CN210743149U

CN210743149U - 基于EtherCAT总线的在线烟雾检测系统

Info

Publication number: CN210743149U
Application number: CN201921861407.8U
Authority: CN
Inventors: 叶身学
Original assignee: Zhejiang Holip Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Holip Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2029-10-31

Abstract

公开了一种在线烟雾检测系统。根据实施例，在线烟雾检测系统可以包括多个节点，每个节点包括相应的烟雾检测传感器，所述多个节点基于以太网控制自动化技术(EtherCAT)总线互连。烟雾检测传感器可以是消防类烟雾检测传感器。根据本公开的实施例，采用技术成熟、成本低、应用广泛的消防类烟雾检测传感器获取被检测空间的烟雾浓度，采用EtherCAT总线技术组网与控制，可以避免基于无极性二线制数据总线的烟雾检测系统难以接入工业物联网和针对物联网设计的烟雾检测传感器成本高的问题，适用于生产车间工业物联网/互联网在线烟雾检测，具有成本低、系统性能可靠的特点。

Description

基于EtherCAT总线的在线烟雾检测系统

技术领域

本公开一般地涉及在线烟雾检测，尤其是生产车间工业物联网系统中的在线烟雾检测。

背景技术

随着工业4.0、智能工厂、无人车间等概念的提出，生产车间存在由于工人误操作或被测对象故障等原因引起线路烧毁等安全隐患受到了高度重视。传统的消防类烟雾检测系统在组网时一般采用无极性二线制编码方式组网，系统相对独立，网络带宽低，已经不能满足时下智能工厂建设环节的需求，而针对工业物联网设计的烟雾检测传感器成本相对较高。

实用新型内容

有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种基于以太网控制自动化技术(EtherCAT)总线的在线烟雾检测系统。

根据本公开的实施例，提供了一种烟雾检测系统，包括多个节点，每个节点包括相应的烟雾检测传感器，所述多个节点基于EtherCAT总线互连。例如，烟雾检测传感器可以是消防类烟雾检测传感器。

根据实施例，所述多个节点可以包括EtherCAT主站和EtherCAT从站，并可以按线性拓扑或环形拓扑互连。

根据实施例，每个EtherCAT从站可以包括：相应的烟雾检测传感器；报警装置，用于在烟雾检测传感器检测到浓度超过设定阈值的烟雾时发出警报；网络接口，用于与所述多个节点中的其他节点通信连接；控制单元，用于控制该EtherCAT从站中的部件；以及供电电路，用于为该EtherCAT从站中的部件供电。

根据实施例，EtherCAT主站可以包括报警装置，用于在从EtherCAT 从站接收到报警信息后发出警报。

根据实施例，烟雾检测传感器的接地引脚可以通过开关器件接地，通过该开关器件的导通/截止来控制烟雾检测传感器的接入/重置。

根据实施例，烟雾检测传感器可以为电流型。此时，在线烟雾检测系统还可以包括第一光耦，该第一光耦中的发光二极管可以根据烟雾检测传感器中的电流大小而发光或不发光，从而该第一光耦中的三极管相应地输出不同电平的信号。例如，第一光耦中的发光二极管的阳极可以电连接至供电电路提供的供电电压，烟雾检测传感器的供电电压引脚可以通过一电阻器件连接至供电电路提供的供电电压，而该发光二极管的阴极可以连接至该电阻器件与烟雾检测传感器的供电电压引脚之间的节点。

根据实施例，在线烟雾检测系统还可以包括第二光耦，该第二光耦中的发光二极管可以根据烟雾检测传感器是否接入而发光或不发光，从而该第二光耦中的三极管相应地输出不同电平的信号。例如，第二光耦中的发光二极管的阳极可以电连接至供电电路提供的供电电压，且该发光二极管的阴极可以电连接至烟雾检测传感器内的地。

根据本公开的实施例，采用技术成熟、成本低、应用广泛的消防类烟雾检测传感器获取被检测空间的烟雾浓度，采用EtherCAT总线技术组网与控制，可以避免基于无极性二线制数据总线的烟雾检测系统难以接入工业物联网和针对物联网设计的烟雾检测传感器成本高的问题，适用于生产车间工业物联网/互联网在线烟雾检测，具有成本低、系统性能可靠的特点。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是示出根据本公开实施例的在线烟雾检测系统的示意拓扑图；

图2是示出根据本公开实施例的在线烟雾检测系统的示意方框图；

图3是示出根据本公开实施例的以太网控制自动化技术 (EtherCAT)帧结构的示意图；

图4是示出根据本公开实施例的EtherCAT从站的操作方法的流程图；以及

图5是示出根据本公开实施例的烟雾检测传感器的电气连接的示意电路图。

贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

以太网控制自动化技术(EtherCAT)作为高性能工业以太网的代表，以其延迟低、速率快、拓扑灵活等优点得到工业界的广泛关注，已经成为工业控制领域流行的工业物联网/互联网解决方案。根据本公开的实施例，可以将技术成熟、成本低、应用广泛的消防类烟雾检测传感器融入到工业物联网(比如EtherCAT网络)系统中，对车间级工业物联网的设计具有重要的意义。

图1是示出根据本公开实施例的在线烟雾检测系统的示意拓扑图。

如图1所示，根据该实施例的在线烟雾检测系统100可以包括基于 EtherCAT总线互连的多个节点101、103-1、103-2、…、103-N。这些节点可以通过通信链路105，按照线性拓扑(如图中实线所示)或环形拓扑(如图中实线以及虚线所示)进行互连。

在这多个节点中，可以包括一个EtherCAT主站101以及一个或多个EtherCAT从站103-1、103-2、…、103-N。如下面所述，EtherCAT从站103-1、103-2、…、103-N各自可以包括布置在现场的烟雾检测传感器，例如消防类烟雾检测传感器。EtherCAT主站101可以实现各EtherCAT从站的接入、重置等控制，并可以收集各EtherCAT从站的报警信息并上报等。

另外，在图1中示出了各节点具有两个网络接口：UP和DOWN。这仅仅是命名上的区分，以便于更好地进行描述。例如，与上游节点通信连接的网络接口可以称为UP网络接口，而与下游节点通信连接的网络接口可以称为DOWN网络接口。但是，这并不意味着这两个网络接口必然在物理构造上存在区别。另外，这两个网络接口可以是逻辑上的区分，而在物理上是同一接口。当然，各节点也可以包括更多网络接口或通信接口。

图2是示出根据本公开实施例的在线烟雾检测系统的示意方框图。

如参照图1所述，根据该实施例的在线烟雾检测系统200可以包括多个节点：EtherCAT主站201以及EtherCAT从站1至N。以下，将以其中一个EtherCAT从站为例，来说明EtherCAT从站的配置。其他 EtherCAT从站可以具有相同或相似的配置。

EtherCAT从站可以包括用于为其部件供电的供电电路2301。例如，供电电路2301可以从现场的电源(例如，220V交流市电)接收电力，并将接收到的电力转换为EtherCAT从站的部件工作所需的电力(例如， 24V直流电)。例如，供电电路2301可以包括AC/DC变换电路等。

EtherCAT从站还可以包括网络接口2032。网络接口2032可以与其他节点(例如，EtherCAT主站或其他EtherCAT从站)通信连接，从而实现组网。例如，各节点的网络接口2032之间可以通过六类网线互相连接。根据本公开的实施例，各节点基于EtherCAT总线进行组网。通过网络接口2032，EtherCAT从站可以接收来自EtherCAT主站201或其他EtherCAT从站的信息，并可以向EtherCAT主站201上报报警信息、自身状态等或向其他EtherCAT从站转发信息。如上所述，网络接口2032 可以包括DOWN网络接口和UP网络接口。

EtherCAT从站可以包括烟雾检测传感器2034。烟雾检测传感器2034 可以布置在需要烟感检测的地点，例如生产车间等中，以便检测现场是否存在超过设定浓度的烟雾。烟雾检测传感器2034可以是常规的消防类烟雾检测传感器，以下将对其及其周围相关电路进行进一步说明。

EtherCAT从站还可以包括报警装置2033。当烟雾检测传感器2034 检测到烟雾超过预定浓度时，报警装置2033可以发出警报。例如，报警装置2033可以是声光报警装置，以通过声音和/或亮光发出警报。

另外，EtherCAT从站还可以包括用于对其部件进行控制的控制单元 2036。例如，控制单元2036可以控制网络接口2032接收/发送信息；可以控制烟雾检测传感器2034接入、重置等；可以控制报警装置2033发出警报，等等。控制单元2036对于EtherCAT从站的控制一方面可以至少部分地基于其自身的控制程序，另一方面可以至少部分地基于来自EtherCAT主站201的信息/命令。

当然，EtherCAT从站还可以根据需要，包括其他功能部件2036，例如输入输出(IO)控制、模拟信号采集等。

这里需要指出的是，同一EtherCAT从站的部件并不一定布置在相同的地理位置处。例如，烟雾检测传感器2034可以布置在无人车间中，报警装置2033可以布置在监控室中，控制单元2035可以布置在机房中。

EtherCAT主站201可以将各EtherCAT从站上报来的报警信息转换成结构化数据，并通过网络205例如互联网(UDP或TCP/IP协议)上报给数据/应用服务器，从而实现报警信息的远程查看。在图2中，并未示出数据/应用服务器，仅示出了控制显示终端207，控制显示终端207 可以从数据/应用服务器接收相关信息并显示。另外，控制显示终端207 还可以通过输入设备如键盘、鼠标、触摸板等输入控制指令，并通过网络205发送到EtherCAT主站201并继而传送至各EtherCAT从站，以实现相关控制。

另外，在从至少一个EtherCAT从站接收到报警信息时，EtherCAT 主站201还可以通过报警装置201a发出警报。例如，报警装置201a可以声光报警装置，以通过声音和/或亮光发出警报。

图3是示出根据本公开实施例的EtherCAT帧结构的示意图。

如图3所示，EtherCAT总线帧结构可以包括1个以太网帧头、1个报文头、多个EtherCAT子报文和1个帧校验序列(FCS)构成。EtherCAT 帧结构定义如下。

表1EtherCAT帧结构定义

名称	含义
		目的地址	接收方MAC地址
源地址	发送方MAC地址
		帧类型	0×88A4
EtherCAT头：数据长度	数据区长度，即所有子报文长度总和
		EtherCAT头：类型	1：表示与从站通信；其余保留
FCS	帧校验序列

另外，EtherCAT子报文结构定义如下。

表2EtherCAT子报文结构定义

名称	含义
		命令	寻址方式及读写方式
索引	帧编码
		地址区	从站地址
长度	报文数据区长度
		R	保留位
M	后继报文标志
		状态位	中断到来标志
数据	子报文数据结构，用户定义
		WKC	工作计数器

根据本公开的实施例，可以通过不同的子报文来实现各种功能。

例如，EtherCAT从站可以不主动向EtherCAT主站发送信息。EtherCAT主站可以每隔一段时间通过DOWN网络接口发送一个Sniffing 子报文(数据域为0)。当EtherCAT从站在UP网络接口接收到Sniffing 子报文后，数据域自动加1，并判断DOWN网络接口是否处于联网状态。如果DOWN网络接口处于联网状态，则通过DOWN网络接口发送数据域被修改过(即，加1)的Sniffing子报文；而如果DOWN网络接口没有联网，则通过UP网络接口发送数据域被修改过(即，加1)的Sniffing 子报文。另外，当EtherCAT从站在DOWN网络接口接收到Sniffing子报文后，则不修改数据域，而是通过UP网络接口发送所接收的Sniffing 子报文。当EtherCAT主站接收到返回的Sniffing子报文时，如果是UP 网络接口接收到Sniffing子报文，则表明网络拓扑结构是环形结构；而如果是DOWN网络接口接收到Sniffing子报文，则表明网络拓扑结构是线性结构。另外，根据Sniffing子报文的数据域，可以计算出网络中节点的数目。于是，可以实现节点数目的实时获取和网络拓扑结构的实时获取。

另外，EtherCAT从站在接收到Sniffing子报文时，如果烟雾检测传感器的状态发生变化，则可以打包EtherCAT普通数据子报文(例如，可以写有与烟雾检测传感器的状态变化有关的信息，如下述的报警信号 ALERT)，插入到Sniffing子报文后面，一起发送给下一节点。

另外，当EtherCAT从站接收到广播子报文时，可以执行广播子报文(例如，报警状态的解除)，并将广播子报文发送给下一从站。

图4是示出根据本公开实施例的EtherCAT从站的操作方法的流程图。

如图4所示，根据该实施例的操作方法400可以包括数据接收处理和数据发送处理。在图4所示的示例中，先进行数据接收处理，然后进行数据发送处理。但是，本公开不限于此，它们的顺序也可以交换。

在数据接收处理中，EtherCAT从站可以从上游节点(例如，EtherCAT 从站或主站)接收EtherCAT帧。EtherCAT从站可以解析接收到的 EtherCAT帧，并从中取出子报文(S402)。根据子报文的不同类型， EtherCAT从站可以进行不同的处理。

例如，可以判断取出的子报文是否为如上所述的Sniffing子报文 (S404)。如果取出的子报文是Sniffing子报文，则可以如上所述，使该 Sniffing子报文的数据域加1(S406)，并将其放入发送队列中(S416)，以便随后进一步发送到下游节点。如果取出的子报文不是Sniffing子报文，则可以进一步判断其类型。

例如，可以进一步判断取出的子报文是否为广播子报文(S408)。如果取出的子报文是广播子报文，则可以取出广播数据并进行相应处理 (S410)，并将其放入发送队列中(S416)以便进一步发送到下游节点。如果取出的子报文不是广播子报文，则可以进一步判断其类型。

例如，可以进一步判断取出的子报文是否为针对当前EtherCAT从站的子报文，更具体地，可以判断该子报文中的地址区是否对应于当前 EtherCAT从站的地址(S412)。如果取出的子报文针对当前EtherCAT从站，则可以取出该子报文中的数据并进行相应处理(S414)。如果取出的子报文并非针对当前EtherCAT从站，则可以将该子报文放入发送队列中(S416)以便进一步发送到下游节点。

以上判断各种类型子报文的操作依次进行，但是它们的顺序并不受限。根据本公开的实施例，它们的顺序可以改变或交换。

然后，可以判断数据接收处理是否完成，更具体地，判断是否还存在剩余的子报文未读(S418)。如果还有剩余子报文未读，则可以重复以上操作；如果没有剩余子报文未读额可以进行到数据发送处理。

在数据发送处理中，除了上述在数据接收处理中可能放入发送队列中的数据(例如，Sniffing子报文、广播子报文等)之外，还可以判断本地是否还存在其他需要发送的数据(S420)，例如如上所述在烟雾检测传感器的状态发生变化时所生成的写有与烟雾检测传感器的状态变化有关的信息的子报文，并将需要发送的数据放入发送队列中(S422)。

之后，可以根据发送队列，发送数据(S424)。

根据本公开的实施例，EtherCAT主站可以对EtherCAT从站中的烟雾检测传感器进行接入、重置等控制，EtherCAT从站可以上报烟雾检测传感器的状态等。可以为烟雾检测传感器设置外围电路，以便于这种控制和状态上报。

如图5所示，烟雾检测传感器S1可以布置在现场。例如，烟雾检测传感器S1可以是电流型烟雾检测传感器，更具体地，在探测到现场烟雾浓度超过设定阈值时，流经其的电流可以增大。在图5中，示意性示出了烟雾检测传感器S1的四个引脚，例如用于接收供电电压VCC的引脚1、用于连接消防总线的引脚2、用于接收地电压GND的引脚3、另一引脚4。在本示例中，引脚4与接地引脚2相互连接，以便随后用作接入状态探测引脚。

为了控制烟雾检测传感器S1的接入/重置，可以在烟雾检测传感器 S1到供电电路的连接线路上引入开关器件。在该示例中，可以在接地引脚3与地电压GND之间设置开关器件如三极管VT1。当三极管VT1的基极上的控制信号CTRL(例如，来自EtherCAT主站)为高电平时，三极管VT1导通，从而烟雾检测传感器S1接通供电并因此工作。另外，当三极管VT1的基极上的控制信号CTRL为低电平时，三极管VT1截止，从而烟雾检测传感器S1被切断供电且因此可以重置。

另外，为了上报烟雾检测传感器S1检测到的烟雾报警(对应于流过烟雾检测传感器S1的大电流)，可以设置检测流过烟雾检测传感器S1 的电流的电路。根据实施例，可以通过电阻器R1，将这种电流转换为电压。另外，可以通过光耦U1将这种电压信号检出(同时还可以实现信号隔离)。更具体地，当烟雾浓度低于设定阈值时，流经烟雾检测传感器 S1的电流较小，例如为微安级，因此电阻器R1上的压降相对较小。此时，加在光耦U1中的发光二极管两端的电压较低，从而发光二极管可以不发光，因此光耦U1中的三极管截止且因此报警信号ALERT可以为高电平。另一方面，当烟雾浓度高于设定阈值时，流经烟雾检测传感器 S1的电流较大，例如为毫安级，因此电阻器R1上的压降相对较大。此时，加在光耦U1中的发光二极管两端的电压较大，从而发光二极管可以发光，因此光耦U1中的三极管导通且因此报警信号ALERT可以为低电平。EtherCAT从站可以根据报警信号ALERT的电平，实现报警信息的检测，并可以将报警信息上报EtherCAT主站。烟雾检测传感器S1在检测到烟雾时会持续处于报警状态。此时，EtherCAT主站可以通过设置控制信号CTRL电平为低，来实现烟雾检测传感器S1的硬件重置。

另外，还可以设置检测其接入状态的电路。根据实施例，可以根据烟雾检测传感器S1的接地引脚3的连接状态来判断烟雾检测传感器S1 的接入状态。例如，在正常接入时，接地引脚3上应为地电压。类似地，可以通过光耦U2来实现这种检测(同时还可以实现信号隔离)。更具体地，可以通过光耦U2检测与接地引脚3相连的检测引脚4上的电压。当烟雾检测传感器S1正常接入时，引脚4上应为地电压。此时，加在光耦U2中的发光二极管两端的电压较大，从而发光二极管可以发光，因此光耦U2中的三极管导通且因此状态信号STAT可以为低电平。另一方面，当烟雾检测传感器S1断电时，引脚4为开路。此时，加在光耦 U2中的发光二极管两端的电压较小，从而发光二极管可以不发光，因此光耦U2中的三极管截止且因此状态信号STAT可以为高电平。EtherCAT 从站可以根据状态信号STAT的电平，实现烟雾检测传感器S1的接入状态检测，并可以将报警信息上报EtherCAT主站。

在EtherCAT总站中，只需要设置控制信号CTRL并检测报警信号 ALERT和状态信号STAT，就可以实现烟雾检测传感器S1的接入与控制。

另外，附图5中示出、但未在上面提及的电阻器R2、R3、R4、R5、 R6以及电容器C1、C2等的功能因其连接方式而可被本领域技术人员获知，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，采用技术成熟、成本低、应用广泛的消防类电流型烟雾检测传感器获取被检测空间的烟雾浓度，采用EtherCAT总线技术组网与控制，可以避免基于无极性二线制数据总线的烟雾检测系统难以接入工业物联网和针对物联网设计的烟雾检测传感器成本高的问题，适用于生产车间工业物联网/互联网在线烟雾检测，具有成本低、系统性能可靠的特点。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

1.一种在线烟雾检测系统，包括多个节点，其特征在于，每个节点包括相应的烟雾检测传感器，所述多个节点基于以太网控制自动化技术总线互连。

2.根据权利要求1所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，所述多个节点包括以太网控制自动化技术主站和以太网控制自动化技术从站，并按线性拓扑或环形拓扑互连。

3.根据权利要求2所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，每个以太网控制自动化技术从站包括：

所述相应的烟雾检测传感器；

报警装置，用于在所述烟雾检测传感器检测到浓度超过设定阈值的烟雾时发出警报；

网络接口，用于与所述多个节点中的其他节点通信连接；

控制单元，用于控制该以太网控制自动化技术从站中的部件；以及

供电电路，用于为该以太网控制自动化技术从站中的部件供电。

4.根据权利要求2或3所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，以太网控制自动化技术主站包括报警装置，用于在从以太网控制自动化技术从站接收到报警信息后发出警报。

5.根据权利要求3所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，

所述烟雾检测传感器的接地引脚通过开关器件接地，通过该开关器件的导通/截止来控制所述烟雾检测传感器的接入/重置。

6.根据权利要求3所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，

所述烟雾检测传感器为电流型，

所述在线烟雾检测系统还包括第一光耦，所述第一光耦中的发光二极管根据所述烟雾检测传感器中的电流大小而发光或不发光，从而所述第一光耦中的三极管相应地输出不同电平的信号。

7.根据权利要求6所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，

所述发光二极管的阳极电连接至所述供电电路提供的供电电压，

所述烟雾检测传感器的供电电压引脚通过一电阻器件连接至所述供电电路提供的供电电压，

所述发光二极管的阴极连接至所述电阻器件与所述烟雾检测传感器的供电电压引脚之间的节点。

8.根据权利要求3所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，还包括第二光耦，所述第二光耦中的发光二极管根据所述烟雾检测传感器是否接入而发光或不发光，从而所述第二光耦中的三极管相应地输出不同电平的信号。

9.根据权利要求8所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，所述发光二极管的阳极电连接至所述供电电路提供的供电电压，且所述发光二极管的阴极电连接至所述烟雾检测传感器内的地。

10.根据权利要求1所述的在线烟雾检测系统，其特征在于，所述烟雾检测传感器是消防类烟雾检测传感器。