凌辰PLC电源吊顶小车应用
在智能物流搬运领域，架空小车作为核心搬运设备，对控制系统的实时性、稳定性和安全性提出了极高的要求。某客户开发的架空小车搬运系统，受终端需求驱动，需要在硬件空间极其有限的情况下，从原有的“Windows + 控制卡”架构过渡到开源的Linux操作系统。
至关重要的是，鉴于架空轨道可能容纳多辆运输台车，甚至需要人工干预，控制系统必须具备极快的响应速度，以促进这些实体之间的核心级交互，从而防止事故和碰撞。因此，设备架构分为两个不同的组件：逻辑层和应用层。主机程序管理运行逻辑和MES集成，而PLC组件则负责执行主机系统指令下的底层控制任务，例如轴运动、I/O交互和状态报告。
为了应对这一挑战，凌辰科技开发了一套基于其LC2000系列PLC的“计算与控制一体化”双域控制器解决方案。该方案成功实现了在Linux操作系统环境下主机系统与PLC之间的高速、稳定交互。
1. 客户需求和核心挑战
关键绩效指标：客户已明确规定了控制系统的性能要求：
通信速度：主机PC与PLC之间的通信延迟必须小于6毫秒。
I/O 响应：获取 I/O 点状态的速率必须小于 15 毫秒。
数据安全：数据读取和写入操作必须分开，并且必须对所有数据应用 CRC 校验和。
系统架构：Linux 环境必须同时支持 PLC 运行时和主机 PC 应用程序的执行，并促进它们之间的数据交换。
技术实施挑战：在 Linux 环境下实现 PLC 与主机 PC 之间的高效协作面临以下技术挑战：
① 实时内核交互：当Linux同时运行PLC内核和主机PC应用程序时，两者必须交换数据，同时满足严格的通信效率要求。如何在非实时操作系统环境下保证实时性能，成为主要的技术难题。
② 读写操作分离：** 数据读取和写入操作不得相互干扰；否则，将导致数据损坏或系统异常。
③ 数据完整性保证：主机和PLC之间交换的数据（无论是读取还是写入）必须完全无误。任何不准确之处都会影响自动化推车的运行效率，甚至可能导致控制指令无法执行。
④ 共享内存同步：双方使用的共享内存区域在位置上必须严格对齐，在大小上必须标准化。此外，信号交换的时序也必须精确控制。内存位置或大小的任何偏差都可能引发内存溢出或导致PLC崩溃。
⑤ 实时数据抖动处理：伺服电机的当前位置和速度等数据会受到实时抖动的影响。如果数据传输的时序不精确，则发送的“当前位置”数据实际上可能反映的是上一个周期的值，从而导致与相应的 CRC 校验和数据不匹配。
⑥ 硬件兼容性：客户使用的I/O模块是定制设计的组件。由于某些市售PLC本身并不支持与这些特定模块通信，因此需要进行相应的软硬件适配以确保兼容性。
2. 凌辰解决方案
为了确保Ubuntu环境的开放性和实时控制能力，凌辰科技采用双内核Linux配置——包含一个标准桌面Linux内核和一个实时内核——运行于单CPU硬件平台上。这种架构能够根据具体的现场应用场景，在实时域和非实时域之间动态分配硬件资源，从而保证系统的实时性能。与传统的“PLC+工业PC”组合等产品配置不同，本产品通过共享内存实现了两个域之间的高速数据交换。这种通信方式支持对数据的直接读写访问，确保了所见即所得（WYSIWYG）的数据可见性。更重要的是，桌面Linux内核的崩溃不会影响实时PLC内核的正常运行，从而通过内核隔离实现了关键的安全特性。
集成计算与控制双域控制器的主要优势
◆ 双域共享内存：通过共享内存实现实时域和非实时域之间的高速数据交换，确保“所见即所得”的数据一致性。
◆ 内核隔离：桌面 Linux 内核崩溃不会影响实时 PLC 内核的正常运行，从而保障设备的运行安全。
◆ 灵活的资源分配：可根据具体的现场应用场景动态分配硬件资源，以保证系统的实时性能。
◆ 计算与控制的深度融合：在单一硬件平台上实现高级计算与低级控制的无缝协作。
共享内存交互方案
该方案采用共享内存模型实现主机端 C# 软件与 PLC 之间的交互。交互工作流程如下：用户通过 C# UI 界面发起操作（例如，I/O 或轴控制命令）→ 专用 C# 交互类将命令写入共享内存 → PLC 接口读取命令 → PLC 执行相应的控制逻辑 → 硬件被驱动 → PLC 获取硬件状态数据和其他相关信息 → PLC 将这些数据写回共享内存 → C# UI 界面获取命令执行结果、I/O 状态和其他数据。在此操作过程中，双方均使用特定的标志位（flag1 和 flag2）来同步读写操作。例如，当主机端 UI 检测到 flag1 设置为 0 时，它会执行数据写入操作；写入完成后，它会将 flag1 设置为 1。这种机制确保了两个系统之间有序、准确地交换数据。
关键技术实施
① CRC 数据完整性验证：利用通过 CODESYS 平台发布的 CRC 验证功能块（这些功能块经过了彻底的测试，随后集成到项目程序中），系统解析并对齐来自主机控制器的传入 CRC 数据，从而保证发送和接收数据的准确性。
② 轴数据和 PDO/SDO 操作的优化：对于实时性要求不高的数据，采用自主研发的 PDO 写入和 SDO 读取功能块，由上升沿信号触发。相反，对于需要高实时响应的数据，系统通过将 EtherCAT 变量绑定到绝对内存地址来直接检索必要的参数，从而确保关键数据的实时完整性。
③ 定制 I/O 模块的适配：针对某些商用 PLC 本身不支持与客户定制设计的 I/O 模块通信的挑战，凌辰研发团队与客户密切协商，制定了有针对性的解决方案，确保与机器系统的无缝集成和兼容性。
④ 技术支持和培训：鉴于客户的工程师对 PLC 编程软件并不完全熟悉，凌辰团队提供了全面的软件使用培训，并协助现场调试，成功地将程序移交给了客户。
性能指标验证：经现场测试验证，该解决方案在所有性能指标方面完全满足客户的要求：
通信速度：主机PC与PLC之间的通信延迟小于6毫秒，满足客户要求。
I/O 响应：I/O 点的采集速率小于 15 毫秒，实际性能在 3 毫秒到 12 毫秒之间。
总线周期：1毫秒的扫描周期确保实时响应。
系统稳定性：已实现内核隔离，确保桌面操作系统崩溃不会影响核心PLC控制功能。
3. 解决方案亮点和客户价值
技术创新亮点：集成控制与计算双域架构** — 在单个 CPU 硬件平台上运行双内核 Linux 系统。实时域和非实时域的资源可以灵活分配，从而在保持 Ubuntu 开放性的同时，保证实时控制性能。
基于共享内存的高速交互——两个域建立共享内存空间用于数据读写，从而实现高速数据交换并确保“所见即所得”的数据一致性。与传统的“PLC+工业PC”通信方式相比，这种方法显著提高了交互效率。
内核隔离安全机制——桌面环境Linux内核崩溃不会影响实时PLC内核的正常运行，从而从根本上保障了设备的运行安全。
灵活的 PDO/SDO 读写策略——为了满足不同的实时性需求，我们采用了两种不同的方法：功能块封装和绝对地址绑定。这种方法在运行效率和实时响应能力之间取得了最佳平衡。
CRC 数据完整性验证 — 所有数据均需经过 CRC 验证，以确保传输和接收数据的准确性和完整性，从而防止因数据错误而导致的指令失败或操作异常。
为客户创造价值——解决系统迁移挑战：成功协助客户从基于 Windows 的控制卡解决方案迁移到开源 Linux 操作系统，从而满足终端要求，同时有效克服与可用存储空间有限相关的硬件限制。
确保设备运行安全：在复杂的运行条件下（例如多辆小车共用一条轨道或涉及人工干预的场景），系统的高速内核交互能力可有效防止事故和碰撞。
降低开发壁垒：通过技术培训和现场支持，我们使客户的工程师能够快速掌握 PLC 编程，从而促进了程序的顺利成功交接。
增强系统可靠性：多层安全措施（包括数据读写分离、CRC 验证和内核隔离）确保系统的长期稳定性和可靠运行。
4. 总结
在工业自动化领域，受全球格局变化和开源技术广泛应用的推动，从Windows系统迁移到Linux系统的需求正稳步增长。凌辰科技以其LC2000系列PLC为核心，开发了一套集成计算和控制的双域控制器解决方案，成功解决了Linux环境下PLC与主机内核级交互的技术难题。该方案通过一系列技术创新——包括双域共享内存、1毫秒总线周期、CRC校验和内核隔离——实现了卓越的性能，主机到PLC的通信延迟小于6毫秒，I/O响应时间小于15毫秒，同时确保了数据准确性和系统可靠性。这远非简单的产品替代，而是一个深度集成、经过现场验证的解决方案，完美融合了计算和控制功能。从内核级交互到数据同步，从硬件适配到技术培训，该解决方案的方方面面都体现了凌辰科技对工业控制与开源技术融合的深刻理解。
关于我们
苏州凌辰数据采集与计算机有限公司成立于2006年，秉承“为客户创造价值，建立互利共赢的合作伙伴关系”的经营理念，为客户提供涵盖工业计算机、运动控制系统、测试测量仪器、机器视觉系统和机器人等各类自动化设备的核心组件和系统解决方案。目前，凌辰旗下拥有两家全资子公司：苏州迅亚自动化科技有限公司和苏州TOK机器人有限公司，分别专注于机器人系统的销售和直线运动产品的研发、制造和销售。
产品系统网络
在自动化控制网络的层级结构中，凌辰科技提供涵盖设备层、控制层和信息层的全方位产品。
01 工业计算机
凌辰工业机箱采用工业级坚固结构、卓越的散热管理和防尘设计，为关键计算核心提供全面的物理保护，即使在振动、灰尘和极端温度等恶劣工业环境中也能确保持久稳定的运行。
02 嵌入式工业电脑
凌辰嵌入式工业PC采用紧凑坚固的工业级设计，集成了高性能计算、丰富的I/O接口以及宽广的温度和电压耐受范围。这些系统专为机器视觉、边缘计算和自动化设备等嵌入式应用而设计，可在有限的空间内提供稳定可靠的智能核心，从而赋能智能制造和物联网应用。
03 运动控制卡
凌辰运动控制卡能够控制多达32个运动轴，并同时支持控制多达512个DI点和512个DO点，最大总线通信周期为250µs。在运动控制方面，它支持单轴相对运动、绝对运动、点动和基于驱动的回零等功能；多轴插补；多轴点台运动；以及电子齿轮传动。
04 LMC系列运动控制器
凌辰LMC系列运动控制器采用开放式硬实时内核（抖动小于±0.3微秒）设计。该设计彻底解决了传统Windows平台固有的非实时性限制，确保多轴指令的确定性和瞬时响应。安装极其简便，仅需一根以太网线即可连接；此外，该系统采用高效的异步通信技术，可在1毫秒内同步发出和控制多达12个轴的运动指令。
05 NAC系列高性能运动控制器
凌辰NAC控制器的核心在于其强大的总线扩展能力，支持四个EtherCAT主站，可实现每个工作站256轴的精确控制，总计4096个I/O通道。其运动控制功能全面而稳健：除了标准的点对点、直线和圆弧插补外，还具备五轴插补、样条曲线轨迹平滑和动态坐标系等高级功能。此外，它还集成了振动抑制、“软着陆”功能和高精度位置比较输出；结合八个独立的插补组和连续插补功能，可有效满足复杂轨迹和高速同步的需求。其开发环境开放灵活，支持多种编程语言（包括C++、C#和Python），并允许在实时操作系统内直接编程，从而显著提升集成和调试效率。
06 PLC运动控制器
凌辰PLC控制器严格遵循PLCopen规范和IEC 61131-3国际标准，集高性能、紧凑尺寸和模块化设计于一体，便于开发和灵活部署。这些控制器广泛应用于3C电子、锂离子电池、包装、印刷等行业的自动化设备和生产线系统，也可扩展为物流、汽车、消费品等行业集成生产线中的网络通信节点。凭借对内部/外部网络隔离、高速总线通信和实时数据处理的要求，它们为各种工业环境提供稳定可靠的控制核心。
07 工业网络卡
凌辰工业网卡专为严苛的工业环境而设计，具备10/100/1000Mbps自适应速率，可提供稳定可靠的高速网络连接。这些网卡具有强大的抗干扰、浪涌保护和宽温工作范围等特点，广泛应用于运动控制、机器视觉和自动化系统等关键应用领域。产品采用灵活的安装设计，标配全高支架，并可选配半高支架，可无缝集成到各种智能制造设备和工业网络中。
08 IO模块
凌辰科技提供全面的I/O模块解决方案，旨在灵活满足工业自动化的各种需求。
LC/LD系列可扩展I/O模块：支持多种协议，包括EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP和Modbus TCP，这些模块可灵活扩展数据采集功能，涵盖数字信号、模拟信号、温度、压力和脉冲信号。它们广泛应用于3C电子、锂离子电池、半导体、汽车制造和医疗设备等领域。
MINI系列I/O模块：该系列产品以其紧凑的尺寸和高实时性能为特点，涵盖数字I/O、模拟I/O、温度模块和通信模块。它们非常适合对空间和实时响应要求极高的控制和数据采集应用场景。
GWS系列免机柜I/O模块：这些模块具有卓越的稳定性和便捷的网络布线功能，专为分布式系统布局而设计，可显著减少系统集成时间和成本。
我们所有的产品组合都致力于为用户提供可靠、易于集成和适应性强的 I/O 模块支持，以满足各种应用场景的需求。
