CN117539190A - 一种扩展多功能的Profinet控制面板及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业以太网Profinet通信技术领域，尤其涉及一种扩展多功能的Profinet控制面板，包括第一输入/输出模块、第二输入/输出模块、第三输入/输出模块、主控模块和扩展模块，第一输入/输出模块、第二输入/输出模块、第三输入/输出模块和扩展模块均与主控模块相连接，主控模块为Profinet处理单元。本发明有效地减少了输入输出点的占用，实现面板控制与扩展IO的复合，大大节约了资源成本，便于连接，减少了空间的占用，提高了可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及工业以太网Profinet通信技术领域，尤其涉及一种扩展多功能的Profinet控制面板及方法。
背景技术
近年来，在运动控制领域中(最典型为数控机床，如图8所示)，Profinet通信技术的应用逐渐成熟起来，数控系统的PLC与面板进行通信。
在常规运动控制系统中，通常一个传感器或者一个LED指示灯都需占用数控系统的PLC一个IO点，当需要大量的传感器和LED指示灯时，需要更多IO点的PLC，导致PLC的成本大幅度的增高，在一定程度上限制了可编程控制器的推广使用。
现有的设计方案(面板自带48输入32输出)输入输出不够用，还需再外扩一块基于Profinet的输入输出模块。按键与LED的扩展相对比较受限，即通过72/48输入输出端口的一组端口(24输入16输出)作为按键与LED指示灯扩展，按键与LED指示灯为固定地址，该方案会导致数控系统的PLC扫描周期较长，按键数量对响应速度的影响比较明显，又会占用72/48输入输出模块的端口。
现有的设计方案都不带有Modbus、CANopen、脉冲检测功能，若需要该功能需要用户外置功能模块，加大了应用开发周期，提高了成本。
外扩模块虽能完全满足要求，但会剩余大部分的输入输出点，资源上造成了浪费，又会提高成本，同时会占用一定的安装空间。
发明内容
本发明提供了一种扩展多功能的Profinet控制面板及方法，有效地减少了输入输出点的占用。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种扩展多功能的Profinet控制面板，控制面板包括第一输入/输出模块、第二输入/输出模块、第三输入/输出模块、主控模块和扩展模块，第一输入/输出模块、第二输入/输出模块、第三输入/输出模块和扩展模块均与主控模块相连接，主控模块为Profinet处理单元。
作为本发明的优化方案，Profinet处理单元为Profinet处理器或Profinet处理单元为通信单元与处理器。
作为本发明的优化方案，扩展模块包括按键单元、LED指示灯单元、Modbus单元、手轮单元、模拟量单元、集成加密单元、CANopen单元或脉冲检测单元中的一种或几种组合。
作为本发明的优化方案，按键单元包括输入按键和输入扩展电路，输入按键与输入扩展电路的输入端相连，输入扩展电路的输出端与Profinet处理单元相连接。
作为本发明的优化方案，LED指示灯单元包括LED指示灯和输出扩展电路，LED指示灯与输出扩展电路的输出端相连，输出扩展电路的输入端与Profinet处理单元相连接。
作为本发明的优化方案，LED指示灯单元包括LED指示灯和输出扩展电路，LED指示灯与输出扩展电路的输出端相连，输出扩展电路的输入端与Profinet处理单元相连接。
作为本发明的优化方案，Modbus单元包括Modbus接口，手轮单元包括手轮接口，模拟量单元包括模拟量接口，CANopen单元包括CANopen接口，脉冲检测单元包括脉冲检测接口。
作为本发明的优化方案，控制面板经通道扩展电路扩展多个输入通道和输出通道，输入通道通过输入端口扩展电路扩展出多个输入端口，输出通道通过输出端口扩展电路扩展出多个输出端口。
作为本发明的优化方案，对输入端口进行电平处理和对输出端口进行驱动放大。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：采用一种扩展多功能的Profinet控制面板进行控制的方法，通过依次获取地址位，执行扩展模块各项功能。
作为本发明的优化方案，控制面板与数控系统的PLC通过地址传输数据，控制面板通过输入地址发送数据至PLC，PLC通过输出地址发送数据至控制面板，输入地址、输出地址为可选择的不同地址位，例如输入地址为IBX0～IBX7，输出地址为QBY0～QBY7，IBX0和QBY0是握手字节，由IBX0发起扫描，IBX1～IBX7地址的内容是控制面板上传给PLC的数据，当QBY0接收到IBX0的值时，QBY0会返回一个与IBX0相同的值，QB Y1～QBY7地址的内容是PLC下发给控制面板的数据，此时IBX0才能进行下一个数据的获取。
本发明具有积极的效果：1)本发明基于Profinet通讯，控制面板主动向数控系统的PLC发起通信请求，数据双向通信，来控制面板的按键、LED、Modbus、集成加密、CANopen、脉冲检测等，有效地减少了输入输出点的占用，提高了响应时间，能将按键与LED的响应时间由原来的105ms降低至45ms，还能将其余的IO扩展出来；
2)本发明72/48输入输出部分与其互不干涉，实现面板控制与扩展IO的复合，不占用72/48输入输出模块的端口，大大节约了资源成本，便于连接，减少了空间的占用，提高了可靠性和稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的按键单元的原理框图；
图3是本发明的LED指示灯单元；
图4是本发明两片74AH138扩展输入和输出通道；
图5是本发明的输入电路；
图6是本发明的输出电路；
图7是本发明控制方法的流程图；
图8是控制面板的应用示意图。
其中：1、第一输入/输出模块，2、第二输入/输出模块，3、第三输入/输出模块，4、主控模块，5、扩展模块。
具体实施方式
在实施方式中，相同或相似的元件将采用相同或相似的标号，且将省略其赘述。此外，不同示范实施例中的特征在没有冲突的情况下可相互组合，且依本说明书或权利要求所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本专利涵盖的范围内。另外，本说明书或权利要求中提及的第一、第二等用语仅用以命名分立(discrete)的元件或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限，也并非用以限定元件的制造顺序或设置顺序。
如图1所示，本发明公开了一种扩展多功能的Profinet控制面板，控制面板包括第一输入/输出模块1(端子X111)、第二输入/输出模块2(端子X222)、第三输入/输出模块3(端子X333)、主控模块4和扩展模块5，第一输入/输出模块1、第二输入/输出模块2、第三输入/输出模块3和扩展模块5均与主控模块4相连接，数控系统的PLC经过RJ45网口与主控模块相连接，主控模块4为Profinet处理单元。
Profinet处理单元为Profinet处理器或为通信单元与处理器，Profinet处理器内部包含交换机芯片、以太网PHY芯片和处理器；通信单元包含交换机芯片和以太网PHY芯片，通过通信单元再配合处理器实现相应功能；还可以直接通过交换机芯片、以太网PHY芯片、处理器三者共同实现相应功能。然而Profinet处理单元的具体实施也可视不同情况而适当调整。也就是说，Profinet处理单元实现方式有多种，本发明不以上述三种情况为限。
扩展模块5包括扩展模块包括按键单元、LED指示灯单元、Modbus单元、手轮单元、模拟量单元、集成加密单元、CANopen单元或脉冲检测单元中的一种或几种组合。利用主控模块4的普通IO端口，进行按键与LED指示灯的控制，可以减少面板控制信号对主控芯片IO的占用；然后再设计基于Profinet的72/48输入输出。72/48输入输出作为独立的输入输出，模拟量、手轮、Modbus、按键、LED指示灯、集成加密、CANopen单元或脉冲检测单元等是以通过地址获取的形式予以控制。
如图2所示，按键单元包括输入按键和输入扩展电路，输入按键与输入扩展电路的输入端相连，输入扩展电路的输出端与Profinet处理单元相连接。本实施例中，输入扩展电路可以是若干移位寄存器或可编程逻辑门阵列，Profinet处理单元为Profinet处理器，输入按键与移位寄存器的并行数据输入端相连，若干移位寄存器相互并联与Profinet处理器相连接。对按键的点对点的识别，方法是：Profinet处理器输出移位寄存器的控制信号，每个移位寄存器上输入端的引脚电平(默认为高电平1，按键按下为低电平0)加载到对应的每个寄存器上，然后Profinet处理器输出多个脉冲信号，将各个移位寄存器的数据依次传送给Profinet处理器，Profinet处理器通过逻辑匹配识别按键。通过主控模块4搭配外部并行输入串行输出逻辑电路，利用点对点的形式对按键进行识别。
如图3所示，LED指示灯单元包括LED指示灯和输出扩展电路，LED指示灯与输出扩展电路的输出端相连，输出扩展电路的输入端与Profinet处理单元相连接。本实施例中，输出扩展电路为若干移位寄存器或可编程逻辑门阵列，Profinet处理单元为Profinet处理器，LED指示灯与移位寄存器的并行数据输出端相连，若干移位寄存器相互并联与Profinet处理器相连接。对LED指示灯的控制。方法是：Profinet处理器输出移位寄存器的控制信号，移位寄存器接收Profinet处理器传来的数据，当移位寄存器的触发条件满足时，将对LED串行控制数据输入到内部的8位移位寄存器，通过边沿触发条件，将在8位移位寄存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端使能时，并行输出端的输出值等于并行输出缓存器所存储的值，该值就等于LED的状态(高电平1的时候LED灯亮，低电平0的时候LED灯灭)。采用主控模块4串行输入并行输出的方式对LED指示灯控制。
Modbus单元包括Modbus接口，手轮单元包括手轮接口，模拟量单元包括模拟量接口。CANopen单元包括CANopen接口，脉冲检测单元包括脉冲检测接口。通过这些接口连接相应的模块，即可实现功能的扩展。
控制面板经通道扩展电路扩展多个输入通道和输出通道，输入通道通过输入端口扩展电路扩展出多个输入端口，输出通道通过输出端口扩展电路扩展出多个输出端口。本实施例，通道扩展电路为译码器，也可以选择可将通道扩展的其它元器件；输入端口扩展电路为总线收发器或端口扩展芯片，输出端口扩展电路为总线收发器或端口扩展芯片，控制面板经译码器扩展多个输入通道和输出通道，输入通道通过若干总线收发器扩展出多个输入端口，输出通道通过若干总线驱动器扩展出多个输出端口。具体实施时，如图4所示，使用两片74AHC138扩展输入输出通道，地址线AB9～AB11作为扩展输入和输出的片选信号，通过控制信号来区分是读取输入还是写入输出，XRD-PER、XCS-PER1为读取输入，XWD-PER、XCS-PER2为写入输出。如图5所示，利用9片74AHC245作为其中一路数字输入(XCS-INPUT0对应第一路0～15输入口)，每一片74AHC245可以扩展8个输入口，共计72个输入。
如图6所示，利用6片74AHC574作为其中一路数字输出(XCS-OUT0对应第一路0～15输出口)，每一片74AHC574可以扩展8个输出口，共计48个输出。
将扩展出的信号线用于72输入48输出的扩展(端子X111、X222、X333)由于用于扩展的输入输出端通用电压为直流24V，而用于面板控制的输入输出电压为直流3.3V，所以要将72输入48输出用于扩展，需要对输入端进行处理以及对输出进行驱动放大。其中，对输入端口进行处理包括分压或电源转换等方式。
通过依次获取地址位，执行按键、LED指示灯、集成加密和模拟量输出功能。72/48输入输出作为独立的输入输出，模拟量、手轮、Modbus、按键、LED指示灯、集成加密、CANopen单元或脉冲检测单元等是以通过地址获取的形式进行控制，实现了整体集成，节约成本，减少占用空间。
如图7所示，控制面板与数控系统的PLC通过地址传输数据，控制面板通过输入地址发送数据至PLC，PLC通过输出地址发送数据至控制面板，输入地址为IBX0～IBX7，输出地址为QBY0～QBY7，IBX0和QBY0是握手字节，由IBX0发起扫描，IBX1～IBX7地址的内容是控制面板上传给PLC的数据，当QBY0接收到IBX0的值时，QBY0会返回一个与IBX0相同的值，QB Y1～QBY7地址的内容是PLC下发给控制面板的数据，此时IBX0才能进行下一个数据的获取。具体的输入地址IBX0～IBX7和输出地址QBY0～QBY7需根据实际情况选取。
实施例：Modbus输入输出：
当面板收到PLC发来的3时(QBX0＝3)，面板IBY0会发送4给PLC，IBX1，IBX4～IBX5发送与Modbus输入相关的参数。
PLC收到4之后，会回给面板一个4，即QBY0为4，QBY1，QBY4～QBY5为Modbus输出相关参数。
本发明基于Profinet通讯，控制面板主动向PLC发起通信请求，数据双向通信，来控制面板的按键、LED、Modbus、集成加密等，有效地减少了输入输出点的占用，提高了响应时间，能将按键与LED的响应时间由原来的105ms降低至45ms，还能将其余的IO扩展出来。72/48输入输出部分与其互不干涉，实现面板控制与扩展IO的复合，大大节约了成本，方便连接，减少了空间的占用，提高了整体可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：所述的控制面板包括第一输入/输出模块(1)、第二输入/输出模块(2)、第三输入/输出模块(3)、主控模块(4)和扩展模块(5)，所述第一输入/输出模块(1)、第二输入/输出模块(2)、第三输入/输出模块(3)和扩展模块(5)均与主控模块(4)相连接，所述主控模块(4)为Profinet处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：所述Profinet处理单元为Profinet处理器或所述Profinet处理单元为通信单元与处理器。
3.根据权利要求1或2所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：所述扩展模块(5)包括按键单元、LED指示灯单元、Modbus单元、手轮单元、模拟量单元、集成加密单元、CANopen单元或脉冲检测单元中的一种或几种组合。
4.根据权利要求3所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：按键单元包括输入按键和输入扩展电路，输入按键与输入扩展电路的输入端相连，输入扩展电路的输出端与Profinet处理单元相连接。
5.根据权利要求3所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：LED指示灯单元包括LED指示灯和输出扩展电路，LED指示灯与输出扩展电路的输出端相连，输出扩展电路的输入端与Profinet处理单元相连接。
6.根据权利要求3所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：所述Modbus单元包括Modbus接口，手轮单元包括手轮接口，模拟量单元包括模拟量接口，CANopen单元包括CANopen接口，脉冲检测单元包括脉冲检测接口。
7.根据权利要求3所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：所述控制面板经通道扩展电路扩展多个输入通道和输出通道，输入通道通过输入端口扩展电路扩展出多个输入端口，输出通道通过输出端口扩展电路扩展出多个输出端口。
8.根据权利要求7所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板，其特征在于：对输入端口进行电平处理和对输出端口进行驱动放大。
9.采用权利要求3所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板进行控制的方法，其特征在于：通过依次获取地址位，执行扩展模块(5)各项功能。
10.根据权利要求9所述的一种扩展多功能的Profinet控制面板进行控制的方法，其特征在于：所述的控制面板与数控系统的PLC通过地址传输数据，控制面板通过输入地址发送数据至PLC，PLC通过输出地址发送数据至控制面板，输入地址为IBX0～IBX7，输出地址为QBY0～QBY7，IBX0和QBY0是握手字节，由IBX0发起扫描，IBX1～IBX7地址的内容是控制面板上传给PLC的数据，当QBY0接收到IBX0的值时，QBY0会返回一个与IBX0相同的值，QBY1～QBY7地址的内容是PLC下发给控制面板的数据，此时IBX0才能进行下一个数据的获取。
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