CN116300663A - 一种应用于自动化设备的通用控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种应用于自动化设备的通用控制器，其中，所述主控制器模块分别电连接模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS485通信模块、RS232通信模块、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块、EtherCAT模块、Ethernet模块、输入输出并行处理模块，所述输入输出并行处理模块分别电连接数字输入模块、数字输出模块。本发明可以通过硬件可裁剪来降低控制成本，可以提高数据处理速度且短时间内实现复杂逻辑算法，还可以与各品牌PLC主机或者Ethercat主机之间的通信来实现系统兼容性。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种应用于自动化设备的通用控制器。
背景技术
目前自动化行业，自动化设备控制以及信号采集等主要功能由PLC完成，PLC在自动化行业的应用处于霸主地位。最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。现有技术中自动化设备应用PLC控制时，由于PLC硬件不可裁剪，造成许多项目只应用到PLC的部分功能，而不需要的功能，虽然没有被用到，但是对于用户来说也同样需要对这些不需要的功能进行买单。比如一台手机点胶机自动化设备所需要的各种PLC以及其附属IO模块采购成本在3-4万RMB之间，控制成本较高。而且PLC内部所能存储的数据量有限、无法实现复杂的逻辑算法、工作主频已经远远落后于单片机和FPGA，由于PLC工作主频已经远远落后于单片机和FPGA，所以PLC对数据的处理速度也远远落后于单片机和FPGA。另外各个品牌PLC软件硬件体系不兼容、结构封闭。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种应用于自动化设备的通用控制器，该控制器可以通过硬件可裁剪来降低控制成本，可以提高数据处理速度且短时间内实现复杂逻辑算法，还可以与各品牌PLC主机或者Ethercat主机之间的通信来实现系统兼容性。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种应用于自动化设备的通用控制器，包括主控制器模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS485通信模块、RS232通信模块、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块、EtherCAT模块、Ethernet模块、输入输出并行处理模块、数字输入模块、数字输出模块，所述主控制器模块分别电连接模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS485通信模块、RS232通信模块、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块、EtherCAT模块、Ethernet模块、输入输出并行处理模块，所述输入输出并行处理模块分别电连接数字输入模块、数字输出模块。
进一步，所述电源模块包括5V主电源电路、3.3V分电源电路、1.2V分电源电路，所述5V主电源电路电连接3.3V分电源电路，所述3.3V分电源电路电连接1.2V分电源电路。
进一步，所述5V主电源电路采用SGM61720型号电源芯片，所述3.3V分电源电路采用AMS1117-3.3V型号稳压芯片，所述1.2V分电源电路采用AMS1117-1.2V型号稳压芯片。
进一步，所述模拟量输入模块采用LM324型号芯片，所述模拟量输出模块采用GP8403型号芯片。
进一步，所述主控制器模块采用STM32F407ZGT6型号单片机，所述人机交互模块采用工业触摸屏，所述CAN通信模块采用TJA1051T/E型号芯片。
进一步，所述输入输出并行处理模块采用GWIN-UV2LQ100C6/I5型号的FPGA芯片。
进一步，所述数字输入模块为24V至3.3V电压转换电路，所述数字输出模块为3.3V至24V电压转换电路。
进一步，所述EtherCAT模块采用AX58100芯片，所述Ethernet模块采用LAN7820芯片。
本发明的有益效果为：
本控制器的主控制器模块中单片机自带基础功能外，还通过CAN通信模块中CAN总线扩展各种用户所需要的控制模块，实现硬件可裁剪来降低控制成本。单片机还可通过CAN通信模块外扩足够多的存储空间，解决了现有技术中PLC不能存储过多实时数据的缺点。
本控制器的主控制器模块中STM32F407ZGT6型号单片机具有上百兆的工作主频，远超PLC的数据处理速度，可以在短时间内实现复杂的逻辑算法。本控制器的输入输出并行处理模块中FPGA芯片包括40路IO输入信息采集、8路IO输出控制、1路模拟量输出控制，FPGA的多路输入、输出极大的扩展了本控制器的应用范围，而且FPGA拥有较快的数据处理速度。
本控制器的主控制器模块通过EtherCAT模块可以与各品牌PLC主机或者Ethercat主机之间的通信来实现系统兼容性，扩大了系统兼容范围。
附图说明
图1为本发明一种应用于自动化设备的通用控制器的原理示意图。
图2（a）-2（d）为本发明的主控制器模块的电路图。
图3（a）-3（b）为本发明的5V主电源电路的电路图。
图4为本发明的3.3V分电源电路的电路图。
图5为本发明的1.2V分电源电路的电路图。
图6为本发明的模拟量输入模块的电路图。
图7为本发明的模拟量输出模块的电路图。
图8为本发明的RS232通信模块的电路图。
图9为本发明的RS485通信模块的电路图。
图10（a）-10（e）为本发明的CAN通信模块的电路图。
图11（a）-11（k）为本发明的EtherCAT模块的电路图。
图12（a）-12（i）为本发明的输入输出并行处理模块的电路图。
图13为本发明的数字输入模块的电路图。
图14为本发明的数字输出模块的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图14所示，本发明提供的一种应用于自动化设备的通用控制器，包括主控制器模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS485通信模块、RS232通信模块、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块、EtherCAT模块、Ethernet模块、输入输出并行处理模块、数字输入模块、数字输出模块，主控制器模块分别电连接模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS485通信模块、RS232通信模块、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块、EtherCAT模块、Ethernet模块、输入输出并行处理模块，输入输出并行处理模块分别电连接数字输入模块、数字输出模块。
电源模块包括5V主电源电路、3.3V分电源电路、1.2V分电源电路，5V主电源电路电连接3.3V分电源电路，3.3V分电源电路电连接1.2V分电源电路。
5V主电源电路采用SGM61720型号电源芯片，3.3V分电源电路采用AMS1117-3.3V型号稳压芯片，1.2V分电源电路采用AMS1117-1.2V型号稳压芯片。
模拟量输入模块采用LM324型号芯片，模拟量输出模块采用GP8403型号芯片。
主控制器模块采用STM32F407ZGT6型号单片机，人机交互模块采用工业触摸屏，CAN通信模块采用TJA1051T/E型号芯片。
输入输出并行处理模块采用GWIN-UV2LQ100C6/I5型号的FPGA芯片。
数字输入模块为24V至3.3V电压转换电路，数字输出模块为3.3V至24V电压转换电路。
EtherCAT模块采用AX58100芯片，Ethernet模块采用LAN7820芯片。
图2（a）-2（d）所示，主控制器模块采用STM32F407ZGT6型号单片机，该单片机包括包含114个通用I/O，网络接口24路12位AD通道、2路DAC12位H、14个定时器等在工业控制领域应用广泛，主频为168MHZ。
在工业控制行业,一般多采用24V直流电源,其电压变化范围较大,若在距离较远的情况下可能达到30%的变化甚至更高,如果在产品中没有采取一些安全措施及保护电路而直接将电量引入控制芯片作为产品的前级电源,会因电路中的电压波动和干扰对系统造成很大的影响。电源模块设计采用24v开关本地电源波动在10%，在进入前级电源前用电源滤波器使电压波动在5%以下，使用两级降压后5V到3.3V得到稳定工作电源，滤波器采用共模电源滤波器和电容组成π型滤波。图3（a）-3（b）所示，5V主电源电路采用SGM61720型号电源芯片，此芯片宽电压（10-30V）输入，5V直流输出，为整个通用控制器电路提供5V电源。
数字信号输入有NPN型输入和PNP型输入，二者输入形式不一样电路设计时兼顾二者，能完成不同类型的传感器输入。工业上数字量的高电平是24V，而控制器ARM的电平是3.3V，二者不能直接相连，否则会烧坏整个系统，因此如图13所示采用24V至3.3V电压转换电路来完成数字量输入，电路采用光耦隔离电路，以实现控制外围传感器的作用。电路为了适应高速信号例如伺服电机的脉冲信号，将来为了精确控制伺服电机位置，所以输入电路采用高速接口，频率达到100KHZ，由于高速可能产生大的电磁干扰，对输入信号进行抗干扰出来，可以消除6V左右的干扰信号。
目前PLC数字输出电路提供给用户的驱动电流是24V、50毫安，在驱动大电流的设备时需要再加个驱动模块，使系统成本和体积都增加。如图14所示，为了能驱动大电流设备数字输出电路要3.3V和２４V电压转换，使用光耦转换电路完成，大电流采用MOS管驱动电路来完成，驱动电流可以达到３A，以实现控制外围传感器的作用。
整个系统的输入信号有数字量和模拟量信号，数字量有输入模块处理。而模拟量信号要有模拟输入电路处理，模拟信号是由系统的传感器产生的，例如压力传感器、温度传感器和距离传感器等，传感器输出的信号有电流型和电压型，输出的信号符合工业标准，电流的4-20mA，电压0-5V，为了使系统能适应不同类型的传感器，电流设计采用两种不同输入方式，对使用只要通过外部连线不同就能正常使用，简单方便。电路采用CPU提供的12位ADC进行模数转换，提供4路模拟量输入通道。如图6所示，模拟量输入信号为4-20mA，经过模拟量输入电路转换成0-3.3V，由单片机ADC口自动采集并处理后通过Ethercat协议上传至PLC主机处。
在工业控制领域，常常控制些连续物理量例如伺服电机速度、涂胶量、温度加热器等等，系统控制这些量是通过输出电压大小来控制，因此系统要有模拟量输出模块提供这些控制电压。系统提供两路12位电压输出模块。电压输出0-5V，采用IIC接口DAC芯片来实现此电路。如图7所示，模拟量输出模块的主芯片型号为GP8403,实现0-10V模拟量输出。
串行通信技术作为一种灵活、方便、可靠的通信手段,应用广泛工业控制领域中。工业常用的串口通信采用RS232,RS422/RS485串行通信技术，在串行通信中普遍使用的Modbus通信协议。RS232、RS485和UART串口逻辑电平不一样，所选ARM芯片有6个UART通信接口，而UART使用标准的TTL/COMS逻辑电平（0～5V、0～3.3V、0～2.5V或0～1.8V）来表示数据，高电平表示1，低电平表示0。为了增强数据的抗干扰能力、提高传输长度，RS232通常将TTL/COMS逻辑电平转换为RS232逻辑电平，3～12V表示0，-3～-12V表示1。如图8所示电路采用SP3232进行电平转换。 RS485采用差分传输方式，也称作平衡传输，＋2V～＋6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。RS485现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点,RS485的数据最高传输速率为10Mbps ,在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。数据通信距离可达到1500米。如图9所示电路采用SP3485芯片进行电平转换进行传输，485通信采用自动切换收发模式电路。系统为了适应不同通信终端设备，所以提供1路RS232和1路RS485，系统可以通过RS485和各类485接口传感器相连进行采集数据。
在工业控制系统中，为了适应更复杂的控制应用，系统需要扩展不同接口模块。系统扩展功能考虑到所有模块的通信规则，还有考虑数据采集和输出规则，是系统设计中最难的部分，例如所有接口模块怎样识别、模块的输入输出数据怎样读取和读取这些数据规则怎样。如图10（a）-10（e）所示电路设计采用CAN总线通信，通信协议采用CANOPEN协议，CANOPEN协议是工业标准协议，数据读取采用存储器映射方式进行模块数据交互。控制器所提供的IO输入及输出接口不够使用的时候可以使用其他IO扩展模块通过此CAN总线与MCU相连，实现IO输入与输出、模拟量输入与输出、串行通信等的数据交互。
工业以太网EtherCAT是在工业以太网EthernetIP基础上发展起来的，其具有通信快速、灵活和具有成本效益的解决方案为一体的特点，现被广泛的应用。EtherCAT通信接口可以与具有EtherCA接口任何模块直接互联，各类I/O扩展模块、各种伺服电机控制器和智能设备等直接无缝连接通信，系统平台实现这EtherCAT通信功能，如图11（a）-11（k）所示电路采用AX58100芯片，开机上电后由CPU进行初始化设置实现Ethercat组网链接，是目前比较流行的运动控制网络通信形式。
如图12（a）-12（i）所示的输入输出并行处理模块主控制芯片型号为GWIN-UV2LQ100C6/I5，为国产FPGA,其主要实现的功能有FPGA的优势是任务并行处理、40路IO输入信息采集、8路IO输出控制、1路模拟量输出控制、与MCU通过并口自定义协议进行相关数据交换，实现正常的模拟量输出、IO输出及将IO输入信息上传到MCU处。
工业控制系统中，人机交互是必不可少部分。通过人机交互可以设置系统参数和显示控制系统中的数据。工业控制系统常常采用工业触摸屏来实现人机交互。触摸屏与ARM芯片数据交互方式有并行和串行接口，ARM芯片自带触摸屏接口，触摸屏可以直接与ARM芯片连接，但连线比较多，程序编写复杂。触摸屏还有串口接口，串口触摸屏连接方便，但编程需要用厂家提供的开发软件做GUI设计。
工业以太网是全球工控自动化的标准通信技术之一，工业控制系统中必须有以太网通信模块，这样能把整个控制网络系统连接起来，通信协议采用TCP/IP或UDP协议。Ethernet模块采用用专用网络通信芯片LAN7820设计。
实施例
本控制器启动后，主控制器模块的单片机进行初始化设置实现Ethercat组网链接，通过EtherCAT模块实现与PLC主机或者Ethercat主机之间的通信；主控制器模块与输入输出并行处理模块FPGA通过并口进行通信，将FPGA获取的数据采集到STM32内，并将需要输出的数据通过并口通信发送给FPGA；主控制器模块与RS485通信模块、RS232通信模块实现正常的485及232通信，并将相关通信数据进行转换后由Ethercat协议发送至PLC或Ethercat主机处；主控制器模块与模拟量输入模块实现正常的模拟量输入采集，并将模拟量数据由Ethercat协议发送至PLC或Ethercat主机处；主控制器模块与CAN通信模块通过CAN总线与其他IO模块进行通信，采集相关数据信息，将信息由Ethercat协议发送至PLC或Ethercat主机处。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种应用于自动化设备的通用控制器，其特征在于：包括主控制器模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS485通信模块、RS232通信模块、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块、EtherCAT模块、Ethernet模块、输入输出并行处理模块、数字输入模块、数字输出模块，所述主控制器模块分别电连接模拟量输入模块、模拟量输出模块、RS485通信模块、RS232通信模块、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块、EtherCAT模块、Ethernet模块、输入输出并行处理模块，所述输入输出并行处理模块分别电连接数字输入模块、数字输出模块；
所述主控制器模块采用STM32F407ZGT6型号单片机，所述人机交互模块采用工业触摸屏，所述CAN通信模块采用TJA1051T/E型号芯片；
所述输入输出并行处理模块采用GWIN-UV2LQ100C6/I5型号的FPGA芯片；所述数字输入模块为24V至3.3V电压转换电路，所述数字输出模块为3.3V至24V电压转换电路。
2.根据权利要求1所述的应用于自动化设备的通用控制器，其特征在于：所述电源模块包括5V主电源电路、3.3V分电源电路、1.2V分电源电路，所述5V主电源电路电连接3.3V分电源电路，所述3.3V分电源电路电连接1.2V分电源电路。
3.根据权利要求2所述的应用于自动化设备的通用控制器，其特征在于：所述5V主电源电路采用SGM61720型号电源芯片，所述3.3V分电源电路采用AMS1117-3.3V型号稳压芯片，所述1.2V分电源电路采用AMS1117-1.2V型号稳压芯片。
4.根据权利要求1所述的应用于自动化设备的通用控制器，其特征在于：所述模拟量输入模块采用LM324型号芯片，所述模拟量输出模块采用GP8403型号芯片。
5.根据权利要求1所述的应用于自动化设备的通用控制器，其特征在于：所述EtherCAT模块采用AX58100芯片，所述Ethernet模块采用LAN7820芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230623 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |