基于以太网的网络信号远程控制执行器的系统及方法与流程

1.本发明涉及工业自动化控制技术领域，尤其涉及现场设备远程控制技术领域，具体是一种基于以太网的网络信号远程控制执行器的系统及方法。


背景技术：

2.现有4—20ma模拟量控制信号，主要由dcs或者智能调控仪表发出，而这类的仪表主要安装在机柜间内，远离生产现场，信号传输所需信号线较多，并距离远，搞干扰能力差，施工困难等不利因素。
3.参见图1，现有模拟量控制输出信号主要是将dcs或者智能仪表的控制信号转换成4
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20ma电流信号，通过电缆连接到工业现场执行器上。这种信号传输所需信号线较多，抗干扰能力差，dcs机柜内输出卡件多等弱点；组网数量有限，容易受到干扰，传输距离有限制。
4.随着工业的发展和科技的进步，工业现场对于控制系统的要求也越来越高，现代生产环境的规模化和高集成度效应要求在不同区域终端设备都能对现场模拟量信号进行采集和输出，现有的远程i/o模块已经无法满足控制距离较远的现场设备的要求。
5.另外，特别场所如化工企业现场对控制电路要求非常严格，现场控制电路都采用隔爆或本质安全型电路，外接所有信号传感器都必须单独的电缆接到plc或者dcs机柜，在plc箱或者dcs机柜内还需要将本质安全信号与非本质安全信号进行光电隔离。隔离后再进入到plc中进行逻辑及计算处理。如果现场需要控制的执行器比较多时，每一个执行器都需要一根电缆从plc箱或者dcs机柜送到现场，这样会有很多缺点：1.现场电缆多，桥架多，安装工程量大，成本高，安全隐患；2.每个信号需要光电隔离安全栅，增加了故障点；3.电缆之间相互干扰，对设备运行的稳定性有影响，维护困难。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于以太网的网络信号远程控制执行器的系统及方法，以解决传统4—20ma输出电路通讯速度慢、易被干扰、输出卡件品种多、数量大、需要铺设大量的线缆、桥架，且存在信号衰减和延时的技术问题。
7.为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
8.公开一种基于以太网的网络信号远程控制执行器的系统，它包括：
9.光纤收发器，用于与光纤电路连接并接收光纤信号；
10.以太网控制器，与所述光纤收发器连接并与光纤收发器采用光纤信号信息传输；
11.信号转换电路，与所述以太网控制器通信连接并将以太网控制器的网络信号转换为模拟信号输出；
12.模拟量输出模块电路，与所述信号转换电路连接并输出4—20ma的电流信号。
13.所述以太网控制器上连接有上拉电阻。
14.所述信号转换电路包括数模转换模块。
15.所述模拟量输出模块电路包括至少一个连接在所述数模转换模块上的滤波电容及至少一个连接在所述数模转换模块上的电感及至少一个连接在所述数模转换模块上的二极管。
16.还包括高精度稳压电源，所述高精度稳压电源与所述以太网控制器、信号转换电路连接。
17.还包括电源变换电路，所述电源变换电路与所述高精度稳压电源输入端连接。
18.还包括时钟电路，所述时钟电路与所述信号转换电路、以太网控制器、光纤收发器连接。
19.还包括寄存器电路，所述寄存器电路与所述信号转换电路连接。
20.进一步的，本发明还公开一种基于以太网的网络信号远程控制执行器的方法及系统，所述方法包括如下步骤：
21.1)控制信号通过以太网以光纤信号输出至光纤收发器；
22.2)光纤收发器接收光纤信号并通过信号转换电路将网络信号转换为模拟量电流信号输出至执行器内。
23.本发明的有益效果在于：
24.本发明通过远程网络模块控制输出4—20ma模拟电量来控制工业控制系统中的各种现场装置执行器，同时本系统和上位机之间的信号传输方式为网络传输；并所采用高精度模数转换电路，通过光纤网络提供监视及控制输入与输出端口控制的功能，利用网络可通过当前的节点，在远程任何地点可有效的管理i/o设备。
25.本系统抗干扰能力强，可简化dcs机柜内的输出卡件，大幅减少电缆的使用量，和桥架的数量，可节约大量的施工成本和硬件成本，本系统可无限组网，使用非常方便灵活，只要将本系统安装到执行器中，可接收网络发出的指令，由执行器执行。本系统通用性强，精度高，整个信号由光纤传输，无电磁信号，因此抗干扰能力强。
附图说明
26.图1为现有系统采用的信号变送方式示意图；
27.图2为本系统的电路原理框架示意图；
28.图3为本发明的电路连接示意图；
29.图4为本发明中的信号转换电路及模拟量输出模块电路的连接示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
31.实施例1：一种基于以太网的网络信号远程控制执行器的系统，参见图2至图4。
32.如图2所示，图2出示了本系统的模块电路示意图，本系统它包括：
33.光纤收发器，用于与光纤电路连接并接收光纤信号并用于与以太网连接，实现远距离的信号传输；
34.以太网控制器，与所述光纤收发器连接并与光纤收发器采用光纤信号信息传输；
35.信号转换电路，与所述以太网控制器通信连接并将以太网控制器的网络信号转换为模拟信号输出；
36.模拟量输出模块电路，与所述信号转换电路连接并输出4—20ma的电流信号。
37.本系统中，所述以太网控制器、光纤收发器、信号转换电路的各模块的i/o线都有一个弱上拉电阻器，当输出缓冲器为三级时，可防止线路浮动。
38.本系统中，所述信号转换电路包括数模转换模块，数模转换模块为ad5755模拟量输出控制器。
39.本系统还包括高精度稳压电源，所述高精度稳压电源与所述以太网控制器、信号转换电路连接并为之提供稳定的电源，所述高精度稳压电源为adlt8301电源模块。
40.本系统中，所述以太网控制器为w5500以太网控制器，所述光纤收发器电路为ip113c模块。
41.本系统还包括电源变换电路，所述电源变换电路与所述高精度稳压电源输入端连接。
42.本系统还包括时钟电路，所述时钟电路与所述信号转换电路、以太网控制器、光纤收发器连接并用以为电路提供时钟。
43.本系统还包括寄存器电路，所述寄存器电路与所述数模转换模块连接，具体是所述寄存器与所述数模转换模块的spi端口信号和i/o口信号连接。
44.如图3所示，图3出示了本系统的电路连接示意图，本系统的电路中，ip1330c光纤收发器u2电路中电源avcc的第1脚、第7脚、第11脚、第19脚、第34脚接 5v，接地(gnd)的第4脚、第10脚、第20脚、第35脚、第42脚、第43脚接电源地。ip1330c光纤收发器u2的网络端口第9脚txn、第8脚txp接w5500以太网控制器u5的第1脚txn、第2脚txp，ip1330c光纤收发器u2的第5脚rxp、第6脚rxn、接w5500以太网控制器u5的第5脚rxp、第6脚rxn；ip1330c光纤收发器u2光接收口的第13脚fxrd、第14脚fsrd接prt光接收器两端，ip1330c光纤收发器u2发射口的第16脚fxtdp、第17脚fxtdm接光发射器两端。
45.所述时钟电路由电容c4、电容c5、晶振x2组成，电容c4(20pf)、电容c5(20pf)、晶振x2(25mhz)接到ip1330c光纤收发器u2的第40脚上为ip1330c光纤收发器u2提供时钟。
46.所述闪存电路为24c01a模块并为ip1330c光纤收发器u2提供闪存，24c01a模块的第5脚、第6脚与ip1330c光纤收发器u2的第45脚sda、第46脚scl相接。
47.所述复位电路中，ip1330c光纤收发器u2的第28脚resetb接电容c6(0.1μf),电容c6另一端接地。ip1330c光纤收发器u2的第28脚resetb接电阻r2(100k)，电阻r2另一端接电源正5v。
48.所述指示电路中，ip1330c光纤收发器u2的第30脚fef、第31脚link、第32脚fdx、第33脚spd、第37脚fx
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fdx、第38脚fxsd接发光二极管，作为工作指示。
49.所述数模转换电路中，w5500以太网控制器上网络通讯端口的第1脚txn、第2脚txp接电阻r17(50欧姆)、电阻r18(50欧姆)、ip1330c光纤收发器u2的第9口、第8口、电阻r17、电阻r18的另一端口接vcc，电阻c20、电阻c14的另一端口接gnd。
50.w5500以太网控制器上网络通讯端口的第5脚rxp、第6脚rxn接电阻r19(150欧姆)、电阻r20(150欧姆)ip1330c光纤收发器的第5口、第6口，电阻r19、电阻r20另一端口接电容c21和vcc，电容c21另一端口接gnd，w5500以太网控制器的第10脚exres1接电阻r21(12.4k1％)，电阻r21的另一端口接gnd，w5500以太网控制器的第7脚rstn接开关reset口作为复位开关，开关reset另一端口接gnd。
51.电阻r6(10k)、电阻r7(10k)、电阻r16(10k)为上拉电阻接w5500以太网控制器的第38、39、40、41、42、43、44、45脚rsv、pmode口，另一端接gnd。
52.w5500以太网控制器的时钟电路由电容c23、电容c22、电阻r22、晶振x1组成，电容c23(20pf)、电容c22(20pf)、电阻r22(1m)、晶振x1(25mhz)接w5500以太网控制器的第31脚xo、第30脚xl/clkin为w5500以太网控制器提供时钟。
53.w5500以太网控制器的spi通讯口的第35脚mosi、第34脚moso、第33脚sclk口、连接ad5755模拟量输出控制器的第8、9脚。
54.本系统中所述模拟量输出模块电路包括至少一个连接在所述数模转换模块上的滤波电容及至少一个连接在所述数模转换模块上的电感及至少一个连接在所述数模转换模块上的二极管。
55.如图3、4所示，图3、4出示了本系统的模拟量输出模块电路的具体连接示意图，本电路中：c28(0.1μf)滤波电容接在ad5755模拟量输出控制器的第61脚irefin口、第62脚refout口与gnd之间，c29(0.1μf)滤波电容接在vcc 5与gnd之间，c30(0.1μf)滤波电容接在r23一端、ad5755模拟量输出控制器的第35脚agnd口之间。l1(10μh)电感接在 5v电源端，另一端接在ad5755第39脚swa口。
56.s3复位开关一端接ad5755模拟量输出控制器的第12脚gndnd，另一端接ad5755模拟量输出控制器的第18脚rest口，d3二极管一端接ad5755模拟量输出控制器的第39脚swa口，另一端与电阻r23(10)一端相接、电容c30(0.1μf)相接。d4二极管一端接gnd,另一端接负载电阻r25(500)一端。d5二极管负端接ad5755模拟量输出控制器的第24脚(vboosta),另一端正端接调节电阻r25(5k)一端，接ad5755模拟量输出控制器的第26脚(iouta)口、d6负端。d6二极管的正端接vss
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16v、接ad5755模拟量输出控制器的第27脚avss口，负端接d5正端，接ad5755模拟量输出控制器的第26脚(iouta)口、接调节电阻r25(5k一端)。
57.本发明解决了传统4—20ma输出电路通讯速度慢、易被干扰、输出卡件品种多、数量大、需要铺设大量的线缆、桥架，且存在信号衰减和延时等问题，改变了传统的dcs组网模式。
58.如上所述，本系统在工作中，控制信号通过光纤信号从远端传输至光纤接收器中并通过以太网控制器向后输送至ad5755模拟量输出控制器中进行数模转换，最终形成模拟量4—20ma电流输出，本系统中模拟量4—20ma电流的输出和上位机之间通过本系统中的光纤收发器传输方式为光纤传输，本系统采用模拟量4—20ma输出，可直接上位机发出信号经光纤传输后，用本模块输出4
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20ma信号，发送给执行器，减少众多的中间环节，可将本模块直接安装在执行器内。
59.综上，本系统通过光纤网络提供监视及控制输入与输出端口控制的功能，利用网络可通过当前的节点，在远程任何地点可有效的管理输出设备。
60.实施例2，一种基于以太网的网络信号远程控制执行器的方法，所述方法包括如下步骤：
61.1)控制信号通过以太网以光纤信号输出至光纤收发器；
62.2)光纤收发器接收光纤信号并通过信号转换电路将网络信号转换为模拟量电流信号输出至执行器内。
63.本实施例所述方法基于实施例1所述系统实现，实施中，本系统和上位机之间的信
号传输方式为光纤传输；所述模块所采用模拟量输出电路，通过光纤网络提供监视及控制输入与输出端口控制的功能，利用网络可通过当前的节点，利用简单的逻辑式依据输入信号的输出端口的节点控制；辅以光纤以太网通讯，使每个设备对应一个独立的ip地址，信号可以通过网络口直接汇总到电脑后台，便于集中管理，在远程任何地点可有效的管理输出设备。也即，本系统在光纤网络环境中，把电脑指令通过光纤发送给本系统中模块，本系统通过信号转换电路、模拟量输出模块电路输出4—20ma信号用以控制执行机构，如可实现远程控制调节阀、调压模块，以及其它需要用到4—20ma信号执行器中。
64.本发明实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。