一種兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型plc的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC。所述PLC上設(shè)置有工業(yè)實時以太網(wǎng)端口2個、現(xiàn)場總線端口1個。PLC包括能相互通信的核心板、IO板。2個工業(yè)實時以太網(wǎng)設(shè)置在核心板上，1個現(xiàn)場總線設(shè)置在IO板上?，F(xiàn)場總線端口共10條線：2條線用于數(shù)據(jù)通訊而為通信總線，4條線用于地址分配，4條線用于給多個擴展IO模塊供電的+5V、+12V以及兩個GND地線。本實用新型的設(shè)計能把工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)同時運用到高性能一體式小型PLC的研發(fā)中，可以廣泛滿足邏輯控制、運動控制、過程控制的數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等方面的應(yīng)用，使得一體式小型PLC兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線。
【專利說明】
一種兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種一體式小型PLC，尤其涉及一種兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC。
【背景技術(shù)】
[0002]可編程邏輯控制器(PLC)是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計制造的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它是以微處理器為核心帶有指令存儲器和輸入輸出接口，將自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。
[0003]目前狀態(tài):一體式小型PLC的本體不同時具有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線。個別機型可以通過擴展單元擴展到以太網(wǎng)，而能擴展到工業(yè)實時以太網(wǎng)的就更少。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的PLC，本實用新型能把工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)同時運用到高性能一體式小型PLC的研發(fā)中。
[0005]本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC;所述PLC上設(shè)置有工業(yè)實時以太網(wǎng)端口2個、現(xiàn)場總線端口 I個;所述PLC包括能相互通信的核心板、1板;2個工業(yè)實時以太網(wǎng)設(shè)置在所述核心板上，I個現(xiàn)場總線設(shè)置在所述1板上;所述現(xiàn)場總線端口共10條線:2條線用于數(shù)據(jù)通訊而為通信總線，4條線用于地址分配，4條線用于給多個擴展1模塊供電的+5V、+12V以及兩個GND地線。
[0006]作為上述方案的進一步改進，每個擴展1模塊的電源線和地址線采用級聯(lián)的方式，所述PLC通過4根地址線自動識別多個擴展1模塊。
[0007]作為上述方案的進一步改進，所述PLC還包括分別對所述核心板與所述1板供電的電源板。
[0008]作為上述方案的進一步改進，所述1板上還設(shè)置有2個RS232或RS485或USB或INTERNET網(wǎng)端口。
[0009]作為上述方案的進一步改進，所述核心板與所述1板采用板間BUS通信。
[0010]作為上述方案的進一步改進，所述核心板采用微控制器組合實現(xiàn)對整個PLC的控制，所述微控制器組合采用MCU與FPGA組合實現(xiàn)。
[0011 ]進一步地，M⑶與FPGA集成在一個芯片內(nèi)部，在芯片內(nèi)部的架構(gòu)中集成了基于ARM或INTELX86CPU或MIPS CPU的硬核處理器系統(tǒng)MCU和FPGA邏輯單元。
[0012]進一步地，M⑶與FPGA各自占用一個芯片，兩個芯片之間采用SPI或并行或PCI或PCIe數(shù)據(jù)通訊以交換信息。
[0013]作為上述方案的進一步改進，所述1板還包括輸入/輸出電路和輸入/輸出端子。
[0014]本實用新型能把工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)同時運用到高性能一體式小型PLC的研發(fā)中，可以廣泛滿足邏輯控制、運動控制、過程控制的數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等方面的應(yīng)用，使得一體式小型PLC兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線，并能通過4根地址線自動識別擴展1模塊的。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型較佳實施例提供的一體式小型PLC的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為圖1中一體式小型PLC的一種實現(xiàn)形式圖。
[0017]圖3為圖1中一體式小型PLC的另一種實現(xiàn)形式圖。
[0018]圖4為圖2中一體式小型PLC的具體組合例圖。
[0019]圖5為圖4中一體式小型PLC的總體硬件實施例圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合實施例，對本實用新型進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不限定本實用新型。
[0021]如圖1所示，本實用新型的一體式小型PLC兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線，PLCl包括電源板5、核心板6、10板7。電源板5接受輸入電源信號并生成規(guī)定電壓等級的直流電源，為核心板6和1板7上的電路供電。核心板6與1板7能相互通信，核心板6與1板7之間是通訊和供電用的板間BUS。
[0022]在PLCl上，工業(yè)實時以太網(wǎng)占用2個端口(端口也即接口的意思)、現(xiàn)場總線占用I個端口，另外還有RS232或RS485或USB或INTERNET網(wǎng)占2個端口。也就是說，在PLCl上，設(shè)置有2個工業(yè)實時以太網(wǎng)端口 2、I個現(xiàn)場總線端口 4、2個RS232或RS485或USB或INTERNET網(wǎng)端口 3JS232或RS485或USB或INTERNET網(wǎng)占2個端口，端口可以是RS232或RS485或USB或INTERNET，任選其中的I?2個，用途是編程口、連接上位機、連接屏。
[0023]通過2個工業(yè)實時以太網(wǎng)端口 2的工業(yè)實時以太網(wǎng)，PLCl可以組成任意符合規(guī)范的星形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)、菊花鏈網(wǎng)絡(luò)，比如，帶有2 口 Powerlink(—種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線及標(biāo)準(zhǔn))的PLC，可以與其它Powerl ink設(shè)備組成符合Powerl ink規(guī)范的星形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)、菊花鏈網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程1擴展，設(shè)備遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)控和操作。
[0024]通過I個現(xiàn)場總線端口 4的現(xiàn)場總線，PLCl能實現(xiàn)本地1擴展，可以在近場范圍內(nèi)擴展一系列功能模塊，諸如，擴展數(shù)字量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊、計數(shù)器模塊等。自動識別模塊的地址，并根據(jù)該地址自動配置模塊的現(xiàn)場總線ID號碼。一個PLC本體能通過現(xiàn)場總線同時加載的1模塊數(shù)量是有限的，同時PLC本體通過現(xiàn)場總線與1模塊通訊的方式，詳見本公司的專利20 15209787.2 ； 20 I 5 10863641.4 ； 20 I 5209787.2 ；201510863641.4。
[0025]1板7上安裝有輸入輸出電路和輸入輸出端子，I個現(xiàn)場總線端口 4、2個RS232或RS485或USB或INTERNET網(wǎng)端口 3均設(shè)置在1板7上。2個工業(yè)實時以太網(wǎng)端口 2設(shè)置在核心板6上。用于PLC的工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線必須滿足在APP層(0SI模型的APP層)具有世代性，工業(yè)實時以太網(wǎng)的APP協(xié)議棧采用現(xiàn)場總線的APP協(xié)議棧演變而來，它們在應(yīng)用層的代碼一致，只是在通訊設(shè)備驅(qū)動層的代碼不同。比如工業(yè)實時以太網(wǎng)Powerlink與現(xiàn)場總線CANopen，或工業(yè)實時以太網(wǎng)Prof inet與現(xiàn)場總線Prof ibus，或工業(yè)實時以太網(wǎng)Ethercat與現(xiàn)場總線CANopen，或工業(yè)實時以太網(wǎng)SERCOS III與現(xiàn)場總線SERCOS 1/11，或工業(yè)實時以太網(wǎng)MODbus-TCP與現(xiàn)場總線MODbus，或工業(yè)實時以太網(wǎng)CCLINK IE與現(xiàn)場總線CCLINK等。
[0026]核心板6上還有微控制器組合8(MCU+FPGA)、SRAM、flash、指示燈電路。核心板6上的現(xiàn)場總線端口 4共10條線:2條線用于數(shù)據(jù)通訊DATA，4條線用于地址分配ADD，4條線用于給擴展1模塊供電POWER。需要重點說明的是，核心板6上的微控制器組合8 (M⑶+FPGA)，這個組合的不同搭配，會產(chǎn)生不同的效果和性能。
[0027]組合I可以是MCU與FPGA(可編程邏輯單元)集成在一個芯片內(nèi)部，如圖2所示，SPSoC ASIC或SoC FPGA，比如smartfus1n2、ZYNQ7000、Altera 50(:。]\10]核與？？64，集成在一個SoC中，MCT上運行RTOS，RTOS上運行PLC應(yīng)用層、APP應(yīng)用層、和設(shè)備描述、診斷等C程序。MCU核還負(fù)責(zé)左側(cè)的5個框內(nèi)的功能JPGA上固化IP核，工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的IP核，負(fù)責(zé)工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的MAC通信及驅(qū)動，IP核是用硬件描述語言編寫的一段程序(如VHDL、system C、VERIL0G)IP核內(nèi)有MACR0(是一種精簡了很多不相關(guān)功能的微控制器IP core，只保留與應(yīng)用有關(guān)的功能)宏處理器，負(fù)責(zé)IP核內(nèi)的介質(zhì)訪問、交換機切換、數(shù)據(jù)緩沖。FPGA上的IP核與RTOS上的MCU通過片內(nèi)高速總線(如AHB)通訊。FPGA上的IP核通過RMI1、MII等介質(zhì)接口訪問物理層。
[0028]在組合I的架構(gòu)中集成了基于ARM(或INTELX86CPU或MIPS CPU)的硬核處理器系統(tǒng)(MCU)，包括處理器、外設(shè)和存儲器接口。它同時實現(xiàn)了硬核知識產(chǎn)權(quán)(IP)的性能和低功耗特性，以及可編程邏輯的靈活性。
[0029]另一種組合2是MCU與FPGA分開，如圖3所示，各自占用一個芯片。芯片和芯片之間要采用數(shù)據(jù)通訊才可以交換信息。MCU與FPGA分開，單獨的元件，組合更豐富多彩。與組合I的區(qū)別在于，組合2的FPGA上的IP核與RTOS上的MCU通過片間總線通訊，(比如SP1、并口通訊、PC1、PCIe 等)
[0030]組合I的由于MCU和FPGA采用片內(nèi)高速總線(比如AX1、AHB等)，因而性能最優(yōu);組合2必須采用芯片與芯片間通訊的方法(比如SP1、并口通訊、PC1、PCIe等)才可以保證MCU和FPGA交換數(shù)據(jù)，因而性能不如組合I，但元器件選擇的范圍會相當(dāng)?shù)貜V泛。
[0031]以兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)Powerlink和現(xiàn)場總線CANopen的一體式PLC為例，如圖4所示，Cortex M3MCU核與FPGA，集成在一個SoC FPGA Smartfus1n2中，Cortex M3上運行RTOSec0S，ec0S上運行PLC應(yīng)用層、APP應(yīng)用層、和設(shè)備描述、診斷等C程序。Cortex M3MCU核還負(fù)責(zé)左側(cè)的5個框內(nèi)的功能。FPGA上固化IP核，Powerlink工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線CANopen的IP核，負(fù)責(zé)工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的通信及驅(qū)動，IP核是用硬件描述語言編寫的一段程序(如VHDUsystem C、VERIL0G)IP核內(nèi)有MACRO宏處理器，負(fù)責(zé)IP核內(nèi)的介質(zhì)訪問、交換機切換、數(shù)據(jù)緩沖。FPGA上的IP核與ecOS上的Cortex M3通過片內(nèi)高速總線AHB通訊。FPGA上的IP核通過RMI1、MII等介質(zhì)接口訪問媒體控制器+物理層。
[0032]與圖4對應(yīng)的PLC在應(yīng)用時，其硬件框架實施例如圖5所示。現(xiàn)場總線端口4的10根擴展線的應(yīng)用及擴展方法:采用通信總線+地址線將兩部分連接起來。從PLC的10板直接引出CANopen現(xiàn)場總線，每個擴展模塊通過自身的CAN接口掛接在CANopen現(xiàn)場總線上，每個擴展模塊的電源線和地址線采用級聯(lián)的方式。4根電源線包括+5V、+12V以及兩個GND地線，另夕卜4根為地址線。
[0033]通過4根地址線自動識別擴展10模塊的，自動識別地址過程如下。
[0034]第一，PLC通過地址線第I個連接的擴展10模塊，發(fā)送"0001〃給第I個擴展10模塊(modelj)模塊，圖5中的擴展模塊I)。備注:此處不發(fā)送’0000’或者’1111’是防止與管腳不連接時沖(有些管腳默認(rèn)為’ OOOO ’或者’ 1111’)。
[0035]第二，model_0模塊通過軟件實現(xiàn)加’I ’算法，構(gòu)成PLC擴展模塊地址自動生成器，得出加法和為4位’0010’地址。將此加法和地址輸出到第二個擴展1模塊(model_l模塊，圖5中的擴展模塊2) ο同時該地址補位若不為’ 0000 ’和’ 1111’表示該模連接成功。擴展1模塊M3處理器輸出某值，使該模塊的有效指示燈點亮，并反饋給PLC核心板一個有效標(biāo)志位。
[0036]第三，model_l模塊的地址線連接的model_0模塊的加法和地址，同樣進行加’I’算法，生成擴展模塊地址，得加法和地址為4位’0011’，將此加法和地址輸出到第三個擴展1模塊(model_2模塊，圖5中的擴展模塊3)。同時該地址補位若不為’ 0000 ’和’ 1111’表示該模連接成功。擴展1模塊M3處理器輸出某值，使該模塊的有效指示燈點亮，并反饋給PLC核心板一個有效標(biāo)志位。
[0037]第四，余下模塊同上面的連接方式和識別原理是一樣的，以此類推。
[0038]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC;其特征在于:所述PLC上設(shè)置有工業(yè)實時以太網(wǎng)端口2個、現(xiàn)場總線端口 I個;所述PLC包括能相互通信的核心板、1板；2個工業(yè)實時以太網(wǎng)設(shè)置在所述核心板上，I個現(xiàn)場總線設(shè)置在所述1板上;所述現(xiàn)場總線端口共10條線:2條線用于數(shù)據(jù)通訊而為通信總線，4條線用于地址分配，4條線用于給多個擴展1模塊供電的+5V、+12V以及兩個GND地線。2.如權(quán)利要求1所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:每個擴展1模塊的電源線和地址線采用級聯(lián)的方式，所述PLC通過4根地址線自動識別多個擴展1模塊。3.如權(quán)利要求1所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:所述PLC還包括分別對所述核心板與所述1板供電的電源板。4.如權(quán)利要求1所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:所述1板上還設(shè)置有2個選自RS232、RS485、USB、INTERNET中的網(wǎng)端口。5.如權(quán)利要求1所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:所述核心板與所述1板采用板間BUS通信。6.如權(quán)利要求1所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:所述核心板采用微控制器組合實現(xiàn)對整個PLC的控制，所述微控制器組合采用MCU與FPGA組合實現(xiàn)。7.如權(quán)利要求6所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:M⑶與FPGA集成在一個芯片內(nèi)部，在芯片內(nèi)部的架構(gòu)中集成了基于ARM或INTEL X 86CPU或MIPS CPU的硬核處理器系統(tǒng)MCU和FPGA邏輯單元。8.如權(quán)利要求6所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:M⑶與FPGA各自占用一個芯片，兩個芯片之間采用SPI或并行或PCI或PCIe數(shù)據(jù)通訊以交換信息。9.如權(quán)利要求1所述的兼有工業(yè)實時以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的一體式小型PLC，其特征在于:所述1板還包括輸入/輸出電路和輸入/輸出端子。
【文檔編號】H04L12/40GK205563239SQ201620408637
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】文長明, 文可
【申請人】中工科安科技有限公司, 文長明, 文可