CN117389202A - 一种用于智能工厂总线控制io模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种用于智能工厂总线控制IO模块，包括：系统电源、通讯接口模块、系统指示灯、通道指示灯、IO电源、IO通道输入输出接口和安装卡扣，IO模块与智能工厂子系统的端子模块连接，对输入信号进行采集与转换、对输出信号进行限幅处理以此控制该子系统工作站的工作状态；基于系统指示灯和通道指示灯表征自身运行状态，同时系统网络将数据和运行状态诊断结果传送到系统监控网。本发明通过IO模块能对智能工厂流水线进行控制，同时能基于输入信号进行IO模块的运行状态诊断，有利于智能工厂作业的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种用于智能工厂总线控制IO模块。
背景技术
随着工业生产技术的进步，作为一种关键设备，智能工厂总线逐渐向多功能、高自动、复杂化方向发展。IO模块及智能工厂子系统在运行过程中容易发生各种故障，无法正常工作，严重时会造成生产系统瘫痪，为工厂带来经济损失。IO模块作为对现场设备输入信号进行采集与转换、对输出信号进行限幅处理的智能单元，是仪控系统的硬件基础。IO模块的正常工作是整个仪控系统正常工作的基础，对快速定位IO故障的方法的研究有着重大意义。
人工智能技术具有强大的计算能力和自学习功能及联想能力，目前已经成为电路测试诊断领域的研究热点。测试诊断中应用的人工智能方法主要有神经网络、支持向量机等。神经网络广泛应用，但其具有收敛性差、训练时间长等问题；支持向量机具有样本数据越大求解的二次规划问题越复杂，计算速度越慢等问题。
如授权公告号为CN111966024B的中国专利公开了 一种远程IO模块和远程IO模块配置方法，远程IO模块包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一端口配置电源接口、CAN通信接口、CAN通信配置接口和AO接口，第二端口配置电源接口、CAN通信接口、基础DO接口、基础DI接口和AI接口，第三端口配置扩展DO接口，第四端口配置扩展DI接口。该发明提供的远程IO模块能够满足AGV车型的功能需求，解决AGV设计过程中因功能需求增多导致IO端口数量不够的问题。
如申请公开号为CN107463159A的中国专利公开了 一种工业总线IO模块，该一种工业总线IO模块包括：总线通讯线路板和IO输入输出线路板两个线路板，并且，总线通讯线路板固定在底座内，其中，该底座上设有用于卡位到固定导轨上的卡位机构，IO输入输出线路板在总线通讯线路板的上部，IO输入输出线路板相对于总线通讯线路板缩进，总线通讯线路板和IO输入输出线路板相互平行，总线通讯线路板和IO输入输出线路板之间用信号连接器相互连接，通过上述连接方式，改变了生产作业环境中各个部件之间的接线方式，减少了各个部件之间的接线数量，有效减少了因接线导致的电路故障，进而有利于生产作业环境中信号的稳定传输。
以上专利均存在本背景技术提出的问题：对快速定位IO故障的方法不够准确与迅速，只靠指示灯并不能很好地将运行状态诊断出来。为了解决这些问题，本申请设计了一种用于智能工厂总线控制IO模块。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种用于智能工厂总线控制IO模块。
一种用于智能工厂总线控制IO模块，IO模块包括：系统电源、通讯接口模块、系统指示灯、通道指示灯、IO电源、IO通道输入输出接口和安装卡扣；
所述系统指示灯和通道指示灯位于IO模块上侧，用于表征模块运行状态，所述运行状态基于求解约束优化问题进行诊断；所述通讯接口模块和系统电源位于IO模块的左侧面板，所述安装卡扣位于IO模块整体两侧，所述IO电源和IO通道输入输出接口位于系统指示灯和通道指示灯下侧；
IO模块基于现场总线进行网络连接和数据通信，并基于工业以太网连接上层系统；IO模块与智能工厂子系统的端子模块连接，对输入信号进行采集与转换、对输出信号进行限幅处理以控制智能工厂子系统工作站的工作状态。
进一步地，所述安装卡扣支持三种安装方式，包括：横向导轨安装、竖向导轨安装和螺丝固定安装。
进一步地，所述系统电源与IO电源使用直插式端子接线，IO通道输入输出接口根据端子类型提供热插拔式IO模块面板，所述IO模块面板最大支持32通道数字量输入输出，包括单插槽和双插槽两种规格的底座；IO模块面板按照端子类型接口分为：单排欧式端子、三位一体端子、E-CON连接器和继电器模块。
进一步地，所述输入信号采集传感器、外部按钮和开关信号；所述输出信号控制设备运行状态指示灯、中间继电器和电磁阀。
进一步地，IO模块基于系统指示灯和通道指示灯表征自身运行状态，同时系统网络将数据和基于运行状态诊断方法的诊断结果传送到系统监控网，智能工厂运行维护人员和工厂测试人员通过设备运行状态指示灯判断系统的运行状态。
进一步地，所述运行状态诊断方法包括以下步骤：
设定数据集为，其中/>表示输入信号向量，/>表示运行状态分类标识；
将样本数据映射到高维特征空间，在该特征空间中构建线性模型，通过引入拉格朗日乘子，将模型表示为一个约束优化问题；
在约束优化问题中引入松弛变量进行容错性处理；
通过求解约束优化问题，完成运行状态诊断的分类。
进一步地，所述运行状态分类标识使用最小输出编码法构建，包括：
对九种运行状态分类标识记为；
基于运行状态分类个数建立个分类机；
经最小输出编码法编码后，九种运行状态的编码为一个五行九列的矩阵，每一列对应一类运行状态的编码；
将运行状态诊断的输出通过解码得到运行状态分类标识。
进一步地，所述九种运行状态包括：运行状态正常、电源未接、电源故障故障、设备未通电、设备故障、网络无连接、IP地址重复、连接超时和系统维护。
进一步地，所述通讯接口模块包括：以太网网口、CAN总线接口、RS-485和RS-232总线接口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出的一种用于智能工厂总线控制IO模块，通于系统指示灯和通道指示灯表征自身运行状态，同时系统网络将数据和运行状态诊断结果传送到系统监控网，有利于快速排查故障。
2.本发明提出的一种用于智能工厂总线控制IO模块，IO通道输入输出接口根据端子类型提供热插拔式IO模块面板，便于更换不同端子类型接口对应的IO模块面板。
3.本发明提出的一种用于智能工厂总线控制IO模块还支持组态不一致检测、模块分体式设计、支持多种接口、支持组合多通道PNP&NPN混合输入输出、支持一键恢复出厂设置、模块最多可支持32个数字量信号点和内置USB升级接口。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1中一种用于智能工厂总线控制IO模块结构图；
图2为本发明实施例2中一种用于智能工厂总线控制IO模块拓扑图。
图中各主要附图标记的含义为：1、系统电源；2、通讯接口模块；3、系统指示灯；4、通道指示灯；5、IO电源；6、IO通道输入输出接口；7、安装卡扣。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
请参阅图1，一种用于智能工厂总线控制IO模块，包括：系统电源1、通讯接口模块2、系统指示灯3、通道指示灯4、IO电源5、IO通道输入输出接口6和安装卡扣7；
所述系统指示灯3和通道指示灯4位于IO模块上侧，用于表征模块运行状态，所述运行状态基于求解约束优化问题进行诊断；所述通讯接口模块2和系统电源1位于IO模块的左侧面板，所述安装卡扣7位于IO模块整体两侧，所述IO电源5和IO通道输入输出接口6位于系统指示灯3和通道指示灯4下侧。
所述安装卡扣支持三种安装方式，包括：横向导轨安装、竖向导轨安装和螺丝固定安装。
所述系统电源1与IO电源5使用直插式端子接线，IO通道输入输出接口6根据端子类型提供热插拔式IO模块面板，所述IO模块面板最大支持32通道数字量输入输出，包括单插槽和双插槽两种规格的底座；IO模块面板按照端子类型接口分为：单排欧式端子、三位一体端子、E-CON连接器和继电器模块。
IO模块还支持总线协议EtherCAT、PROFINET、PROFIBUSDP、DeviceNET、CC-Link、CC-LinkIEF Basic、ModbusRTU、和EtherNET/IP中的一种。
IO模块还支持总线异常输出状态配置、支持从站丢失诊断、组态不一致检测、模块分体式设计、支持多种接口、支持组合多通道PNP&NPN混合输入输出、支持一键恢复出厂设置和内置USB升级接口。
实施例2
请参阅图2，智能工厂生产系统包括智能生产子系统、物料配送子系统、生产辅助子系统、现场管理子系统和数据采集与智能控制子系统，子系统基于实施例1中的IO模块通过现场总线进行网络连接和数据通信，并基于工业以太网连接上层系统；IO模块与智能工厂子系统的端子模块连接，对输入信号进行采集与转换、对输出信号进行限幅处理以此控制该子系统工作站的工作状态。
所述输入信号主要采集传感器、外部按钮和开关信号；所述输出信号主要控制设备运行状态指示灯、中间继电器和电磁阀。
IO模块基于系统指示灯和通道指示灯表征自身运行状态，同时系统网络将数据和运行状态诊断结果传送到系统监控网，智能工厂运行维护人员和工厂测试人员通过设备运行状态指示灯判断系统的运行状态。
所述运行状态诊断包括：
设定数据集为，其中/>表示输入信号向量，/>表示运行状态分类标识；
将样本数据映射到高维特征空间，在该特征空间中构建线性模型，通过引入拉格朗日乘子，将模型表示为一个约束优化问题；
在约束优化问题中引入松弛变量进行容错性处理；
通过求解约束优化问题，完成运行状态诊断的分类。
最小二乘支持向量机(LSSVM)是传统的支持向量机的一种变体，它将支持向量机中的松弛变量的不等式约束改为等式约束，从而可以通过求解线性方程组的方式来求解LSSVM。
LSSVM的约束优化问题计算公式为：
，
其中，表示样本个数，/>表示超平面的法向量，/>表示第/>个样本，/>表示第/>个松弛变量，/>表示预测误差的惩罚因子，/>和/>表示超平面的点坐标，/>表示常数项。
所述运行状态分类号使用最小输出编码法构建，包括：
对九种运行状态分类标识记为；
基于运行状态分类个数建立个分类机；
经最小输出编码法编码后，九种运行状态的编码为一个五行九列的矩阵，每一列对应一类运行状态的编码；
将运行状态诊断的输出通过解码得到运行状态分类标识。
，
其中第一个分类机以1、8类为正类，第二个分类机以6、7类为正类，第三个分类机以4、5类为正类，第四个分类机以2类为正类，第三个分类机以0、3类为正类。
训练时按照五行九列的矩阵中每行元素的正负进行，1代表正类，-1代表负类，训练的输出经过解码得到运行状态分类标识。
所述九种运行状态包括：运行状态正常、电源未接、电源故障故障、设备未通电、设备故障、网络无连接、IP地址重复、连接超时和系统维护。
所述通讯接口模块包括：以太网网口、CAN总线接口、RS-485和RS-232总线接口。
IO模块基于指示灯表征自身运行状态，包括：
电源指示灯：绿色亮：电源供电正常；灭：电源未接或故障；
模块状态指示灯：绿色亮：设备运行正常；1HZ闪烁：待机，设备尚未配置；红绿1HZ闪烁：自检，设备正在执行通电测试；灭：设备无电源；红色亮：设备检测到不可恢复的主要故障；1HZ闪烁：设备缺少电源。
网络状态指示灯：绿色亮：已连接，设备至少有一个已建立的连接；1HZ闪烁：无连接，设备没有建立连接；红绿1HZ闪烁：自检，设备正在执行通电测试；灭：未通电或无IP地址；红色亮：重复IP地址；1HZ闪烁：连接超时，以此设备为目标的一个或多个连接超时；
维护指示灯：绿色闪烁5HZ：升级传输过程；闪烁1HZ：复位按键按下时闪烁；亮：复位操作完成；灭：非维护状态。
以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，IO模块包括：系统电源（1）、通讯接口模块（2）、系统指示灯（3）、通道指示灯（4）、IO电源（5）、IO通道输入输出接口（6）和安装卡扣（7）；
所述系统指示灯（3）和通道指示灯（4）位于IO模块上侧，用于表征模块运行状态，所述运行状态基于求解约束优化问题进行诊断；所述通讯接口模块（2）和系统电源（1）位于IO模块的左侧面板，所述安装卡扣（7）位于IO模块整体两侧，所述IO电源（5）和IO通道输入输出接口（6）位于系统指示灯（3）和通道指示灯（4）下侧；
IO模块基于现场总线进行网络连接和数据通信，并基于工业以太网连接上层系统；IO模块与智能工厂子系统的端子模块连接，对输入信号进行采集与转换、对输出信号进行限幅处理以控制智能工厂子系统工作站的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，所述安装卡扣（7）支持三种安装方式，包括：横向导轨安装、竖向导轨安装和螺丝固定安装。
3.根据权利要求2所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，所述系统电源（1）与IO电源（5）使用直插式端子接线，IO通道输入输出接口（6）根据端子类型提供热插拔式IO模块面板，所述IO模块面板最大支持32通道数字量输入输出，包括单插槽和双插槽两种规格的底座；IO模块面板按照端子类型接口分为：单排欧式端子、三位一体端子、E-CON连接器和继电器模块。
4.根据权利要求3所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，所述输入信号采集传感器、外部按钮和开关信号；所述输出信号控制设备运行状态指示灯、中间继电器和电磁阀。
5.根据权利要求4所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，IO模块基于系统指示灯（3）和通道指示灯（4）表征自身运行状态，同时系统网络将数据和基于运行状态诊断方法的诊断结果传送到系统监控网，智能工厂运行维护人员和工厂测试人员通过设备运行状态指示灯判断系统的运行状态。
6.根据权利要求5所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，所述运行状态诊断方法包括以下步骤：
设定数据集为，其中/>表示输入信号向量，/>表示运行状态分类标识；
将样本数据映射到高维特征空间，在该特征空间中构建线性模型，通过引入拉格朗日乘子，将模型表示为一个约束优化问题；
在约束优化问题中引入松弛变量进行容错性处理；
通过求解约束优化问题，完成运行状态诊断的分类。
7.根据权利要求6所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，所述运行状态分类标识使用最小输出编码法构建，包括：
对九种运行状态分类标识记为；
基于运行状态分类个数建立个分类机；
经最小输出编码法编码后，九种运行状态的编码为一个五行九列的矩阵，每一列对应一类运行状态的编码；
将运行状态诊断的输出通过解码得到运行状态分类标识。
8.根据权利要求7所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，所述九种运行状态包括：运行状态正常、电源未接、电源故障故障、设备未通电、设备故障、网络无连接、IP地址重复、连接超时和系统维护。
9.根据权利要求8所述的一种用于智能工厂总线控制IO模块，其特征在于，所述通讯接口模块（2）包括：以太网网口、CAN总线接口、RS-485和RS-232总线接口。
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