一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统的制作方法

本发明涉及流体传动与控制技术领域，具体的说是一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统。

背景技术：

EtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实施工业以太网技术，它主要具有高速和高数据、有效率，适用广泛，完全符合以太网标准的特点，支持多种设备连接的拓扑结构。电液比例阀是电液比例控制技术的核心和主要功率放大元件，代表了流体控制技术的发展方向。随着工程技术的不断发展，对于比例阀的位置控制精度和频率响应提出了更高的要求。

目前比例阀控制系统主要基于CAN总线方式和电信号控制方式。CAN总线方式具有系统的开放性、互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性的优点，但是CAN总线主要应用于分布式控制系统，而EtherCAT总线可以应用在集中式与分布式2种控制结构中。而电信号控制方式是通过电信号连续、按比例地控制液压系统的流量、压力和方向的控制阀，但是无法实现比例阀阀芯的位移、阀内温度等采集信息的实时性，以及无法通过控制器对比例阀的位置控制精度和频率响应达到理想的控制控制要求。

由此可见，如何克服传统的电信号控制比例阀方式，实现提高比例阀控制精度以及如何对比例阀信息的实时采集的问题是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统，能够解决现有技术中传统的电信号比例阀控制方式，导致的比例阀的控制精度不够以及比例阀信息无法实时采集的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统，其特征在于：包括主站控制器和从站控制器；

所述的主站控制器通过EtherCAT总线与设有EtherCAT总线接口的从站控制器连接；所述的从站控制器与比例阀控制器连接；

所述的主站控制器依次通过EtherCAT总线、从站控制器将控制指令发送至比例阀控制器以对比例阀进行控制；所述的比例阀的工作信息依次通过从站控制器、EtherCAT总线传输到主站控制器中进行实时显示。

所述的主站控制器采用装有TwinCAT的工控机。

所述的从站控制器采用集成ARM核心处理器、ET1100控制器和AD采样模块的开发板。

所述的比例阀的工作信息通过传感器采集得到，所述的传感器采集得到的模拟量信号通过AD转换模块转化为数字量信号，AD转换模块输出的数字量信号通过SPI总线与从站控制器连接。

所述的从站控制器的ARM核心处理器将控制信号作为PWM波输出，所述的从站控制器输出的PWM波经由放大电路后控制比例阀工作状态。

所述的主站控制器与报警装置信号连接，所述的报警装置用于在主站控制器获取到的比例阀的状态数据超出阈值时进行报警提示。

所述的主站控制器与显示模块信号连接，所述的显示模块用于显示比例阀的状态信息，以及状态报警的显示。

该种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统能够达到的有益效果为：第一，主控制器可以通过EtherCAT总线与设有EtherCAT总线接口的从站控制器连接，因为EtherCAT总线具有实时性强、可靠性高及同步性好等优点，能将比例阀的状态信息实时的传输到主控制器进行监控以及报警的显示；第二，主控制器能通过EtherCAT总线发送相应的控制信息给从站控制器，进而控制比例阀，达到控制的实时性和稳定性。

附图说明

图1为本发明一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统的系统结构原理图。

图2为本发明一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统中从站控制器的硬件架构框图。

图3为本发明一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统中比例阀的原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。

一种基于EtherCAT总线的比例阀控制系统，其特征在于：包括主站控制器和从站控制器；

所述的主站控制器通过EtherCAT总线与设有EtherCAT总线接口的从站控制器连接；所述的从站控制器与比例阀控制器连接；

所述的主站控制器依次通过EtherCAT总线、从站控制器将控制指令发送至比例阀控制器以对比例阀进行控制；所述的比例阀的工作信息依次通过从站控制器、EtherCAT总线传输到主站控制器中进行实时显示。

本实施例中，主站控制器采用装有TwinCAT的工控机，该种装有TwinCAT的工控机一般可采用鼠标和键盘进行控制。

本实施例中，从站控制器采用集成ARM核心处理器、ET1100控制器和AD采样模块的开发板。

本实施例中，比例阀的工作信息通过传感器采集得到，所述的传感器采集得到的模拟量信号通过AD转换模块转化为数字量信号，AD转换模块输出的数字量信号通过SPI总线与从站控制器连接。

进一步的，比例阀是不具有与EtherCAT总线接口的，与从站控制器连接的AD转换模块又连接比例阀上的各个传感器，所以AD转换模块可以通过SPI总线先将传感器信号传送给从站控制器，然后再由从站控制器通过EtherCAT总线将采集回的信息传输给主站控制器，进而实现对比例阀相关信息的实时监控。本实施例中，EtherCAT总线接口设计为标准RJ45接口，该种标准RJ45接口也可采用其它符合要求EtherCAT总线接口替换。主站控制器与从站控制器之间的连接线一般选用5类以上的标准网线。

本实施例中，从站控制器的ARM核心处理器将控制信号作为PWM波输出，所述的从站控制器输出的PWM波经由放大电路后控制比例阀工作状态。

进一步的，控制器输出的PWM波经由放大电路后通过控制比例电磁铁吸合，实现主控制器对比例阀的控制。

本实施例中，主站控制器与报警装置信号连接，所述的报警装置用于在主站控制器获取到的比例阀的状态数据超出阈值时进行报警提示。主站控制器与显示模块信号连接，所述的显示模块用于显示比例阀的状态信息，以及状态报警的显示。

从站控制器可以通过EtherCAT总线将采集回来的比例阀信息与设有EtherCAT总线接口的主站控制器，以达到实时采集与显示的功能；另一方面主站控制器和从站控制器可以通过程序对比例阀的阀芯位置进行控制，以达到对比例阀的位置控制精度和频率响应理想的控制要求。

进一步的，主站控制器中对EtherCAT通讯回来的比例阀信息进行标定与报警逻辑的设计，使比例阀信息在显示模块中显示，并且能对异常信息进行报警监控。一般情况下显示装置采用LED彩色显示屏。比例阀在使用工作过程中会因为误操作导致的比例阀进出口压力过大或阀内温度过高等危险问题，报警装置能够在比例阀出现上述问题时，提醒操作人员，报警装置一般为蜂鸣器和/或指示灯和/或麦克风。

如图2所示，从站控制器中ARM核心处理器用于进行数据处理，ET1100控制器用于实现EtherCAT通信功能，AD采样模块用于对采集回的比例阀传感器信号进行模数转换。所述的AD采样模块一般采用AD7606模数转换芯片。

进一步的，从站控制器还包括实现控制程序的掉电保持功能的EEPROM存储芯片，采用MII接口方式外接物理层芯片、网络变压器等标准以太网物理层器件然后连接RJ45接口或采用EBUS接口方式直接连接RJ45接口的两种EtherCAT数据收发端口方式；以及为从站控制器主板和接口板提供两路相互独立的电源，包含+24V,+5V,+3.3V等工作电压的电源模块。

AD7606模数转换芯片与比例阀内的传感器信号连接，将传感器信号接收到芯片中，进行模数转换，然后将转换完的数字量信号通过SPI总线传输给ARM核心处理器，在ARM核心处理器中可以通过烧入程序的方式对采集的数字量信号进行标定。ARM核心处理器通过SPI总线将标定好的数字量信号以字或者字节的方式传输给ET1100芯片。其中EtherCAT通信模块在控制系统中起着桥梁作用，实现主站工控机与从站控制器芯片的数据通信：一方面ET1100芯片通过SPI总线方式与ARM核心处理器通信，ARM核心处理器将采集回的比例阀传感器信息数据写入ET1100芯片内部存储区供主站控制器读取或读取ET1100芯片内部存储区中主站控制器给的指令数据；另一方面，通过EtherCAT实时以太网通信协议，主站控制器将控制数据存储到ET1100芯片内部存储区供ARM核心处理器读取。

从站控制器中设计的EtherCAT数据收发端口分为两种：一是采用MII接口方式外接物理层芯片，再接网络变压器，最后连接RJ45接口的方式；二是采用EBUS接口方式直接连接RJ45接口的方式。本实施例中的EtherCAT数据收发端口均可使用5类以上的标准网线与其他带有EtherCAT接口的设备进行连接通讯。本实施例中的电源模块包含+24V,+5V,+3.3V等工作电压，分别为从站控制器主板Ⅰ与接口板Ⅱ提供两路相互独立的电源，以及为ARM核心处理器提供掉电保护的电源。本实施例中的SPI拓展模块是当ARM核心处理器自带的SPI总线接口不够用时，为主板Ⅰ提供标准的SPI总线接口，并且拓展的SPI串行总线接口可以用于后期开发使用。本实施例中的EEPROM存储芯片通过I2C总线与ET1100芯片进行通信，可以将ET1100芯片内部存储区的数据信息传入EEPROM存储芯片中，实现主站控制器给定的指令数据的掉电保持功能。

以图3所示的比例阀为例进行工作流程的说明如下：图3所示比例阀中P为主阀进油口，T为主阀出油口，Y为先导阀进油口，X为先导阀出油口。当左侧比例电磁铁1和右侧比例电磁铁6没有收到控制信号时不会产生磁力，左侧弹簧2和右侧弹簧5受力相等，先导阀Ⅱ的阀芯4处于中位，先导阀Ⅱ的P口被堵住，如图中中间纵向虚线所示，先导阀Ⅱ的A口和先导阀Ⅱ的B口无油液流出，主阀Ⅰ两端控制腔的油液压力相等，由于弹簧力的作用，主阀Ⅰ阀芯10处于中位的状态，主阀Ⅰ的P口被阀芯10堵死。当左侧比例电磁铁1收到控制信号后产生磁力，进推动先导阀Ⅱ的阀芯4移动，在左侧电磁铁1的出力与弹簧力平衡之后，先导阀Ⅱ的阀芯4就停止运动，此时先导阀Ⅱ的阀芯4位置应该处于右侧，先导阀Ⅱ的P口和先导阀Ⅱ的A口相通，先导阀Ⅱ的T口和先导阀Ⅱ的B口相通，油液进入主阀Ⅰ左控制腔，主阀Ⅰ的阀芯10因为受力不平衡的原因向右移动，当主阀Ⅰ的阀芯10受力平衡后停止运动，此时主阀Ⅰ的P口与主阀Ⅰ的B口相通，主阀Ⅰ的A口与主阀Ⅰ的T口相通。当右侧比例电磁铁受到控制信号后，进推动先导阀Ⅱ的阀芯4移动，在右侧电磁铁6的出力与弹簧力平衡之后，先导阀Ⅱ的阀芯4就停止运动，此时先导阀Ⅱ的阀芯4位置应该处于左侧，先导阀Ⅱ的P口和先导阀Ⅱ的B口相通，先导阀Ⅱ的T口和先导阀Ⅱ的A口相通，油液进入主阀Ⅰ右控制腔，主阀Ⅰ的阀芯10因为受力不平衡的原因向左移动，当主阀Ⅰ的阀芯10受力平衡后停止运动，此时主阀Ⅰ的Ⅰ口与主阀Ⅰ的A口相通，主阀Ⅰ的T口与主阀Ⅰ的B口相通。主阀的P口和A口相通,主阀的B口与主阀的T口相通。

本实施例中，与AD采样模块信号连接的比例阀传感器包括压力传感器、位移传感器和温度传感器，所述的压力传感器设置在比例阀的主阀Ⅰ的P口、A口、B口和Y口，主阀Ⅰ的P口和Y口的压力传感器用于采集主阀进油口压力和先导阀进油口压力，是4-20mA的模拟量信号，该信号通过AD转换芯片阀口压力信息传输到ARM核心处理器中，起到监控报警与数据采集的作用；主阀I的A口和B口的压力传感器分别用于采集两工作油路的压力，是4-20mA的模拟量信号，该信号通过AD转换芯片阀口压力信息传输到ARM核心处理器中，可以起到判断主阀阀芯是否按照给定的控制信号进行运动，以及判断比例阀的工作状态的作用。其次，在比例阀的右部设有位移传感器Z，用于检测主阀Ⅰ阀芯10位移，是4-20mA的模拟量信号，该信号通过AD转换芯片阀口压力信息传输到ARM核心处理器中，起到在闭环位置控制中给与阀芯位移反馈以及数据采集的作用；在主阀P口设有温度传感器，用于检测比例阀内油温，是0-10V的模拟量信号，该信号通过AD转换芯片阀口压力信息传输到ARM核心处理器中，起到监控报警与数据采集的作用。

比例阀所接收到的控制信号均是由主控制器给出的，通过EtherCAT通信方式传输到从站控制器中，经由ARM将控制信号作为PWM波输出，再经由放大电路控制比例阀上的比例电磁铁得电，从而达到要求的控制状态。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。