一种集成在PCB板上的EtherCAT远程I/O模块

1 引言

EtherCAT是一项高性能、低成本、应用简单、拓扑灵活且开源的确定性工业以太网技术。该技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。其关键工作原理在于其节点对以太网数据帧的处理：在数据帧向下游传输的过程中，每个节点读取寻址到该节点的数据，并将它的数据写入数据帧。这种传输方式提高了带宽利用率，使得每个周期通常用一个数据帧就足以实现整个系统的数据刷新，同时，网络无需使用交换机或集线器，从而确保了实时操作并避免延迟。
EtherCAT的运行机制决定了它比其他标准以太网具备更大的优势：响应时间快，每台设备的数据要求最低且实施成本低。此外，EtherCAT几乎支持所有的拓扑结构，使得带有成百上千个节点的纯总线型或线性拓扑结构成为可能。因此，EtherCAT成为高性能的分散式I/O系统的理想选择。EtherCAT 网络可连接多达 65535 个设备，网络容量几乎没有限制，因此可以将模块化的 I/O 设备设计为每个 I/O 片都是一个独立的 EtherCAT 从站，而包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us。

2 集成在PCB板上的EtherCAT远程I/O模块

2.1 虹科HK-MXB I/O模块概述

虹科HK-MXB系列是一款EtherCAT工业以太网总线接口，集成数字量输入和输出的混合I/O模块，可以为更高层级的EtherCAT主站控制器提供理想通道。HK-MXB采用工业现场24V NPN/PNP型数字逻辑输入信号，并对捕获的信号进行限流、电气隔离的安全保护。

同时，HK-MXB还可以将主站控制器发出的指令信号转换为NPN/PNP型工业24V数字逻辑信号输出，最大具备0.5A/CH的驱动电流，可用于对继电器、指示灯以及数字逻辑信号的驱动。

HK-MXB的输入通道与输出通道，EtherCAT通信接口以及电源接口，都拥有对应的LED指示灯，用于快速观察和诊断信号与指令状态。

2.2 主要特性：

虹科HK-MXB I/O模块关键特性：
1)支持16、32或48通道24V NPN/PNP型数字量输入
2)支持16、32或48通道24V NPN/PNP型数字量输出
3)输入限流保护
4)输出限流与短路保护
5)总线通信故障指示灯
6)插拔式接线端子
7)DIN35导轨安装

虹科HK-MXB I/O模块基于PCB布线的概念，将EtherCAT远程I/O有关的I/O信号通道、RJ45通讯端口、电源信号端子等集成在PCB板上，无需额外的接线板和耦合器，便于现场安装与布线。

3 HK-MXB I/O模块现场实施

3.1 设备安装
模块支持DIN35导轨安装，可以比较便利的放置在电气柜中。

3.2 连接电源
模块供电设计为Us、Up两部分，分别对应通信系统与现场设备侧。Us用于模块通讯系统供电，Up用于现场设备测供电，用户使用时，可采用2路相互隔离的电源转换器分别为Us、Up进行供电。从而当MXB系列模块的现场输入输出信号部分电路产生异常情况（如电源异常、负载短路、浪涌）时，能够保护通信部分电路能够不受影响，以及防止现场干扰信号影响到通信电路。

3.3 总线拓扑
模块将EtherCAT远程I/O有关RJ45通讯端口集成在了PCB板上，现场应用时可与其他设备通过CAT5e的线缆直接连接。

1) 当模块为第一个与主站相连的从站设备时，必须使用模块上的IN端口与主站连接。
2) 当模块为中间位置的从站设备是，必须使用IN端口与前一级从站设备连接，使用OUT端口与后一级从站设备连接。
3) 当模块为最后一个从站设备时，必须使用IN端口与前一级从站设备连接，并空置OUT端口。

3.4 现场应用

1)首次使用时，需要将从站XML配置文件导入主站，具体方案请查阅各厂家主站使用手册。
2)连接电源供电，使用带屏蔽的CAT5e以太网线连接模块与主站

3)DI数字量信号输入接线

4)DO数字量信号输出接线

5)启动电源，通过主站扫描从站
6)主站通过PDO操作，可对DI、DO分别的16个进行操作
7)观察模块上对应通道的输入、输出指示灯状态以确认信号通断

4 典型应用

4.1 机器人控制
HK-MXB I/O模块可以将I/O信号与机器人系统的一些特殊功能相关联，用于对机器人进行某种控制和监控机器人系统的状态。同时，MXB模块可以安装在远程机架柜中，在合适的地方布置远程I/O站点。一个区域的信号都接到这个站点中，然后站点和主电柜PLC进行通讯。这样的方式可以减少成本，方便布线。

4.2 半导体生产
EtherCAT由于其通讯速率高，通讯质量好，通讯介质广，网络拓扑结构灵活，可应用于安全等级较高的危险场合。半导体生产制造中，常常有着许多阀岛、驱动器、传感器和气控或电控设备，HK-MXB I/O模块可以实现对相应信号的采集、控制或远程维护。

4.3 光伏与风电
光伏产业是基于半导体技术和新能源需求而兴起的朝阳产业，也是未来全球先进产业竞争的制高点。在光伏跟踪控制中，控制中心会接受多台光伏跟踪设备上传的各种数据，并且根据数据处理的结果发出跟踪控制信号。HK-MXB I/O模块可以承担设备内传感器到位信号检测和驱动继电器等相关设备向控制中心上传数据、接受指令的功能。

5 总结

随着工业4.0时代的到来，提高工厂生产效率的需求日渐增强。数据网络在工厂的应用越来越广泛，同时，连接到网络的设备数量，比如制造设备，也在迅速增加。提供高效数据转换的EtherCAT使高速率高精度控制成为可能，十分适用于用于需要高速率和高精度控制的如工业机器人、半导体生产、数控机床、光伏与风电以及过程控制等领域。

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