CN103529804B - 一种基于EtherCAT总线的分布式控制*** - Google Patents

一种基于EtherCAT总线的分布式控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于EtherCAT总线的分布式控制***，包括主站以及多个从站，每个从站均与多个现场设备连接，每个从站包括分别与多个现场设备连接的多个输入输出模块、以及与多个输入输出模块连接的从站控制模块，各从站控制模块串联，串联后的整体与主站连接。从站控制模块按照一定的时序依次通过多个输入输出模块采集多个现场设备的信息，并将采集到的信息封装后发送到主站，还用于接收主站发送的控制信息，对控制信息进行处理后按照一定的时序依次输出到多个输入输出模块，以控制多个现场设备动作。在每个从站中实现多个分布式IO数据模块的扩展，提升单个从站的IO扩展能力，降低***总体成本，减短EtherCAT总线的刷新周期。

Description

一种基于EtherCAT总线的分布式控制***
技术领域
本发明涉及工业领域中现场设备控制以及数据采集技术，更具体地说，涉及一种基于EtherCAT总线的分布式控制***。
背景技术
EtherCAT是开放的实时以太网络通讯协议，为***的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准。在当今工业领域，EtherCAT总线作为一种高性能总线，广泛应用于现场的高速数据传输。
图1为常规的基于EtherCAT总线的控制***，如图1所示，控制***包括一EtherCAT主站和多个EtherCAT从站。多个EtherCAT从站通过EtherCAT总线串联，串联后的整体通过EtherCAT总线接入EtherCAT主站，每个EtherCAT从站包括从站专用芯片ET110，ET110包括32个外部过程数据接口PDI，每个外部过程数据接口PDI作为一个IO接口使用，通过输入输出隔离单元后与一个现场设备连接。
EtherCAT主站通过周期性地访问各个EtherCAT从站，实现EtherCAT从站IO数据的输入输出刷新。在该控制***中，利用EtherCAT从站的专用芯片ET1100的直接IO驱动能力来实现远程IO扩展，即将ET1100的外部过程数据接口PDI直接作为IO接口使用，如此，在现有的控制***中，最多能够通过ET1100的32个外部过程数据接口PDI实现32个IO接口，直接连接和驱动IO信号。
在图1所示的常规的基于EtherCAT总线的控制***中，***的结构较为简单，每个EtherCAT从站只需要一个ET1100芯片作为核心芯片就可以实现外部IO数据的刷新。但是，每个EtherCAT从站最多只能拥有32个IO接口，连接32个外部IO信号，IO扩展能力很有限。当***的规模比较庞大，需要的远程IO接口数量较多时，需要建立的EtherCAT从站数目也相应变多。而每个EtherCAT从站都都必须包括一个价格较高的ET1100芯片，这将导致ET1100芯片的利用率低、以及***成本高。另外，EtherCAT总站需要逐一访问各个EtherCAT从站，若EtherCAT从站的数量大，将直接导致EtherCAT总线的刷新周期长。
发明内容
本发明针对现有的基于EtherCAT总线的控制***中从站利用EtherCAT从站的专用芯片ET1100的直接IO驱动能力来实现远程IO扩展，导致IO接口扩展能力有限、***成本高以及EtherCAT总线的刷新周期长的缺陷，提供一种基于EtherCAT总线的分布式控制***，在每个从站中实现多个分布式IO数据模块的扩展，提升单个从站的IO扩展能力，进而降低***总体成本，减短EtherCAT总线的刷新周期。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：提供一种基于EtherCAT总线的分布式控制***，包括主站以及多个从站，每个从站均与多个现场设备连接，每个从站包括分别与所述多个现场设备对应连接的多个输入输出模块、以及与所述多个输入输出模块连接的从站控制模块，各从站的从站控制模块通过EtherCAT总线串联，串联后的整体通过EtherCAT总线与所述主站连接；所述从站控制模块用于按照一定的时序依次通过所述多个输入输出模块采集所述多个现场设备的信息，并将采集到的多个现场设备的信息封装后发送到所述主站，所述从站控制模块还用于接收所述主站发送的控制信息，对所述控制信息进行处理，并将处理后的控制信息按照一定的时序依次输出到多个输入输出模块，以相应地控制多个现场设备动作；
所述从站控制模块包括：
现场设备控制单元，用于按照一定的时序依次通过所述多个输入输出模块采集所述多个现场设备的信息，并将采集到的多个现场设备的信息封装后输出，还用于对所述控制信息进行处理，并将处理后的控制信息按照一定的时序依次输出到多个输入输出模块，以相应地控制多个现场设备动作；
从站接口单元，用于接收封装后的多个现场设备的信息，并将其发送到所述主站，还用于接收所述主站发送的控制信息，并将所述控制信息发送到所述现场设备控制单元；
所述现场设备包括具有输入输出信号的设备、专用的采集设备以及***驱动模块。
优选地，所述现场设备控制单元包括：
协议转换子单元，用于接收所述从站接口单元发送的控制信息，并对该控制信息进行协议转换后输出；
现场设备控制子单元，用于接收协议转后的控制信息，并对其进行识别和分类后按照一定的时序依次输出到多个输入输出模块，以相应地控制多个现场设备动作，还用于按照一定的时序依次通过多个输入输出模块采集多个现场设备的信息，并将采集到的多个现场设备的信息发送到所述协议转换子单元；
所述协议转换子单元还用于对所述现场设备控制子单元采集到的多个现场设备的信息进行封装以及协议转换后输出到所述从站接口单元。
优选地，所述现场设备控制子单元通过SPI总线与所述多个输入输出模块连接。
优选地，所述现场设备控制子单元通过并行总线与所述协议转换子单元连接。
优选地，所述协议转换子单元通过并行总线与所述从站接口单元连接。
优选地，所述从站接口单元包括ET1100芯片。
优选地，所述现场设备控制子单元包括可编程逻辑芯片。
优选地，所述协议转换子单元包括可编程逻辑芯片或者微处理器。
优选地，所述多个现场设备的信息包括所述多个现场设备的状态信息以及运行参数。
本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***具有以下有益效果：基于EtherCAT总线实现远程IO控制，采用从站控制模块实现多个分布式的IO模块的扩展，大大提升了单个EtherCAT从站的IO扩展能力，减小了***的整体规模结构，降低了***的成本，减短EtherCAT总线的刷新周期。
附图说明
图1为常规的基于EtherCAT总线的控制***；
图2为本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***第一实施例的结构示意图；
图3为本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***第二实施例的结构示意图；
图4为本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***第三实施例的结构示意图；
图5为本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***一示范性实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。
图2为本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***200第一实施例的结构示意图，如图2所示，在本实施例中，分布式控制***200包括主站210以及多个从站220，每个从站220均连接有多个现场设备230。
每个从站220包括一个从站控制模块222以及多个输入输出模块。每个从站220的从站控制模块222通过EtherCAT总线串联，串联后的整体通过EtherCAT总线连接主站210。在每个从站220中，从站控制模块222与多个输入输出模块(IO模块)221连接，多个IO模块221分别与多个现场设备230连接。主站210按照一定的时序逐一对多个从站220进行外部IO数据的刷新以及现场设备的控制(现有技术)。
从站控制模块222包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于按照自定义的内部扩展协议指示的时序依次通过多个IO模块221采集多个现场设备230的信息，也就是说同一时刻，从站控制模块222只能通过一个IO模块221采集与该IO模块221连接的现场设备230的信息。其中，IO模块221所能接收的是数字量信号或者是电压/电流的模拟量信号。现场设备230为一个广义的概念，其包括具有输入输出信号的设备(例如开关、继电器等)、专用的采集设备(如传感器等)、以及***驱动模块。具体地，I0模块221中的输入模块通过采集设备采集具有输入输出信号的设备的信息，具有输入输出信号的设备的信息包括状态信息和运行参数，状态信息可以是正常、异常、或者报警等信息，运行参数可以是温度、压力、酸碱度等等。I0模块221中的输出模块将主站210发送的控制信号发送到***驱动模块，***驱动模块对控制信号进行信号转换、放大、和/或去干扰之后，驱动具有输入输出信号的设备进行相应的动作。从站控制模块222将采集到的多个现场设备230的信息封装后发送到主站210。主站210对接收到的多个现场设备230的信息进行分析和处理，相应地生成控制信号并发送到从站控制模块222。
从站控制模块222还用于接收主站210发送的控制信息，识别接收到的控制信息，并将接收到的控制信息按照其所要控制的现场设备230进行分类，然后按照自定义的内部扩展协议指示的时序依次向多个IO模块221输出相应的控制信号，从而相应地控制多个现场设备230动作。
多个IO模块221可以通过SPI总线与从站控制模块222连接，从站控制模块222还需要先对接收到的控制信息进行协议转换，然后在对其进行识别和分类，然后输出IO模块221。另外，从站控制模块222将采集到的多个现场设备230的信息封装以及协议转换后发送到主站210。
在本实施例中，分布式控制***200的从站通过从站控制模块222按照其自定义的内部扩展协议指示的时序依次向多个IO模块222输出控制信号，以及通过多个IO模块222采集多个现场设备230的信息，实现了EtherCAT从站的分布式IO扩展，增强了EtherCAT从站远程IO的扩展能力，减少了***的整体结构规模，降低了***的成本。另外，当***的规模比较庞大，需要的远程IO接口数量较多时，可以通过增加EtherCAT从站的IO模块的数量的方式来满足需求，很好地控制了***中EtherCAT从站的数量，有效地控制了EtherCAT总线刷新周期的长短。
图3为本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***200第二实施例的结构示意图，如图3所示，本实施例与第一实施例的区别在于，从站控制模块222包括现场设备控制单元2221和从站接口单元2222。
其中，现场设备控制单元2221用于按照一定的时序依次通过多个IO模块221采集多个现场设备230的信息，并将采集到的多个现场设备230的信息封装后输出到从站接口单元2222，从站接口单元2222将接收到的封装后的多个现场设备230的信息发送到主站210。主站210按照一定的时序依次接收各从站接口单元2222发送的封装后的多个现场设备230的信息，并对其进行分析和处理，生成相应的控制信号，然后按照一定的时序依次将控制信号发送到相应的从站接口单元2222。
从站接口单元2222将接收到的控制信号发送到现场设备控制单元2221，现场设备控制单元2221对控制信号进行识别，并按照控制信号所要控制的现场设备230对控制信号进行分类，然后按照自定义的内部扩展协议指示的时序依次向多个IO模块221输出相应的控制信号，从而相应地控制多个现场设备230动作。
在本实施例中，现场设备控制单元2221可以通过并行总线与从站接口单元2222连接，现场设备控制单元2221可以通过SPI总线与多个IO模块221连接。此时，现场设备控制单元2221还需要先对接收到的控制信息进行协议转换后再对其进行识别和分类，然后输出IO模块221。另外，现场设备控制单元2221将采集到的多个现场设备230的信息进行封装以及协议转换后发送到从站接口单元2222。
在本实施例中，从站接口单元2222可以通过从站专用芯片ET1100实现，其负责实现主站210和从站220的EtherCAT通信，从而实现主站210控制从站220的数据刷新。现场设备控制单元2221可以通过微处理器MCU来实现，负责完成从站数据的调度和转换，一方面将主站210发送的EtherCAT帧形式的控制信息进行协议转后再进行识别以及分类，最后相应地输出到多个IO模块221，从而实现外部扩展输出的刷新，另一方面，将采集的外部扩展输入量(多个现场设备230的信息)进行封装、协议转换后发送到ET1100，然后由ET1100通过EtherCAT总线发送到主站210，从而实现从站220分布式IO的大规模扩展。
图4为本发明的基于EtherCAT总线的分布式控制***200第三实施例的结构示意图，如图4所示，本实施例与第二实施例的区别在于，现场设备控制单元2221包括协议转换子单元2221-1和现场设备控制子单元2221-2。
其中，现场设备控制子单元2221-2用于按照其自定义的内部扩展协议指示的时序依次通过多个IO模块221采集多个现场设备230的信息，并将采集到的多个现场设备230的信息发送到协议转换子单元2221-1。协议转换子单元2221-1对接收到的多个现场设备230的信息进行封装以及协议转换后输出从站接口单元2222。再由从站接口单元2222通过EtherCAT总线发送到主站210。
协议转换子单元2221-1用于接收从站接口单元2222发送的控制信息，并对该控制信息进行协议转换后输出现场设备控制子单元2221-2。现场设备控制子单元2221-2对接收到的协议转换后的控制信息进行识别，然后按照控制信息所要控制的现场设备230对控制信息进行分类，然后按照自定义的内部扩展协议指示的时序依次向多个IO模块221输出相应的控制信息，以相应地控制多个现场设备230动作。
参见图5，在本实施例中，从站接口单元2222通过EtherCAT从站专用芯片ET1100实现，ET1100芯片负责从站220与主站210的EtherCAT通讯，从而实现主站210控制从站220的IO数据刷新。现场设备控制子单元2221-2可以通过可编程逻辑芯片来实现，例如通过复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD)来实现，CPLD作为本地扩展协议的处理单元，负责完成自定义的内部扩展协议的解析处理，实现从站本地IO的扩展。协议转换子单元2221-1可以通过可编程逻辑芯片或者微处理器MCU实现，当采用MCU时，MCU作为从站220的核心处理器，作用为ET1100和CPLD二者的交互中介，负责完成从站数据信息的调度和转换，一方面将ET1100接收到的主站210发送来的EtherCAT帧信息(控制信息)进行协议转换后发给CPLD，通过CPLD实现外部扩展输出的刷新；另一方面，将CPLD发送来的外部扩展输入量(采集的多个现场设备230的信息)进行封装、协议转换后发送给ET1100，然后由ET1100通过EtherCAT总线发送给主站210，从而实现从站220分布式IO的大规模扩展。图5中各IO模块连接的现场设备是不相同的，图示为简略表示方法。
在本实施例中，ET1100和CPLD通过并行总线与MCU连接。从站220通过CPLD芯片实现分布式IO的扩展，分布式IO以IO模块221的方式连接到CPLD芯片上，CPLD与从站220的各个扩展的分布式的IO模块221之间，通过SPI总线的方式连接通信，而数据协议则采用了CPLD内部的扩展协议，该协议为自定义扩展协议，CPLD通过该内部的自定义扩展协议，可以实现对外部扩展的分布式IO数据的解析处理。因此，从站220可以扩展多个分布式的IO模块221，单个从站的IO扩展能力远超过图1所示的常规的基于EtherCAT总线的控制***的32个IO点。
本实施例的基于EtherCAT总线的分布式控制***200，基于EtherCAT总线实现远程IO控制，与图1所示的常规的基于EtherCAT总线的控制***相比，分布式控制***200的从站220不使用ET1100直接控制IO的方式，而是采用ET1100、MCU、以及CPLD结合的结构，实现远程分布式IO的大量扩展。并且，从站220使用自定义的扩展协议，通过SPI总线，实现多个分布式的IO模块221的扩展，大大提升了了单个EtherCAT从站的IO扩展能力，减小了***的整体规模结构，降低了***的成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，包括主站(210)以及多个从站(220)，每个从站(220)均与多个现场设备(230)连接，其特征在于，每个从站(220)包括分别与所述多个现场设备(230)对应连接的多个输入输出模块(221)、以及与所述多个输入输出模块(221)连接的从站控制模块(222)，各从站(220)的从站控制模块(222)通过EtherCAT总线串联，串联后的整体通过EtherCAT总线与所述主站(210)连接；所述从站控制模块(222)用于按照一定的时序依次通过所述多个输入输出模块(221)采集所述多个现场设备(230)的信息，并将采集到的多个现场设备(230)的信息封装后发送到所述主站(210)，所述从站控制模块(222)还用于接收所述主站(210)发送的控制信息，对所述控制信息进行处理，并将处理后的控制信息按照一定的时序依次输出到多个输入输出模块(221)，以相应地控制多个现场设备(230)动作；
所述从站控制模块(222)包括：
现场设备控制单元(2221)，用于按照一定的时序依次通过所述多个输入输出模块(221)采集所述多个现场设备(230)的信息，并将采集到的多个现场设备(230)的信息封装后输出，还用于对所述控制信息进行处理，并将处理后的控制信息按照一定的时序依次输出到多个输入输出模块(221)，以相应地控制多个现场设备(230)动作；
从站接口单元(2222)，用于接收封装后的多个现场设备(230)的信息，并将其发送到所述主站(210)，还用于接收所述主站(210)发送的控制信息，并将所述控制信息发送到所述现场设备控制单元(2221)；
所述现场设备包括具有输入输出信号的设备、专用的采集设备以及***驱动模块。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述现场设备控制单元(2221)包括：
协议转换子单元(2221-1)，用于接收所述从站接口单元(2222)发送的控制信息，并对该控制信息进行协议转换后输出；
现场设备控制子单元(2221-2)，用于接收协议转换后的控制信息，并对其进行识别和分类后按照一定的时序依次输出到多个输入输出模块(221)，以相应地控制多个现场设备(230)动作，还用于按照一定的时序依次通过多个输入输出模块(221)采集多个现场设备(230)的信息，并将采集到的多个现场设备(230)的信息发送到所述协议转换子单元(2221-1)；
所述协议转换子单元(2221-1)还用于对所述现场设备控制子单元(2221-2)采集到的多个现场设备(230)的信息进行封装以及协议转换后输出到所述从站接口单元(2222)。
3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述现场设备控制子单元(2221-2)通过SPI总线与所述多个输入输出模块(221)连接。
4.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述现场设备控制子单元(2221-2)通过并行总线与所述协议转换子单元(2221-1)连接。
5.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述协议转换子单元(2221-1)通过并行总线与所述从站接口单元(2222)连接。
6.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述从站接口单元(2222)包括ET1100芯片。
7.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述现场设备控制子单元(2221-2)包括可编程逻辑芯片。
8.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述协议转换子单元(2221-1)包括可编程逻辑芯片或者微处理器。
9.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的分布式控制***(200)，其特征在于，所述多个现场设备(230)的信息包括所述多个现场设备(230)的状态信息以及运行参数。
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