CN203250202U - 基于Profinet带扩展输入输出的控制面板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，包括电源、连接面板，还包括通讯板；通讯板上设有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；还设有通讯芯片；通讯芯片设有第一通讯口、第二通讯口和第三通讯端口；还设有驱动器；本实用新型与上位机相连，上位机运行PLC程序，通过通讯芯片分别对按钮和指示灯采用矩阵扫描的方式进行扫描；上位机根据扫描的按钮的状态结果进行处理后判断出处于按下状态的按键，并将控制信号通过通讯芯片传送给连接面板，使相应的指示灯点亮或熄灭。本实用新型能将其余的IO扩展出来，实现面板控制与扩展IO的复合，大大节约了成本，方便了客户的连接，减少了空间的占用，增加了可靠性。

Description

基于Profinet带扩展输入输出的控制面板

技术领域

本实用新型涉及一种基于工业网络总线Profinet输入输出装置的控制面板，尤其涉及一种基于Profinet带扩展输入输出的控制面板。

背景技术

目前在运动控制领域，最典型为数控机床，国内还没有设计制造出基于Profinet的控制面板，国外设计制造的Profinet面板不带IO扩展，所以客户还需要再购买一套基于Profinet的输入输出模块，一套输入输出模块带有72输入48输出，一般用户只需24输入16输出即足够，余下大部分输入输出造成了浪费。设计的键盘用来操作机器的运动，并且安装了对应的指示灯，例如发光二极管，用来指示各个键按下后是否生效，以便操作者观察。通常一个键或者一个指示灯需占用PLC的一个IO点，当需要大量的键和指示灯时，用于键盘和指示灯的输出点数往往大于用于控制的输出点数，导致成本大幅度的增高。

关于矩阵式扫描，对键盘进行逐行扫描，方法是：依次将行线送高电平电平1，检查对应列的状态；若列线全为0，则按键不在此行；若不全为0，则按键必在此行，且是与高电平列线相交的那个键。最后，确定键值，并进入键处理程序。对指示灯进行逐行扫描。方法是：现将行全置为高电平1，然后依次置为低电平0，检查对应列的键是否生效；若生效则将指示灯的列置为0，则指示灯亮，否则置为1，没有灯亮。

关于矩阵式设计硬件部分，PLC系统中设计矩阵式键盘不仅要用到输入口，而且也要用到输出口，因此，了解PLC IO口内部电路的结构以及工作原理是十分重要的。下面以S7-200的DC输入、输出模块为例，简要说明其工作原理。如图1所示，为PLC的DC输入模块，其中，K1-输入开关，M-公共端，I0.0-输入点，R1、R2的典型值为5.6K、1K。工作原理：若输入开关K1闭合，则输入信号经RC滤波和光电隔离后，转换为PLC的CPU所需的电平，一般为5V，再经过输入选择器与CPU的总线相连，从而将外部输入开关的“ON”状态输入到PLC内部，此时输入指示灯亮，且与该输入点对应的输入映像寄存器为“1”。若输入开关断开，则信号没有形成通路，此时输入指示灯不亮，表示为“OFF”状态。如图2所示，为PLC的DC输出模块，其中，L+接DC24V；Q0.0-输出点。工作原理：若用户程序将输出置为“ON”状态，则在刷新输出阶段CPU将“ON”信号送给输出锁存器，再经过光电耦合送给场效应管，使之饱和导通，此时输出指示灯亮，且通过场效应管将DC24V和负载连通，从而使得负载获得工作电流。反之，若用户程序将输出置为“OFF”状态，则输出指示灯不亮，情况与上述相反。如图3所示，扫描电路为8×8键和灯扫描的电路图，其中行扫描共用8行输出。

关于PLC的扫描工作方式，当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图4所示：在设计键盘和灯时可暂不考虑通信和自诊断，则在一个扫描周期内剩下以下三个主要阶段：输入采样阶段，CPU将所有物理输入点的状态存入对应的过程映像寄存器中，到下次输入采样前，过程映像寄存器的内容均保持不变；程序执行阶段，CPU按照从左到右、从上到下的顺序执行程序，将运算结果写到输出映像寄存器或数据存储区内；输出刷新阶段，在程序执行完后，CPU将过程输出映像寄存器的状态几乎同时的更新到物理输出点。关于键盘及指示灯的设定，键盘和指示灯都采用8×8矩阵式设计：A设定0～64号键分别与MB0～MB7对应，键按下，对应存储点为“1”，松开则为“0”；B设定0～64号指示灯分别与MB112～MB119对应；C设定QB0对应键盘的第0行到第7行(与指示灯复用)，IB0对应键盘的第0列到第7列；D设定QB0对应灯的第0行到第7行(与键盘复用)，QB1对应键盘的第0列到第7列。关于程序流程图，如图5所示，程序说明：n从0开始，运算值为负数时，表示不扫描该行。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够节省减少对IO的占用，从而带有扩展IO端口的基于Profinet带扩展输入输出的控制面板。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，包括电源、连接面板，其特征在于：还包括通讯板；所述的通讯板上设有连接电源的第一端口，还设有连接面板的第二端口，还设有第三端口，还设有与上位机3通讯的第四端口；还设有通讯芯片；

所述的通讯芯片设有第一通讯口、第二通讯口和第三通讯端口；还设有驱动器；

所述的第一端口的输入端接电源的输出口，第一端口的输出端连接直流变压器的输入端；

所述的第二端口输入端连接面板输入输出端口，第二端口的输出端连接通讯处理芯片的第一通讯端口；

所述的第四端口的输入端连接上位机的输入输出端口，第四端口的输出端连接通讯处理芯片的第三通讯端口；

所述的连接面板上面设有按钮和指示灯；

所述的第四端口采用物理接口为RJ45；第四端口与上位机采用标准工业以太网Profinet通讯协议；

所述上位机分别对按钮和指示灯采用矩阵扫描的方式进行扫描，扫描的结果通过通讯芯片传送给上位机；上位机根据扫描的按钮的状态结果进行处理后判断出处于按下状态的按键，并将控制信号通过通讯芯片传送给连接面板，使相应的指示灯点亮或熄灭。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述按钮为矩阵式排列，形成矩阵式按键；所述指示灯也为矩阵式排列，形成矩阵式指示灯；所述矩阵式按键内的每一行按键分别通过一个输出行线并联，所述输出行线与面板输入输出端口连接；矩阵式按键内的每一列按键通过输入列线相并联，输入列线与面板输入输出端口连接；所述矩阵式指示灯内的每一行指示灯也通过一个输出行线相并联，所述矩阵式指示灯内的每一列指示灯通过输出列线相并联，输出列线与面板输入输出端口连接；上位机首先对输出行线从第n行循环向后逐步置高电平，同时使输出列线全部置高电平，然后逐列检查输入列线的输入，如果有输入列线也为高电平，则高电平的输出行线与高电平的输入列线相交叉处的按钮为按下状态，所述上位机将相应的输出列线置为低电平，使相应的指示灯点亮。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，还包括扩展端口和驱动器；所述的第三端口输入端连接扩展端口的输入输出端口，第三端口的输出端连驱动器的输出端，驱动器的输入端连接通讯处理芯片的第二通讯端口。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，第四端口包括2个RJ45。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述的通讯处理芯片选用Ertec200芯片。

本实用新型基于Profinet通讯技术，采用PLC扫描方式来控制面板的键和指示灯，有效地减少了输入输出点的占用，从而能将其余的IO扩展出来，实现面板控制与扩展IO的复合，大大节约了成本，方便了客户的连接，减少了空间的占用，增加了可靠性。

附图说明

图1为现有技术中PLC直流输入模块电路图。

图2为现有技术中PLC直流输出模块电路图。

图3为现有技术中8×8键和灯扫描电路图。

图4为PLC矩阵扫描的工作方式流程图。

图5PLC矩阵扫描的程序执行流程图。

图6为本实用新型的结构示意。

图7为本实用新型的通讯板的结构示意图。

图8为本实用新型的连接面板的结构示意图

图9为本实用新型的按键、指示灯和面板输入输出端口连接示意图。

图10为采用Ertec200时本实用新型的总体框图

图11为采用54AC138的扩展输入电路示意图。

图12为图11中XCS-INPUT0对应第一路0～15输入口的电路示意图。

图13为采用54AC138的扩展输出电路示意图。

图14为图13中XCS-OUT1对应第二路0～15位输出的电路示意图。

图15为扩展输入端分压电路示意图。

图16为扩展输出端放大电路示意图。

图17为本实施例1的扫描电路示意图。

图18为本实施例1的控制流程示意图。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

参见图6、图7和图8，本基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，包括电源1、连接面板4、上位机3，其特征在于：还包括通讯板2；所述的通讯板2上设有连接电源的第一端口20，还设有连接面板4的第二端口21，还设有第三端口22，还设有与上位机3通讯的第四端口23；还设有通讯芯片6；所述的通讯芯片6设有第一通讯口60、第二通讯口61和第三通讯端口62；还设有驱动器7；所述的第一端口20的输入端接电源1的输出口，第一端口20的输出端连接直流变压器24的输入端；所述的第二端口21输入端连接面板输入输出端口43，第二端口21的输出端连接通讯处理芯片6的第一通讯端口60；所述的第四端口23的输入端连接上位机3的输入输出端口，第四端口23的输出端连接通讯处理芯片6的第三通讯端口62；所述的连接面板4上面设有按钮41和指示灯42；所述的第四端口23采用物理接口为RJ45；第四端口23与上位机3采用标准工业以太网Profinet通讯协议；所述上位机3分别对按钮41和指示灯42采用矩阵扫描的方式进行扫描，扫描的结果通过通讯芯片6传送给上位机3；上位机3根据扫描的按钮41的状态结果进行处理后判断出处于按下状态的按键41，并将控制信号通过通讯芯片6传送给连接面板4，使相应的指示灯42点亮或熄灭。

作为优选方案，参见图9，所述按钮41为矩阵式排列，形成矩阵式按键；所述指示灯42也为矩阵式排列，形成矩阵式指示灯；所述矩阵式按键内的每一行按键分别通过一个输出行线44并联，所述输出行线44与面板输入输出端口43连接；矩阵式按键内的每一列按键通过输入列线46相并联，输入列线46与面板输入输出端口43连接；所述矩阵式指示灯内的每一行指示灯也通过一个输出行线44相并联，所述矩阵式指示灯内的每一列指示灯通过输出列线45相并联，输出列线45与面板输入输出端口43连接；上位机3首先对输出行线44从第n行循环向后逐步置高电平，同时使输出列线44全部置高电平，然后逐列检查输入列线46的输入，如果有输入列线46也为高电平，则高电平的输出行线44与高电平的输入列线46相交叉处的按钮41为按下状态，所述上位机3将相应的输出列线45置为低电平，使相应的指示灯42点亮。

还包括扩展端口5和驱动器7；所述的第三端口22输入端连接扩展端口5的输入输出端口，第三端口22的输出端连驱动器7的输出端，驱动器7的输入端连接通讯处理芯片6的第二通讯端口61。第四端口23包括2个RJ45。作为优选方案，如图10所示，所述的通讯处理芯片6选用Ertec200芯片，Ertec200是专用处理profinet的芯片，在每个总线周期将输入的状态通过报文发送给主站，同时读主站的输出指令写入相应的输出点。

分别利用二片54AC138扩展输入和输出通道，只占用三路地址线AB9～11，通过控制信号来区分是读出输入还是写入输出，如图1和图12所示，XRD-PER、XCS-PER1为读取输入，XCS-INPUT0对应第一路0～15输入口；如图13和图14所示XWD-PER、XCS-PER2为写入输出，XCS-OUT1对应第二路0～15位输出。系统最多可对8路输入输出进行读写，每路16位。输入经总线接收器74HCT245由数据总线读出。输出由总线经触发器74VHCT574写入，最后经放大电路放大至3.3V。

图10中，X111引脚布局如表1所示，其按键键值表如表2所示，LED灯值表如表3所示，X222引脚定义如表4所示。

表1：X111引脚布局表

表2：按键键值表

表3：LED灯值表

表4：X222引脚定义

本基于Profinet带扩展输入输出的控制面板利用输入输出对面板进行控制，通过矩阵方式减少面板控制对输入输出的占用。由于人眼视觉暂留和LED余辉效应，在LED在20ms内的闪烁是人眼无法觉察的，而PLC的扫描周期是6ms，则三行扫描的周期是18ms，小于20ms。所以采用故在实际生产中采用3×18扫描电路，如图17所示，图17中键和LED共用三行输出端进行扫描。在实际使用的PLC程序改为3×18，控制流程如图18所示。运行时，n从0开始，当运算值为负数是，表示不扫描该行。

所述驱动器7为输出放大电路，如图15和图16所示，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，所以要将余出24输入16输出用于扩展，需要对输入端进行分压以及对输出进行驱动放大。

本实施例的按键和指示灯一一对应，形成组合式的矩阵排列，即复合式矩阵键盘和指示灯。本实施例基于Profinet通讯技术，采用PLC扫描方式来控制面板的键和指示灯，有效地减少了输入输出点的占用，从而能将其余的IO扩展出来，实现面板控制与扩展IO的复合，大大节约了成本，方便了客户的连接，减少了空间的占用，增加了可靠性。具体而言，本实施例基于profinet的输入输出，利用输入输出对连接面板进行控制，通过矩阵方式减少连接面板控制对输入输出的占用，从而余出24输入16输出用于扩展。

Claims (5)

1.一种基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，包括电源(1)、连接面板(4)，其特征在于：还包括通讯板(2)；所述的通讯板(2)上设有连接电源的第一端口(20)，还设有连接面板(4)的第二端口(21)，还设有第三端口(22)，还设有用于与上位机(3)通讯的第四端口(23)；还设有通讯芯片(6)；

所述的通讯芯片(6)设有第一通讯口(60)、第二通讯口(61)和第三通讯端口(62)；还设有驱动器(7)；

所述的第一端口(20)的输入端接电源(1)的输出口，第一端口(20)的输出端连接直流变压器(24)的输入端；

所述的第二端口(21)输入端连接面板输入输出端口(43)，第二端口(21)的输出端连接通讯处理芯片(6)的第一通讯端口(60)；

所述的第四端口(23)的输入端连接上位机(3)的输入输出端口，第四端口23的输出端连接通讯处理芯片(6)的第三通讯端口(62)；

所述的连接面板(4)上面设有按钮(41)和指示灯(42)；

所述的第四端口(23)采用物理接口为RJ45；第四端口(23)与上位机(3)采用标准工业以太网Profinet通讯协议；

所述上位机(3)分别对按钮(41)和指示灯(42)采用矩阵扫描的方式进行扫描，扫描的结果通过通讯芯片(6)传送给上位机(3)；上位机(3)根据扫描的按钮(41)的状态结果进行处理后判断出处于按下状态的按键(41)，并将控制信号通过通讯芯片(6)传送给连接面板(4)，使相应的指示灯(42)点亮或熄灭。

2.根据权利要求1所述的基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，其特征在于：所述按钮(41)为矩阵式排列，形成矩阵式按键；所述指示灯(42)也为矩阵式排列，形成矩阵式指示灯；所述矩阵式按键内的每一行按键分别通过一个输出行线(44)并联，所述输出行线(44)与面板输入输出端口(43)连接；矩阵式按键内的每一列按键通过输入列线(46)相并联，输入列线(46)与面板输入输出端口(43)连接；所述矩阵式指示灯内的每一行指示灯也通过一个输出行线(44)相并联，所述矩阵式指示灯内的每一列指示灯通过输出列线(45)相并联，输出列线(45)与面板输入输出端口(43)连接；上位机(3)首先对输出行线(44)从第n行循环向后逐步置高电平，同时使输出列线(44)全部置高电平，然后逐列检查输入列线(46)的输入，如果有输入列线(46)也为高电平，则高电平的输出行线(44)与高电平的输入列线(46)相交叉处的按钮(41)为按下状态，所述上位机(3)将相应的输出列线(45)置为低电平，使相应的指示灯(42)点亮。

3.根据权利要求2所述的基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，其特征在于：还包括扩展端口(5)和驱动器(7)；所述的第三端口(22)输入端连接扩展端口(5)的输入输出端口，第三端口(22)的输出端连驱动器(7)的输出端，驱动器(7)的输入端连接通讯处理芯片(6)的第二通讯端口(61)。

4.根据权利要求3所述的基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，其特征在于：第四端口(23)包括2个RJ45。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于Profinet带扩展输入输出的控制面板，其特征在于：所述的通讯处理芯片(6)选用Ertec200芯片。

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