CN102122167A

CN102122167A - 基于anybus-s的profinet远程i/o控制装置

Info

Publication number: CN102122167A
Application number: CN2011100794322A
Authority: CN
Inventors: 陈在平; 贾超; 倪建云; 董恩增; 王永刚
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2011-07-13

Abstract

一种具有短路保护与自诊断功能的基于ANYBUS-S的PROFINET远程I/O控制装置，包括：PROFINET接口单元，完成微控制器对ANYBUS-S的初始化并与PROFINET进行数据通信；I/O接口单元，通过8255进行单片机I/O口扩展，通过光耦隔离和AD、DA转换电路完成外围数字量和模拟量数据的处理；短路保护与自诊断单元，在I/O接口单元电路中发生短路时，断开电源给予短路保护，并将短路过程中的诊断数据传送给PROFINET接口单元。本发明的远程I/O装置具有短路保护与自诊断功能，可在接口负载发生短路时断开电源并提供自诊断信息，当短路故障排除后自动恢复工作。

Description

基于ANYBUS-S的PROFINET远程I/O控制装置

技术领域

本发明涉及工业以太网技术领域，尤其是涉及一种具有短路保护和自诊断功能的、用于PROFINET远程I/O控制的装置。

背景技术

作为一种新兴的工业控制网络，PROFINET正在得到更多更广泛的应用，但是它还有很多方面还处于待研究或正在研究阶段，尤其是关于接口的开发。目前，关于PROFINET的研究大多是在第三方接口（类似于网关）的开发中，而且也仅仅有HMS、赫优讯等少数几家公司推出了第三方接口模块。作为PROFINET的开发者，西门子公司推出的是成型的、面向应用的产品，没有太多的二次研究和开发价值。因为PROFINET作为刚刚推出的通信标准，并且在其它现场总线和DCS几乎占领全部市场的情况下，还没有达到大多数人的认可。它的开发成本和周期比较大，也是目前阻碍它发展的主要瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有短路保护与自诊断功能的基于ANYBUS-S的PROFINET远程I/O控制装置，使该装置具有短路保护与自诊断功能，可以在电路发生短路的情况下及时断开电源，避免因冲击电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装置的故障监控和排查；当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，本发明具有重大的实际意义。

本发明提供的具有短路保护与自诊断功能的基于ANYBUS-S的PROFINET远程I/O控制装置，包括：

PROFINET接口单元，用于与PROFINET工业以太网之间进行数据交换，该接口单元通过控制其内部的ANYBUS-S模块的数据总线和地址总线等，完成ANYBUS-S模块的初始化，利用ANYBUS-S模块内嵌的PROFINET IO协议栈，通过Step7设置模块的IP地址、设备名和I/O大小，实现上位网络和下位I/O的数据交换，完成与PROFINET的通信，同时实现与I/O接口单元的数据交换；

I/O接口单元：与PROFINET接口单元连接，通过光耦隔离和AD、DA转换电路完成外围数字量和模拟量数据的处理；同时通过内部的输出短路保护与自诊断单元，在负载发生短路时，断开电源给予短路保护，并将短路过程中的诊断数据传送给PROFINET接口单元，待短路故障排除后，电路自动恢复工作。

优选地，所述PROFINET接口单元包括有：

微处理器AT89S52：控制ANYBUS-S模块的数据总线、地址总线，通过信箱信息的配置，完成ANYBUS-S模块的初始化和数据交换；此外，微处理器也与I/O接口单元相连，处理由I/O接口单元传送来的I/O数据；同时检测电路中是否有短路信号，即检测短路保护与自诊断单元是否工作，并将诊断信息发送到上位PLC；

ANYBUS-S模块：分别与微处理器和PROFINET连接，内嵌PROFINET IO协议栈，通过Step7设置模块的IP地址、设备名和I/O大小，且在微处理器AT89S52的控制下，完成与PROFINET的通信。

锁存器：连接在微处理器和ANYBUS-S模块之间，微处理器通过锁存器对地址进行锁存，来分别控制ANYBUS-S模块的地址总线和数据总线，完成对模块的初始化；

所述I/O接口单元包括有：

DO电路：与PROFINET接口单元连接；所述的DO电路包括一个8255接口电路、光耦和一个输出短路保护与自诊断单元，该8255接口电路的I/O端口通过光耦连接输出短路保护与自诊断单元，来完成与现场装置的隔离、信号转换以及输出负载是否发生短路的诊断和诊断信号的传递。用于将扩展芯片8255的输出信号通过光耦的隔离和电平转换控制现场装置；通过设置一片8255为输出状态，并利用光耦TLP521-4、电阻和三极管的放大作用设计的信号隔离电路，实现了16路外围数字量的输出；

DI电路：与PROFINET接口单元连接，所述的DI电路包括一个8255接口电路，该8255接口电路的I/O端口通过光耦来完成与现场装置的隔离和信号转换；用于将现场装置的信号经过光耦传递到另一片扩展芯片8255的输入端；通过设置另一片8255为输入状态，并利用光耦TLP521-4和电阻等等设计了信号隔离电路，实现了16路外围数字量的输入；

AI电路：与PROFINET接口单元连接，包括一个A/D接口电路，A/D接口电路在PROFINET接口单元中的微控制器AT89S52的控制下，用于将四路模拟输入信号经过A/D接口电路转换成数字量；AT89S52的ALE经过利用74HC74设计的四分频电路接到ADC0809的CLOCK端，为后者的A/D转换提供时钟信号；P2.7和单片机的读写控制端/RD和/WR经两个或非门，控制了A/D转换的启动和数据读取；ADC0809的转换结束信号EOC通过一个非门接到单片机的INT1，供后者检查转换是否结束并电泳中断子程序；ADC0809共有8路的模拟量输入通道，这里选择了IN1、IN2、IN3和IN4实现了4路模拟量的输入；

AO电路：与PROFINET接口单元连接，包括一个D/A接口电路，D/A接口电路在PROFINET接口单元中的微控制器AT89S52的控制下，用于将D/A接口电路转换出的模拟量输出到现场的装置或设备，完成两路模拟信号的输出。D/A芯片AD7528有两路模拟量输出电路，它的写控制端直接与AT89S52的/WR相连；它的片选端/CS和DACA/B分别接P2.4和P2.5，以选择输出到哪一条模拟量通道；每一条通道的输出还需要利用运算放大器对每一路的输出进行处理，才能作为最终的输出。

所述输出短路保护与自诊断单元包括有：

主要使用的器件是P沟道的MOSFET SI9433、三极管8050、无触点型继电器（HSR）和发光二极管。

继电器线圈接8050的集电极，并且SI9433的栅极经继电器的常闭触点接地，发光二极管接继电器的常开触点。同时，AT89S52检测发光二极管是否点亮，以判定是否发生短路，并将检测到的结果通过ANYBUS-S模块传递到PROFINET网络侧。

在负载正常工作时，MOSFET导通，8050截止，继电器线圈不带电；负载发生短路时，8050导通，继电器线圈带电，常闭触点打开，常开触点闭合，SI9433截止，避免了短路电流的冲击，发光二极管点亮，指示发生了短路故障。

在不需要下电的情况下，排查短路故障，负载又恢复正常工作后，8050截止，继电器线圈失电，发光二极管灭掉，SI9433变为导通。

本发明的优点和有益效果：

本发明利用ANYBUS-S模块，设计了用于工业以太网PROFINET、且具有短路保护和自诊断功能的远程I/O控制装置，该装置可以在接口电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装置的故障监控和排查，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作。有了ANYBUS-S模块对现场通信的支持,使得PROFINET将在更多的领域得到更为广泛的应用。实践证明,ANYBUS-S模块是使现场装置或设备与PROFINET互连的最佳方法之一,也是在智能节点构造中具有较高应用实效的设备，具有重大的实际意义。

附图说明

图1 为系统的总体框图；

图2 为硬件电路中，PROFINET接口单元电路图；

图3为I/O接口单元中，利用8255扩展输入通道和其中一路数字量输入电路图；

图4 为I/O接口单元中，利用8255扩展输出通道和其中一路数字量输出电路图；

图5 为I/O接口单元中，AT89S52和ADC0809的接口电路，即四路模拟输入通道的电路图；

图6为I/O接口单元中，AT89S52与AD7528的电路连接图，即两路模拟输出通道的电路图；

图7为短路保护电路和自诊断单元原理图。

具体实施方式

图1为系统的总体框图。其中，单元1为PROFINET接口单元，单元2为数字量输入电路，单元3为数字量输出电路，单元4为模拟量输入电路，单元5为模拟量输出电路。在各个部分的电源端口，接短路保护电路。虚框内的范围为设计的远程I/O，它接入PROFINET工业以太网。

本系统为以ANYBUS-S模块为核心，通过微控制器AT89S52设计的控制系统控制模块，完成其初始化功能，并将远程I/O接入PROFINET网络。这些远程I/O包括16路DI、16路DO、4路AI和2路AO。从上述框图中可以看出，系统的设计可分为三部分，第一部分为单片机控制ANYBUS-S模块，它是整个系统的核心，决定了系统工作是否正常或稳定等等；第二部分为远程I/O部分，这部分主要处理了数字量和模拟量，它属于系统的下位部分；最后一部分是网络侧，即PROFINET的组态和编程部分，它组成了系统的上位部分。

图2为硬件电路中，PROFINET接口部分的电路原理图，即图1中的单元1。 ANYBUS-S PN IO模块中的34pin接口包括数据总线、地址总线、控制总线以及串行通信接口等等，其中它的串行通信接口只有在硬件升级中使用到，因此在这里的设计中没有涉及到。数据总线D0~D7共8位，依次接于单片机的P0~P7；地址总线A0~A11共12位，但是由于模块中DPRAM的数据空间只有2K，即需要11位地址总线，则它的低8位接单片机P0口经74HC573锁存后的输出，A8~A10接P2.0~P2.2，A11接Vcc即可；控制总线有/BUSY、/IRQ等等，接单片机的INIT0和INIT1。

图3为I/O接口单元中，一路数字输入电路的信号隔离电路，即图1中的单元2。利用一片8255进行单片机I/O扩展，它扩展了数字量的输入通道。它的数据总线和读写控制总线分别与单片机相应的引脚相连，地址端口分别接单片机P2.6和P2.7，用于确定是属于控制字还是端口选择。由于系统要求分别有16路DI，因此只用到了8255的A组和B组端口。外围装置或者设备的高低电平来控制8255的某一位为“1”或“0”。信号隔离电路工作原理如下：当外围装置或设备为高电平时，光耦输入侧的发光二极管截止，光耦无输出，8255为“1”；当装置或PLC为低电平时，光耦输入侧的发光二极管导通，光耦有输出，8255为“0”。

图4为I/O单元中，数字量输出电路的信号隔离电路，即图1中的单元3。这片8255的连接与上图相同，只是片选端接在单片机不同的引脚而已。光耦输入侧，8255的某个口的高低电平控制光耦另一侧的通或断。其中，8255高电平时，发光二极管截止，光耦无输出，+24V通过5.1K电阻接8050的基极，三极管导通，电路有输出；8255低电平时，发光二极管导通，光耦有输出，这样导致8050截止，电路无输出。

图5为I/O接口电路，模拟量输入的电路，即模/数转换部分的电路原理图，它部分是图1中的单元4。它的地址总线直接依次与单片机的P0口相连；利用74HC74芯片的两个D触发器构成了一个四分频的电路，输入为单片机的ALE端口，输出接ADC0809的CLOCK，为芯片的工作提供时钟频率；EOC接反相器（74LS04）后接INT1，用来单片机查询转换是否结束；芯片的模拟通道选择端ADDA、ADDB和ADDC接P1.0~P1.2，用来选择是哪一条通道来进行转换；P2.7和收发控制端/WR和/RD经74LS02（或非门）芯片分别输出到OE和START/ALE端，用来控制转换开始和读取转换后的和数据；参考电压选择为+5V。最后，为了在PCB设计时排线方便，选取了IN3~IN6作为四路模拟量的输入通道。

图6为I/O单元中，模拟量输出，即AD7528与单片机的连接示意图。它是图1中的单元5。AD7528的数据端DB0~DB7接单片机P0口，并上拉2K电阻，输入数字量来进行数/模转换；写控制端与单片机/WR相连，用来控制数字量写入的时刻；/C和DAC/A/B依次接P2.4和P2.5，这样可以通过模拟单片机对外部存储器进行写操作，控制选择哪一模拟通道进行转换，给后续的编程带来便利。

这部分电路的重点在于对输出的处理上，即利用运算放大器分别对两路模拟量的输出进行I/V。AD7528是一个电流型输出的芯片，而本设计要求模拟输出是在0V~5V之间，因此设计合理的运放电路就变得尤为重要。在本设计中，使用运放LM324设计了输出的处理电路。

图7为短路保护电路和自诊断单元原理图，它接于供电电源，当电路发生短路故障时用于对其进行保护。电路工作原理如下：负载正常时，三极管发射极电位大于基极电位，处于截止状态，继电器线圈不带电，P沟道MOSFET（SI9433）栅极经继电器常闭触点接地而导通，负载上电，并且MOSFET压降很小，Vcc几乎全部加到负载上。负载发生短路时，三极管基极-发射极电压超过0.7V而导通，继电器线圈带电，常闭触点打开，导致MOSFET截止，这样形成了继电器-三极管形成的主电路，并且这条电路的电流很小，只有几个mA，避免了冲击电流给负载带来的危害。

在不用下电的情况下，当负载恢复正常时，三极管发射极电位升高从而导致三极管重新截止，继电器线圈失电，它的常闭触点闭合，MOSFET由截止变为导通，主电路又被切换到MOSFET—负载上来。这样，当负载发生故障时，电路将通过切换进行保护；而在故障排除后，电路又能在不用下电的情况自动回复工作。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有短路保护与自诊断功能的PROFINET 远程I/O，其具有短路保护与自诊断功能，可以在接口电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装置的故障监控和排查，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，具有重大的实际意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有短路保护与自诊断功能的基于ANYBUS-S的PROFINET远程I/O控制装置，其特征在于该装置包括：

PROFINET接口单元：用于与PROFINET工业以太网之间进行数据交换；该接口单元通过控制其内部的ANYBUS-S 模块的数据总线和地址总线，完成ANYBUS-S模块的初始化，利用ANYBUS-S PN IO模块内嵌的PROFINET IO协议栈，通过Step7设置模块的IP地址、设备名和I/O大小，实现上位网络和下位I/O的数据交换，完成与PROFINET的通信，同时实现与I/O接口单元的数据交换；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PROFINET接口单元的具体构成包括：

ANYBUS-S模块：分别与微处理器和PROFINET连接，内嵌PROFINET IO协议栈，通过Step7设置模块的IP地址、设备名和I/O大小，且在微处理器AT89S52的控制下，完成与PROFINET的通信；

锁存器：连接在微处理器和ANYBUS-S模块之间，微处理器通过锁存器对地址进行锁存，来分别控制ANYBUS-S模块的地址总线和数据总线，完成对模块的初始化。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，微处理器AT89S52的数据总线接锁存器74HC573和ANYBUS-S的8位数据输入端，并且锁存后的输出接ANYBUS-S的低8位地址端；同时，AT89S52的数据总线分别接于2片扩展芯片8255的D0~D7，并将地址最高的两位A15和A14接8255的控制端口A0和A1，完成对I/O端口的扩展。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述的I/O接口单元包括：

DO电路：与PROFINET接口单元连接，用于将扩展芯片8255的输出信号通过光耦的隔离和电平转换控制现场装置；

DI电路：与PROFINET接口单元连接，用于将现场装置的信号经过光耦传递到另一片扩展芯片8255的输入端；

AI电路：与PROFINET接口单元连接，包括一个A/D接口电路，A/D接口电路在PROFINET接口单元中的微控制器AT89S52的控制下，将四路模拟输入信号转换成数字量，完成四路模拟信号的输入；

AO电路：与PROFINET接口单元连接，包括一个D/A接口电路，D/A接口电路在PROFINET接口单元中的微控制器AT89S52的控制下，用于将D/A接口电路转换出的模拟量输出到现场的装置或设备，完成两路模拟信号的输出。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的DI电路包括一个8255接口电路，该8255接口电路的I/O端口通过光耦来完成与现场装置的隔离和信号转换；所述的DO电路包括一个8255接口电路、光耦和一个输出短路保护与自诊断单元，该8255接口电路的I/O端口通过光耦连接输出短路保护与自诊断单元，来完成与现场装置的隔离、信号转换以及输出负载是否发生短路的诊断和诊断信号的传递。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的输出短路保护与自诊断单元连接电源两端，输出短路保护与自诊断单元电路的输出端接负载；输出短路保护与自诊断单元构成包括：Vcc接P沟道MOSFET SI9433漏极D，并通过电阻接栅极G，源极S接负载后接地；同时，无触点型继电器线圈作为NPN型三极管8050中集电极的负载，它有一个常开触点和常闭触点，其中SI9433栅极经常闭触点接地，常开触点接发光二极管和单片机P1.7，来显示是否发生短路故障并将诊断信号传递给单片机P1.7端口. MOSFET的截止或导通来控制短路故障是否被切断；当发生短路时，三极管导通，可使MOSFET截止，从而避免了短路电流给负载带来的冲击；

无触点型继电器（HSR），电路发生短路时，继电器线圈带电，造成8050导通，并且它的接于AT89S52端口的常开触点闭合，形成了短路故障信号，用于进行自诊断功能；

无触点型继电器线圈接8050的集电极，并且SI9433的栅极经继电器的常闭触点接地，发光二极管接继电器的常开触点；同时，AT89S52检测发光二极管是否点亮，以判定是否发生短路，并将检测到的结果通过ANYBUS-S模块传递到PROFINET网络侧。