本發(fā)明涉及磁約束受控核聚變裝置的邏輯控制和安全保護領域，尤其涉及一種聚變裝置PLC(可編程邏輯控制器)集群消息共享系統(tǒng)。

背景技術：

在磁約束受控核聚變裝置中，存在很多子系統(tǒng)，例如典型的存在電機系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、中性束系統(tǒng)、電子回旋系統(tǒng)、等離子體控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)等等，并且這些系統(tǒng)均分散在實驗區(qū)域的各個現(xiàn)場，為了實現(xiàn)成功的等離子體放電實驗，需要將所有的子系統(tǒng)同時協(xié)調的參與進來，并且需要保證在放電實驗過程之前、放電過程中、放電之后以及實驗某個系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時候，所有的子系統(tǒng)按照預設的邏輯順序動作，進行協(xié)調配合和保護，這就使得各個子系統(tǒng)上有大量的邏輯上的操作必須及時處理，同時大量的邏輯結果必須及時地上傳到同級或者上一級進行高級的邏輯分析并進行各子系統(tǒng)之間的協(xié)調操作，這樣才能夠保證各個子系統(tǒng)以及整個裝置運行的總體邏輯上的正確以及保證整個裝置在等離子體放電實驗期間，參與實驗的各種人員和各種設備的安全。

進行邏輯協(xié)調和裝置保護的最典型的并且實現(xiàn)了商用的設備是PLC，常規(guī)的做法是，按照功能和地理的位置在每個系統(tǒng)設置一個到多個PLC，連接本系統(tǒng)當?shù)氐乃行枰M行邏輯和保護控制的設備，對本地的邏輯信號進行與或者并的邏輯計算，進行本系統(tǒng)的邏輯和保護控制，并將結果發(fā)送到需要進行通訊的其他的PLC。特別的，一般均存在一個中央的PLC，對從各個子系統(tǒng)的PLC傳遞過來的消息進行綜合性的邏輯分析和判斷并向整個的PLC系統(tǒng)的發(fā)送相關的指令來協(xié)調各個子系統(tǒng)的動作。

與一般的小型裝置不同的是，參與磁約束受控核聚變實驗的系統(tǒng)和設備非常多，因此，在聚變裝置中，整個裝置內部按照功能存在有大量的PLC，這些大 量的PLC組成了一個PLC集群，共同實現(xiàn)整個裝置的邏輯控制和安全保護功能。在這個PLC集群內部各個PLC之間，存在大量的邏輯和安全信號的實時通訊需求，并且存在PLC集群外部的系統(tǒng)需要實時獲取PLC集群內部的信息的需求。當PLC集群內部的通訊信息和需要對外部共享的信息數(shù)量變得十分龐大的時候，高效的信息共享的方式就成為一個必須面對的問題。

但是目前一般實現(xiàn)PLC集群內部通訊的方式是采用銅纜信號線直接連接，這種方式在小型的系統(tǒng)中不會存在大的問題，但是在核聚變裝置這種大規(guī)模的PLC集群中，則存在下述一系列的問題：

1、一個信號對應一根信號線，各子系統(tǒng)之間特別是中央PLC與各個子系統(tǒng)的PLC進行通訊的信號線非常多，很容易達到幾十甚至上百的規(guī)模，這個就意味著需要鋪設大量的電纜信號線，一旦某根信號線出現(xiàn)問題，維護排查變得很困難；

2、因為信號線的總的數(shù)量有限，所以一般PLC之間只能夠了解大致總結性的內容，無法了解對方詳細的內部信息。例如，在做實驗的時候，可能知道某個系統(tǒng)出了故障，但是當需要具體詳細了解這個系統(tǒng)的出故障的原因細節(jié)的時候，則力不從心，因為拉的信號線個數(shù)不夠；

3、電纜信號線是點對點的通訊，無法實現(xiàn)點對面的通訊，即一個消息無法讓所有的PLC全部都知道；

4、所有的PLC群內部的信息，全部是在PLC群內部流通，無法將這些信息共享到非PLC群管理員之外，某些PLC群內部的信息對于整個裝置的運行是非常有必要的，即PLC群外部的系統(tǒng)需要這些信息做進一步的分析和處理。

5、在聚變實驗的強電磁背景噪聲的情況下，很容易出現(xiàn)信號干擾，導致出現(xiàn)誤動作。

6、當需要增加新的消息的時候，需要設置新的信號線，因為不同PLC之間的地理位置較遠，并且實驗區(qū)域空間緊張，導致信號線布設困難，即擴展性和可維護性較差。

因此，有必要開發(fā)一套新的方法和新的系統(tǒng)，來克服上述的這些問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是現(xiàn)有的PLC集群采用銅纜信號線直接連接的通信方式帶來的信號線數(shù)量大、無法了解詳細信息、無法實現(xiàn)點對面的通信、擴展性差等等一些列的問題，進而提供一種能夠克服前述問題的PLC集群的消息共享系統(tǒng)。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下：

聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)，包括用于實現(xiàn)聚變裝置邏輯及安全控制的PLC集群，所述PLC集群包括需要共享消息的若干PLC，所述聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)還包括與所述PLC數(shù)量相等且一一對應的交換機，每臺所述PLC和與其對應的所述交換機連接且所有所述交換機依次連接成環(huán)形成PLC通訊環(huán)網，每個所述PLC均連接一臺上位機，每臺所述上位機根據(jù)配置信息，將與其連接的所述PLC上的、需要在所述PLC通訊環(huán)網上通訊的PLC變量通過所述交換機在所述PLC通訊環(huán)網上進行傳遞，并且指明通訊的對象。

所述PLC集群中的一臺所述PLC為中央PLC，所述聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)還包括轉換工作站，所述轉換工作站包括依次相連的OPC服務器、OPC-EPICS轉換器、EPICS服務器，所述OPC服務器經以太網與所述中央PLC連接，所述EPICS服務器通過以太網將信息共享出去在所述EPICS服務器上設置有數(shù)據(jù)庫，所述數(shù)據(jù)庫中設置有與所述PLC集群中的所有需要外部共享的PLC變量對應的PV變量列表，設置所述PLC上需要外部共享的PLC變量在所述PLC通訊環(huán)網上的通訊對象為所述中央PLC，所述OPC服務器讀取所述中央PLC上的PLC變量發(fā)送至OPC-EPICS轉換器轉換成對應的PV變量存儲至所述EPICS服務器上并向外發(fā)布。

所述OPC-EPICS轉換器將所述OPC服務器讀取的所述PLC通訊環(huán)網的PLC變量的值直接寫入到所述EPICS服務器上所述數(shù)據(jù)庫中相應的PV變量列表中。

所述OPC-EPICS轉換器上設置有DCS模塊，所述DCS模塊通過DataSoket協(xié)議與所述OPC服務器建立連接，實現(xiàn)對所述OPC服務器讀取的PLC變量的實時監(jiān)控，當所述OPC服務器讀取的某個PLC變量的值發(fā)生變化時，將變化的值寫入到所述EPICS服務器上對應的PV變量的值中。

所述EPICS服務器通過CA協(xié)議將所有的PV變量實現(xiàn)向外發(fā)布，使EPICS 客戶端能夠監(jiān)測EPICS服務器PV變量的值的變化，并在PV變量的值發(fā)生變化時進行讀取。

所述PLC通訊環(huán)網中的內部通訊是采用數(shù)據(jù)塊的方式，一次發(fā)送一組數(shù)據(jù)。

所述交換機通過光纖連接。

任意兩個相鄰的所述交換機之間存在兩對光纖。

所有所述交換機全部并聯(lián)至同一個獨立供電電源上。

每個所述PLC和與其對應的所述交換機采用RJ45的網線連接，所述上位機采用wincc工作站。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的PLC集群的消息共享系統(tǒng)，將PLC集群內所有的PLC通過光纖互聯(lián)組成一個高度可靠、拓撲結構十分簡單的PLC環(huán)網，各PLC的消息均可以通過Profinet協(xié)議實現(xiàn)網內單個或者所有節(jié)點共享，且網內所有需要對外共享的消息通過OPC協(xié)議實時的轉化為EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System，實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng))系統(tǒng)中對應的Process Variable(PV)的值，所有的EPICS客戶端均可以第一時間通過EPICS CA協(xié)議收到整個PLC通訊環(huán)網內部的PLC消息，從而實現(xiàn)PLC集群內部的信息向外部的共享功能，同時PLC集群網內消息共享傳輸時間和對外消息共享的時間滿足對應的需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術方案和有益效果進一步進行說明。

參見附圖1，本發(fā)明的聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)，包括用于實現(xiàn)聚變裝置邏輯及安全控制的PLC集群，PLC集群包括需要共享消息的若干PLC，聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)還包括與PLC數(shù)量相等且一一對應的交換機，每臺PLC和與其對應的交換機連接且所有交換機依次連接成環(huán)形成PLC通訊環(huán) 網，每個PLC均連接一臺上位機。

每臺上位機根據(jù)配置信息，將與其連接的PLC上的、需要在PLC通訊環(huán)網上通訊的PLC變量通過交換機在PLC通訊環(huán)網上進行傳遞，并且指明通訊的對象，從而實現(xiàn)任一PLC上的變量在PLC通訊環(huán)網上其它各PLC之間的自由共享，在環(huán)網內部點對點的傳遞的信息不受數(shù)量的限制，可以獲得每個PLC內部的詳細信息，而且當需要增加新的PLC通訊環(huán)網上各PLC之間的連接時，不需要布線，直接在相關上位機的軟件中進行配置即可，具有極強的擴展性和可維護性。

為了使PLC集群外部的系統(tǒng)能夠共享到PLC集群內部的信息，本發(fā)明中將PLC集群中的一臺PLC設置為中央PLC，并設置轉換工作站，轉換工作站包括依次相連的OPC服務器、OPC-EPICS轉換器、EPICS服務器，OPC服務器經以太網與中央PLC連接，EPICS服務器通過以太網將信息共享出去。

在EPICS服務器上設置有數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中設置有與PLC集群中的所有需要外部共享的PLC變量對應的PV變量列表，設置PLC上需要外部共享的PLC變量在PLC通訊環(huán)網上的通訊對象為中央PLC，OPC服務器讀取中央PLC上的PLC變量發(fā)送至OPC-EPICS轉換器轉換成對應的PV變量存儲至EPICS服務器上并向外發(fā)布，從而PLC集群的消息可以通過EPICS的CA協(xié)議在PLC通訊環(huán)網以外方便獲得。

本發(fā)明中通過EPICS服務器的設置，不僅能夠實現(xiàn)PLC集群內部的信息向集群外的共享，而且EPICS通訊協(xié)議的服務器，還可以實現(xiàn)對PLC通訊環(huán)網的隔離和保護，即外界不能操作PLC系統(tǒng)。

為了提高信息的存儲速度，本發(fā)明中的OPC-EPICS轉換器將OPC服務器讀取的PLC通訊環(huán)網的PLC變量的值直接寫入到EPICS服務器上數(shù)據(jù)庫中相應的PV變量列表中，這種方法下沒有通訊的過程，直接寫EPICS服務器端內存，從而大大提高的存儲速度。

本發(fā)明中，通過DataSoket通訊協(xié)議和CA(Channel Access)協(xié)議對PLC變量和PV變量實現(xiàn)實時監(jiān)控與讀寫，將PLC環(huán)網內部的消息轉化為EPICS消息共享，具體的：

OPC-EPICS轉換器上設置有DCS模塊，DCS模塊通過DataSoket協(xié)議與 OPC服務器建立連接，實現(xiàn)對OPC服務器讀取的PLC變量的實時監(jiān)控，當OPC服務器讀取的某個PLC變量的值發(fā)生變化時，將變化的值寫入到EPICS服務器上對應的PV變量的值中；

EPICS服務器通過CA協(xié)議將所有的PV變量實現(xiàn)向外發(fā)布，使EPICS網絡中的客戶端能夠監(jiān)測EPICS服務器PV變量的值的變化，并在PV變量的值發(fā)生變化時進行讀取。

為了提高通訊效率，本發(fā)明中，PLC通訊環(huán)網中的內部通訊可以采用數(shù)據(jù)塊的方式，一次發(fā)送一組數(shù)據(jù)。

為了使本發(fā)明的聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)的通信不受強電磁背景噪聲的干擾，本發(fā)明中的交換機通過光纖連接。

本發(fā)明的結構下，通過使任意兩個相鄰的交換機之間存在兩對光纖。從而使本發(fā)明中的PLC通訊環(huán)網具有很強的冗余度，在環(huán)網中斷后，網絡重組時間最大為0.3s，保證了環(huán)網快速響應、快速傳輸、廣泛靈活的特點。從而，本發(fā)明中只需要與PLC的總個數(shù)的2倍的光纖，就可以實現(xiàn)用大量銅纜信號線才能實現(xiàn)的功能。

本發(fā)明中，將所有交換機全部并聯(lián)至同一個獨立供電電源上，不是使用當?shù)氐腜LC電源，從而保證在聚變裝置等離子體實驗期間，所有的交換機均能正常工作，從而保證環(huán)網是通暢的。

具體實施時，根據(jù)采用的PLC的具體型號，可以使每個PLC和與其對應的交換機采用RJ45的網線連接，并可以采用wincc工作站作為上位機。

綜上，本發(fā)明的聚變裝置PLC集群消息共享系統(tǒng)將所有的參與實驗的PLC用光纖連接成一個環(huán)網，所有的信息均可以在環(huán)網內高速傳播和共享，通訊的消息個數(shù)不受限制，并且環(huán)網內部的消息可以轉化成EPICS消息在環(huán)網外進行共享，使得實驗網內的各個系統(tǒng)能在實時得到其想要的任何PLC環(huán)網內部的信息。下面解決一個具體實施例對本發(fā)明的技術方案進行說明，本實施例中：

1、在PLC集群的每個PLC上均配置交換機，其中所有的PLC均采用西門子系列的產品，所有的PLC均配備西門子的交換機，該西門子的PLC產品采用wincc工作站作為上位機；

2、將西門子的交換機的RJ45口用網線與PLC的網口相連接；

3、將PLC環(huán)網內部所有的交換機并聯(lián)在同一個24V的電源上，而不是使用當?shù)氐腜LC電源，保證在聚變裝置等離子體實驗期間，所有的交換機均能正常工作，從而保證環(huán)網是通暢的；

4、將PLC集群內部的所有交換機依次用光纖進行依次連接成環(huán)，最終保證每兩個交換機之間存在兩對光纖，用于維持整個網絡的冗余度，即當一對主光纖出現(xiàn)問題的時候，備用光纖可以在很短的時間內投入使用，從而保證整個網絡的通暢；各PLC之間通訊采用S7連接和PROFINET協(xié)議；PLC之間采用系統(tǒng)功能塊(SFB12和SFB13)進行DB塊數(shù)據(jù)傳輸；

5、在PLC集群內部的所有的PLC子系統(tǒng)上，在wincc工作站上進行配置，將PLC與交換機在軟件上進行相連接，將需要進行環(huán)網內部通訊的變量通過交換機放到環(huán)網上并且指明通訊的對象，利用Profinet協(xié)議實現(xiàn)環(huán)網內部的自由通訊；

6、在PLC集群的每個PLC對應的wincc工作站上操作，將所有需要對外共享的變量通過同樣的方式發(fā)送到中央PLC；

7、使用一臺轉換工作站，這臺工作站通過以太網連接到中央PLC上，并通過以太網將信息發(fā)送出去；

8、西門子的PLC上位機上提供對外的專用OPC協(xié)議接口，在轉換工作站上利用Labview建立OPC服務器，并通過OPC協(xié)議與中央PLC進行連接，實時獲取所有的PLC環(huán)網內部消息，將中央PLC中包含的PLC環(huán)網需要對外共享的內部變量全部讀入到本地OPC服務器上；

9、在此轉換工作站上，利用LabVIEW建立起EPICS服務器，充當獨立的IOC(I/O Controller)，PLC通訊環(huán)網內部所有的消息從這里向PLC通訊環(huán)網外部發(fā)布，具體的，在EPICS服務器上導入與PLC變量對應的PV列表，通過EPICSCA協(xié)議將所有的PV變量向外實現(xiàn)發(fā)布；

10、在轉換工作站上，利用NI(美國國家儀器有限公司)DSC(數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控)模塊作為OPC-EPICS轉換器，通過DataSoket協(xié)議與OPC服務器建立連接，對PLC變量實時監(jiān)控，一旦某個PLC的值有變化，立即將變化的值寫入到對應的EPICS服務器上的PV的值中，從而建立起PLC環(huán)網消息與EPICS的PV之間的聯(lián)動機制；11、網絡上所有的EPICS客戶端均可以實時檢測到這臺EPICS服務器 上的PV值的改變，并作出對應的處理動作，達到PLC環(huán)網對外共享目的。

11、最終實現(xiàn)PLC環(huán)網內DB塊消息傳輸?shù)臅r間在10毫秒以內，滿足PLC環(huán)網內的通訊邏輯運行和安全保護對時間的需求；每個PLC變量轉成PV值所需要的耗時在40微秒以內，滿足PLC環(huán)網外部所需要的處理的時間需求。