CN206684563U - 一种基于plc和人机界面的智能控制终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PLC和人机界面的智能控制终端，该智能控制终端包括：PLC；与PLC连接的控制板，所述控制板采用cisc指令集且设有以太网通讯模块；以太网转CAN通讯模块，其连接所述控制板，用于将以太网通讯协议转换为CAN通讯协议；以及基于CANopen的I/O模块，其连接所述以太网转CAN通讯模块，用于基于CANopen通信方式检测数字量输入信号及控制数字量输出。本实用新型能够实现I/O信息处理、编程开发、触摸操控、界面显示、数据交互于一体。更全面、方便、灵活、综合地服务于自动化需求日趋上升的工业客户。

Description

一种基于PLC和人机界面的智能控制终端

技术领域

本实用新型涉及工业自动控制设备领域，更具体地涉及一种基于PLC和人机界面的智能控制终端。

背景技术

工业平板电脑是专供工业界使用的工业控制计算机。与一般商用电脑不同，工业平板电脑系列产品根据环境特点，具备坚固、防震、防潮、防尘、耐高温多插槽和易于扩充等特点，是各种工业控制、交通控制、环保控制和自动化领域中其它各种应用的最佳平台。随着需求的发展，人们越来越倾向于基于可编程逻辑控制器(PLC)和人机界面(HMI)的工业平板电脑。

PLC是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件(如JB－HMI画面组态软件)。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

目前常规的工业电脑内部核心控制单元都是ARM芯片。从芯片本身出发ARM是基于精简指令集计算机(risc)指令集，其优势是高效，低功耗，属于小而精，但缺点在于本身功能就不全面。因此目前市场上的工业平板电脑普遍存在如下缺陷：(1)内部ARM控制芯片处理能力差，难以实现大数据交互、处理，且搭载的WinCE系统实时应用能力差，与第三方软件匹配的兼容性较差。(2)外部硬件可扩展性差，对于用户二次扩展比较困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于PLC和人机界面的智能控制终端，以解决现有技术中存在的一个或多个问题，从而实现集I/O信息处理、编程开发、触摸操控、界面显示、数据交互于一体的智能自动化控制设备，其能够利用自主开发的软件平台去控制具有CANopen、RS232、RS485、以太网等接口的I/O设备和/或其他控制模块。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于PLC和人机界面的智能控制终端，该智能控制终端包括：

PLC；

与PLC连接的控制板，所述控制板采用cisc指令集且设有以太网通讯模块；

以太网转CAN通讯模块，其连接所述控制板，用于将以太网通讯协议转换为CAN通讯协议；以及

基于CANopen的I/O模块，其连接所述以太网转CAN通讯模块，用于基于CANopen通信方式检测数字量输入信号及控制数字量输出。

优选地，所述智能控制终端还包括基于CANopen的I/O的控制模块，其连接所述以太网转CAN通讯模块。

优选地，所述控制板采用X86芯片。

优选地，所述智能控制终端还包括：高清晰度多媒体接口(HDMI)，其连接所述控制板。

优选地，所述控制板设置有外置接口，所述外置接口包括RS232串行接口、RS485串行接口、以太网接口和USB接口中的至少一个。

优选地，所述智能控制终端还包括：与所述以太网转CAN通讯模块连接的CANopen通讯接口。

优选地，所述基于CANopen的I/O模块具有32路数字量输入、16路数字量输出以及4路模拟量输入。

优选地，所述智能控制终端还包括：封闭式合金外壳。

优选地，所述外壳表面设置有启动按键。

优选地，所述智能控制终端还包括：外置式天线。

优选地，所述智能控制终端还包括可拆卸地固定于封闭式合金外壳外部的壁挂式安装架和/或立式安装架。

基于本实用新型，能够实现I/O信息处理、编程开发、触摸操控、界面显示、数据交互于一体。更全面、方便、灵活、综合地服务于自动化需求日趋上升的工业客户。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。

附图说明

参考附图，本实用新型更多的目的、功能和优点将通过本实用新型实施方式的如下描述得以阐明，在附图中：

图1为本实用新型实施例中基于PLC和人机界面的智能控制终端的结构框图；

图2为本实用新型实施例中数据从CAN总线向以太网转换的示意图；

图3为本实用新型实施例中太网应用层数据向CAN数据帧转换的示意图。

具体实施方式

下面，对本实用新型的优选实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本实用新型的实施方式仅仅是示例性的，并且本实用新型的技术精神及其主要操作不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

由于现有的一般工业平板电脑都是采用ARM控制芯片基于以太网通讯模式与PLC等进行通讯，ARM控制芯片导致不仅处理能力差，难以实现大数据交互、处理，且搭载的WinCE系统实时应用能力差，与第三方软件匹配的兼容性较差。而且，单一的通讯模式导致外部硬件可扩展性差，对于用户二次扩展比较困难。

基于上述问题，本实用新型源于CANopen通讯在汽车等行业中的广泛应用，并结合物流行业的实际需求(如自动导引运输车(AGV，Automated Guided Vehicle)、有轨制导车辆(RGV，Rail Guided Vehicle)等产品的实际需求)出发而产生，采用基于复杂指令集计算机(cisc)指令集的控制板(如采用X86芯片的X86控制板)来提高处理、交互能力，并进一步利用通讯转换模块(用于进行以太网到CANopen通讯协议的转换)来将X86控制板的常规以太网Socket通讯模式扩展到CANopen通讯，从而提高硬件扩展性。

图1为本实用新型实施例中基于PLC和人机界面的智能控制终端的结构框图。如图1所示，本实用新型的智能控制终端(新型工业平板电脑)可包括：PLC、与PLC连接的X86控制板、以太网转CAN通讯模块、基于CANopen的I/O模块、基于CANopen的I/O控制模块、CANopen通讯接口以及与X86控制板连接的一个或多个外置接口等。

本实用新型中，选用采用cisc指令集的X86芯片作为控制板，与ARM芯片相比，其相对复杂但功能齐全，属于大而全，具有更强大的处理能力。此外，本实用新型在CPU选型上也做了功耗考虑，优选选用高性能、低功耗的CPU，例如可选用功耗只有15w的i7-2677M这种高性能、低功耗的CPU，但并不限于此。主板优选搭载64G工业硬盘，8G内存。这样的配置使本实用新型的智能控制终端具有强大的处理能力，这是普通工业电脑无法比拟的。

本实用新型中，智能控制终端的人机界面可包括显示屏、输入单元(用于进行触控输入的触摸屏、用于通过按键输入的按键和/或用于进行语音输入的麦克风等)和通讯接口等部件，在此不作赘述。

工业平板电脑常规的通讯方式是RJ45等以太网通信接口，而本实用新型中，如图1所示，以太网转CAN通讯模块连接X86控制板，用于将以太网通讯转换为CAN通讯，从而能够通过以外网通讯与基于CANopen通讯的I/O模块、接口和其他控制模块进行通讯。

也就是说，以太网转CAN通讯模块实现以太网数据与CAN数据间的数据转换。

当数据从CAN总线向以太网转换时，如图2所示，CAN协议使用标准帧格式。以太网转CAN通讯模块取出CAN总线数据，将仲裁字段中11位标识符由高到低转换为以太网应用层中的高bit设备ID和低8bit设备ID(此处的设备ID指源设备ID)。数据字段由高到低分别写入命令字、数据标识和数据中。子系统标识是根据设备ID查询其属性，填入其优先级、局级优先级、矿级标识、子系统标识、加上校验码，完成CAN数据帧以太网应用层协议的转换。

当以太网应用层数据向CAN数据帧转换时，如图3所示，以太网转CAN通讯模块将设备的高8bit设备ID和低8bit设备ID(此处的设备ID指目的设备ID)，写入CAN数据帧的前两个字节，数据的前两个字节参加滤波，在CAN总线中用来识别设备。后面的8bit的命令字、8bit数据标识和16bit的数据写入数据的后4个字节。

基于以太网转CAN通讯模块，本实用新型可以在一般工业平板电脑的基础上增设一个或多个基于CANopen总线通信方式的I/O检测与控制点(I/O模块)以及基于CANopen总线通信方式的其他类控制模块(下文简称基于CANopen的控制模块)。如图1中，基于CANopen的I/O模块连接以太网转CAN通讯模块，其作为控制类模块用于基于CANopen通信方式检测数字量输入信号及控制数字量输出，并能够与X86控制板进行数据通讯。优选地，基于CANopen的I/O模块可包括32路数字量输入、16路数字量输出以及4路模拟量输入。此外，如图1中，基于CANopen的控制模块也可连接以太网转CAN通讯模块，这类控制模块例如可为变频器，伺服驱动器，传感器等等(但并不限于此)，能够基于以太网转CAN通讯模块与X86控制板进行数据通讯。本实用新型中这类具有CANopen总线通讯方式的元件都可通过以太网转CAN通讯模块集成在本实用新型的智能控制终端上。此外，还可设置有额外的与以太网转CAN通讯模块连接的CANopen通讯口，以方便后续进一步扩展I/O模块以及基于CANopen的控制模块。

在本实用新型中，可利用C语言平台(但并不限于此)以以太网通讯的方式与通讯转换模块(以太网转CAN通讯模块)进行数据交互，从而经由以太网转CAN通讯模块控制各种具有CANopen接口的I/O设备及其他控制模块。

具体地，X86控制板可利用C语言平台丰富的调用接口通过以太网Socket通讯基于TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)与外部通讯转换模块(如以太网转CAN通讯模块)进行数据通讯。

X86控制板采用的TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通讯协议，由IETF的RFC 793定义。如图1所示，在X86控制板与以太网转CAN通讯模块之间采用TCP通讯方式。

而CANopen是一种架构在控制局域网路(Controller Area Network，CAN)上的高层通讯协定，包括通讯子协定及设备子协定，常在嵌入式系统中使用，也是可应用于工业控制的一种现场总线。

CANopen现场总线具有以下优点：(1)物理层非常稳定；(2)数据链路层可靠，因为相比其他所有总线，只有CAN可以做到达到汉明间距(Hamming Distanz)为6，能够检测报文里多达5个随机引入的位错误及15位突发性错误。(3)灵活，兼容性高；(4)可互操作性高；(5)对于设备生产商来说价格低；(6)CAN产品尺寸小，节省空间；(7)支持冗余备用。

如图1所示，以太网转CAN通讯模块与基于CANopen的I/O模块、控制模块之间是基于CANopen进行数据通讯。本实用新型中，由于额外设置有CANopen通讯口，可以方便后续进一步扩展I/O模块以及基于CANopen的其他控制模块。

如图1所示，本实用新型的智能控制终端还设置有多个常规外置接口，如RS232串行接口、RS485串行接口、以太网接口和USB接口中的一个或多个。此外，还可设置有高清晰度多媒体接口(HDMI)。基于这些接口，不仅支持了屏幕拓展，更加方便了信息的二次接入和移植，增强了外部硬件可扩展性，可以满足不同的实用需求。

在本实用新型另一实施方式中，可采用工业平板电脑、上位组态软件、PLC组合的方式来实现集I/O信息处理、编程开发、触摸操控、界面显示、数据交互于一体的PLC人机界面一体机。此时，PLC采集并处理I/O模块信号，通过预设程序现实逻辑控制。再与工业电脑中的上位软件通过以太网通讯的方式(或者其他通讯方式)，把关键控制点及数据呈现在工业电脑上。本实施例中，PLC与工业平板电脑之间可以采用以太网、PROFIBUS-DP等通信方式，PLC可自带I/O检测模块，PLC的处理器与I/O模块间的通讯方式种类较多，可自行定义。

基于如上所述本实用新型的智能控制终端所提供的内部通讯结构和整体机械框架，能够实现I/O信息处理、编程开发、触摸操控、界面显示、数据交互于一体。更全面、方便、灵活、综合地服务于自动化需求日趋上升的工业客户。

进一步的，本实用新型的智能控制终端采用封闭式合金外壳，从而克服了现有工业平板电脑的塑料外壳易损坏，导热性差的问题，并能防震防尘，更适应恶劣的工作环境。优选地，封闭式合金外壳可采用质量轻且牢固可靠的铝合金外壳。

优选地，外壳表面可设置有启动按键，以支持一键式启动。

优选地，该智能控制终端设置外置式天线，以使得信号更强，保证运行信号可靠稳定。

优选地，该智能控制终端设置有ZigBee和/或Wi-Fi模块，从而支持采用ZigBee和/或Wi-Fi通讯方式进行无线通讯。

优选地，该智能控制终端可具有可拆卸地固定于封闭式合金外壳外部的壁挂式安装架和/或立式安装架，可以由用户根据需要选择壁挂式安装或立式安装，满足不同的安装需求。

如上针对一个实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

结合这里披露的本实用新型的说明和实践，本实用新型的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本实用新型的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种基于PLC和人机界面的智能控制终端，其特征在于，该智能控制终端包括：

PLC；

与PLC连接的控制板，所述控制板采用cisc指令集且设有以太网通讯模块；

以太网转CAN通讯模块，其连接所述控制板，用于将以太网通讯协议转换为CAN通讯协议；以及

基于CANopen的I/O模块，其连接所述以太网转CAN通讯模块，用于基于CANopen通信方式检测数字量输入信号及控制数字量输出。

2.根据权利要求1所述的智能控制终端，其特征在于，所述智能控制终端还包括：

基于CANopen的I/O的控制模块，其连接所述以太网转CAN通讯模块。

3.根据权利要求1所述的智能控制终端，其特征在于：

所述控制板采用X86芯片。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的智能控制终端，其特征在于，所述智能控制终端还包括：高清晰度多媒体接口HDMI，其连接所述控制板。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的智能控制终端，其特征在于：

所述控制板设置有外置接口，所述外置接口包括RS232串行接口、RS485串行接口、以太网接口和USB接口中的至少一个。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的智能控制终端，其特征在于，所述智能控制终端还包括：

与所述以太网转CAN通讯模块连接的CANopen通讯口。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的智能控制终端，其特征在于：

所述基于CANopen的I/O模块具有32路数字量输入、16路数字量输出以及4路模拟量输入。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的智能控制终端，其特征在于，所述智能控制终端还包括：封闭式合金外壳，且所述外壳表面设置有启动按键。

9.根据权利要求1至3中任意一项所述的智能控制终端，其特征在于，所述智能控制终端还包括：外置式天线。

10.根据权利要求8所述的智能控制终端，其特征在于，所述智能控制终端还包括可拆卸地固定于封闭式合金外壳外部的壁挂式安装架和/或立式安装架。