基于功能安全的高完整性PLC控制器

1.一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：
包括：
-CPU单元，包括两个SIL3等级的CPU，是高完整性PLC控制器的核心部分，双CPU分为主CPU和从CPU，双CPU通过双口RAM进行数据交互，能够实现1oo1D和1oo2D的通道表决，该单元的双CPU分别与各自的RAM电路、FLASH电路、通信等电路结合，完成逻辑的执行、数据的计算及以太网和功能安全背板的通信功能；
-存储单元，包括暂存电路和掉电非易失电路两部分，暂存电路包括动态随机存储电路、双口RAM，其中动态随机存储电路作为高完整性PLC控制器的内存使用，暂存控制器逻辑执行过程中的过程数据；双口RAM的功能基于可编程逻辑器件实现，双口RAM具有两个功能，分别为：作为双CPU通信的数据传输通道，进行数据的交互；背板通信过程中作为背板通信数据的缓存；掉电非易失电路包括磁性随机存储器和串行接口存储器电路两部分，磁性随机存储器电路主要用来存储高完整性PLC控制器运行操作系统时所需要的文件系统程序；串行接口存储器用来存储系统配置参数及系统运行中的关于背板通信速率、I\O模块的工作参数等关键；
-通信单元，包括基于网络冗余的双以太网电路和背板通信电路，通过安全通信协议完成高完整性PLC控制器逻辑的下装和系统数据的监控；背板通信电路，基于可编程逻辑器件实现高完整性PLC控制器与I\O间的功能安全背板通信，功能安全背板串行通信总线包括高速串行总线和低速串行总线，两种总线的物理层分别采用MLVDS和RS-485方式实现，所有串行总线均支持冗余；
-背板检测单元，包括背板地址检测，确定高完整性PLC控制器所在背板槽号，该单元支持冗余，高完整性PLC控制器插入可靠性检测，检测控制器是否可靠插入背板；奇偶地址校验检测，进行地址奇偶校验；
-恒流驱动单元，为I\O模块的背板地址识别提供恒定电流源，保证地址识别的准确性，恒流源支持冗余，其使能分别由主CPU和从CPU控制，保证背板地址识别的可靠性，并且该设计能够保证高完整性PLC控制器降级使用时，不影响背板地址识别；
-电源单元，按照功能单元对电源电路进行设计和划分，主要分为CPU供电电路，可编程逻辑器件供电电路、以太网电路以及功能安全背板串行通信用的接口电路等电路，主CPU和从CPU及可编程逻辑器件间电源电路均独立设计，互不影响，降低控制器故障失效率；主CPU和从CPU供电电路应用带有SIL3安全完整性等级认证的多路电源管理控制器实现，保证该部分电路不会因为电源故障降低控制器的安全完整性等级；可编程逻辑器件、以太网及功能安全背板串行通信等外围电路的电源设计中，对电源进行了监控设计，通过主CPU和从CPU能够及时检测电源故障，保证控制器不会进入危险失效的状态；
-状态指示，作为高完整性PLC控制器运行状态的指示单元，能够显示控制器的当前状态。
2.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：CPU单元，其1oo1D表决结构中，高完整性PLC控制器使用主CPU即能够达到SIL3等级，从CPU用来实现控制器间的通信，1oo1D表决结构的双控制器间可以实现冗余表决；所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器使用双CPU可以实现1oo2D表决，当其中一个CPU出现故障时能够自动降级实现1oo1D表决，不影响高完整性PLC控制器的功能安全完整性等级。
3.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：CPU单元，主、从CPU通过双口RAM对交互的数据进行CRC校验出现不一致时，主、从CPU会对计算结果进行处理，使高完整性PLC控制器不会因为数据传输的错误出现危险失效。
4.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：所述存储单元，可编程逻辑器件作为黑通道，不会因为可编程逻辑器件的故障导致高完整性PLC控制器出现危险失效。
5.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：主、从CPU的安全架构包括带有锁步模式的双核CPU，CPU内建自测试逻辑算法，在闪存和数据SRAM上带有错误诊断校验功能，外设存储器带有奇偶校验，外设IO上带有环回功能。
6.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：应用CPU的错误信令模块指示CPU运行过程中自身出现的所有错误，并能够通过外设IO进行指示或者对外设进行故障处理等操作；对于动态随机存储电路，采用内建自检测算法在系统上电初始化时对动态随机存储器进行数据校验，验证动态随机存储器是否能够正常读写数据；对于磁性随机存储器和串行接口存储器电路，通过CRC算法对数据进行校验，验证从非掉电易失存储器读取的数据是否正确；所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器支持冗余的双以太网设计，以太网的接口芯片内置TCP/IP协议，在设计上降低对CPU资源的占用率，以太网接口芯片与CPU之间通过标准的SRAM接口连接，简化硬件电路，高完整性PLC控制器上电初始化时能够对以太网接口芯片通过SRAM接口进行数据读写测试，验证其功能的正常，保证以太网能够正常工作。
7.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：通信单元的背板通信电路，包含多种串行通信总线，总线间相互独立，能够同时工作，按照通信速度分为高速串行总线和低速串行总线，所有串行通信总线支持冗余，所述多串行总线有两种操作模式，步骤如下：
1)高完整性PLC控制器读操作：所有读操作都由命令帧和数据帧组成，高完整性PLC控制器发送命令帧，从站模块返回应答数据帧；
2)高完整性PLC控制器写操作：由命令帧、数据帧和从站模块返回值组成，高完整性PLC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。
8.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：所述通信单元的背板通信电路，背板通信电路通过可编程逻辑器件实现，高完整性PLC控制器CPU与可编程逻辑器件配合实现背板通信数据的收发，可编程逻辑器件对背板通信的数据包进行收发控制，既能实现背板通信数据的高速准确收发，又能降低背板通信时对CPU资源的占用率；所述通信单元的背板通信电路，背板通信数据的缓存电路双口RAM通过可编程逻辑器件实现，既能够实现数据的缓存又能够发挥可编程逻辑器件的高速和逻辑的并行运行特性，实现对数据包的传输与控制，CPU对可编程逻辑器件的发送使能寄存器进行写操作后，可编程逻辑器件将缓存中的数据通过背板总线发送给模块；当可编程逻辑器件通过背板总线接收到完整的数据包后可编程逻辑器件通过中断机制请求CPU读取缓存中的数据。
9.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：所述检测单元的背板地址检测电路，背板地址的恒流源由控制器提供，支持冗余，两路恒流源使能控制分别由控制器的主、从CPU控制，主、从CPU能够通过恒流源使能端口选择打开或者关闭恒流源；通过检测背板上地址检测电阻左端与地之间的电压能够确定控制器所在背板的槽号，为避免地址检测错误的发生，在检测背板地址前，先检测地址检测电阻两端的压差，该压差为固定值，当该压差在规定范围内时，再确定控制器所在背板槽号；
除背板地址检测外，控制器还带有背板地址奇偶校验电路，将地址奇偶校验与背板地址检测结果进行对比，进一步确定地址检测是否正确；
所述检测单元的控制器插入可靠性检测电路，在高完整性PLC控制器上的背板连接器两端分别有插入标识，当高完整性PLC控制器可靠插入时，两个标识位检测端口都为低电平，当高完整性PLC控制器出现未可靠插入时，检测端口会有高电平标识位出现，高完整性PLC控制器通过检测标识位状态能够确定模块的插入状态，确保控制器能够正常工作。
10.按权利要求1所述的一种基于功能安全的高完整性PLC控制器，其特征在于：所述电源单元电路，电路设计中采用SIL3等级电源控制器为CPU供电，其他电源电路在设计中增加电源状态监控设计，确保控制器不会因为电源故障而降低控制器的安全完整性等级；
高完整性PLC控制器双CPU电源电路相互独立，分别使用SIL3电源控制器设计，该设计能够对CPU各路电源进行监控和故障诊断，电源控制器带有看门狗，能够实时监测CPU是否工作正常；其他电源电路设计有电源监控功能，CPU通过A/D能够对各路电压进行实时监控，当某一路电源出现异常时，控制器能够及时检测到，避免危险发生；所述电源单元电路，除电源控制器带有看门狗功能外，对于其他电源电路，设计中增加掉电看门狗设计，当电源出现故障掉电时，CPU能够及时检测到，使高完整性PLC控制器能够及时保存现场数据，避免危险失效的发生。

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