CN111443651A - 一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统 - Google Patents

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夏凯旋
许万甦
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Beijing Huadian Tianren Power Controlling Technology Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，所述系统包括通讯卡、中央处理器、系统功能模块、扩展通讯卡、背板总线和电源模块；所述系统功能模块用于系统的数据采集；所述扩展通讯卡用于所述系统与扩展系统的互联；所述扩展系统配置功能模块，用于所述系统的扩容；所述通讯卡通过背板总线与功能模块连接，用于协议的转发及各路通讯状态的实时监测；所述中央处理器用于所述系统的控制及数据处理；所述电源模块为所述系统供电。能够实现各类功能轻松组合，系统容量能够轻松增加，而无需进行软件和硬件的大幅度的更改。

Description

一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，涉及一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的技术，尤其涉及一种用于PLC的通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统。
背景技术
以太网是当今最为普遍的通讯方式，随着工业4.0的开启，以太网也越来越深入的融入到了工业控制领域。随着物联网的发展、智能型设备的不断增多，大数据量的高速通讯的需求也促进了工业控制器进行性能革命。
传统的控制器背板通讯速率低、扩容难、扩容后数据量庞大无法保证实时性等弊端在日益发展的工控领域越来越明显。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种用于PLC的通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，能够实现各类功能轻松组合，系统容量能够轻松增加，而无需进行软件和硬件的大幅度的更改。
为了实现上述目标，本申请采用如下技术方案：
一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，包括通讯卡、中央处理器、系统功能模块、扩展通讯卡、背板总线和电源模块；
所述扩展通讯卡用于所述系统与扩展系统的互联；
所述扩展系统配置功能模块，用于所述系统的扩容；
所述系统功能模块用于系统的数据采集；
所述通讯卡通过背板总线与功能模块连接，用于协议的转发及各路通讯状态的实时监测；
所述中央处理器用于所述系统的控制及数据处理；
所述电源模块为所述系统供电。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，除了通讯卡、中央处理器、扩展通讯卡、电源模块外每个通讯槽位均有独立的槽位地址分配单元，每个槽位地址分配单元的地址均不同；
每个扩展系统在背板总线和电源模块上均设置有一个系统地址分配单元，为扩展系统分配一个地址编码，用于进行系统的扩容；
每个系统功能模块均配备一个地址翻译单元，当系统功能模块插入到相应槽位时，其地址翻译单元将槽位的地址读回然后翻译为特定的编码编入通讯协议的数据帧中发送到通讯卡。
优选地，所述系统中的通讯卡、中央处理器、扩展通讯卡、电源模块的位置是固定的。
优选地，所述系统地址分配单元按照系统所需点数和容量进行地址的分配和地址池的建设，从而确定系统的扩展容量。
优选地，每个槽位的地址分配单元不可修改，从0槽位开始依次递增，直到最后一个槽位。
优选地，所述槽位地址分配单元设置在背板总线上。
优选地，所述系统功能模块具备与槽位通讯线位定义一致的以太网通讯接口、地址读取编码单元和电源输入单元。
优选地，所述通讯卡设有IO端口，用于与外部进行通讯，将通讯卡自身的状态和系统状态发送出去，便于通讯卡出现问题时，中央处理器对通讯卡进行操作，使其恢复为正常运行模式。
优选地，所述背板总线使用UDP协议，协议内容为自定义协议格式，根据系统要求进行数据帧格式的定义和扩展，支持长字节方式传输。
优选地，所述电源模块提供系统地址分配功能，在电源的顶部设有地址设定开关，根据需要设定系统的栈地址和栈地址的位数。
本申请所达到的有益效果：
1.本申请可实现功能模块组合，解决了PLC背板通讯速率低的瓶颈问题，提高了PLC的数据吞吐能力，也解决了功能模块扩展时位置不能随意变换扩展样式死板的问题，让PLC的扩展更加方便和灵活；
2.本申请还可系统扩展，解决了扩展系统成本过高，扩展不灵活不方便并且系统点数受限的问题；
3.本申请采用了现在较为常见的以太网作为媒介，可以将背板通讯速率大大提高，100M的背板通讯速率是基本可以满足一般的工业控制领域的需求，还可以设计千兆的背板通讯方式，以满足需要更加高速通讯的工控环境。
附图说明
图1是本发明系统的详细扩展方案示意图；
图2是本发明功能模块结构示意图；
图3是本发明实施例1中系统功能模块组合示意图；
图4是本发明实施例2中扩展系统功能模块组合示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本申请的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，以以太网作为传输媒介，通过UDP通讯，实现PLC系统的模块组合，以及系统的扩容。
所述系统包括通讯卡、中央处理器、系统功能模块、扩展通讯卡、背板总线和电源模块；
所述扩展通讯卡用于所述系统与扩展系统的互联；
所述系统功能模块用于系统的数据采集；
所述扩展系统配置功能模块，用于所述系统的扩容；
所述通讯卡通过背板总线与功能模块连接，用于协议的转发及各路通讯状态的实时监测；
所述中央处理器用于所述系统的控制及数据处理；
所述电源模块为所述系统供电。
实施例中，扩展系统可以配置中央处理器和各类功能模块组成另外独立的系统与主系统进行冗余，也可以不配置中央处理器，只配置各类功能模块，作为主系统的扩容使用。
实施例中，除了通讯卡、中央处理器、扩展通讯卡、电源模块外每个通讯槽位均有独立的槽位地址分配单元，每个槽位地址分配单元的地址均不同；
每个扩展系统在背板总线和电源模块上均设置有一个系统地址分配单元，为扩展系统分配一个地址编码，用于进行系统的扩容；
每个系统功能模块自身不需要进行地址的设置，均配备一个地址翻译单元，当系统功能模块插入到相应槽位时，其地址翻译单元将槽位的地址读回然后翻译为特定的编码编入UDP通讯协议的数据帧中发送到通讯卡。这样通过通讯卡的转发中央处理器可以将该位置信息读取到，然后明确该位置为哪种模块类型。
所述系统中的通讯卡、中央处理器、扩展通讯卡、电源模块的位置是固定的；
所述系统地址分配单元按照系统所需点数和容量进行地址的分配和地址池的建设，从而确定系统的扩展容量。
每个槽位地址分配单元不可修改，从0槽位开始依次递增，直到最后一个槽位。
实施例中，槽位的具体数量可以按照系统容量进行设计，一般不建议超过15个，这样有利于PCB的走线设计，如果槽位过多则背板的设计要求和设计成本将会快速增加。
所述系统地址分配单元设置在背板总线上和电源模块上。
如图2所示，所述功能模块具备与槽位通讯线位定义一致的以太网通讯接口(以太网接口)、地址读取编码单元和电源输入单元(电源输入端口)。
实施例中，所述功能模块还可根据功能需求配备其他功能单元、中央处理器单元和对外接口单元。
所述通讯卡设有IO端口，用于与外部进行通讯，将通讯卡自身的状态和系统状态发送出去，便于通讯卡出现问题时，中央处理器对通讯卡进行操作，使其恢复为正常运行模式。与此同时，通讯卡对外支持双网冗余，一旦有一个网络出现损坏通讯中断，另外一路网络仍然可以坚持工作，保证了系统的稳定性。
所述背板总线使用UDP协议，协议内容为自定义协议格式，根据系统要求进行数据帧格式的定义和扩展，支持长字节方式传输。
所述电源模块提供系统地址分配功能，在电源的顶部设有地址设定开关，可以根据需要将系统的栈地址设定为0、1、2……，可以根据系统需求来设定栈地址的位数，但是栈地址越多，相应的用来编制的线也会越多，所需的接插件的位数也会相应增多，所以系统的栈地址建议设定为15以内，这样更容易布线和降低成本。
实施例1：
如图3所示为本发明公开的第一种用途，即系统的功能模块的配置组合。涉及必要设备：通讯卡、中央处理器和电源模块，可以按照设计需求随意配置其他功能模块。比如可以配置数字量输入输出+模拟量输入输出+速度测量模块+编码器测量模块等方式的组合。其中电源模块、通讯卡、中央处理器的位置固定不动，其他功能模块的位置可以互换。电源模块的位置和通讯卡、中央处理器的位置固定不变，是因为通讯卡、中央处理器和电源的槽位接口相对特殊，需要固定一个固定的槽位，而和其他的模块的位置均可随意互换，这样系统的布线和使用更方便。扩展部分也可以任意扩展下去，只要中央处理器的处理能力和处理速度可以满足要求，即可不断扩充系统。
实施例2：
如图4所示为本发明公开的第二种用途，即系统扩展。系统扩展涉及必要设备：扩展通讯卡和电源模块，其他功能模块可根据需要进行配置。其中电源模块与扩展通讯卡的位置是固定的，其他功能模块可随意放置。此外每一个扩展通讯卡还可以继续向外进行扩展，每一块通讯卡以及扩展通讯卡都可以同时扩展多个系统(包括以太网扩展和光纤扩展)，通过不同的组合可以实现各类不同的拓扑结构。
使用扩展通讯卡可通过任意拓扑结构来进行系统的扩展，支持星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑、总线型拓扑等拓扑结构。但是建议系统扩展点到点的长度控制在100米以内。
除此以外扩展通讯卡还支持光纤模块，光纤传输解决了长距离传输的问题，如果点到点的长度超过了100米，需要使用光线传输。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
所述系统包括通讯卡、中央处理器、系统功能模块、扩展通讯卡、背板总线和电源模块；
所述扩展通讯卡用于所述系统与扩展系统的互联；
所述扩展系统配置功能模块，用于所述系统的扩容；
所述系统功能模块用于所述系统的数据采集；
所述通讯卡通过背板总线与功能模块连接，用于协议的转发及各路通讯状态的实时监测；
所述中央处理器用于所述系统的控制及数据处理；
所述电源模块为所述系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
除了通讯卡、中央处理器、扩展通讯卡、电源模块外每个通讯槽位均有独立的槽位地址分配单元，每个槽位地址分配单元的地址均不同；
每个扩展系统在背板总线和电源模块上均设置有一个系统地址分配单元，为扩展系统分配一个地址编码，用于进行系统的扩容；
每个系统功能模块均配备一个地址翻译单元，当系统功能模块插入到相应槽位时，其地址翻译单元将槽位的地址读回然后翻译为特定的编码编入通讯协议的数据帧中发送到通讯卡；
系统中的通讯卡、中央处理器、扩展通讯卡、电源模块的位置固定不变。
3.根据权利要求2所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
所述系统地址分配单元按照系统所需点数和容量进行地址的分配和地址池的建设，从而确定系统的扩展容量。
4.根据权利要求2所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
每个槽位地址分配单元不可修改，从0槽位开始依次递增，直到最后一个槽位。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
所述槽位地址分配单元设置在背板总线上。
6.根据权利要求5所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
所述系统功能模块具备与槽位通讯线位定义一致的以太网通讯接口、地址读取编码单元和电源输入单元。
7.根据权利要求1所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
所述通讯卡设有IO端口，用于与外部进行通讯，将通讯卡自身的状态和系统状态发送出去，便于通讯卡出现问题时，中央处理器对通讯卡进行操作，使其恢复为正常运行模式。
8.根据权利要求1所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
所述背板总线使用UDP协议，协议内容为自定义协议格式，根据系统要求进行数据帧格式的定义和扩展，支持长字节方式传输。
9.根据权利要求1所述的一种通过以太网背板总线进行功能模块扩展的系统，其特征在于：
所述电源模块提供系统地址分配功能，在电源的顶部设有地址设定开关，根据需要设定系统的栈地址和栈地址的位数。
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