贮器片和暂存器RAM55。剩下的一条线用来存贮变换的输入/输出。
来自微处理机的读(RD)控制线连接到RAM芯片55的可输出(DE)脚和插座56上“接受RAM23或EPROM43的可输出脚连线”的那个接线端。
为了使插座能接受RAM23芯片或EPROM芯片43的连线，电路应设计成采用芯片型的电路，RAM和EPROM芯片具有由相同管脚实施的各种功能。通常商品化的相同存贮容量的EPROM和RAM芯片，都具有很多的功能(如数据线、地址线和芯片选择)，并在相应的管脚上实施其功能。
就管脚而言，对于RAM和EPROM的管脚功能是不同的、插座56与之相应的连线端可通过联动选择开关60来接线。
在所示的例子中，当开关在低位置时，管脚61与微处理机的写(WR)控制线相连。当开关在高位置时，它与地址线51相连。这就能分别适用于RAM和EPROM。
相应地，另一个管脚62与地址线51或电源电压Vcc相连。
虽然没画出插座56的接线，但几个接线端通过选择开关的联线原理也能用来使插座接受更多容量大小不同的存贮器，如8位8K和8位32K，两种都适用于28脚的双列直插式(DIL)插座包(它带有在任何情况下，功能相同的许多管脚)。
适于商品化的存贮器芯片27C64和27C256的EPROM芯片和6264和65256的RAM芯片就是例子。
RAM55有一个可再充电的备用电源(没画)，以便在电源故障时保存其存贮的内容，主用电源通过一个二极管自动给备用电源充电，为了维持很有限的备用电源。在主用电源故障时不要选用RAM55。这要由一个三态缓冲器64(插接在译码器58和RAM55的芯片选择脚之间)来保证，当缓冲器由备用电源供电时，缓冲器的“起动”管脚与主用电源电压Vcc相连。如果主用电源故障，则缓冲器就不工作，其输出为高阻抗，并通过电阻65备用电源电压VBV加过来。
图3示出便携单元使用的电路，与控制器一样，便携单元30有一个微处理机70一个与数据总线D、地址总线A和71、72、73相连并存放操作系统的ROM74(图3中只画出三条最主要的地址线标号为71、72、73)、一个也与数据总线和地址总线相连的RAM76(RAM的一部分作为暂存器，另一部分用来存贮使用者的程序)、一个与“芯片选择”脚相连的、2线/4线译码器78。微处理机70可以交替地选择存贮器ROM74和RAM76，这种选择是通过译码后的四条线中两条连续的选择线来完成的。
便携式单元有一个键盘32和一个显示器34(图3中没画出)，它们与微处理机70的输入/输出端口连接。如果微处理机过去用过它没有这样的输入/输出端口的话，键盘和显示器要通过一个通用外围接口衔接器与微处理机相连。
图2和图3还示出了该便携式单元与控制器之间连接的方法。
微处理机50、70都有为串行数据输入和输出用的管脚(其他微处理机的串行数据输入和输出可通过一个与微处理机相连的、独立的通用异步接收发送器(UART)提供)。
便携单元包括一对光隔离器80、82。微处理机70的串行数据输出84与隔离器80的二极管相连，隔离器82的晶体管与串行输入86相连。
隔离器82的二极管和隔离器80的晶体管通过一条到控制器10上的插座90的4个管脚的短而可挠的跳线电缆连接到插座88的4个管脚上，插座90连接到控制器的电源和微处理机50的串行数据输入输出管脚，以便当插座88、90通过跳线电缆连接时，微处理机50的串行输出94通过隔离器80与微处理机70的串行输入86相连，而串行输出84通过隔离器82与微处理机50的输入96相连。
这样接线可在便携单元30与控制器10之间没有任何直接的电气上的连接的条件下，在两个微处理机之间进行串行数据的传输和信号交换。
输入和输出84、86、94、96的“进”和“出”的连接都要通过放大缓冲器98。插座88的管脚与插座90相应管脚用标号1、2、4、5表示。
串行数据的传输速率是每秒500比特或更低，而微处理机的时钟频率可以是1兆赫或更高。因此，串行链路的每个脉冲可持续数百个时钟周期。
微处理机50有一个连到开关102的输入/输出端口的管脚100，开关102可以控制管脚100接电源电压Vcc或接地。
设此开关，以置控制器10于“自由运行方式”或“调试方式”。接通电源时，操作系统以初始值开始，然后，测试管脚100和相应的各分路。如果开关102置于“自由运行方式”，微处理机则执行装在插座56上的存贮器中的任一个程序。如果开关102置于“调试方式”，操作系统则等待从便携式单元30发出，通过串行链路传输的一个指令。
图2和图3所采用的系统与图1所采用的系统很相似。
一个程序通过便携式单元的键盘装入之后，此单元就被连接到控制器10上。在此阶段在控制器的插座56内应装有RAM芯片23，开关102应该置于“调试方式”，此程序从RAM76复制到插座54中的RAM23上。要完成这套程序的指令应放入两个微处理机50、70的操作系统中，要发出指令就得通过便携式单元的键盘输入这个复印文体，并通过便携单元和控制器之间串行数据链路传输，下一步是鉴定指定程序。如果需要，在便携单元的RAM76中的程序可以变更，把变更后的版本复制到RAM23上并进行测试。这可重复做。在“调试方式”下进行测试时，指令可通过便携单元的键盘输入，并经串行链路传输到控制器。例如，可能发出一个指令按照单步操作的程序操作，或在程序的某一特定点开始操作。要执行这样的程序的指令应放在微处理机50的操作系统中。
当程序是令人满意时，便携单元则不被接通，而被带上EPROM编程器42。EPROM编程器42是用来把程序复制到EPROM43上。为了将串行数据传送到EPROM编程器中，EPROM编程器42的连接可通过编程器与插座88的连接来实现。
固化后的EPROM43被装到控制器10，并装在插座56中，以代替RAM23。在微处理机50的存贮器替换中，EPROM43和RAM23占据相同的空间。
由于RAM76的一部分当作“暂存器”使用，如果RAM76的容量不比以上两种存贮器大，使用者装入的程序不能装入这个RAM，也不能装入RAM23或EPROM43，实际上，容量并不是严格限制的。
权利要求
1.一种可连接若干单元的系统，它包括(1)第一单元，它是一个适合用于危险环境的控制器，它包括一个受己存贮程序控制、并能装配一个存贮此程序的非易失存贮器的微处理机，其特征在于该系统中还有(2)第二单元，它包括一个可变更型存贮器，它允许在不清除此存贮器的全部内容的情况下，有选择地改变存在各个存贮地址中的数据，此控制器和上述第二单元被设计得能连接在一起，至少此控制器放在危险环境中，此控制器由一个存贮在上述第二单元的可变更的存贮器中的程序来控制。
2.根据权利要求
1所述的系统，其特征在于它还包括把一个程序从上述第二单元的可变更型存贮器传送到一个非易失存贮器用的装置。
3.根据权利要求
2所述的系统，其特征在于上述装置是一个EPROM编程器。
4.根据上述权利要求
中的任何一项所述的系统，其特征在于在此控制器和上述第二单元之间的连接允许通信，而这两者相互保持电气绝缘。
5.根据权利要求
1所述的系统，其特征在于它还包含一个适用于危险环境的附加设备，而在控制器与上述第二单元之间是通过上述附加设备连接的。
6.根据权利要求
1所述的系统，其特征在于上述控制器和上述第二单元中至少有一个带有一个能在危险环境下使用的键盘，以便修改程序。
7.根据权利要求
1所述的系统，其特征在于第二单元包括一个微处理机。
8.根据权利要求
1所述的系统，其特征在于上述的第二单元是一个适用于危险环境的便携式单元。
9.根据权利要求
8所述的系统，其特征在于该便携式单元是一种配套的单元，它包括一个键盘、一个显示器和一个微处理机，不管此便携式单元是否与控制器连接，它都能载荷或变更此便携单元的上述存贮器。
10.根据权利要求
8或权利要求
9所述的系统，其特征在于该便携式单元有一个电池电源和控制器和便携式单元之间通过一个或多个光隔离器连接，以使控制器和便携式单元保持电气绝缘。
11.根据权利要求
1所述的系统，其特征在于当至少是控制器放在危险环境时，存贮在上述第二单元的可变更存贮器中的程序要传送到控制器的RAM中，因为此后控制器由上述传送到控制器的上述RAM中的上述程序控制，控制器安排得可交替地由上述RAM中的程序或由在上述存贮器安装到控制器上之前传送到上述非易失性存贮器中的程序控制。
12.根据权利要求
11所述的系统，其特征在于在控制器与上述第二单元之间通过一个或多个光隔离器连接，把程序传送到上述RAM中，传输速度要比在微处理机和存放微处理机正在执行的程序的存贮器之间直接通信时的频率低。
13.根据权利要求
11或12所述的系统，其特征在于该控制器安排得可替换地装上上述RAM或上述非易失存贮器。
14.根据上述权利要求
中任何一项权利要求
所述的系统，其中在上述的第二单元和该控制器之间的通信在它们连接在一起时，是采用串行数据传输的。
专利摘要
用于危险环境的可编程逻辑控制器系统有一个微处理机逻辑控制器10，一个微处理机和可变存贮器的单元30。此单元与控制器连接，以测试和修改程序。测试后的程序传送到危险环境外的非易失存贮器中，然后把此存贮器拿到危险环境中，安装在控制器上，以作例行操作。这就允许在程序存到非易失存贮器前，在控制器上测试程序、修改程序。上述单元和任何一个中间单元与控制器之间，通过光绝缘器通信并采用串行数据传输。
文档编号G05B19/05GK86104644SQ86104644
公开日1987年3月25日 申请日期1986年7月5日
发明者斯图亚特·雷蒙德·克雷托尔, 约纳森·马克·里斯 申请人:阔尔特·霍尔有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan