CN213302806U - 一种可编程逻辑控制器、控制设备、扩展模块及控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可编程逻辑控制器、控制设备、扩展模块及控制系统，可编程逻辑控制器包括处理器模块，若干通信接口以及若干扩展网口，处理器模块进行中央处理运算，通信接口连接外部设备，其中的扩展网口是能够支持以太网通信数据传输的扩展网口，相较于传统的非以太网协议的扩展接口提升了扩展模块与可编程逻辑控制器之间通信的速度和稳定性，且抗干扰能力强，还可使用成本低廉的双绞线作为传输介质。

Description

一种可编程逻辑控制器、控制设备、扩展模块及控制系统

技术领域

本实用新型涉及PLC控制领域，具体而言，涉及一种可编程逻辑控制器、控制设备、扩展模块及控制系统。

背景技术

在工业生产制造中，需要对诸多电子系统进行工业控制，在这些工业控制的场景下少不了控制器的参与。可编程逻辑控制器(PLC,Programmable Logic Controller)则是专门为了工业生产制造中对各类电子系统进行控制而设计的数字运算操作电子系统。

在实际生产应用中，各种装置的运动需要受到精准以及智能化的控制，一种控制系统可包括运动控制型的可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器对其连接的伺服驱动器发送指令以指示伺服驱动器控制电机的运动。随着工业运动控制的需求越发提高，这类运动控制型可编程逻辑控制器往往需要丰富的功能并需要能够进行高速的输入/输出。然而现有的用于运动控制的可编程逻辑控制器往往不能满足实际应用中所需的所有功能，而通过扩展模块进行功能扩展的成本高，扩展模块易受到外界的干扰，且传输速率慢，难以适应更高的生产需求。

实用新型内容

本实用新型提供的一种可编程逻辑控制器、控制设备、扩展模块及控制系统，主要解决的技术问题是现有的用于运动控制的可编程逻辑控制器通过扩展模块进行功能扩展的成本高，扩展模块易受到外界的干扰，且传输速率慢，难以适应更高的生产需求。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器包括处理器模块，若干通信接口以及若干扩展网口；所述处理器模块用于进行中央处理运算；所述通信接口与所述处理器模块连接，用于连接外部设备的通信接口；所述扩展网口与所述处理器模块连接，用于实现所述处理器模块与扩展模块之间的远程通信连接，所述扩展网口能够支持以太网通信的数据传输，所述扩展模块通过数据传输线连接至所述扩展网口。

可选的，所述处理器模块包括互相连接的第一处理单元以及第二处理单元，所述第一处理单元用于承担逻辑控制、高速计数、通信、固件运行中的至少一种功能，所述第二处理单元用于承担运动控制、扩展功能中的至少一种功能。

可选的，所述第一处理单元和所述第二处理单元包括以下的任一种：

所述第一处理单元和所述第二处理单元中的一个为ARM处理单元，另一个为FPGA处理单元；

所述第一处理单元和所述第二处理单元中的一个为MCU处理单元，另一个为CPLD处理单元；

所述第一处理单元和所述第二处理单元中的一个为ARM处理单元，另一个为CPLD处理单元。

可选的，所述通信接口包括能够分别支持以太网通信的通信接口和/或能够支持UART串口通信协议的通信接口。

可选的，所述可编程逻辑控制器还包括与所述处理器模块连接的本地扩展口，所述本地扩展口用于实现所述处理器模块与所述扩展模块的本地通信连接，所述扩展模块上的信号连接装置直接与所述本地扩展口相连接。

可选的，所述可编程逻辑控制器还包括与所述处理器模块连接的输入输出模块，所述输入输出模块用于进行数字量输入输出和/或模拟量输入输出，所述输入输出模块包括隔离电路，所述隔离电路用于对所述输入输出模块的信号实现电气隔离。

可选的，所述输入输出模块的隔离端包括过流检测电路，用于对所述输入输出模块进行电流检测及保护。

另一方面，本实用新型还提供一种控制设备，所述控制设备包括可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器为如上所述的任一种可编程逻辑控制器。

另一方面，本实用新型还提供一种扩展模块，其特征在于，包括功能单元，以及与所述功能单元连接的连接网口，所述连接网口能够支持以太网通信的数据传输，所述连接网口用于连接至如上所述的可编程逻辑控制器的扩展网口，以使所述功能单元受到所述可编程逻辑控制器的控制。

另一方面，本实用新型还提供一种控制系统，所述控制系统包括控制设备以及受控设备，所述控制设备是如上所述的控制设备，所述受控设备受到所述控制设备的控制。

有益效果：

本实用新型提供的可编程逻辑控制器，包括处理器模块，若干通信接口以及若干扩展网口，其中处理器模块进行中央处理运算，通信接口连接外部设备，扩展网口实现与扩展模块之间的远程通信连接，该扩展网口是能够支持以太网通信数据传输的扩展网口，因而能够实现高速且低干扰的数据传输，提升了扩展模块与可编程逻辑控制器之间通信的效率和稳定性，并在一些实施方式中，可以采用双绞线作为传输介质，成本低廉并便于用户布置。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的一种可编程逻辑控制器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的一种处理器的示意图；

图3为本实用新型实施例一提供的一种具有本地扩展口的可编程逻辑控制器示意图；

图4为本实用新型实施例二提供的一种可编程逻辑控制器的结构示意图；

附图标记说明：

1-处理器模块；11-第一处理单元；12-第二处理单元；13-ARM处理单元； 14-FPGA处理单元；2-通信接口；21-第一通信接口；22-第二通信接口；3-扩展网口；31-扩展模块；4-本地扩展口；51-普通输入模块；52-普通输出模块；53- 高速输入模块；54-高速输出模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型实施例作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一：

为了解决现有的用于运动控制的可编程逻辑控制器通过扩展模块进行功能扩展的成本高，扩展模块易受到外界的干扰，且传输速率慢，难以适应更高的生产需求的问题，本实用新型实施例提供一种可编程逻辑控制器。

请参见图1，图1为本实用新型实施例一提供的可编程逻辑控制器的结构示意图，可编程逻辑控制器包括处理器模块1，若干通信接口2以及若干扩展网口 3。其中，处理器模块1用于进行中央处理运算，通信接口2与处理器模块1连接，用于连接外部设备的通信接口2；扩展网口3与处理器模块1连接，用于实现处理器模块1与扩展模块31之间的远程通信连接，扩展模块31能够通过数据传输线连接至扩展网口3，应当注意的是，本实施例中的扩展网口3能够支持 Ethernet(以太网)协议(包含但不限于TCP/IP协议)的数据传输，并可知数据传输线是能够支持以太网通信的数据传输线，例如双绞线。通过使用支持以太网通信的数据传输的扩展网口3作为扩展模块31的接入口，使得扩展模块31 与可编程逻辑控制器之间的通信可被配置为以太网通信，可编程逻辑控制器与扩展模块31之间的通信速度和质量得以提高。还应当说明的是，本实施例中的扩展网口3虽然支持以太网通信，但在实际使用时，若扩展网口3本身能够兼容其他的非以太网的通信协议，例如包含但不限于SPI、UART等协议，也可以根据需求使用其他通信协议进行传输。也就是说，扩展网口3支持以太网通信，但不应当限制为只能够进行以太网通信。

在具体实施中，处理器模块1可以使用各类处理单元，包括但不限于ARM(Advanced RISC Machines，一款RISC微处理器，以下简称ARM)处理单元， FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列，以下简称FPGA) 处理单元，MCU(Microcontroller Unit，微控制单元，以下简称MCU)处理单元，CPLD(ComplexProgramming logic device，复杂可编程逻辑器件，以下简称CPLD)处理单元等，可以理解的是，各类处理单元的底层实现不同，因而其擅长的处理运算也各有区别，可根据实际控制的需要进行选择。

在一些实施方式中，如图2所示，处理器模块1是双核的，即处理器模块1 包括互相连接的第一处理单元11以及第二处理单元12，第一处理单元11和第二处理单元12可管理不同的功能，例如，第一处理单元11用于承担逻辑控制、高速计数、通信、固件运行中的至少一种功能，第二处理单元12用于承担运动控制、扩展功能(可包括但不限于IO扩展，协议扩展等)中的至少一种功能。即第一处理单元11主要进行PLC应用软件相关的控制，第二处理单元12主要进行运动相关的控制。但应当理解的是，第一处理单元11和第二处理单元12 既可以分别执行不同的功能，也可以共同执行同样的功能，同时，共同执行同样的功能也可分为：第一处理单元11和第二处理单元12相互配合以执行同一功能，以及第一处理单元11和第二处理单元12可在不同时刻分别对同一功能进行控制。也可以理解为，第一处理单元11和第二处理单元12可以各司其职，但在一些情况下其职能也是交叉的。还在一些实施方式中，第一处理单元11与第二处理单元12的职能完全分离，不存在交叉。第一处理单元11和第二处理单元12共同完成可编程逻辑器件的控制。

第一处理单元11与第二处理单元12之间可以使用总线进行连接，两个处理单元之间的数据通过总线传输，从而能够相互配合。还可以通过共享存储空间的方式连接第一处理单元11与第二处理单元12，第一处理单元11与第二处理单元12的数据交换能够无缝衔接，速度更快。通过两个处理单元共同运算，本实施例的可编程逻辑控制器能够承担更多的高速控制处理。

在一些实施方式中，第一处理单元11和第二处理单元12包括以下的任一种：

第一处理单元11和第二处理单元12中的一个为ARM处理单元，另一个为 FPGA处理单元；

第一处理单元11和第二处理单元12中的一个为MCU处理单元，另一个为CPLD处理单元；

第一处理单元11和第二处理单元12中的一个为ARM处理单元，另一个为 CPLD处理单元。

但可理解的是，在实际应用中，还可能存在其他可选的处理单元的组合形式。

通信接口2，该外部设备可以是各类能够实现网络通信的设备，例如可以是适配器，控制从站设备等，还可以是电脑等上位机。通信接口2与上位机的连接可以使得上位机对可编程逻辑控制器进行在线远程监控，实时掌握可编程逻辑控制器以及可编程逻辑控制器所控制的设备的运转状况。

在一些实施方式中，通信接口2包括能够支持以太网通信的通信接口2和/ 或能够支持UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器，以下简称UART)串口通信协议的通信接口2。实际应用中，通信接口 2的数量可以根据需要任意设置，在此不作限制。对于其中的一个通信接口2，其可以支持以太网通信，或者可以支持UART串口通信协议，因而本实施例的可编程逻辑控制器配置有多个通信接口2时，其一部分通信接口2可用于传输以太网通信的数据，其余通信接口2可用于传输UART串口通信协议的数据，但在一些具体实施过程中，可编程逻辑控制器也可以仅设置其中一种协议的通信接口2。可编程逻辑控制器可根据实际需求，通过设置以太网通信和/或UART 串口通信协议的通信接口2，实现灵活的通信连接。

在一些实施方式中，参见图3，可编程逻辑控制器还包括本地扩展口4，本地扩展口4同样用于连接扩展模块31，但与扩展网口3所不同的是，本地扩展口4与扩展模块31实现的是本地通信连接，当扩展模块31与可编程逻辑控制器相连时，扩展模块31上的信号连接装置与本地扩展口4相连接。

应当说明的是，在本实施例中，由扩展网口3实现处理器模块1与扩展模块31的远程通信连接，与本地扩展口4实现处理器模块1与扩展模块31的本地通信连接是相对的概念；远程通信连接并不限定为相距一定距离的通信，而是可以通过数据传输线进行连接，其具备能够实现较远距离通信的能力；而本地通信连接则指可编程逻辑控制器与扩展模块31之间通过自身设置的例如连接器等信号连接装置进行对接，其通常不能实现远距离的连接，进行本地通信连接的可编程逻辑控制器与扩展模块31之间往往需要设置在一起。本实施例中的可编程逻辑控制器带有本地扩展口4以及扩展网口3两种可用来进行扩展的接口，即能够使用扩展网口3实现远程高速的扩展通信，也可以使用本地扩展口4 实现简单快捷的本地扩展部署，用户在使用的可以根据需要选配相应的扩展模块31，灵活度高。

在一些实施方式中，可编程逻辑控制器还包括与处理器模块1连接的输入输出模块，输入输出模块可用于进行数字量输入输出和/或模拟量输入输出，也即，输入输出模块中可包括用于数字量输入输出的模块，或者包括用于模拟量输入输出的模块，或者二者都有。输入输出模块包括隔离电路，隔离电路用于对输入输出模块的信号实现电气隔离，以抑制外界干扰，保护电路。

输入输出模块的隔离端分别包括过流检测电路，用于对输入输出模块进行电流检测以及保护。输入输出模块可包括普通的隔离式输入输出模块，可进行例如PLC的逻辑控制功能相关信号的输入输出。在一些实施方式中，输入输出模块包括分别用于进行数字量输入的高速输入模块和用于进行数字量输出的高速输出模块，还在一些实施方式中包括用于进行模拟量输入的高速输入模块以及用于进行模拟量输出的高速输出模块。作为示例，高速输入模块的隔离端包括脉冲输入电路，被隔离端包括脉冲调制电路；高速输出模块的隔离端包括输出调制电路，输出驱动电路，在一些实施方式中还包括过流检测电路以对电路进行电流保护；高速输出模块的被隔离端包括PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制，简称PWM)脉冲输出电路，PWM脉冲调制电路。应当理解的是，被隔离端即是靠近处理器模块1的一侧，被隔离端的信号被对外隔离，对应的，隔离端则是靠近外部输入或向外部输出的一端。作为示例，本实施例中使用的隔离电路可以是光耦隔离电路或数字隔离电路。

本实施例还提供一种控制设备，该控制设备包括可编程逻辑控制器，且该可编程逻辑控制器为上述的任一种可编程逻辑控制器。可以理解的是，该控制设备通过使用上述的可编程逻辑控制器可连接受控设备以实施控制。在具体实施中，控制设备可设置壳体以及供电单元或其他功能电路、装置等部分中的至少一种，相应的，可编程逻辑控制器以包括但不限于板卡的形式设置在壳体中，受到相应的供电单元的供电，与其他功能电路和/或装置产生配合，且可编程逻辑控制器也可与其他功能电路形成在同一电路板上。

本实施例还提供一种扩展模块，包括功能单元以及与功能单元连接的连接网口，连接网口能够支持以太网通信的数据传输，连接网口用于连接上述的可编程逻辑控制器。扩展模块与可编程逻辑控制器连接后，使得功能单元能够受到可编程逻辑控制器的控制，从而实现相应的功能扩展。相较于使用串口的扩展模块，本实施例的扩展模块使用支持以太网通信的连接网口，保证了扩展传输的速度和稳定性。

本实施例还提供一种控制系统，包括上述的控制设备以及受到控制设备控制的受控设备。作为一种示例，控制系统中还可以包括上位机、上述的扩展模块等装置或设备。其中，上位机可与控制设备连接以对其进行监控等控制；扩展模块连接到控制设备上以作为控制设备的扩展，这些扩展模块可以直接以本地扩展的方式直接加载到控制设备上，也可以通过可编程逻辑控制器上的扩展网口实现分布式的部署。示例性的，受控设备可直接与控制设备连接，受到控制设备的控制，在具体实施过程中，也可能与控制设备连接的扩展模块相连接，或部分与控制设备部分与扩展模块相连接，控制设备配合扩展模块对受控设备进行控制。

本实施例的可编程逻辑控制器包括处理器模块、通信模块以及扩展网口，通过采用可支持以太网通信的扩展网口实现与处理器模块与扩展模块之间的远程通信连接，不仅实现了远程的扩展功能，并且以太网通信的扩展工作频率高于传统的扩展协议，能够达到10M/100M级别，传统的干扰源往往是较低频率的，对扩展模块信号的影响较小，因而也使得可编程逻辑控制器与扩展模块之间的通信速度和质量得以提高，且在一些实施方式中可以使用双绞线作为传输介质，成本低。同时，在一些实施方式中，可以选用双核的处理器模块，保证运算和控制的速度，能够胜任更高要求的工作场景。

实施例二：

请参见图4，本实施例示出一种较具体的可编程逻辑控制器，以下结合图4 对本实施例的可编程逻辑控制器作进一步说明。

可编程逻辑控制器包括处理器模块1，处理器模块1使用双核处理器包括一 ARM处理单元13以及一FPGA处理单元14，在实际应用中，可以使用成品的 ARM+FPGA的平台。其中，ARM处理单元13与FPGA处理单元14互相连接，即二者能够相互配合。FPGA处理单元14具有数字电路高效且可靠的性能，且支持并发运行的特点，相比ARM处理单元13内核指令间的流水方式，更能有效解决同时多线程多路高速脉冲的输出问题，因而作为一种示例，在本实施例中ARM处理单元13主要用于进行逻辑控制，高速计数，通信，固件运行以及相关的PLC应用软件等功能，FPGA处理单元14则主要用于进行运动控制，尤其是高速运动控制，以及包括但不限于IO扩展，协议扩展等扩展功能的实现。利用两个处理单元的不同特性，各自处理擅长的工作，不仅提升可编程逻辑控制器整体的运算速度，也保证了处理单元模块资源的合理分配和利用。

本实施例的可编程逻辑控制器同时设置有两种扩展接口，分别是可用于实现处理器模块1与扩展模块之间远程通信连接的扩展网口3，以及用于实现处理器模块1与扩展模块本地通信连接本地扩展口44。使用者即能够使用扩展网口 3实现远程高速的扩展通信，也可以使用本地扩展口44实现简单快捷的本地扩展部署，用户在使用的可以根据需要选配相应的扩展模块，灵活度高。

可编程逻辑控制器设置多个通信接口，包括支持以太网通信的第一通信接口21以及可用于传输UART串口通信协议的数据的第二通信接口22，通信接口用于连接外部设备，可连接电脑等上位机实现本地监控或在线远程监控，实时掌握可编程逻辑控制器以及可编程逻辑控制器所控制的设备的运转状况，也可以通过网络连接其他外部设备，例如适配器，控制从站设备等。

同时，可编程逻辑控制器包括普通输入输出模块以及高速输入输出模块，分别可用于不同功能场景下的数据输入和输出。应当说明的是，普通输入输出模块和高速输入输出模块都是隔离式的，能够将相应的信号电气隔离，以抑制干扰，保护电路，在一种具体实施方式中，高速输入输出模块选用光耦隔离。普通输入输出模块的普通输入模块51和普通输出模块52进行例如PLC的逻辑控制功能相关信号的输入输出。高速输入输出模块进行控制信号的高速输入输出，本实施例中具体进行数字量信号的高速输入和输出。具体的，高速输入输出模块中的高速输入模块53的光耦隔离端包括脉冲输入电路，被隔离端包括脉冲调制电路；高速输出模块54的光耦隔离端包括输出调制电路，输出驱动电路，过流检测电路，高速输出模块54的被隔离端包括PWM脉冲输出电路，PWM 脉冲调制电路。

本实施例还提供一种控制设备，使用上述可编程逻辑控制器，控制设备的设置可与实施例一中示出的一致，在此不再赘述。还提供一种控制系统，包括上述的控制设备以及通过通信接口与控制设备相连接并受到控制设备控制的受控设备。

在具体实施过程中，处理器可选择自带MAC控制器的处理器，可搭配物理接口收发器进行以太网通信传输；或可以直接选用集成有MAC控制器以及物理接口收发器的处理器。同时，还可以设置网络变压器将传输线(例如双绞线) 进行隔离，保证较远距离的传输距离，有利于实现更远距离的扩展。

本实施例的可编程逻辑控制器使用支持以太网通信的扩展网口作为连接扩展设备的接口，通信速度高且稳定，通信质量得以提高，同时还采用ARM+FPGA 双核处理器配合实现完整的运动控制，性能好速度快，能够适应更多更复杂的应用场景。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型实施例所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。以上实施方式中，提及的连接关系，其可以是直接的连接，在某些情况下，也可能是间接的连接。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种可编程逻辑控制器，其特征在于，所述可编程逻辑控制器包括处理器模块(1)，若干通信接口(2)以及若干扩展网口(3)；所述处理器模块(1)用于进行中央处理运算；所述通信接口(2)与所述处理器模块(1)连接，用于连接外部设备的通信接口(2)；所述扩展网口(3)与所述处理器模块(1)连接，用于实现所述处理器模块(1)与扩展模块之间的远程通信连接，所述扩展网口(3)能够支持以太网通信的数据传输，所述扩展模块通过数据传输线连接至所述扩展网口(3)。

2.如权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于，所述处理器模块(1)包括互相连接的第一处理单元(11)以及第二处理单元(12)，所述第一处理单元(11)用于承担逻辑控制、高速计数、通信、固件运行中的至少一种功能，所述第二处理单元(12)用于承担运动控制、扩展功能中的至少一种功能。

3.如权利要求2所述的可编程逻辑控制器，其特征在于，所述第一处理单元(11)和所述第二处理单元(12)包括以下的任一种：

所述第一处理单元(11)和所述第二处理单元(12)中的一个为ARM处理器，另一个为FPGA处理器；

所述第一处理单元(11)和所述第二处理单元(12)中的一个为MCU处理器，另一个为CPLD处理器；

所述第一处理单元(11)和所述第二处理单元(12)中的一个为ARM处理器，另一个为CPLD处理器。

4.如权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于，所述通信接口(2)包括能够分别支持以太网通信的通信接口(2)和/或能够支持UART串口通信协议的通信接口(2)。

5.如权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于，所述可编程逻辑控制器还包括与所述处理器模块(1)连接的本地扩展口(4)，所述本地扩展口(4)用于实现所述处理器模块(1)与所述扩展模块的本地通信连接，所述扩展模块上的信号连接装置直接与所述本地扩展口(4)相连接。

6.如权利要求1所述的可编程逻辑控制器，其特征在于，所述可编程逻辑控制器还包括与所述处理器模块(1)连接的输入输出模块，所述输入输出模块用于进行数字量输入输出和/或模拟量输入输出，所述输入输出模块包括隔离电路，所述隔离电路用于对所述输入输出模块的信号实现电气隔离。

7.如权利要求6所述的可编程逻辑控制器，其特征在于，所述输入输出模块的隔离端包括过流检测电路，用于对所述输入输出模块进行电流检测及保护。

8.一种控制设备，其特征在于，所述控制设备包括可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器为权利要求1-7任一项所述的可编程逻辑控制器。

9.一种扩展模块，其特征在于，包括功能单元，以及与所述功能单元连接的连接网口，所述连接网口能够支持以太网通信的数据传输，所述连接网口用于连接至如权利要求1-7任一项所述的可编程逻辑控制器的扩展网口(3)，以使所述功能单元受到所述可编程逻辑控制器的控制。

10.一种控制系统，其特征在于，所述控制系统包括控制设备以及受控设备，所述控制设备是如权利要求8所述的控制设备，所述受控设备受到所述控制设备的控制。

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