CN218099992U - 一种基于远程io模块的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于远程IO模块的控制系统，包括：多个远程IO模块、第三方主站和物联网云端服务器；第三方主站与各个IO模块共有自定义并行扩展的现场总线，多个远程IO模块作为从站与第三方主站构成星型拓扑结构；多个远程IO模块同时作为客户端，又分别通过以太网通信协议与物联网云端服务器通信连接，进行数据与指令的交互；其中，每个远程IO模块包括单片机，分别与单片机电连接的现场总线控制器、以太网控制器、输入接口和输出接口，以及电源处理单元。本申请中现场总线的通信方式，将现有技术的树形拓扑图变为星形拓扑图，省去对现场控制层的依赖，同时通过数据的上报以及物联网云端服务器的管理，增强了系统运行的有力监控。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种基于远程IO模块的控制系统。
背景技术
市面上常见的IO模块，功能包括支持现场总线协议，同时对外通过输入输出点位，连接现场的传感器和执行器。使用IO模块可以减少现场布线的成本和工作量，降低维护成本。IO模块作为现场总线的从站设备，接收来自主站的控制指令，以及响应主站对现场状态的查询指令。然而，IO模块作为从设备，不具备自主进行诊断、异常处理和问题反馈的功能，一旦主站运行出现故障或者与主站的通信失败时，IO模块不能组织现场的传感器与执行器工作，这会为整个系统的稳定可靠性带来隐患和瓶颈。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于远程IO模块的控制系统，以解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于远程IO模块的控制系统，包括：多个远程IO模块、第三方主站和物联网云端服务器；
第三方主站(一般为PLC或PC)与各个IO模块共有自定义并行扩展的现场总线，通过共有的自定义并行扩展总线通讯并扩展IO数，多个远程IO模块作为从站，与第三方主站构成星型拓扑结构；
多个远程IO模块同时作为客户端，又分别通过以太网的TCP/IP通信协议与物联网云端服务器通信连接，进行数据与指令的交互；
其中，每个远程IO模块包括：单片机，分别与单片机电连接的现场总线控制器、以太网控制器、输入接口和输出接口，以及为远程IO模块的各部件供电的电源处理单元。
优选地，每个所述远程IO模块支持不超过48路数字量输入、48路数字量输出、16路模拟量输入、2路模拟量输出、6路脉冲信号输入以及2路PWM信号输出。
优选地，每个所述远程IO模块的单片机，其内核采用ARM Cortex-M4，含有不小于256k的片内闪存容量，以及不小于48k的片内RAM。
更优选地，所述单片机选用国产GD32系列单片机。
优选地，每个所述远程IO模块采用数字与模拟信号隔离电路，将数字量与模拟量之间进行信号隔离，同时，每个所述远程IO模块采用灌封胶进行固化处理。
优选地，每个所述远程远程IO模块中还包括温度采样电路，所述温度采样电路与所述单片机电连接，对所述远程IO模块运行时的环境温度进行实时检测。
更优选地，所述温度采样电路采用ds18b20芯片。
优选地，每个所述远程IO模块中还包括SDIO控制器，所述SDIO控制器与所述单片机相连接，通过对SDIO可识别卡的存储区域的数据进行读取控制，实现运行数据、运行日志的实时存储备份，其中，SDIO可识别卡包括：SD卡、TF卡、MMC卡或eMMC卡。
优选地，每个所述远程IO模块中还包括调试接口，所述调试接口用于调试所述单片机，所述调试接口包括JTAG接口或SWD接口。
优选地，在以太网通信中，所述远程IO模块与所述物联网云端服务器之间传输的数据内容包括、但不限于：现场采样的传感器数据、运行状态机、设备运行总时长、设备运行事件以及设备数字量输出的控制使能时长。所述远程IO模块与物联网云端服务器之间的通信协议可以是MQTT协议或者私有通信协议。
优选地，所述现场总线包括Profinet总线、EtherCat总线、Profibus总线、DeviceNet总线、Canopen总线或Modbus总线。
更优选地，所述现场总线包括基于RS485接口的Modbus RTU总线协议。
优选地，所述单片机包括处理单元，所述处理单元用于执行算术运算、逻辑运算、离散式或增强式PID算法、控制算法中的一种或几种。
优选地，每个所述远程IO模块还包括I/O接口电路，所述I/O接口电路包括：
DI/DO接口电路，分别与所述单片机及现场设备连接，进行数字量指令和数据的收发；
AI/AO接口电路，分别与所述单片机及现场设备连接，进行模拟量指令和数据的收发。
与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益效果：
本实用新型提供了一种基于远程IO模块的控制系统，将IO模块从现有技术中的单点控制变为多节点控制，每一个远程IO模块都可以作为神经元上的一个节点。远程IO模块的对外通信方式同时包括现场总线通信以及以太网通信，通过现场总线通信方式实现与第三方主站之间的数据和指令交互，在正常运行时，遵守第三方主站的控制，在产生异常时，如总线异常，可以及时地进行异常处理及上报；通过以太网通信方式实现与物联网云端服务器之间的数据和指令交互，通过数据的上报以及物联网云端服务器的管理，更加增强了系统运行的有力监控，让运维人员可以方便快捷地掌握远程IO模块以及现场各关键参数的工作情况。
从硬件配置上，本申请的远程IO模块不仅含有现场总线的通信接口，还含有以太网的通信接口；从网络拓扑结构上，本申请中现场总线的通信方式，将现有技术的树形拓扑图变为星形拓扑图，即将原先由现场总线第三方主站的控制器或者其他现场控制层设备统一上报监督层模式，修改为现场总线层的IO模块将数据直接发往监督层，省去了控制器部分。这样，整个系统从现有技术中的IO模块由现场总线的第三方主站驱动控制，转变到同时可以由监督层直接下发控制，在一些简单的应用领域中，可以省去对现场控制层的依赖，降低了通讯成本。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本实用新型优选实施例的一种基于远程IO模块的控制系统的组成框图；
图2是本实用新型优选实施例的远程IO模块的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。
实施例：
图1示出了一种基于远程IO模块的控制系统的组成框图。
参阅图1所示，一种基于远程IO模块的控制系统，包括：多个远程IO模块、第三方主站和物联网云端服务器。第三方主站(一般为PLC或PC)与各个IO模块共有自定义并行扩展的现场总线，通过共有的自定义并行扩展总线通讯并扩展IO数，多个远程IO模块作为从站，与第三方主站构成星型拓扑结构。同时，多个远程IO模块作为客户端，又分别通过以太网的TCP/IP通信协议与物联网云端服务器通信连接，进行数据与指令的交互。
图2示出了一种远程IO模块的硬件结构示意图。
参阅图2所示，每个远程IO模块包括：单片机，分别与单片机电连接的现场总线控制器、以太网控制器、输入接口、输出接口、调试接口、TF卡控制器和温度采样电路，以及为远程IO模块的上述部件供电的电源处理单元。
上述的每个远程IO模块，支持不超过48路数字量输入、48路数字量输出、16路模拟量输入、2路模拟量输出、6路脉冲信号输入以及2路PWM信号输出。
上述的每个远程IO模块中的单片机，其内核采用ARM Cortex-M4，含有不小于256k的片内闪存容量，以及不小于48k的片内RAM。所述单片机优选为国产GD32系列单片机。
上述的每个远程IO模块，采用数字与模拟信号隔离电路，将数字量与模拟量之间进行信号隔离，同时，每个所述远程IO模块采用灌封胶进行固化处理，以提升模块在较为复杂工况下的运行能力。
上述的每个远程IO模块中的温度采样电路，与所述单片机电连接，用于对所述远程IO模块运行时的环境温度进行实时检测。在一种优选实施例中，所述温度采样电路采用ds18b20芯片。
上述的每个远程IO模块中的TF卡控制器，与所述单片机相连接，TF卡控制器通过对TF卡存储区域的数据进行读取控制，可以将运行时的关键数据、运行日志进行存储，便于故障时对运行过程的信息回溯。
上述的每个远程IO模块中的调试接口，用于调试所述单片机。所述调试接口可以是JTAG接口，也可以是SWD接口。
上述的每个远程IO模块，其对外通信方式同时包括现场总线通信以及以太网通信。其中，现场总线可以是Profinet总线、EtherCat总线、Profibus总线、DeviceNet总线、Canopen总线或Modbus总线，优选为基于RS485接口的Modbus RTU总线协议。
在现场总线通信中，远程IO模块作为从站，发送现场采样的传感器数据，接收并执行来自第三方主站的状态控制。在以太网通信中，远程IO模块作为客户端，与物联网云端服务器连接，进行数据和指令的交互，其数据传输内容包括现场采样的传感器数据、运行状态机、设备运行总时长、设备运行事件以及设备数字量输出的控制使能时长等信息。所述远程IO模块与物联网云端服务器之间的通信协议可以是MQTT协议或者私有通信协议。
上述的每个远程IO模块中的单片机，包括处理单元，所述处理单元用于执行算术运算、逻辑运算、离散式或增强式PID算法、控制算法中的一种或几种。进一步的，所述处理单元具有预置运算参数的功能，可以通过以太网通信，将参数写入到片内闪存中，能够通过预置的参数进行事件判断，并根据判断结果执行事件联动。所述处理单元还可以具有特殊控制逻辑预置功能，可以对不同应用中的复杂工艺控制逻辑进行定制，并通过写入片内闪存的特殊区域的方式进行预置。
上述的每个远程IO模块，包括I/O接口电路，所述I/O接口电路包括：DI/DO(数字量输入/数字量输出)接口电路和AI/AO(模拟量输入/模拟量输出)接口电路。其中，DI/DO接口电路分别与所述单片机及现场设备连接，进行数字量指令和数据的收发，AI/AO接口电路分别与所述单片机及现场设备连接，进行模拟量指令和数据的收发。进一步地，DI/DO接口电路包括：至少一个DI/DO接口，DI/DO接口电路通过DI/DO接口与现场设备连接。AI/AO接口电路包括：至少一个AI/AO接口，AI/AO接口电路通过AI/AO接口与现场设备连接。在具体实施时，DI/DO接口电路可以根据需要设计不同数量的DI/DO接口，AI/AO接口电路也可以根据需要设计不同数量的AI/AO接口，可以根据现场情况对DI/DO接口、AI/AO接口进行调整，方便工程实施。
综上所述，本实用新型提供了一种基于远程IO模块的控制系统，将远程IO模块从现有技术中的单点控制变为多节点控制，每一个远程IO模块都可以作为神经元上的一个节点。远程IO模块的对外通信方式同时包括现场总线通信以及以太网通信，通过现场总线通信方式实现与第三方主站之间的数据和指令交互，在正常运行时，遵守第三方主站的控制，在产生异常时，如总线异常，可以及时地进行异常处理及上报；通过以太网通信方式实现与物联网云端服务器之间的数据和指令交互，通过数据的上报以及物联网云端服务器的管理，更加增强了系统运行的有力监控，让运维人员可以方便快捷地掌握远程IO模块以及现场各关键参数的工作情况。从硬件配置上，本申请的远程IO模块不仅含有现场总线的通信接口，还含有以太网的通信接口；从网络拓扑结构上，本申请中现场总线的通信方式，将现有技术的树形拓扑图变为星形拓扑图，即将原先由现场总线第三方主站的控制器或者其他现场控制层设备统一上报监督层模式，修改为现场总线层的IO模块将数据直接发往监督层，省去了控制器部分。这样，整个系统从现有技术中的IO模块由现场总线的第三方主站驱动控制，转变到同时可以由监督层直接下发控制，在一些简单的应用领域中，可以省去对现场控制层的依赖，降低了通讯成本。
以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。
Claims (10)
1.一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，包括：多个远程IO模块、第三方主站和物联网云端服务器；
第三方主站与各个IO模块共有自定义并行扩展的现场总线，通过共有的自定义并行扩展总线通讯并扩展IO数，多个远程IO模块作为从站，与第三方主站构成星型拓扑结构；
多个远程IO模块同时作为客户端，又分别通过以太网的TCP/IP通信协议与物联网云端服务器通信连接，进行数据与指令的交互；
其中，每个远程IO模块包括：单片机，分别与单片机电连接的现场总线控制器、以太网控制器、输入接口和输出接口，以及为远程IO模块的各部件供电的电源处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，每个所述远程IO模块支持不超过48路数字量输入、48路数字量输出、16路模拟量输入、2路模拟量输出、6路脉冲信号输入以及2路PWM信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，每个所述远程IO模块的单片机，其内核采用ARM Cortex-M4，含有不小于256k的片内闪存容量，以及不小于48k的片内RAM。
4.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，每个所述远程IO模块采用数字与模拟信号隔离电路，将数字量与模拟量之间进行信号隔离，同时，每个所述远程IO模块采用灌封胶进行固化处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，每个所述远程IO模块中还包括温度采样电路，所述温度采样电路与所述单片机电连接，对所述远程IO模块运行时的环境温度进行实时检测。
6.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，每个所述远程IO模块中还包括SDIO控制器，所述SDIO控制器与所述单片机相连接，通过对SDIO可识别卡的存储区域的数据进行读取控制，实现运行数据、运行日志的实时存储备份，其中，SDIO可识别卡包括：SD卡、TF卡、MMC卡或eMMC卡。
7.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，每个所述远程IO模块中还包括调试接口，所述调试接口用于调试所述单片机，所述调试接口包括JTAG接口或SWD接口。
8.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，在以太网通信中，所述远程IO模块与所述物联网云端服务器之间传输的数据内容包括：现场采样的传感器数据、运行状态机、设备运行总时长、设备运行事件以及设备数字量输出的控制使能时长。
9.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，所述单片机包括处理单元，所述处理单元用于执行算术运算、逻辑运算、离散式或增强式PID算法、控制算法中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的一种基于远程IO模块的控制系统，其特征在于，所述现场总线包括Profinet总线、EtherCat总线、Profibus总线、DeviceNet总线、Canopen总线或Modbus总线。
Priority Applications (1)
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| CN202222255909.4U CN218099992U (zh) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 一种基于远程io模块的控制系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116909201A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-20 | 南京德克威尔自动化有限公司 | 一种总线式io采集与控制扩展方法、系统与计算机储存介质 |
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2022
- 2022-08-26 CN CN202222255909.4U patent/CN218099992U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116909201A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-20 | 南京德克威尔自动化有限公司 | 一种总线式io采集与控制扩展方法、系统与计算机储存介质 |
| CN116909201B (zh) * | 2023-09-13 | 2023-11-24 | 南京德克威尔自动化有限公司 | 一种总线式io采集与控制扩展方法、系统与计算机储存介质 |
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