一種集成在PCB板上的EtherCAT遠程I/O模塊

1 引言

EtherCAT是一項高性能、低成本、應(yīng)用簡單、拓撲靈活且開源的確定性工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制：通過該項技術(shù)，無需接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，將其解碼，之后再將過程數(shù)據(jù)復(fù)制到各個設(shè)備。其關(guān)鍵工作原理在于其節(jié)點對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的處理：在數(shù)據(jù)幀向下游傳輸?shù)倪^程中，每個節(jié)點讀取尋址到該節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將它的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)幀。這種傳輸方式提高了帶寬利用率，使得每個周期通常用一個數(shù)據(jù)幀就足以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新，同時，網(wǎng)絡(luò)無需使用交換機或集線器，從而確保了實時操作并避免延遲。
EtherCAT的運行機制決定了它比其他標準以太網(wǎng)具備更大的優(yōu)勢：響應(yīng)時間快，每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)要求最低且實施成本低。此外，EtherCAT幾乎支持所有的拓撲結(jié)構(gòu)，使得帶有成百上千個節(jié)點的純總線型或線性拓撲結(jié)構(gòu)成為可能。因此，EtherCAT成為高性能的分散式I/O系統(tǒng)的理想選擇。EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)可連接多達 65535 個設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)容量幾乎沒有限制，因此可以將模塊化的 I/O 設(shè)備設(shè)計為每個 I/O 片都是一個獨立的 EtherCAT 從站，而包含一千個分散式數(shù)位輸入/輸出的程序資料交換只需30us。

2 集成在PCB板上的EtherCAT遠程I/O模塊

2.1 虹科HK-MXB I/O模塊概述

虹科HK-MXB系列是一款EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)總線接口，集成數(shù)字量輸入和輸出的混合I/O模塊，可以為更高層級的EtherCAT主站控制器提供理想通道。HK-MXB采用工業(yè)現(xiàn)場24V NPN/PNP型數(shù)字邏輯輸入信號，并對捕獲的信號進行限流、電氣隔離的安全保護。

同時，HK-MXB還可以將主站控制器發(fā)出的指令信號轉(zhuǎn)換為NPN/PNP型工業(yè)24V數(shù)字邏輯信號輸出，最大具備0.5A/CH的驅(qū)動電流，可用于對繼電器、指示燈以及數(shù)字邏輯信號的驅(qū)動。

HK-MXB的輸入通道與輸出通道，EtherCAT通信接口以及電源接口，都擁有對應(yīng)的LED指示燈，用于快速觀察和診斷信號與指令狀態(tài)。

2.2 主要特性：

虹科HK-MXB I/O模塊關(guān)鍵特性：
1)支持16、32或48通道24V NPN/PNP型數(shù)字量輸入
2)支持16、32或48通道24V NPN/PNP型數(shù)字量輸出
3)輸入限流保護
4)輸出限流與短路保護
5)總線通信故障指示燈
6)插拔式接線端子
7)DIN35導(dǎo)軌安裝

虹科HK-MXB I/O模塊基于PCB布線的概念，將EtherCAT遠程I/O有關(guān)的I/O信號通道、RJ45通訊端口、電源信號端子等集成在PCB板上，無需額外的接線板和耦合器，便于現(xiàn)場安裝與布線。

3 HK-MXB I/O模塊現(xiàn)場實施

3.1 設(shè)備安裝
模塊支持DIN35導(dǎo)軌安裝，可以比較便利的放置在電氣柜中。

3.2 連接電源
模塊供電設(shè)計為Us、Up兩部分，分別對應(yīng)通信系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備側(cè)。Us用于模塊通訊系統(tǒng)供電，Up用于現(xiàn)場設(shè)備測供電，用戶使用時，可采用2路相互隔離的電源轉(zhuǎn)換器分別為Us、Up進行供電。從而當MXB系列模塊的現(xiàn)場輸入輸出信號部分電路產(chǎn)生異常情況（如電源異常、負載短路、浪涌）時，能夠保護通信部分電路能夠不受影響，以及防止現(xiàn)場干擾信號影響到通信電路。

3.3 總線拓撲
模塊將EtherCAT遠程I/O有關(guān)RJ45通訊端口集成在了PCB板上，現(xiàn)場應(yīng)用時可與其他設(shè)備通過CAT5e的線纜直接連接。

1) 當模塊為第一個與主站相連的從站設(shè)備時，必須使用模塊上的IN端口與主站連接。
2) 當模塊為中間位置的從站設(shè)備是，必須使用IN端口與前一級從站設(shè)備連接，使用OUT端口與后一級從站設(shè)備連接。
3) 當模塊為最后一個從站設(shè)備時，必須使用IN端口與前一級從站設(shè)備連接，并空置OUT端口。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用

1)首次使用時，需要將從站XML配置文件導(dǎo)入主站，具體方案請查閱各廠家主站使用手冊。
2)連接電源供電，使用帶屏蔽的CAT5e以太網(wǎng)線連接模塊與主站

3)DI數(shù)字量信號輸入接線

4)DO數(shù)字量信號輸出接線

5)啟動電源，通過主站掃描從站
6)主站通過PDO操作，可對DI、DO分別的16個進行操作
7)觀察模塊上對應(yīng)通道的輸入、輸出指示燈狀態(tài)以確認信號通斷

4 典型應(yīng)用

4.1 機器人控制
HK-MXB I/O模塊可以將I/O信號與機器人系統(tǒng)的一些特殊功能相關(guān)聯(lián)，用于對機器人進行某種控制和監(jiān)控機器人系統(tǒng)的狀態(tài)。同時，MXB模塊可以安裝在遠程機架柜中，在合適的地方布置遠程I/O站點。一個區(qū)域的信號都接到這個站點中，然后站點和主電柜PLC進行通訊。這樣的方式可以減少成本，方便布線。

4.2 半導(dǎo)體生產(chǎn)
EtherCAT由于其通訊速率高，通訊質(zhì)量好，通訊介質(zhì)廣，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)靈活，可應(yīng)用于安全等級較高的危險場合。半導(dǎo)體生產(chǎn)制造中，常常有著許多閥島、驅(qū)動器、傳感器和氣控或電控設(shè)備，HK-MXB I/O模塊可以實現(xiàn)對相應(yīng)信號的采集、控制或遠程維護。

4.3 光伏與風(fēng)電
光伏產(chǎn)業(yè)是基于半導(dǎo)體技術(shù)和新能源需求而興起的朝陽產(chǎn)業(yè)，也是未來全球先進產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。在光伏跟蹤控制中，控制中心會接受多臺光伏跟蹤設(shè)備上傳的各種數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果發(fā)出跟蹤控制信號。HK-MXB I/O模塊可以承擔(dān)設(shè)備內(nèi)傳感器到位信號檢測和驅(qū)動繼電器等相關(guān)設(shè)備向控制中心上傳數(shù)據(jù)、接受指令的功能。

5 總結(jié)

隨著工業(yè)4.0時代的到來，提高工廠生產(chǎn)效率的需求日漸增強。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在工廠的應(yīng)用越來越廣泛，同時，連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量，比如制造設(shè)備，也在迅速增加。提供高效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的EtherCAT使高速率高精度控制成為可能，十分適用于用于需要高速率和高精度控制的如工業(yè)機器人、半導(dǎo)體生產(chǎn)、數(shù)控機床、光伏與風(fēng)電以及過程控制等領(lǐng)域。

虹科活動預(yù)告

虹科是一家在工業(yè)自動化領(lǐng)域，特別是工業(yè)總線通訊行業(yè)經(jīng)驗超過15年的高科技公司。虹科智能自動化事業(yè)部與歐洲和美國的世界知名工業(yè)自動化、能源管理與樓宇自動化專家展開深度合作，提供業(yè)內(nèi)頂尖水平的通信協(xié)議的軟硬件解決方案，通信技術(shù)類型涉及工業(yè)自動化通訊協(xié)議【CAN、CANopen、EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、IO-Link、OPC UA、MQTT、TSN】等，能源管理與樓宇自動化通訊協(xié)議【ASCII、BACnet、KNX、Modbus】等，解決方案包含：代碼、芯片/模塊、板卡、網(wǎng)關(guān)、IO、工控機、繼電器、測試方案、培訓(xùn)和開發(fā)服務(wù)等。因此，虹科是國內(nèi)為數(shù)極少的在OT領(lǐng)域深耕多年并技術(shù)經(jīng)驗全面的供應(yīng)商。

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