CN219740404U - 一种用于变频器与控制器之间的网桥结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于变频器与控制器之间的网桥结构，其包括第一数据传输单元、第二数据传输单元、信号传输单元和中心处理模块。其中，信号传输单元用于连接外接设备并传输符合既定通信协议的第三数据，第三数据包括所述变频器的运行参数和所述变频器的调整参数。本实用新型实施例提供的网桥结构中不但可以支持数据在变频器和控制器进行传输，还支持数据在外接设备与控制器或变频器进行传输，有利于包括变频器、控制器和网桥结构的变频电机实现物联网。

Description

一种用于变频器与控制器之间的网桥结构

技术领域

本实用新型一般涉及通信设备技术领域。更具体地，本实用新型涉及一种用于变频器与控制器之间的网桥结构。

背景技术

随着物联网的发展与加速普及,越来越多的工业设备实现了智能识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。变频电机广泛应用于工业自动化控制领域，实现变频电机物联网有利于实现智能管理和控制等,对企业具有重大意义。

网桥结构作为通信的常规设备，被广泛应用于不同网络之间的通信，例如变频器和控制器可以通过网桥结构进行通信，以保证控制器可以有效控制变频器的运行状态。然而，现有网桥结构仅支持数据在变频器和控制器进行传输，故存在功能单一的缺陷，不利于包括变频器、控制器和网桥结构的变频电机实现物联网。

实用新型内容

为了至少解决如上所提到的一个或多个技术问题，本实用新型提出了一种用于变频器和控制器之间的网桥结构。网桥结构包括：第一数据传输单元，用于连接所述变频器并传输符合Modbus TCP通信协议的第一数据，所述第一数据包括所述变频器的运行参数及控制参数；第二数据传输单元，用于连接所述控制器并与传输Modbus RTU通信协议的第二数据，所述第二数据包括所述变频器的运行参数及控制参数；信号传输单元，用于连接外接设备并传输符合既定通信协议的第三数据，所述第三数据包括所述变频器的运行参数和所述变频器的调整参数，所述既定通信协议包括MQTT通信协议、MQTT-SN通信协议、CoAP通信协议、LwM2M通信协议、HTTP通信协议、LoRaWAN通信协议或NB-IoT通信协议；

中心处理模块，其与所述第一数据传输单元、第二数据传输单元和信号传输单元相连，用于中转数据并实现所述Modbus TCP通信协议、Modbus RTU通信协议和既定通信协议中任意两个的转换。

在一些实施例中，所述信号传输单元包括：输入电路，其包括用于连接所述外接设备的输入电路输入端、连接所述中心处理模块的输入电路输出端，以及设在所述输入电路输入端及输入电路输出端之间的第一隔离光耦；和/或输出电路，其包括用于连接所述外接设备的输出电路输出端、连接所述中心处理模块的输出电路输入端、设在所述输出电路输入端及所述输出电路输出端之间且由所述中心处理模块控制的开关组件。

在一些实施例中，网桥结构还包括与第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连且能够实施隔离式供电的供电单元。

在一些实施例中，所述供电单元包括：电源接口，用于接收市电；降压器件，其包括降压器件输出端及与所述电源接口相连的降压器件输入端；隔离模块，其包括与所述第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连的隔离模块输出端，以及与所述降压器件输出端相连的隔离模块输入端。

在一些实施例中，所述供电单元还包括滤波电路，所述滤波电路包括与所述隔离模块输出端相连的滤波电路输入端，以及与所述第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连的滤波电路输出端。

在一些实施例中，网桥结构还包括连接所述第一数据传输单元与中心处理模块之间的隔离电路。

在一些实施例中，所述第一数据传输单元包括用于连接所述变频器的第一接口组件，以及连接所述第一接口组件和所述隔离电路的第一数据保护电路。

在一些实施例中，所述第一接口组件包括以太网接口和与所述以太网接口和第一数据保护电路相连的TCP接口芯片，所述第一数据保护电路包括TVS保护电路。

在一些实施例中，所述第二数据传输单元包括用于连接所述变频器的第二接口组件，以及连接所述第二接口组件和所述中心处理模块的第二数据保护电路。

在一些实施例中，所述第二接口组件包括顺序连接的二线制接口、TVS保护电路和RS-485接口芯片，所述第二数据保护电路包括与所述RS-485接口芯片相连的EMC保护电路。

通过如上所提供的一种用于变频器与控制器之间的网桥结构，本领域人员可以理解的是，本实用新型创新性地在已有网桥结构中增设了能够连接外接设备的信号传输单元，使得网桥结构不但可以支持数据在变频器和控制器进行传输，还支持数据在外接设备与控制器或变频器进行传输，有利于包括变频器、控制器和网桥结构的变频电机实现物联网。例如，在中心处理模块的协助下，外接设备一方面可以借助于信号传输单元从变频器或控制器内获取变频器的运行参数，以获得变频器的运行状态，另一方面还可以借助于信号传输单元向控制器传送用于更改控制参数的调整参数，以便外部设备也可以控制变频器的运行状态。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1示出了本实用新型实施例的用于变频器和控制器之间的网桥结构；

图2示出了本实用新型实施例的输入电路；

图3示出了本实用新型实施例的输出电路；

图4示出了本实用新型实施例的第二数据传输单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图来详细描述本实用新型的具体实施方式。

根据本实用新型的一个实施例，其提供了一种用于变频器与控制器之间的网桥结构100。如图1所示，网桥结构包括第一数据传输单元10、第二数据传输单元20、信号传输单元30，以及与第一数据传输单元、第二数据传输单元和信号传输单元相连的中心处理模块40。

第一数据传输单元用于连接变频器并传输符合Modbus TCP通信协议的第一数据，第一数据包括变频器的运行参数及控制参数。运行参数一般代表变频器的运行状态，甚至可以包括电机的运行状态，具体可包括开关状态、输出电流、输出电压、当前温度和/或心跳信号。在这里需要说明的是，前述心跳信号可以理解为用于确认变频器和控制器二者是否都还在线，在工作时，双方中的一方(如变频器)可每隔固定的时间向另一方(如控制器)发送一个呼叫数据，而另一方在收到呼叫数据之后回复一个回复数据。

第二数据传输单元用于连接控制器并与传输Modbus RTU通信协议的第二数据，第二数据包括变频器的运行参数及控制参数。第二数据内的运行参数主要来源第一数据内的运行参数，所以第二数据内的运行参数也同样包括开关状态、输出电流、输出电压、当前温度和/或心跳信号。第二数据内的控制参数一般在程序编程或调试过程中给定的，是第一数据内的控制参数的来源，因此第一数据和第二数据的控制参数是一致的。控制参数通常包括控制指令或控制信息，以用于调整变频器的运行状态，具体可包括开关指令和/或心跳信号等。

信号传输单元用于连接外接设备并传输符合既定通信协议的第三数据，第三数据包括变频器的运行参数和变频器的调整参数。其中，既定通信协议包括MQTT通信协议、MQTT-SN通信协议、CoAP通信协议、LwM2M通信协议、HTTP通信协议、LoRaWAN通信协议或NB-IoT通信协议，这些通讯协议属于物联网常用的协议。第三数据内的运行参数可来源于第一数据或第二数据，以便外接设备可以获得变频器的运行状态。第三数据内的调整参数一般需要用户或算法给定，用于改变控制参数，以达到间接控制变频器的目的。例如，调整参数包括用于更改输出电流、输出电压的控制命令。外接设备可选为能够实现逻辑运算的设备，尤其是计算机或服务器等，以实现对变频器运行状态的监控。

中心处理模块用于中转数据并实现Modbus TCP通信协议、Modbus RTU通信协议和既定通信协议中任意两个的转换。具体地讲，中心处理模块可用于Modbus TCP通信协议转Modbus RTU通信协议，以将第一数据转换为第二数据，由此可以将变频器的开关状态、输出电流、输出电压和心跳信号等运行参数给控制器以便获取变频器的运行状态。中心处理模块可用于Modbus RTU通信协议转Modbus TCP通信协议，以将第二数据转换为第一数据，由此可以将控制器的开关指令和心跳信号等控制参数输出给变频器，以便控制变频器的运行状态，例如，控制器可基于获取的变频器的运行状态对其作出及时调整。中心处理模块可用于Modbus RTU通信协议或Modbus TCP通信协议转既定通信协议，以将第一数据或第二数据转换为第三数据，由此外接设备便可从变频器或控制器内获取变频器的开关状态、输出电流、输出电压和心跳信号，以便获取变频器当前的运行状态，并实现外接设备对变频器的监控。中心处理模块可用于既定通信协议转Modbus RTU通信协议或Modbus TCP通信协议，以将第三数据转换为第一数据或第二数据，由此外接设备便可以将用于更改输出电流、输出电压的控制命令输出给变频器或控制器，以便控制变频器当前的运行状态。

在本实施例中，中心处理模块可选为能够实现不同协议之间转换的芯片，例如STM32F407芯片。由于STM32F407芯片具有性价比高、应用范围广、外设资源丰富等优点，并实现多协议的数据转换和通信，所以其实现中心处理模块的优选手段。此外，控制器一般包括处理器(如PLC或CPU)、存储器和与处理器相连的电子元件等，属于本领域技术人员熟知的，在此不再详述。

在本实施例中，本领域人员可以理解的是，本实用新型创新性地在已有网桥结构中增设了信号传输单元，该信号传输单元与外接设备相连，其用于连接外接设备并传输符合既定通信协议的第三数据，第三数据包括变频器的运行参数和变频器的调整参数。既定通信协议包括MQTT通信协议、MQTT-SN通信协议、CoAP通信协议、LwM2M通信协议、HTTP通信协议、LoRaWAN通信协议或NB-IoT通信协议等物联网常用的协议。在中心处理模块的协助下，外接设备一方面可以借助于信号传输单元从变频器或控制器内获取变频器的运行参数，以获得变频器的运行状态，另一方面还可以借助于信号传输单元向控制器传送用于更改控制参数的调整参数，以便外部设备也可以控制变频器的运行状态。由此，本实用新型提供的网桥结构不但可以支持数据在变频器和控制器进行传输，还支持数据在外接设备与控制器或变频器进行传输，有利于包括变频器、控制器和网桥结构的变频电机实现物联网。

如上文提到的信号传输单元，下面将结合图1-3进一步说明。

在本实施例中，信号传输单元包括输入电路和/或输出电路。详细地讲，输入电路包括输入电路输入端和输入电路输出端，以及设在输入电路输入端及输入电路输出端之间的第一隔离光耦301。输入电路输入端用于连接外接设备，输入电路输出端用于连接中心处理模块。示例性地，第一隔离光耦包括用于将电信号转换成光信号的发光二极管，以及将光信号转换为电信号的光敏三极管。在发光二极管和光敏三极管的配合下，第一隔离光耦可以在传输信号的同时实现电气隔离，即防止电流、电压等因素对信号传输产生干扰，并提高信号传输的安全性和可靠性。在使用信号传输单元时，输入电路输入端用于接收来自外接设备的包括控制参数的第三数据并将第三数据传输给第一隔离光耦，第三数据传输在经过第一隔离光耦后被输入电路输出端接收，然后由输入电路输出端将第三信号传输给中心处理模块。

图2示例性地示出了本实用新型实施例的输入电路。如图2所示，在输入电路中，输入电路输入端DI2 IN用于连接外接设备，输入电路输入端DI2用于连接中心处理模块，输入电路供电端VCC用于连接下文所述的供电单元。当输入端口DI2 IN接收到外接设备发来的且包括第三数据的电信号时，电信号依次通过电阻R1、第一隔离光耦和电阻R2，并通过输出端口DI2进入中心处理模块，由此实现第三数据从外接设备到信号传输单元的传输。其中，电阻R1用于限制电流大小以避免损坏第一隔离光耦。可选地，输入电路还可包括EMC二极管和/或电阻R3，EMC二极管用以防止电磁干扰影响输入电路的正常运行，电阻R3用于保证输入电路中没有信号传输时输出端口DI2处于高电平状态。

类似地，输出电路包括用于连接外接设备的输出电路输出端、连接中心处理模块的输出电路输入端，以及设在输出电路输入端及输出电路输出端之间且由中心处理模块控制的开关组件302。开关组件包括连接中心处理模块的输出电路控制端、设在输出电路输入端及输出电路输出端之间的继电器、输出电路低电平端、连接继电器的输出电路高电平端，以及设在继电器及输出电路低电平端之间的第二隔离光耦。当中心处理模块向输出电路控制端发送启动信号时，该信号可以经过第二隔离光耦触发继电器接通输出电路输入端与输出电路输出端，此时中心处理模块可将第一数据或第二数据转换为第三数据，使得外接设备便可从变频器或控制器内获取变频器的开关状态、输出电流、输出电压和心跳信号等运行参数，以便获取变频器当前的运行状态，并实现外接设备对变频器的监控。示例性地，第二隔离光耦也包括用于将电信号转换成光信号的发光二极管，以及将光信号转换为电信号的光敏三极管。在发光二极管和光敏三极管的配合下，第二隔离光耦可以在传输信号的同时实现电气隔离，即防止电流、电压等因素对信号传输产生干扰，并提高信号传输的安全性和可靠性。

图3示例性地示出了本实用新型实施例的输出电路。如图3所示，开关组件包括第一子电路及第二子电路。其中第一子电路包括连接中心处理模块的第一子电路输入端DO_contorl、接地用的第一子电路输出端及设在第一子电路输入端DO_contorl及第一子电路输出端之间的第二隔离光耦的发光二极管，第二子电路包括第二子电路高电平端VCC+、与第二子电路高电平端VCC+相连的继电器、与继电器相连的第二隔离光耦的光敏三极管及与光敏三极管相连的第二子电路低电平端VCC－。其中，第二子电路高电平端VCC+和第二子电路低电平端VCC－分别用于连接供电单元内电势高低不同的两点。

如图3所示，当中心处理模块向输出电路第一子电路输入端DO_contorl施加电压时，第一子电路内产生电流并经过第二隔离光耦的发光二极管，发光二极管开始发光并触发光敏三极管，由此第二子电路开始产生电流并途经继电器，以促使继电器接通输出电路输入端DO_OUT_COM与输出电路输出端DO_OUT_ON。此时，中心处理模块可将第一数据或第二数据转换为第三数据，使得外接设备便可从变频器或控制器内获取变频器的开关状态、输出电流、输出电压和心跳信号等运行参数，以便获取变频器当前的运行状态，并实现外接设备对变频器的监控。可选地，输出电路还可包括与继电器并联的二极管及与第二隔离光耦内发光二极管并联的第四电阻R4，其中二极管用于保护继电器，第四电阻R4用于防止电路中的电流过大对第二隔离光耦造成损伤。

示例性地，本实施例中供电单元包括电源接口、降压器件和隔离模块。其中，电源接口用于接收电能，例如市电或电池。降压器件可选为变压器，并包括与电源接口相连的降压器件输入端，以及与隔离模块输入端相连的降压器件输出端。降压器件输入端用于接收来自电源接口的电能，并将高电压降至合适的范围(例如3.3v和/或5v)后输出至隔离模块。隔离模块包括与降压器件输出端相连并接收电能的隔离模块输入端，以及与第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连并为其供电的隔离模块输出端。降压器件具体可选为隔离式变压器，其能够实现隔离模块输入端和隔离模块输出端的电气隔离，避免电源异常导致第一数据传输单元、第二数据传输单元和中信处理模块等的损坏。

优选地，在本实施例中供电单元还可包括滤波电路，滤波电路包括与隔离模块输出端相连的滤波电路输入端，以及与第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连的滤波电路输出端。滤波电路用于对经降压器件降压后的电流进行平滑处理，使供电单元输出的电压更加稳定，保证其正常运行。示例性地，滤波电路可选用电容滤波、电感滤波或LC滤波等。

更进一步地，在本实施例中网桥结构还包括连接第一数据传输单元与中心处理模块之间的隔离电路60。隔离电路用于将第一数据传输单元与中心处理模块之间的信号隔离开，防止信号之间相互干扰和影响，从而提高网桥结构整体的可靠性。可选地，隔离电路可选为光电耦合器件、互感耦合器件或磁性耦合器件等实现信号隔离。

如上文提到的第一传输单元和第二传输单元，下面将结合图1和图4进一步说明。

在一些实施例中，第一数据传输单元包括用于连接变频器的第一接口组件，以及连接第一接口组件和隔离电路的第一数据保护电路。

示例性地，第一接口组件包括以太网接口和TCP接口芯片。TCP接口芯片设在以太网接口与TCP接口芯片之间且连接以太网接口与TCP接口芯片。第一数据保护电路包括TVS保护电路，例如TVS瞬态电压抑制二极管，其可用于防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等，从而有效保护第一数据传输单元和网桥结构整体的正常运行。

在一些实施例中，第二数据传输单元包括用于连接变频器的第二接口组件，以及连接第二接口组件和中心处理模块的第二数据保护电路。

示例性地，如图4所示，第二接口组件包括顺序连接的二线制接口、TVS保护电路201和RS-485接口芯片202。二线制接口为具有两个接线端的接口。RS-485接口芯片设在TVS保护电路与第二数据保护电路之间并连接二线制接口与第二数据保护电路。TVS保护电路包括TVS瞬态电压抑制二极管，其用于防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等。RS-485接口芯片用于将符合TTL通信协议的第二数据转换为符合Modbus RTU通信协议的第二数据。第二数据保护电路包括EMC保护电路203。EMC保护电路包括π型滤波器和TVS瞬态二极管，可用于抵抗外界电磁干扰，进而有效保护第二数据传输单元和网桥结构整体的正常运行。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是螺纹连接，或自成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本申请中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

虽然本文已经示出和描述了本实用新型的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式来提供。本领域技术人员可以在不偏离本实用新型思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的等同或替代方案。

Claims (10)

1.一种用于变频器与控制器之间的网桥结构，其特征在于，包括：

第一数据传输单元，用于连接所述变频器并传输符合Modbus TCP通信协议的第一数据，所述第一数据包括所述变频器的运行参数及控制参数；

第二数据传输单元，用于连接所述控制器并与传输Modbus RTU通信协议的第二数据，所述第二数据包括所述变频器的运行参数及控制参数；

信号传输单元，用于连接外接设备并传输符合既定通信协议的第三数据，所述第三数据包括所述变频器的运行参数和所述变频器的调整参数，所述既定通信协议包括MQTT通信协议、MQTT-SN通信协议、CoAP通信协议、LwM2M通信协议、HTTP通信协议、LoRaWAN通信协议或NB-IoT通信协议；

中心处理模块，其与所述第一数据传输单元、第二数据传输单元和信号传输单元相连，用于中转数据并实现所述Modbus TCP通信协议、Modbus RTU通信协议和既定通信协议中任意两个的转换。

2.根据权利要求1所述的网桥结构，其特征在于，所述信号传输单元包括：

输入电路，其包括用于连接所述外接设备的输入电路输入端、连接所述中心处理模块的输入电路输出端，以及设在所述输入电路输入端及输入电路输出端之间的第一隔离光耦；和/或

输出电路，其包括用于连接所述外接设备的输出电路输出端、连接所述中心处理模块的输出电路输入端、设在所述输出电路输入端及所述输出电路输出端之间且由所述中心处理模块控制的开关组件。

3.根据权利要求1或2所述的网桥结构，其特征在于，还包括与第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连且能够实施隔离式供电的供电单元。

4.根据权利要求3所述的网桥结构，其特征在于，所述供电单元包括：

电源接口，用于接收市电；

降压器件，其包括降压器件输出端及与所述电源接口相连的降压器件输入端；

隔离模块，其包括与所述第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连的隔离模块输出端，以及与所述降压器件输出端相连的隔离模块输入端。

5.根据权利要求4所述的网桥结构，其特征在于，所述供电单元还包括滤波电路，所述滤波电路包括与所述隔离模块输出端相连的滤波电路输入端，以及与所述第一数据传输单元、第二数据传输单元和中心处理模块相连的滤波电路输出端。

6.根据权利要求1或2所述的网桥结构，其特征在于，还包括连接所述第一数据传输单元与中心处理模块之间的隔离电路。

7.根据权利要求6所述的网桥结构，其特征在于，所述第一数据传输单元包括用于连接所述变频器的第一接口组件，以及连接所述第一接口组件和所述隔离电路的第一数据保护电路。

8.根据权利要求7所述的网桥结构，其特征在于，所述第一接口组件包括以太网接口和与所述以太网接口和第一数据保护电路相连的TCP接口芯片，所述第一数据保护电路包括TVS保护电路。

9.根据权利要求1或2所述的网桥结构，其特征在于，所述第二数据传输单元包括用于连接所述变频器的第二接口组件，以及连接所述第二接口组件和所述中心处理模块的第二数据保护电路。

10.根据权利要求9所述的网桥结构，其特征在于，所述第二接口组件包括顺序连接的二线制接口、TVS保护电路和RS-485接口芯片，所述第二数据保护电路包括与所述RS-485接口芯片相连的EMC保护电路。