CN216083487U - 一种基于EtherCAT总线的工业现场控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，涉及工业现场总线系统自动化技术数字控制领域。本实用新型用模块化结构设计，将工业环境中易损的电源模块、EtherCAT从站模块、输入模块和/或输出模块均使用接插件插入不易损坏的母板中，另外，在每一路输入通道与输出通道均装有一个指示该工作状态的发光二极管，且可根据需要扩展输入接口与输出接口。不仅降低了接线的难度，还能够实现EtherCAT总线的工业现场控制装置故障的快速判断及维护。同时本实施例采用SPI扩展接口极易与其它的外设扩展模块快速的进行信息交换，满足不同种类的工业现场设备均能接入EtherCAT总线并与控制系统相连接并对其进行控制和数据采集。

Description

一种基于EtherCAT总线的工业现场控制装置

技术领域

本实用新型涉及工业现场总线系统自动化技术数字控制领域，特别是涉及一种基于EtherCAT总线的工业现场控制装置。

背景技术

20世纪90年代以来，伴随着控制技术、计算机技术及网络技术的飞速发展，网络控制技术在国民经济众多领域中得到越来越广泛的应用。它打破了控制系统在空间位置上的限制，扩宽了控制活动的场所，降低了系统连接的复杂性，减少系统的重量和体积，增强了系统的灵活性和可靠性。EtherCAT工业以太网因其高速、高可靠性、实时性强及同步性好，兼容性好，能轻松接入互联网，在自动控制领域展现出其众多优势。基于EtherCAT工业以太网技术研究开发嵌入式EtherCAT从站通信控制器及其通讯网络在工业现场控制系统当中的应用，广泛应用于运动控制领域，在测控领域、半导体生产、分布式能源、军用、商业演示等自动控制系统中。

自动化产品种类的多样与应用集成的千差万别对总线通讯设备的灵活性是一种严峻的考验。工业现场整个自动控制系统中，往往由多种不同类型的被控设备和传感装置通过多种不同的方式和现场控制器相连，接线较为复杂，故障诊断困难，维护成本较高。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种功能高度集成，资源丰富且易于扩展兼容不同输入、输出设备、出现故障时易于诊断和维护的EtherCAT总线工业现场控制装置显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，解决IO响应速度低，集成度低，功能单一，不能兼容不同类型输入传感器及输出被控设备，扩展性差、故障诊断困难，维护成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，包括母板，电源模块，EtherCAT从站模块以及输入和/或输出模块，所述电源模块、所述EtherCAT从站模块、所述输入和/或输出模块均通过接插件安装在所述母板上。所述EtherCAT从站模块接有SPI扩展接口。

所述母板安装在控制系统的设备上。所述母板本身没有易损元器件且控制系统中所有连接电线均通过连接端子和母板上的接口相连。因此采用模块化的方式将各个功能模块使用接插件集成在所述母板上，功能高度集成，接线简单。当控制系统发生故障时，不需要更换母板，也不会影响控制系统的重新接线，只需更换有问题的模块即可，极大的方便了工业现场维护且降低了维护成本。对于不同的工业现场，所述SPI接口可接入不同的外扩模块，且通过标准EtherCAT总线通信协议和上位机控制系统进行信息交互。且本实用新型可只配置输入模块或输出模块，也可同时配置输入模块和输出模块，使得本实用新型的应用范围更加广泛，适用性更强。

具体地，所述EtherCAT从站模块包括应用层微处理器和数据链路层电路。所述应用层微处理器与所述输入和/或输出模块电连接；所述应用层微处理器和所述数据链路层电路电连接。所述应用层微处理器用于完成应用层逻辑运算、信号处理及输出控制。所述数据链路层电路用于完成EtherCAT总线通信的数据链接。所述EtherCAT从站模块是EtherCAT总线工业现场控制装置的总线通信、逻辑运算及控制的核心单元。

具体地，所述应用层微处理器采用STM32F103芯片。所述应用层微处理器是一种增强型系列微控制器，功耗低且应用场景广泛。该芯片容易获取，能够降低本实用新型的制造成本。

具体地，所述数据链路层电路包括：二个并行的网络端口和从站控制器；每个所述网络端口与所述从站控制器之间接有一个PHY芯片。所述从站控制器实现EtherCAT数据链路层协议，并处理EtherCAT数据帧。

具体地，所述网络端口采用卧式HR91110A端口或立式HY951180A端口。多样的网络接口使得本实用新型的应用场景更加广泛。

具体地，所述PHY芯片采用KS8721BL芯片。该芯片价格便宜，容易获取，能够降低本实用新型的制造成本。

具体地，所述从站控制器采用ET1100芯片，所述从站控制器接有电可擦编程只读存储器。该芯片为所述EtherCAT从站的常用芯片，容易获取，能够降低本实用新型的制造成本。

具体地，所述电可擦编程只读存储器采用24LC16B芯片。该芯片价格便宜，容易获取，能够降低本实用新型的制造成本。

具体地，所述电源模块包括第一隔离电源模块和第二隔离电源模块，所述第一隔离电源模块采用DC 24V转DC 24V的电源模块；所述第二隔离电源模块采用DC 24V转DC 5V的电源模块。所述电源模块通过接插件安装于所述母板上，当出现故障时能快速更换电源模块。采用隔离电源为本实用新型的功能模块供电，当电源出现故障时，不会影响到整个控制系统的电源供电，方便设备的维护，也不会造成对控制系统的损坏。

具体地，所述输入和/或输出模块通过光栅隔离的方式与所述应用层微处理器的I/O接口相连接；每路输入通道与输出通道均接有一个发光二极管。易于扩展兼容不同输入、输出设备。所述发光二极管可指示其所在通路的工作状态，工业现场出现故障时，工作人员可通过判断发光二极管的状态进行诊断和维护。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型采用模块化结构设计，将工业环境中易损的电源模块、EtherCAT从站模块、输入模块和/或输出模块均使用接插件插入不易损坏的母板中，在工业现场中不易更换的所有连接电线均和所述母板相连，且可根据实际使用场景选择性接入输入模块，或输出模块，或输入模块和输出模块，另外，在每一路输入通道与输出通道均装有一个指示该工作状态的发光二极管，且可根据需要扩展输入接口与输出接口。不仅降低了接线的难度，还能够实现EtherCAT总线的工业现场控制装置故障的快速判断及维护。同时本实施例采用SPI扩展接口极易与其它的外设扩展模块快速的进行信息交换，满足不同种类的工业现场设备均能接入EtherCAT总线并与控制系统相连接并对其进行控制和数据采集。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置结构框图。

图2为本实用新型实施例一至实施例三的EtherCAT从站模块原理框图。

图3为本实用新型实施例一至实施例三的EtherCAT从站模块物理层电路原题图。

图4为本实用新型实施例一至实施例三的EtherCAT从站模块数据链路层电路原题图。

图5为本实用新型实施例一至实施例三的EtherCAT从站模块应用层微处理器电路原题图。

图6为本实用新型实施例一至实施例三的电源模块电路原理图。

图7为本实用新型实施例一至实施例三的输入模块输入接口电路图。

图8为本实用新型实施例一至实施例三的输出模块输出接口电路图。

图9本实用新型实施例二的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置结构框图。

图10为本实用新型实施例二中输入模块和母板连接的接口电路图。

图11本实用新型实施例三的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置结构框图。

图12为本实用新型实施例三中输出模块和母板连接的接口电路图。

其中，U1为应用层微处理器，U2为第一隔离电源模块，U3为第二隔离电源模块；U4为稳压器，U5为PHY芯片，U6为网络端口，UI1为第一光栅，UK1为第二光栅。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实用新型一实施例的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置包括母板，电源模块，EtherCAT从站模块以及输入和输出模块。所述电源模块、所述EtherCAT从站模块、所述输入和输出模块通过接插件安装在所述母板上。所述EtherCAT从站模块接有SPI扩展接口。所述SPI接口用于接入外部扩展模块，所述外部扩展模块包括模拟量A/D输入模块、模拟量D/A输出模块、PWM输出、编码计数模块。

所述母板安装在控制系统的设备上。所述母板本身没有易损元器件且控制系统中所有连接电线均通过连接端子和母板上的接口相连。因此采用模块化的方式将各个功能模块使用接插件集成在所述母板上，功能高度集成，接线简单。当控制系统发生故障时，不需要更换母板，也不会影响控制系统的重新接线，只需更换有问题的模块即可，极大的方便了工业现场维护且降低了维护成本。对于不同的工业现场，所述SPI接口可接入不同的外扩模块，且通过标准EtherCAT总线通信协议进行信息交互。且本实用新型可只配置输入模块或输出模块，也可同时配置输入模块和输出模块，使得本实用新型的应用范围更加广泛，适用性更强。

如图2所示，所述EtherCAT从站模块是EtherCAT总线工业现场控制装置的总线通信、逻辑运算及控制的核心单元，包括LDO电源单元，应用层微处理器和数据链路层电路。所述应用层微处理器采用STM32F103芯片，用于完成应用层逻辑运算、各类信号处理及输出控制。所述数据链路层电路用于完成EtherCAT总线通信的数据链接，包括从站控制器、电可擦编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简写为EEPROM）、2个PHY芯片及2个带隔离变压器的网络端口及外围器件。

所述从站控制器采用EtherCAT从站控制专用集成ESC芯片ET1100，实现EtherCAT数据链路层协议并处理EtherCAT数据帧，通过SPI接口和所述应用层微处理器相连。所述PHY芯片采用KS8721BL芯片，所述PHY芯片的一端和网络端口相连完成物理接口电信号收发转换，另一端通过媒体独立接口（Media Independent Interface，简称为MII）和所述从站控制器相连。所述EEPROM用于存储从EtherCAT主站下载的配置信息，采用24LC16B芯片，所述EEPROM采用集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，简称IIC）接口和所述从站控制器相连。

如图2与图3所示，所述网络端口U6的型号采用HY951180A的RJ45端口，自带隔离变压器。来自于EtherCAT总线的电信号经所述网络端口U6后进入所述PHY芯片U5进行收、发电信号的转换，所述PHY芯片U5的另一端通过它的MII接口和所述从站控制器相连。所述PHY芯片U5的外围电阻R40和排阻R42用于配置PHY地址，所述网络端口U6上接有LEFTLED指示灯用于指示网络的连接状态。

如图2与图4所示，所述从站控制器通过外部电路在芯片上电时配置成2个EtherCAT端口模式，通过MII接口和2个所述PHY芯片相连，其中接口PHY0和地址为0的PHY芯片相连，用于EtherCAT总线的工业现场控制装置本级节点通信，其中接口PHY1和地址为1的PHY芯片相连，用于将EtherCAT总线上的数据通过端口转发到下级节点。所述从站控制器通过网络为EEPROM_DATA和EEPOM_CLK的IIC接口和所述EEPROM相连，以使得所述EEPROM能够存储从EtherCAT主站下载的配置信息。

如图2与图5所示，所述应用层微处理器U1通过IO端口与所述输入模块相连，读取控制系统中传感器的输入状态，通过所述输出模块控制系统中设备的工作。所述应用层微处理器U1通过SPI1接口和所述从站控制器相连并通过EtherCAT总线与外部上位机控制系统进行信息交互。所述应用层微处理器U1通过SPI2接口与所述外部扩展模块相连并进行信息交互。所述应用层微处理器U1通过自身的PWM模块、DAC模块产生工业现场控制系统所需的信息。所述应用层微处理器U1通过DAC，定时计数模块读取工业现场控制系统各种传感器的传感信息。

如图1与图6所示，本实用新型实施例一的电源模块包括第一隔离电源模块和第二隔离电源模块。所述第一隔离电源模块的型号为URB2424YMD-10WR3，该型号是DC24V转DC24V的电源模块，为所述输入模块和所述输出模块提供工作电源。所述第二隔离电源模块的型号为EWS3-24S05，该模块是DC24V转DC5V的电源模块，为所述EtherCAT从站模块及其外围电路提供工作所需的5V直流电源。采用隔离电源为EtherCAT总线的工业现场控制装置供电，当电源出现故障时也不会影响整个控制系统的24V电源供电。

如图6所示，DC24V电源从接头P1输入，经二极管D1、保险管F1、F2后分别进入所述第一隔离电源模块U2和所述第二隔离电源模块U3，经由所述第一隔离电源模块U2输出DC24V电源，所述第二隔离电源模块U3输出DC 5V电源。上述二路电源均经接插件P3送入所述母板，为所述输入模块和所述输出模块提供所需的24V和5V工作电源，同时为所述EtherCAT从站模块提供所需的5V工作电源。所述第二隔离电源模块U3输出的DC5V电源另外一路经稳压器U4后输出3.3V电源，进而为所述输入模块和所述输出模块提供其所需的3.3V电源。所述稳压器U4的型号为AMS1117-3.3。

如图1和图7所示，所述输入模块包括4通道的第一光栅UI1及外围器件，本实施例中所述第一光栅UI1的型号为TLP290-4。所述输入模块包括4路输入，通过P3和接插件P1安插于母板上并和母板上输入传感器的端子相连。四路输入传感器的输出信号经母板后分别送到通道IN1，IN2，IN3，IN4及COM1的公共端，然后经所述第一光栅UI1隔离后分别从通道DIN1，DIN2，DIN3，DIN4输出，输出信号经母板传输至所述应用层微处理器U1，所述应用层微处理器U1即可读取输入传感器的工作状态信息。所述第一光栅UI1为双向输入，故能很好的兼容NPN型和PNP型传感器。每一路输入接有一个发光二极管，分别为发光二极管D4，D5，D6，D7，当所述发光二极管点亮，说明其对应的通道有信号输入，方便工业现场进行控制系统的故障检查。

如图1和图8所示，所述输出模块包括4通道的第二光栅UK1及外围器件，本实施例中所述第二光栅UK1的型号为TLP293-4。所述输出模块包括4路输出，通过接插件P4和P2安插于母板上并和母板上的输出继电器及所述应用层微处理器U1相连。所述应用层微处理器U1的四路输出控制信号分别从通道DO1，DO2，DO3，DO4进入所述第二光栅UK1，再分别从通道DOK1，DOK2，DOK3，DOK4进入输出继电器的驱动三极管Q1，Q2，Q3，Q4，然后分别通道DK1，DK2，DK3，DK4进入所述母板上的输出继电器。每一路输出接有一个发光二极管，分别为D2，D8，D10和D12，当所述发光二极管点亮，说明其对应的的通道有信号输出，方便工业现场进行控制系统的故障检查。

本实用新型一实施例的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置采用模块化结构设计，将工业环境中易损的电源模块、EtherCAT从站模块、输入和输出模块均使用接插件插入不易损坏的母板中，在工业现场中将不易更换的所有连接电线均和母板相连，降低了接线的难度并实现EtherCAT总线的工业现场控制装置故障的快速判断及维护；同时本实用新型采用SPI扩展接口极易与其它的外设扩展模块快速的进行信息交换，满足不同种类的工业现场设备均能接入EtherCAT总线并与控制系统相连接并对其进行控制和数据采集。

实施例二

如图9所示，本实用新型实施例二中，基于EtherCAT总线的工业现场控制装置包括母板，电源模块，EtherCAT从站模块以及DI输入模块。所述电源模块、所述EtherCAT从站模块、所述DI输入模块通过接插件安装在所述母板上。所述EtherCAT从站模块接有SPI扩展接口。所述SPI接口用于接入外部扩展模块，所述外部扩展模块包括数字输出DO模块、模拟量A/D输入模块、模拟量D/A输出模块、PWM输出模块、编码计数模块。

所述母板安装在控制系统的设备上。所述母板本身没有易损元器件且控制系统中所有连接电线均通过连接端子和母板上的接口相连。因此采用模块化的方式将各个功能模块使用接插件集成在所述母板上，功能高度集成，接线简单。当控制系统发生故障时，不需要更换母板，也不会影响控制系统的重新接线，只需更换有问题的模块即可，极大的方便了工业现场维护且降低了维护成本。对于不同的工业现场，所述SPI接口可接入不同的外扩模块，且通过标准EtherCAT总线通信协议进行信息交互。且本实用新型只配置了所述DI输入模块，所述DO输出模块由所述SPI接口接入，以适用于不同的应用场景。

如图2所示，所述EtherCAT从站模块是EtherCAT总线工业现场控制装置的总线通信、逻辑运算及控制的核心单元，包括LDO电源单元，应用层微处理器和数据链路层电路。所述应用层微处理器采用STM32F103芯片，用于完成应用层逻辑运算、各类信号处理及输出控制。所述数据链路层电路用于完成EtherCAT总线通信的数据链接，包括从站控制器、电可擦编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简写为EEPOM）、2个PHY芯片及2个带隔离变压器的网络端口及外围器件。

所述从站控制器采用EtherCAT从站控制专用集成ESC芯片ET1100，实现EtherCAT数据链路层协议并处理EtherCAT数据帧，通过SPI接口和所述应用层微处理器相连。所述PHY芯片采用KS8721BL芯片，所述PHY芯片的一端和网络端口相连完成物理接口电信号收发转换，另一端通过媒体独立接口（Media Independent Interface，简称为MII）和所述从站控制器相连。所述EEPROM用于存储从EtherCAT主站下载的配置信息，采用24LC16B芯片，所述EEPROM采用集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，简称IIC）接口和所述从站控制器相连。

如图2与图3所示，所述网络端口U6的型号采用HY951180A的RJ45端口，自带隔离变压器。来自于EtherCAT总线的电信号经所述网络端口U6后进入所述PHY芯片U5进行收、发电信号的转换，所述PHY芯片U5的另一端通过它的MII接口和所述从站控制器相连。所述PHY芯片U5的外围电阻R40和排阻R42用于配置PHY地址，所述网络端口U6上接有LEFTLED指示灯用于指示网络的连接状态。

如图2与图4所示，所述从站控制器通过外部电路在芯片上电时配置成2个EtherCAT端口模式，通过MII接口和2个所述PHY芯片相连，其中接口PHY0和地址为0的PHY芯片相连，用于EtherCAT总线的工业现场控制装置本级节点通信，其中接口PHY1和地址为1的PHY芯片相连，用于将EtherCAT总线上的数据通过端口转发到下级节点。所述从站控制器通过网络为EEPROM_DATA和EEPOM_CLK的IIC接口和所述EEPROM相连，以使得所述EEPROM能够存储从EtherCAT主站下载的配置信息。

如图2与图5所示，所述应用层微处理器U1通过IO端口与所述输入模块相连，读取控制系统中传感器的输入状态，通过所述输出模块控制系统中设备的工作。所述应用层微处理器U1通过SPI1接口和所述从站控制器相连并通过EtherCAT总线与外部上位机控制系统进行信息交互。所述应用层微处理器U1通过SPI2接口与所述外部扩展模块相连并进行信息交互。所述应用层微处理器U1通过自身的PWM模块、DAC模块产生工业现场控制系统所需的信息。所述应用层微处理器U1通过DAC，定时计数模块读取工业现场控制系统各种传感器的传感信息。

如图9与图6所示，本实用新型实施例二的电源模块包括第一隔离电源模块和第二隔离电源模块。所述第一隔离电源模块的型号为URB2424YMD-10WR3，该型号是DC24V转DC24V的电源模块，为所述DI输入模块提供工作电源。所述第二隔离电源模块的型号为EWS3-24S05，该模块是DC24V转DC5V的电源模块，为所述EtherCAT从站模块及其外围电路提供工作所需的5V直流电源。采用隔离电源为EtherCAT总线的工业现场控制装置供电，当电源出现故障时也不会影响整个控制系统的24V电源供电。

如图6所示，DC24V电源从接头P1输入，经二极管D1、保险管F1、F2后分别进入所述第一隔离电源模块U2和所述第二隔离电源模块U3，经由所述第一隔离电源模块U2输出DC24V电源，所述第二隔离电源模块U3输出DC 5V电源。上述二路电源均经接插件P3送入所述母板，为所述输入模块和所述输出模块提供所需的24V和5V工作电源，同时为所述EtherCAT从站模块提供所需的5V工作电源。所述第二隔离电源模块U3输出的DC5V电源另外一路经稳压器U4后输出3.3V电源，进而为所述输入模块和所述输出模块提供其所需的3.3V电源。所述稳压器U4的型号为AMS1117-3.3。

如图9和图7所示，所述输入模块包括4通道的第一光栅UI1及外围器件，本实施例中所述第一光栅UI1的型号为TLP290-4。所述输入模块包括4路输入，通过P3和接插件P1安插于母板上并和母板上输入传感器的端子相连。四路输入传感器的输出信号经母板后分别送到通道IN1，IN2，IN3，IN4及COM1的公共端，然后经所述第一光栅UI1隔离后分别从通道DIN1，DIN2，DIN3，DIN4输出，输出信号经母板传输至所述应用层微处理器U1，所述应用层微处理器U1即可读取输入传感器的工作状态信息。所述第一光栅UI1为双向输入，故能很好的兼容NPN型和PNP型传感器。每一路输入接有一个发光二极管，分别为发光二极管D4，D5，D6，D7，当所述发光二极管点亮，说明其对应的通道有信号输入，方便工业现场进行控制系统的故障检查。若需扩展输入接口，在母板上插入需要的输入模块，并相应增加输入传感器即可实现。

实施例二的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置采用模块化结构设计，将工业环境中易损的电源模块、EtherCAT从站模块、输入模块均插入不易损坏的母板中，在工业现场中不易更换的所有连接电线均和所述母板相连，且将所述EtherCAT从站控制器和输入模块、输入接线接口都集成在母板上，在每一路输出装有一个指示该工作状态的发光二极管，且可根据需要扩展输出接口。不仅降低了接线的难度，还能够实现EtherCAT总线的工业现场控制装置故障的快速判断及维护。同时本实施例采用SPI扩展接口极易与其它的外设扩展模块快速的进行信息交换，满足不同种类的工业现场设备均能接入EtherCAT总线并与控制系统相连接并对其进行控制和数据采集。

实施例三

如图11所示，本实用新型实施例三的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置包括母板，电源模块，EtherCAT从站模块以及和DO输出模块。所述电源模块、所述EtherCAT从站模块、所述DO输出模块通过接插件安装在所述母板上。所述EtherCAT从站模块接有SPI扩展接口。所述SPI接口用于接入外部扩展模块，所述外部扩展模块包括模拟量A/D输入模块、模拟量D/A输出模块、数字量DI输入模块、PWM输出、编码计数模块。

所述母板安装在控制系统的设备上。所述母板本身没有易损元器件且控制系统中所有连接电线均通过连接端子和母板上的接口相连。因此采用模块化的方式将各个功能模块使用接插件集成在所述母板上，功能高度集成，接线简单。当控制系统发生故障时，不需要更换母板，也不会影响控制系统的重新接线，只需更换有问题的模块即可，极大的方便了工业现场维护且降低了维护成本。对于不同的工业现场，所述SPI接口可接入不同的外扩模块，且通过标准EtherCAT总线通信协议进行信息交互。且本实用新型只配置了所述DO输出模块，所述DI输入模块由所述SPI接口接入，以适用于不同的应用场景。

如图2所示，所述EtherCAT从站模块是EtherCAT总线工业现场控制装置的总线通信、逻辑运算及控制的核心单元，包括LDO电源单元，应用层微处理器和数据链路层电路。所述应用层微处理器采用STM32F103芯片，用于完成应用层逻辑运算、各类信号处理及输出控制。所述数据链路层电路用于完成EtherCAT总线通信的数据链接，包括从站控制器、电可擦编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简写为EEPOM）、2个PHY芯片及2个带隔离变压器的网络端口及外围器件。

所述从站控制器采用EtherCAT从站控制专用集成ESC芯片ET1100，实现EtherCAT数据链路层协议并处理EtherCAT数据帧，通过SPI接口和所述应用层微处理器相连。所述PHY芯片采用KS8721BL芯片，所述PHY芯片的一端和网络端口相连完成物理接口电信号收发转换，另一端通过媒体独立接口口（Media Independent Interface，简称为MII）和所述从站控制器相连。所述EEPROM用于存储从EtherCAT主站下载的配置信息，采用24LC16B芯片，所述EEPROM采用集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，简称IIC）接口和所述从站控制器相连。

如图2与图3所示，所述网络端口U6的型号采用HY951180A的RJ45端口，自带隔离变压器。来自于EtherCAT总线的电信号经所述网络端口U6后进入所述PHY芯片U5进行收、发电信号的转换，所述PHY芯片U5的另一端通过它的MII接口和所述从站控制器相连。所述PHY芯片U5的外围电阻R40和排阻R42用于配置PHY地址，所述网络端口U6上接有LEFTLED指示灯用于指示网络的连接状态。

如图2与图4所示，所述从站控制器通过外部电路在芯片上电时配置成2个EtherCAT端口模式，通过MII接口和2个所述PHY芯片相连，其中接口PHY0和地址为0的PHY芯片相连，用于EtherCAT总线的工业现场控制装置本级节点通信，其中接口PHY1和地址为1的PHY芯片相连，用于将EtherCAT总线上的数据通过端口转发到下级节点。所述从站控制器通过网络为EEPROM_DATA和EEPOM_CLK的IIC接口和所述EEPROM相连，以使得所述EEPROM能够存储从EtherCAT主站下载的配置信息。

如图2与图5所示，所述应用层微处理器U1通过IO端口与所述输入模块相连，读取控制系统中传感器的输入状态，通过所述输出模块控制系统中设备的工作。所述应用层微处理器U1通过SPI1接口和所述从站控制器相连并通过EtherCAT总线与外部上位机控制系统进行信息交互。所述应用层微处理器U1通过SPI2接口与所述外部扩展模块相连并进行信息交互。所述应用层微处理器U1通过自身的PWM模块、DAC模块产生工业现场控制系统所需的信息。所述应用层微处理器U1通过DAC，定时计数模块读取工业现场控制系统各种传感器的传感信息。

如图11与图6所示，本实用新型实施例一的电源模块包括第一隔离电源模块和第二隔离电源模块。所述第一隔离电源模块的型号为URB2424YMD-10WR3，该型号是DC24V转DC24V的电源模块，为所述DO输出模块提供工作电源。所述第二隔离电源模块的型号为EWS3-24S05，该模块是DC24V转DC5V的电源模块，为所述EtherCAT从站模块及其外围电路提供工作所需的5V直流电源。采用隔离电源为EtherCAT总线的工业现场控制装置供电，当电源出现故障时也不会影响整个控制系统的24V电源供电。

如图6所示，DC24V电源从接头P1输入，经二极管D1、保险管F1、F2后分别进入所述第一隔离电源模块U2和所述第二隔离电源模块U3，经由所述第一隔离电源模块U2输出DC24V电源，所述第二隔离电源模块U3输出DC 5V电源。上述二路电源均经接插件P3送入所述母板，为所述输入模块和所述输出模块提供所需的24V和5V工作电源，同时为所述EtherCAT从站模块提供所需的5V工作电源。所述第二隔离电源模块U3输出的DC5V电源另外一路经稳压器U4后输出3.3V电源，进而为所述输入模块和所述输出模块提供其所需的3.3V电源。所述稳压器U4的型号为AMS1117-3.3。

如图11和图8所示，所述输出模块包括4通道的第二光栅UK1及外围器件，本实施例中所述第二光栅UK1的型号为TLP293-4。所述输出模块包括4路输出，通过接插件P4和P2安插于母板上并和母板上的输出继电器及所述应用层微处理器U1相连。所述应用层微处理器U1的四路输出控制信号分别从通道DO1，DO2，DO3，DO4进入所述第二光栅UK1，再分别从通道DOK1，DOK2，DOK3，DOK4进入输出继电器的驱动三极管Q1，Q2，Q3，Q4，然后分别通道DK1，DK2，DK3，DK4进入所述母板上的输出继电器。每一路输出接有一个发光二极管，分别为D2，D8，D10和D12，当所述发光二极管点亮，说明其对应的的通道有信号输出，方便工业现场进行控制系统的故障检查。若需扩展输出接口，在母板上增加需要的输处模块，并相应增加输出断路器即可实现。

实施例三的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置采用模块化结构设计，将工业环境中易损的电源模块、EtherCAT从站模块、IO输出模块、输出继电器均插入不易损坏的母板中，在工业现场中不易更换的所有连接电线均和所述母板相连，且将所述EtherCAT从站控制器和输出模块、输出继电器都集成在母板上，在每一路输出装有一个指示该工作状态的发光二极管，且可根据需要扩展输出接口。不仅降低了接线的难度，还能够实现EtherCAT总线的工业现场控制装置故障的快速判断及维护。同时本实施例采用SPI扩展接口极易与其它的外设扩展模块快速的进行信息交换，满足不同种类的工业现场设备均能接入EtherCAT总线并与控制系统相连接并对其进行控制和数据采集。

Claims (10)

1.一种基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，包括母板，其特征在于，还包括电源模块，EtherCAT从站模块以及输入和/或输出模块；

所述电源模块、所述EtherCAT从站模块、所述输入和/或输出模块均通过接插件安装在所述母板上；

所述EtherCAT从站模块接有SPI扩展接口。

2.如权利要求1所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述EtherCAT从站模块包括应用层微处理器和数据链路层电路；

所述应用层微处理器与所述输入和/或输出模块电连接；所述应用层微处理器和所述数据链路层电路电连接。

3.如权利要求2所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述应用层微处理器采用STM32F103芯片。

4.如权利要求2所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述数据链路层电路包括：二个并行的网络端口和从站控制器；每个所述网络端口与所述从站控制器之间接有一个PHY芯片。

5.如权利要求4所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述网络端口采用HR91110A端口或HY951180A端口。

6.如权利要求4所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述PHY芯片采用KS8721BL芯片。

7.如权利要求6所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述从站控制器采用ESC芯片ET1100，所述从站控制器接有电可擦编程只读存储器。

8.如权利要求7所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述电可擦编程只读存储器采用24LC16B芯片。

9.如权利要求1~8任一所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述电源模块包括第一隔离电源模块和第二隔离电源模块，所述第一隔离电源模块采用DC24V转DC 24V的电源模块；所述第二隔离电源模块采用DC 24V转DC 5V的电源模块。

10.如权利要求2~8任一所述的基于EtherCAT总线的工业现场控制装置，其特征在于，所述输入和/或输出模块通过光栅与所述应用层微处理器的I/O接口相连接；每路输入通道与输出通道均接有一个发光二极管指示该路的工作状态。

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