CN204462781U

CN204462781U - 一种基于ep1c6的plc协同控制装置

Info

Publication number: CN204462781U
Application number: CN201520098293.1U
Authority: CN
Inventors: 郭奔; 孙哲健; 李汉莹
Original assignee: China Tobacco Zhejiang Industrial Co Ltd
Current assignee: China Tobacco Zhejiang Industrial Co Ltd
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2025-02-11

Abstract

本实用新型涉及基于EP1C6的PLC协同控制装置，该系统包括电源模块、FPGA模块、配置模块、接口信号处理模块、专用PLC接口电路、通信模块、存储器模块、显示模块和按键模块；电源模块包括24V转5V电路、5V转3.3V电路、5V转1.5V电路、电源滤波电路、PLL引脚电路、数字地与模拟地转换电路、数字电压与模拟电压转换电路； FPGA模块由引脚电路和晶振组成；配置模块包括主动配置模式电路和JTAG配置模式电路；接口信号处理模块由输入模块和输出模块组成；通信模块为RS232接口电路；存储器模块采用SDRAM；显示模块采用SN74ALS245ADW。本实用新型增加了系统的可靠性。

Description

一种基于EP1C6的PLC协同控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种工控可编程逻辑嵌入式软核PLC装置，尤其涉及一种基于EP1C6系列FPGA的协同PLC实现工业自动化控制的装置。

背景技术

由于传统硬件PLC 技术对外封闭，各个生产厂商的PLC硬件平台各不相同，支持的PLC 语言也不相同，而且相互之间通信的协议和总线也完全不同。因此，随着计算机技术的发展，人们已经逐渐认识到硬件PLC 的通用性、兼容性和拓展性不好正在制约着PLC 的快速发展。同时，随着卷烟工业新一轮的技改，大量新型烟草制丝设备从德国HAUNI、意大利Garbuio等国外烟机设备公司引进，设备厂家对于关键设备的PLC程序采取了技术封锁甚至加密等手段。因此，对于烟机功能改进，需要寻求一种新的解决方案来突破传统PLC内部程序封锁以及外部通用性、兼容性差等问题。

过去，逻辑控制器系统的开发多基于ASIC设计的硬件平台，而近年来出现的可编程片上系统(SOPC)解决方案得到了业界广泛的重视并迅速发展。SOPC不仅仅使PCB设计更为简单，而且设计更灵活，开发更高效。它的特点在于其可编程性，即利用现场可编程门阵列(FPGA)器件的可编程性进行SOC (system on chip)设计。SOPC Builder为每一个元件提供一个向导，利用该向导很容易定制元件功能，且通过该向导能够非常方便地在一个设计中加入Nios II软核处理器、外设接口等。为了将微处理器核、外围设备、存储器和其它IP核相互连接起来，SOPC Builder能够自动生成片上总线和总线仲裁器等所需的逻辑。SOPC Builder在一个工具中实现了嵌入式系统各个方面的开发，包括软件的设计和验证，因此运用SOPC技术可以在FPGA上便捷、快速定制各种复杂逻辑控制，并将传统PLC中逻辑移植或转移到FPGA器件上实现。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于EP1C6系列FPGA的PLC协同控制装置。将基于FPGA电路作为虚拟PLC来协助传统硬件PLC完成自动化控制，解决传统PLC单一控制的缺点，通过SOPC定制各种功能与传统PLC实时通讯达到双核协同控制同一设备的目的。

为了实现上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

基于EP1C6的PLC协同控制装置，该系统包括电源模块、FPGA模块、配置模块、接口信号处理模块、专用PLC接口电路、通信模块、存储器模块、显示模块和按键模块；所述的电源模块包括24V转12V电路、24V转5V电路、5V转3.3V电路、5V转1.5V电路、电源滤波电路、PLL引脚电路、数字地与模拟地转换电路、数字电压与模拟电压转换电路；所述的FPGA模块由引脚电路和晶振组成；所述的配置模块包括主动配置模式电路和JTAG配置模式电路；所述的接口信号处理模块由多个输入模块和多个输出模块组成；所述的通信模块为RS232接口电路，选用MAX232ACSE作为主芯片；所述的存储器模块采用MT48LC2M32B2作为SDRAM；所述的显示模块采用2片SN74ALS245ADW作为LCD的驱动芯片；所述的按键模块由六个开关按钮组成。

作为进一步改进，所述的基于EP1C6的PLC协同控制装置就是在不改变原有PLC程序、硬件接线前提下，通过现场总线访问PLC内部资源，并将自身控制逻辑运算结果再次通过现场总线传回PLC，最终实现双核协同控制。

作为进一步改进，所述的电源模块中的24V转12V电路和24V转5V电路，采用LM2575S芯片进行电压转换。

作为进一步改进，所述的电源模块中的12V转3.3V电路和12V转1.5V电路，采用SPX1117芯片进行电压转换。

作为进一步改进，所述的数字地与模拟地转换电路中加入电感，其主要为了降低噪声干扰。同样，在数字电压与模拟电压转换时需要接电感加电容电路。

作为进一步改进，所述的FPGA模块采用Altera的EP1C6Q240C8N芯片。BANK1引脚电路主要通过光电耦合器与外设IO相连。所述的BANK3引脚电路和BANK4引脚电路主要与SDRAM进行连接。

作为进一步改进，所述的晶振电路采用40MHz的有源晶振来提供系统时钟。

作为进一步改进，所述的配置模块电路包括了主动配置和JTAG配置两种模式。其中采用串行配置器件EPCS进行主动配置，用于保证装置可以脱机运行。同时还采用了JTAG配置模式。

作为进一步改进，所述的接口信号处理模块要实现装置与外部接口的联系。为了抑制噪声信号和防止灵敏电路因外部电压突变而引起损坏，需要使用光电耦合器。

作为进一步改进，所述的专用PLC接口电路，部分采用22×2的接口来实现I/O接口。

作为进一步改进，所述的通信模块采用器件MAX232ACSE作为RS232接口的配置芯片。

作为进一步改进，所述的存储器模块采用MT48LC2M32芯片作为SDRAM。

作为进一步改进，所述的显示模块采用2片8位SN74ALS245ADW芯片作为LCD1602的驱动芯片。

作为进一步改进，所述的按键模块采用6路开关用于实现对FPGA各种控制。

本实用新型由于选用Nios II软核处理器模块为核心并利用SOPC技术进行构建，具有很强的可修改性和可移植性；由于能植入uC/OS-II实时操作系统保证装置运行的实时性，并且能够根据特定的需要编写自定义IP核，自由添加所需要的特定功能，同时方便的增加或减少I/O端口的数量，使系统更具可拓展和维护性；又由于FPGA具有较高的密度，能够集成很大的系统，因此又增加了系统的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型协同PLC控制示意图。

图3为本实用新型24V转12V和5V电路原理图。

图4为本实用新型5V转3.3V和1.5V电路原理图。

图5为本实用新型电源滤波电路原理图。

图6为本实用新型PLL引脚电路原理图。

图7为本实用新型数字地与模拟地转换电路原理图。

图8为本实用新型数字电压与模拟电压转换电路原理图。

图9为本实用新型BLK1引脚电路原理图。

图10为本实用新型BLK3和BLK4引脚电路原理图。

图11为本实用新型晶振电路原理图。

图12为本实用新型配置模块电路原理图。

图13为本实用新型单路输入电路原理图。

图14为本实用新型单路输出电路原理图。

图15为本实用新型接口信号处理模块电路原理图。

图16为本实用新型通信模块电路原理图。

图17为本实用新型存储器模电路原理图。

图18为本实用新型显示模块电路原理图。

图19为本实用新型按键模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1，本实用新型包括电源模块1、FPGA模块2、配置模块3、接口信号处理模块4、专用PLC接口电路5、通信模块6、存储器模块7、显示模块8和按键模块9。电源模块1包括24V转12V电路10、24V转5V电路11、5V转3.3V电路12、5V转1.5V电路13、电源滤波电路14、PLL引脚电路15、数字地与模拟地转换电路16、数字电压与模拟电压转换电路17； FPGA模块2由引脚电路18和晶振19组成；配置模块3包括主动配置模式电路20和JTAG配置模式电路21；接口信号处理模块4由多个输入模块22和多个输出模块23组成；通信模块6为RS232接口电路，选用MAX232ACSE芯片24；存储器模块7采用MT48LC2M32B2芯片25作为SDRAM；显示模块8采用2片SN74ALS245ADW芯片26作为LCD的驱动芯片；按键模块9由六个开关27按钮组成。

如图2所示，本实用新型的协同控制方式就是在不改变原有PLC程序、硬件接线前提下，通过现场总线访问PLC内部资源，并将自身控制逻辑运算结果再次通过现场总线传回PLC，最终实现双核协同控制。

如图3所示，电源模块1中的24V转12V电路10和24V转5V电路11，采用LM2575S芯片28，其主要特点为：（1）3.3V、5V、12V的固定电压以及可变电压输出；（2）电压的线性误差:固定电压输出类型最大为±3%；可变电压输出类型最大为±2%；（3）能够保证1A输出电流；（4）从4V到40V的宽电压输入范围；（5）过热关闭和电流限保护。

如图4所示，电源模块中的12V转3.3V电路12和12V转1.5V电路13，采用SPX1117芯片29，其主要特点为：（1）0.8A稳定输出电流；（2）3端可调节；（3）1A稳定峰值电流；（4）低静态电流；（5）0.8A时低压差为1.1V；（6）0.1%线形调整率；（7）2.2uF陶瓷电容即可保持稳定；（8）过流以及温度保护；（9）工作温度范围：-40℃—125℃。

如图5所示，由6个0.1uF电容30和1个10uF电容31分别组成电压3.3V、1.5V和5V滤波电路14。

如图6所示，由5个0.1uF电容32和1个300uH电感33组成PLL引脚电压电路15。

如图7所示，数字地与模拟地转换电路16中加入电感34，其主要为了降低噪声干扰。同样，如图8所示，在数字电压与模拟电压转换电路17需要接电感加电容电路。

FPGA模块采用Altera的EP1C6Q240C8N芯片，其主要特点为：（1）支持低成本串行配置器件，如EPCS1；（2）支持LVTTL,LVCMOS,SSTL-2和SSTL-3的I/O标准；（3）支持高速（640Mbps）和低速（311Mbps）LVDS I/O接口，311Mbps RSDS I/O接口；（4）支持DDR SDRAM(133MHz)，FCRAM和SDR SDRRAM的扩展内存；（5）支持多种IP核；（6）每片FPGA中最多有2个锁相环，提供时钟相乘和时钟移相；（7）多达8个全局时钟，且每个LAB可以使用6个时钟信号。

如图9所示，BANK1引脚电路主要通过光电耦合器与IO相联，其中以“Input+序号”的网络标号表示由FPGA内部发出的控制信号，以“Output+序号”的网络标号表示需要通过光电耦合输出控制信号。

如图10所示，BANK3引脚电路和BANK4引脚电路主要与SDRAM进行连接。

如图11所示，晶振电路19采用40MHz的有源晶振35来提供系统时钟。

如图12所示，配置模块电路3包括了主动配置20和JTAG配置21两种模式。其中采用串行配置器件EPCS芯片36进行主动配置，用于保证装置可以脱机运行。所述的主动配置模式就是将数据存储在EPCS芯片36中，在每次上电时，FPGA就会利用EPCS芯片36中的配置数据进行配置。由于在使用装置脱机运行之前不能保证软件的正确性，所以仅仅依靠主动串行配置模式是不够的，因此还采用JTAG配置模式21。

接口信号处理模块4要实现装置与外部接口的联系。为了抑制噪声信号和防止灵敏电路因外部电压突变而引起损坏，需要使用光电耦合器。如图13所示，通过上拉电阻37和光电耦合器38实现信号输入。如图14所示，通过下拉电阻39和光电耦合器40实现信号输出。

如图15所示，专用PLC接口电路5，部分采用22×2的接口来实现I/O接口。为了接线方便，把内部输出端接到右侧，外部输入端主要都介入到左侧，为了节省空间，不单独使用插座把24电源引入，而是通过44引脚I/O中的第二脚引入。

如图16所示，通信模块6采用MAX232ACSE芯片24作为RS232接口的配置芯片。

如图17所示，存储器模块7采用MT48LC2M32芯片25作为SDRAM，其特点为：（1）举要PC100功能；（2）完全同步；（3）所有信号在系统时钟的上升沿被存储；（4）内部采用流水线操作，列地址可以在每个时钟周期改变；（5）自主更新模式。

如图18所示，显示模块8采用2片8位SN74ALS245ADW芯片26作为LCD1602的驱动芯片。

如图19所示，按键模块9采用6路开关27用于实现对FPGA各种控制。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。本实用新型的使用范围不仅局限于烟草工业控制，可拓展其他功能应用于更复杂的工业控制领域。在非精密控制领域，也可以将本实用新型独立作为PLC使用。

Claims

1.一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：该装置包括相互连接的电源模块（1）、FPGA模块（2）、配置模块（3）、接口信号处理模块（4）、专用PLC接口电路（5）、通信模块（6）、存储器模块（7）、显示模块（8）和按键模块（9）；

所述的电源模块（1）包括24V转12V电路（10）、24V转5V电路（11）、5V转3.3V电路（12）、5V转1.5V电路（13）、电源滤波电路（14）、PLL引脚电路（15）、数字地与模拟地转换电路（16）、数字电压与模拟电压转换电路（17）；

所述的FPGA模块（2）由引脚电路（18）和晶振（19）组成；

所述的配置模块（3）包括主动配置模式电路（20）和JTAG配置模式电路（21）；

所述的接口信号处理模块（4）由多个输入模块（22）和多个输出模块（23）组成；

所述的专用PLC接口电路（5），采用22×2的接口来实现I/O接口；

所述的通信模块（6）为RS232接口电路，选用MAX232ACSE芯片（24）；

所述的存储器模块（7）采用MT48LC2M32B2芯片（25）作为SDRAM；

所述的显示模块（8）采用2片SN74ALS245ADW芯片（26）作为LCD的驱动芯片；

所述的按键模块（9）由六个开关（27）按钮组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的电源模块（1）中的24V转12V电路（10）和24V转5V电路（11），采用LM2575S芯片（28）进行电压转换；所述的电源模块（1）中的12V转3.3V电路（12）和12V转1.5V电路（13），采用SPX1117芯片（29）进行电压转换。

3.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的滤波电路（14）分别由6个0.1uF电容（30）和1个10uF电容（31）组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的PLL引脚电压电路（15）分别由5个0.1uF电容（32）和1个300uH电感（33）组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的数字地与模拟地转换电路（16）中加入了电感（34）。

6.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的数字电压与模拟电压转换电路（17）接电感加电容电路。

7.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的引脚电路（18）中BLK1主要通过光电耦合器与IO相联，其中以“Input+序号”的网络标号表示由FPGA内部发出的控制信号，以“Output+序号”的网络标号表示需要通过光电耦合输出控制信号，BANK3引脚电路和BANK4引脚电路与SDRAM进行连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的晶振电路（19）采用40MHz的有源晶振（35）来提供系统时钟。

9.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的配置模块电路（3）采用串行配置器件EPCS芯片（36）进行主动配置。

10.根据权利要求1所述的一种基于EP1C6的PLC协同控制装置，其特征在于：所述的接口信号处理模块（4）实现装置与外部接口的联系，通过上拉电阻（37）和光电耦合器（38）实现信号输入，通过下拉电阻（39）和光电耦合器（40）实现信号输出。