一种一体式EtherCAT总线I/O模块的制作方法

一种一体式ethercat总线i/o模块
技术领域
1.本发明涉及ethercat总线技术领域，尤其涉及一种一体式ethercat总线i/o模块。


背景技术：

2.ethercat是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，ethercat 是迄今为止速度最快的工业以太网技术之一，同时它提供纳秒级精度的同步，所有由总线系统控制或监测的系统应用都将从此大大获益，ethercat系统中设备的快速反应时间减少了处理步骤中的状态转换等待时间，从而显著提高了应用的效率。
3.现有技术中基于ethercat在总线i/o模块方面的改进，通常是对总线i/o模块在配线以及接口方面的改进，比如申请公开号cn111581135a的发明专利，公开了“一种基于ethercat的工业总线i/o模块”，该方案就是通过对总线i/o模块进行网络化配线，使现场环境干净整洁，节省线缆物力成本以及线束制作人力成，同时其他方面对基于ethercat在总线i/o模块方面的改进是使用新型的i/o扩展模块使通讯更加稳定，上述改进方法缺少在i/o模块中对继电器的运行环境以及ethercat的运行环境的有效检测，在i/o模块运行故障时不能及时预警，导致数据丢失的问题，鉴于此，有必要对现有的基于ethercat总线i/o模块进行改进。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种一体式ethercat总线i/o模块，用于解决现有的对ethercat总线i/o模块的改进方法中缺少对继电器的运行环境以及ethercat的运行环境的有效检测，以解决现有的技术中在i/o模块运行故障时不能及时预警，导致数据丢失以及设备损坏的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种一体式ethercat总线i/o模块，所述一种一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，包括继电器输出单元、环境采集单元、ethercat底座保护单元以及终端处理器，所述继电器输出单元、环境采集单元以及ethercat底座保护单元与终端处理器通讯连接；所述继电器输出单元用于对继电器接收到的电压以及电流进行采集，并基于采集结果、继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命控制继电器的输出；所述环境采集单元用于对i/o模块周围的环境进行采集；所述ethercat底座保护单元包括电源输入检测器以及ethercat温度传感器；所述终端处理器包括存储单元、分析单元以及预警单元；所述存储单元用于存储继电器在标准情况下的机械寿命以及电气寿命，所述存储单元还用于存储继电器以及ethercat被使用的历史数据；所述分析单元用于对环境采集单元以及ethercat底座保护单元的采集结果进行分析；所述预警单元基于获取到的信号进行预警。
6.进一步地，所述继电器输出单元包括继电器电流传感器、继电器电压传感器以及计数器，所述继电器电流传感器用于采集传输到继电器的电流，所述继电器电压传感器用于采集传输到继电器的电压，所述计数器包括机械寿命计数器以及电气寿命计数器，所述机械寿命计数器用于对继电器在机械机构完整时被操作的次数进行计数，所述电气寿命计数器用于对继电器在设备正常开闭以及不超出设备电气规范时被使用的周期数进行计数。
7.进一步地，所述继电器输出单元配置有能量采集策略，所述能量采集策略包括：当继电器开始运行时，在继电器被启动第一继电器时间后，启动继电器电流传感器以及继电器电压传感器，获取此时传输到继电器的电流以及传输到继电器的电压，记为继电器初始电流以及继电器初始电压；当继电器被开启时，机械寿命计数器加1，所述机械寿命计数器以及电气寿命计数器初始均为0。
8.进一步地，所述继电器输出单元还配置有采集调整策略，所述采集调整策略包括：获取继电器初始电流，当继电器初始电流小于继电器标准电流时，获取此时的继电器初始电压，通过第一参数算法获得第一标准参数，所述第一参数算法为α1=u1/i1，其中，α1为第一标准参数，u1为继电器初始电压，i1为继电器初始电流；当α1小于等于第一参数阈值且大于等于第二参数阈值时，继续运行继电器，电气寿命计数器加1；当α1小于第二参数阈值或大于第一参数阈值时，停止运行继电器，保持对继电器的电流输入以及电压输入，经过第一等待时间后，重新启动继电器并重新计算α1，当此时α1小于等于第一参数阈值且大于第二参数阈值时，继续运行继电器，电气寿命计数器加1；当此时α1小于等于第二参数阈值或大于第一参数阈值时，停止运行继电器，发送能量传输异常。
9.进一步地，所述继电器输出单元还配置有寿命管理策略，所述寿命管理策略包括：当继电器每次被使用后，获取继电器被使用的历史数据，通过继电器被使用的历史数据计算继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命，记为预估机械寿命以及预估电气寿命；获取机械寿命计数器以及电气寿命计数器中的数字，记为实际机械寿命以及实际电气寿命；当预估机械寿命等于实际机械寿命时，将实际机械寿命与标准机械寿命进行比对，当实际机械寿命小于标准机械寿命时，将继电器记为可使用继电器；当实际机械寿命大于等于标准机械寿命时，将继电器记为机械不可使用继电器；当预估机械寿命不等于实际机械寿命时，取预估机械寿命与实际机械寿命中的最大值进行上述比对；当预估电气寿命等于实际电气寿命时，将实际电气寿命与标准电气寿命进行比对，当实际电气寿命小于标准电气寿命时，将继电器记为可使用继电器；当实际电气寿命大于等于标准电气寿命时，将继电器记为电气不可使用继电器；当预估电气寿命不等于实际电气寿命时，取预估电气寿命与实际电气寿命中的最大值进行上述比对。
10.进一步地，所述电源输入检测器用于对系统电源的输入值以及i/o电源的输入值
进行检测，所述ethercat温度传感器用于对ethercat总线周围的温度进行采集，所述ethercat底座保护单元配置有电源输入管理策略，所述电源输入管理策略包括：将检测到的系统电源的输入值记为初始系统值，将检测到的i/o电源的输入值记为初始i/o值；当ethercat启动时，经过第一ethercat启动时间获取电源输入检测器对初始系统值的检测结果；当初始系统值小于等于第一系统值且大于第二系统值时，获取初始i/o值，当初始i/o值小于等于初始系统值且大于第二系统值时，ethercat继续运行；当初始i/o值大于第一系统值时，发送i/o输入电压异常；当初始系统值大于第一系统值或小于第二系统值时，发送系统输入电压异常。
11.进一步地，所述环境采集单元包括i/o温度传感器以及i/o湿度传感器，所述i/o温度传感器用于对i/o模块周围环境中的温度进行采集，所述i/o湿度传感器用于对i/o模块周围环境中的湿度进行采集，所述ethercat底座保护单元还配置有ethercat温度采集策略，所述ethercat温度采集策略包括：在ethercat启动前，使用ethercat温度传感器对ethercat总线周围的温度进行采集，将采集结果记为启动前温度；当启动前温度小于第一ethercat低温或大于第一ethercat高温时，停止启动，发送ethercat温度异常信号；当启动前温度小于第二ethercat低温且大于等于第一ethercat低温时，发送ethercat低温信号；当启动前温度大于第二ethercat高温且小于等于第一ethercat高温时，发送ethercat高温信号；在ethercat运行时，每隔第一ethercat温度时间进行一次温度采集，将采集结果记为ethercat运行温度；获取ethercat被使用的历史数据，将ethercat被使用的历史数据中每天被使用最多的第一时间阈值记为高峰时间，获取所有高峰时间的平均值，记为高峰平均时间；当ethercat运行至一天中的高峰平均时间时，每隔第二ethercat温度时间进行一次温度采集。
12.进一步地，所述ethercat底座保护单元还配置有继电器管理策略，所述继电器管理策略包括：当获取到i/o输入电压异常时，向继电器发送关闭信号，当第一保护时间后继电器仍未关闭时，对继电器强制关闭并发送继电器故障信号。
13.进一步地，所述环境采集单元配置有i/o温度采集策略，所述i/o温度采集策略包括：当i/o模块开始运行后，每隔第一i/o温度时间，使用i/o温度传感器对i/o模块周围环境中的温度进行采集，将采集结果记为i/o环境温度，当i/o环境温度小于第一i/o低温阈值或大于第一i/o高温阈值时，关闭i/o模块，发送i/o温度异常信号；当i/o环境温度大于第二i/o高温阈值且小于等于第一i/o高温阈值时，将采集间隔从第一i/o温度时间调整为第二i/o温度时间；当i/o环境温度小于第二i/o低温阈值且大于等于第一i/o低温阈值时，将采集间隔从第一i/o温度时间调整为第三i/o温度时间。
14.进一步地，所述环境采集单元还包括i/o内部温度采集器，所述i/o内部温度采集
器用于对i/o模块运行时内部的环境温度进行采集，所述环境采集单元还配置有i/o湿度采集策略，所述i/o湿度采集策略包括：当i/o模块开始运行时，每隔第一i/o湿度时间，使用i/o湿度传感器对i/o模块周围环境中的湿度进行采集，将采集结果记为i/o环境湿度，每次i/o湿度传感器进行采集后，使用i/o内部温度采集器进行一次采集，将采集结果记为i/o内部温度。
15.进一步地，所述分析单元配置有综合分析策略，所述综合分析策略包括：当i/o湿度传感器进行采集后，获取i/o内部温度以及最近采集到的i/o环境温度，将i/o环境温度乘以i/o环境湿度的值记为凝露指数，当凝露指数的数值大于等于i/o内部温度的数值时，发送凝露信号；获取ethercat运行温度，当ethercat运行温度小于等于第一ethercat低温时，发送ethercat低温信号；当ethercat运行温度大于等于第一ethercat高温时，发送ethercat高温信号。
16.进一步地，所述预警单元配置有综合预警策略，所述综合预警策略包括：当获取到能量传输异常时，停止对继电器的电压输送以及电流输送，发送能量预警信号；当获取到i/o输入电压异常时，停止对i/o模块的电压输送以及对ethercat模块的电压输送，发送i/o输入电压预警；当获取到系统输入电压异常时，停止对ethercat模块的电压输送，发送系统输入电压预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat温度异常信号时，关闭ethercat，发送ethercat温度异常预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat低温信号时，关闭ethercat，发送ethercat低温预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat高温信号时，关闭ethercat，发送ethercat高温预警；当获取到继电器故障信号时，停止对继电器的电压输送以及电流输送，经过第一预警时间后关闭继电器，发送继电器故障预警；当获取到i/o温度异常信号时，停止对i/o模块的电压输入，发送i/o温度异常预警；当获取到凝露信号时，发送凝露预警；当继电器被记为电气不可使用继电器时，关闭对继电器的电压输送端口以及电流输送端口，停止继电器的下一次运行，发送继电器电气寿命不足预警；当继电器被记为机械不可使用继电器时，关闭继电器中若干用于运作的机械部件，停止继电器的下一次运行，发送继电器机械寿命不足预警。
17.本发明的有益效果：本发明通过继电器输出单元对继电器接收到的电压以及电流进行采集，并基于采集结果、继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命控制继电器的输出，这样的好处在于，通过对继电器接收到的电压以及电流进行采集，可以有效对继电器的启动进程进行监控，可以及时发现对继电器的能量传输产生影响的相关故障，通过获取继电器的机械寿命以及电气寿命，可以对继电器剩余的使用次数进行监控，有效预防因继电器
机械寿命为零或电气寿命为零发生的故障；本发明还通过环境采集单元用于对i/o模块周围的环境进行采集，通过ethercat底座保护单元对系统电源的输入值以及i/o电源的输入值进行检测，并通过ethercat温度传感器对ethercat总线周围的温度进行采集，这样的好处在于，通过对i/o模块周围的环境进行采集，可以对i/o模块中是否发生凝露现象进行有效的判断，防止因i/o模块中出现凝露对i/o模块造成影响，通过ethercat底座保护单元可以有效地对ethercat的运行状况监控，对ethercat运行时出现的故障及时处理；本发明还通过存储单元存储继电器在标准情况下的机械寿命以及电气寿命，存储单元还用于存储继电器以及ethercat被使用的历史数据，使用分析单元用于对环境采集单元以及ethercat底座保护单元的采集结果进行分析，使用预警单元基于获取到的信号进行预警，这样的好处在于通过存储单元存储的数据可以为分析单元中的数据分析提供数据支撑，使用分析单元可以对采集到的数据进行及时地分析处理，最后使用预警单元对ethercat总线i/o模块中出现的故障及时地进行预警，有效避免设备损坏以及数据丢失的问题出现。
18.本发明附加方面的优点将在下面的具体实施方式的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明的系统的原理框图；图2为本发明的发送凝露信号的节点示意图；图3为本发明的继电器的历史数据的分析流程图。
具体实施方式
20.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
22.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.实施例一请参阅图1和图3，本发明提供一种一体式ethercat总线i/o模块，包括继电器输出单元、环境采集单元、ethercat底座保护单元以及终端处理器，继电器输出单元、环境采集单元以及ethercat底座保护单元与终端处理器通讯连接；继电器输出单元用于对继电器接收到的电压以及电流进行采集，并基于采集结果、继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命控制继电器的输出，继电器输出单元包括继电器电流传感器、继电器电压传感器以及计数器；继电器电流传感器用于采集传输到继电器的电流，继电器电压传感器用于采集传
输到继电器的电压，计数器包括机械寿命计数器以及电气寿命计数器，机械寿命计数器用于对继电器在机械机构完整时被操作的次数进行计数，电气寿命计数器用于对继电器在设备正常开闭以及不超出设备电气规范时被使用的周期数进行计数；不超出设备电气规范为继电器在额定功率内运行的状态；继电器输出单元配置有能量采集策略，能量采集策略包括：当继电器开始运行时，在继电器被启动第一继电器时间后，启动继电器电流传感器以及继电器电压传感器，获取此时传输到继电器的电流以及传输到继电器的电压，记为继电器初始电流以及继电器初始电压；在具体实施过程中，第一继电器时间为2min，当继电器开始运行时，通常在2min内向继电器输入的电压以及电流会趋于平稳；当继电器被开启时，机械寿命计数器加1，机械寿命计数器以及电气寿命计数器初始均为0；在具体实施过程中，上述描述中的初始为继电器从未被使用时的状态，当继电器从被生产后从未被使用时，将机械寿命以及电气寿命记为0，每次使用后增加1；继电器输出单元还配置有采集调整策略，采集调整策略包括：获取继电器初始电流，当继电器初始电流小于继电器标准电流时，获取此时的继电器初始电压，通过第一参数算法获得第一标准参数，第一参数算法为α1=u1/i1，其中，α1为第一标准参数，u1为继电器初始电压，i1为继电器初始电流；当α1小于等于第一参数阈值且大于等于第二参数阈值时，继续运行继电器，电气寿命计数器加1；当α1小于第二参数阈值或大于第一参数阈值时，停止运行继电器，保持对继电器的电流输入以及电压输入，经过第一等待时间后，重新启动继电器并重新计算α1，当此时α1小于等于第一参数阈值且大于第二参数阈值时，继续运行继电器，电气寿命计数器加1；当此时α1小于等于第二参数阈值或大于第一参数阈值时，停止运行继电器，发送能量传输异常；在具体实施过程中，检测到继电器初始电压为30v，继电器初始电流为5a，则通过计算可得α1为6ω，第一参数阈值设置为6ω，第二参数阈值设置为50ω，第一等待时间设置为10min，通过将继电器重启可以对继电器出现的异常状况进行初步的处理，当对继电器重启后α1仍小于等于第二参数阈值或大于第一参数阈值时，需要对继电器进行关闭并及时上报；如图3所示，继电器输出单元还配置有寿命管理策略，寿命管理策略包括：当继电器每次被使用后，获取继电器被使用的历史数据，通过继电器被使用的历史数据计算继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命，记为预估机械寿命以及预估电气寿命；获取机械寿命计数器以及电气寿命计数器中的数字，记为实际机械寿命以及实际电气寿命；当预估机械寿命等于实际机械寿命时，将实际机械寿命与标准机械寿命进行比对，当实际机械寿命小于标准机械寿命时，将继电器记为可使用继电器；当实际机械寿命大于等于标准机械寿命时，将继电器记为机械不可使用继电器；
当预估机械寿命不等于实际机械寿命时，取预估机械寿命与实际机械寿命中的最大值进行上述比对；当预估电气寿命等于实际电气寿命时，将实际电气寿命与标准电气寿命进行比对，当实际电气寿命小于标准电气寿命时，将继电器记为可使用继电器；当实际电气寿命大于等于标准电气寿命时，将继电器记为电气不可使用继电器；当预估电气寿命不等于实际电气寿命时，取预估电气寿命与实际电气寿命中的最大值进行上述比对；在具体实施过程中，标准机械寿命设置为2*107次，标准电气寿命设置为5*104次，取预估机械寿命与实际机械寿命的最大值是为了防止出现因取最小值导致继电器在使用电气寿命为0或机械寿命为0时仍被使用的情况；ethercat底座保护单元包括电源输入检测器以及ethercat温度传感器，电源输入检测器用于对系统电源的输入值以及i/o电源的输入值进行检测，ethercat温度传感器用于对ethercat总线周围的温度进行采集；ethercat底座保护单元配置有电源输入管理策略，电源输入管理策略包括：将检测到的系统电源的输入值记为初始系统值，将检测到的i/o电源的输入值记为初始i/o值，当ethercat启动时，经过第一ethercat启动时间获取电源输入检测器对初始系统值的检测结果；当初始系统值小于等于第一系统值且大于第二系统值时，获取初始i/o值，当初始i/o值小于等于初始系统值且大于第二系统值时，ethercat继续运行；当初始i/o值大于第一系统值时，发送i/o输入电压异常；当初始系统值大于第一系统值或小于第二系统值时，发送系统输入电压异常；在具体实施过程中，第一ethercat启动时间为5min，第一系统值为30v，第二系统值为18v；ethercat底座保护单元还配置有ethercat温度采集策略，ethercat温度采集策略包括：在ethercat启动前，使用ethercat温度传感器对ethercat总线周围的温度进行采集，将采集结果记为启动前温度；当启动前温度小于第一ethercat低温或大于第一ethercat高温时，停止启动，发送ethercat温度异常信号；当启动前温度小于第二ethercat低温且大于等于第一ethercat低温时，发送ethercat低温信号；当启动前温度大于第二ethercat高温且小于等于第一ethercat高温时，发送ethercat高温信号；在具体实施过程中，第一ethercat低温设置为-10℃，第一ethercat高温设置为55℃，第二ethercat低温设置为0℃，第二ethercat高温设置为45℃，在ethercat启动前进行温度采集，可以防止因温度过高或温度过低导致ethercat在启动时发生故障；在ethercat运行时，每隔第一ethercat温度时间进行一次温度采集，将采集结果记为ethercat运行温度；获取ethercat被使用的历史数据，将ethercat被使用的历史数据中每天被使用最多的第一时间阈值记为高峰时间，获取所有高峰时间的平均值，记为高峰平均时间；当ethercat运行至一天中的高峰平均时间时，每隔第二ethercat温度时间进行一
次温度采集；在具体实施过程中，第一ethercat温度时间设置为1min，第二ethercat温度时间设置为0.5min；环境采集单元用于对i/o模块周围的环境进行采集，环境采集单元包括i/o温度传感器以及i/o湿度传感器，i/o温度传感器用于对i/o模块周围环境中的温度进行采集，i/o湿度传感器用于对i/o模块周围环境中的湿度进行采集；在具体实施过程中，环境采集单元中的i/o温度传感器以及i/o湿度传感器放置在i/o模块外侧，与i/o模块相连接；环境采集单元配置有i/o温度采集策略，i/o温度采集策略包括：当i/o模块开始运行后，每隔第一i/o温度时间，使用i/o温度传感器对i/o模块周围环境中的温度进行采集，将采集结果记为i/o环境温度，当i/o环境温度小于第一i/o低温阈值或大于第一i/o高温阈值时，关闭i/o模块，发送i/o温度异常信号；当i/o环境温度大于第二i/o高温阈值且小于等于第一i/o高温阈值时，将采集间隔从第一i/o温度时间调整为第二i/o温度时间；当i/o环境温度小于第二i/o低温阈值且大于等于第一i/o低温阈值时，将采集间隔从第一i/o温度时间调整为第三i/o温度时间；在具体实施过程中，第一i/o温度时间设置为1.5min，第一i/o低温阈值设置为-20℃，第一i/o高温阈值设置为55℃，第二i/o高温阈值设置为50℃，第二i/o低温阈值设置为-10℃；环境采集单元还配置有i/o湿度采集策略，i/o湿度采集策略包括：当i/o模块开始运行时，每隔第一i/o湿度时间，使用i/o湿度传感器对i/o模块周围环境中的湿度进行采集，将采集结果记为i/o环境湿度，每次i/o湿度传感器进行采集后，使用i/o内部温度采集器进行一次采集，将采集结果记为i/o内部温度；在具体实施过程中，第一i/o湿度时间设置为4min；终端处理器包括存储单元、分析单元以及预警单元；存储单元用于存储继电器在标准情况下的机械寿命以及电气寿命，存储单元还用于存储继电器以及ethercat被使用的历史数据，历史数据包括继电器每天被使用的次数以ethercat每天被使用的数量；分析单元用于对环境采集单元以及ethercat底座保护单元的采集结果进行分析；述分析单元配置有综合分析策略，综合分析策略包括：获取ethercat运行温度，当ethercat运行温度小于等于第一ethercat低温时，发送ethercat低温信号；当ethercat运行温度大于等于第一ethercat高温时，发送ethercat高温信号；预警单元基于获取到的信号进行预警；预警单元配置有综合预警策略，综合预警策略包括：当获取到能量传输异常时，停止对继电器的电压输送以及电流输送，发送能量预警信号；当获取到i/o输入电压异常时，停止对i/o模块的电压输送以及对ethercat模块的电压输送，发送i/o输入电压预警；
当获取到系统输入电压异常时，停止对ethercat模块的电压输送，发送系统输入电压预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat温度异常信号时，关闭ethercat，发送ethercat温度异常预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat低温信号时，关闭ethercat，发送ethercat低温预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat高温信号时，关闭ethercat，发送ethercat高温预警；当获取到继电器故障信号时，停止对继电器的电压输送以及电流输送，经过第一预警时间后关闭继电器，发送继电器故障预警；继电器故障信号的情况为：当获取到i/o输入电压异常时，向继电器发送关闭信号，当第一保护时间后继电器仍未关闭时，发送继电器故障信号；当获取到i/o温度异常信号时，停止对i/o模块的电压输入，发送i/o温度异常预警；当继电器被记为电气不可使用继电器时，关闭对继电器的电压输送端口以及电流输送端口，停止继电器的下一次运行，发送继电器电气寿命不足预警；当继电器被记为机械不可使用继电器时，关闭继电器中若干用于运作的机械部件，停止继电器的下一次运行，发送继电器机械寿命不足预警。
24.实施例二如图2所示，实施例二与实施例一的不同之处在于，环境采集单元还包括i/o内部温度采集器，所述i/o内部温度采集器用于对i/o模块运行时内部的环境温度进行采集，其作用与实施例一有所不同，实施例二和实施例一可以分别应用在不同的场景中，例如实施例二应用在i/o模块周围环境中湿度较大且i/o模块内部温度较低的场景中时具有实施例一不具备的采集效果；具体为当i/o湿度传感器进行采集后，获取i/o内部温度以及最近采集到的i/o环境温度，将i/o环境温度乘以i/o环境湿度的值记为凝露指数；当凝露指数的数值大于等于i/o内部温度的数值时，发送凝露信号；在具体实施过程中，检测到i/o环境温度为20℃，i/o环境湿度为60%，则通过计算可得凝露指数为12，当此时i/o内部温度小于等于12℃时，i/o模块内部可能会因湿度过高导致出现凝露现象，对i/o模块内部的电子元件造成影响，因此需要发送凝露信号，让预警单元及时进行预警；图2中，c为温度，c1为i/o内部温度，c2为发送凝露信号的节点，t为小时，m为正整数；当预警单元获取到凝露信号时，发送凝露预警。
25.实施例三实施例三与实施例一的不同之处在于，在实施例一的运作基础上，增加了对继电器的强制保护方法，具体为：ethercat底座保护单元还配置有继电器管理策略，继电器管理策略包括：当获取到i/o输入电压异常时，向继电器发送关闭信号，当第一保护时间后继电器仍未关闭时，对继电器强制关闭并发送继电器故障信号；
在具体实施过程中，第一保护时间设置为3min，在此处设置第一保护时间是为了让继电器自行关闭，防止因强制关闭导致继电器中的数据出现损坏。
26.工作原理：通过继电器输出单元对继电器接收到的电压以及电流进行采集，并基于采集结果、继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命控制继电器的输出，本发明还通过环境采集单元用于对i/o模块周围的环境进行采集，通过ethercat底座保护单元对系统电源的输入值以及i/o电源的输入值进行检测，并通过ethercat温度传感器用于对ethercat总线周围的温度进行采集，本发明还通过存储单元存储继电器在标准情况下的机械寿命以及电气寿命，分析单元对环境采集单元以及ethercat底座保护单元的采集结果进行分析，预警单元基于获取到的信号进行预警。
27.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（static random access memory，简称sram），电可擦除可编程只读存储器（electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom），可擦除可编程只读存储器（erasable programmable read only memory，简称eprom），可编程只读存储器（programmable red-only memory，简称prom），只读存储器（read-onlymemory，简称rom），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
28.以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，包括继电器输出单元、环境采集单元、ethercat底座保护单元以及终端处理器，所述继电器输出单元、环境采集单元以及ethercat底座保护单元与终端处理器通讯连接；所述继电器输出单元用于对继电器接收到的电压以及电流进行采集，并基于采集结果、继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命控制继电器的输出；所述环境采集单元用于对i/o模块周围的环境进行采集；所述ethercat底座保护单元包括电源输入检测器以及ethercat温度传感器；所述终端处理器包括存储单元、分析单元以及预警单元；所述存储单元用于存储继电器在标准情况下的机械寿命以及电气寿命，所述存储单元还用于存储继电器以及ethercat被使用的历史数据；所述分析单元用于对环境采集单元以及ethercat底座保护单元的采集结果进行分析；所述预警单元基于获取到的信号进行预警。2.根据权利要求1所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述继电器输出单元包括继电器电流传感器、继电器电压传感器以及计数器；所述继电器电流传感器用于采集传输到继电器的电流，所述继电器电压传感器用于采集传输到继电器的电压，所述计数器包括机械寿命计数器以及电气寿命计数器，所述机械寿命计数器用于对继电器在机械机构完整时被操作的次数进行计数，所述电气寿命计数器用于对继电器在设备正常开闭以及不超出设备电气规范时被使用的周期数进行计数。3.根据权利要求2所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述继电器输出单元配置有能量采集策略，所述能量采集策略包括：当继电器开始运行时，在继电器被启动第一继电器时间后，启动继电器电流传感器以及继电器电压传感器，获取此时传输到继电器的电流以及传输到继电器的电压，记为继电器初始电流以及继电器初始电压；当继电器被开启时，机械寿命计数器加1，所述机械寿命计数器以及电气寿命计数器初始均为0。4.根据权利要求3所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述继电器输出单元还配置有采集调整策略，所述采集调整策略包括：获取继电器初始电流，当继电器初始电流小于继电器标准电流时，获取此时的继电器初始电压，通过第一参数算法获得第一标准参数，所述第一参数算法为α1=u1/i1，其中，α1为第一标准参数，u1为继电器初始电压，i1为继电器初始电流；当α1小于等于第一参数阈值且大于等于第二参数阈值时，继续运行继电器，电气寿命计数器加1；当α1小于第二参数阈值或大于第一参数阈值时，停止运行继电器，保持对继电器的电流输入以及电压输入，经过第一等待时间后，重新启动继电器并重新计算α1，当此时α1小于等于第一参数阈值且大于第二参数阈值时，继续运行继电器，电气寿命计数器加1；当此时α1小于等于第二参数阈值或大于第一参数阈值时，停止运行继电器，发送能量传输异常。5.根据权利要求4所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述继电器输出单元还配置有寿命管理策略，所述寿命管理策略包括：当继电器每次被使用后，获取继电器被使用的历史数据，通过继电器被使用的历史数
据计算继电器的机械寿命以及继电器的电气寿命，记为预估机械寿命以及预估电气寿命；获取机械寿命计数器以及电气寿命计数器中的数字，记为实际机械寿命以及实际电气寿命；当预估机械寿命等于实际机械寿命时，将实际机械寿命与标准机械寿命进行比对，当实际机械寿命小于标准机械寿命时，将继电器记为可使用继电器；当实际机械寿命大于等于标准机械寿命时，将继电器记为机械不可使用继电器；当预估机械寿命不等于实际机械寿命时，取预估机械寿命与实际机械寿命中的最大值进行上述比对；当预估电气寿命等于实际电气寿命时，将实际电气寿命与标准电气寿命进行比对，当实际电气寿命小于标准电气寿命时，将继电器记为可使用继电器；当实际电气寿命大于等于标准电气寿命时，将继电器记为电气不可使用继电器；当预估电气寿命不等于实际电气寿命时，取预估电气寿命与实际电气寿命中的最大值进行上述比对。6.根据权利要求5所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述电源输入检测器用于对系统电源的输入值以及i/o电源的输入值进行检测，所述ethercat温度传感器用于对ethercat总线周围的温度进行采集，所述ethercat底座保护单元配置有电源输入管理策略，所述电源输入管理策略包括：将检测到的系统电源的输入值记为初始系统值，将检测到的i/o电源的输入值记为初始i/o值；当ethercat启动时，经过第一ethercat启动时间获取电源输入检测器对初始系统值的检测结果；当初始系统值小于等于第一系统值且大于第二系统值时，获取初始i/o值，当初始i/o值小于等于初始系统值且大于第二系统值时，ethercat继续运行；当初始i/o值大于第一系统值时，发送i/o输入电压异常；当初始系统值大于第一系统值或小于第二系统值时，发送系统输入电压异常。7.根据权利要求6所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述ethercat底座保护单元还配置有ethercat温度采集策略，所述ethercat温度采集策略包括：在ethercat启动前，使用ethercat温度传感器对ethercat总线周围的温度进行采集，将采集结果记为启动前温度；当启动前温度小于第一ethercat低温或大于第一ethercat高温时，停止启动，发送ethercat温度异常信号；当启动前温度小于第二ethercat低温且大于等于第一ethercat低温时，发送ethercat低温信号；当启动前温度大于第二ethercat高温且小于等于第一ethercat高温时，发送ethercat高温信号；在ethercat运行时，每隔第一ethercat温度时间进行一次温度采集，将采集结果记为ethercat运行温度；获取ethercat被使用的历史数据，将ethercat被使用的历史数据中每天被使用最多的第一时间阈值记为高峰时间，获取所有高峰时间的平均值，记为高峰平均时间；当ethercat运行至一天中的高峰平均时间时，每隔第二ethercat温度时间进行一次温度采集。8.根据权利要求7所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述ethercat底
座保护单元还配置有继电器管理策略，所述继电器管理策略包括：当获取到i/o输入电压异常时，向继电器发送关闭信号，当第一保护时间后继电器仍未关闭时，对继电器强制关闭并发送继电器故障信号。9.根据权利要求8所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述环境采集单元包括i/o温度传感器以及i/o湿度传感器，所述i/o温度传感器用于对i/o模块周围环境中的温度进行采集，所述i/o湿度传感器用于对i/o模块周围环境中的湿度进行采集，所述环境采集单元配置有i/o温度采集策略，所述i/o温度采集策略包括：当i/o模块开始运行后，每隔第一i/o温度时间，使用i/o温度传感器对i/o模块周围环境中的温度进行采集，将采集结果记为i/o环境温度，当i/o环境温度小于第一i/o低温阈值或大于第一i/o高温阈值时，关闭i/o模块，发送i/o温度异常信号；当i/o环境温度大于第二i/o高温阈值且小于等于第一i/o高温阈值时，将采集间隔从第一i/o温度时间调整为第二i/o温度时间；当i/o环境温度小于第二i/o低温阈值且大于等于第一i/o低温阈值时，将采集间隔从第一i/o温度时间调整为第三i/o温度时间。10.根据权利要求9所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述环境采集单元还包括i/o内部温度采集器，所述i/o内部温度采集器用于对i/o模块运行时内部的环境温度进行采集，所述环境采集单元还配置有i/o湿度采集策略，所述i/o湿度采集策略包括：当i/o模块开始运行时，每隔第一i/o湿度时间，使用i/o湿度传感器对i/o模块周围环境中的湿度进行采集，将采集结果记为i/o环境湿度，每次i/o湿度传感器进行采集后，使用i/o内部温度采集器进行一次采集，将采集结果记为i/o内部温度。11.根据权利要求10所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述分析单元配置有综合分析策略，所述综合分析策略包括：当i/o湿度传感器进行采集后，获取i/o内部温度以及最近采集到的i/o环境温度，将i/o环境温度乘以i/o环境湿度的值记为凝露指数，当凝露指数的数值大于等于i/o内部温度的数值时，发送凝露信号；获取ethercat运行温度，当ethercat运行温度小于等于第一ethercat低温时，发送ethercat低温信号；当ethercat运行温度大于等于第一ethercat高温时，发送ethercat高温信号。12.根据权利要求11所述的一体式ethercat总线i/o模块，其特征在于，所述预警单元配置有综合预警策略，所述综合预警策略包括：当获取到能量传输异常时，停止对继电器的电压输送以及电流输送，发送能量预警信号；当获取到i/o输入电压异常时，停止对i/o模块的电压输送以及对ethercat模块的电压输送，发送i/o输入电压预警；当获取到系统输入电压异常时，停止对ethercat模块的电压输送，发送系统输入电压预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat温度异常信号时，关闭ethercat，发送ethercat温度异常预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat低温信号时，关闭ethercat，发送ethercat
低温预警；当ethercat被启动过程中获取到ethercat高温信号时，关闭ethercat，发送ethercat高温预警；当获取到继电器故障信号时，停止对继电器的电压输送以及电流输送，经过第一预警时间后关闭继电器，发送继电器故障预警；当获取到i/o温度异常信号时，停止对i/o模块的电压输入，发送i/o温度异常预警；当获取到凝露信号时，发送凝露预警；当继电器被记为电气不可使用继电器时，关闭对继电器的电压输送端口以及电流输送端口，停止继电器的下一次运行，发送继电器电气寿命不足预警；当继电器被记为机械不可使用继电器时，关闭继电器中若干用于运作的机械部件，停止继电器的下一次运行，发送继电器机械寿命不足预警。

技术总结
本发明提供一种一体式EtherCAT总线I/O模块，涉及Ethercat总线技术领域，包括继电器输出单元、环境采集单元、Ethercat底座保护单元以及终端处理器；所述继电器输出单元用于对继电器接收到的电压以及电流进行采集，并基于采集结果、继电器的机械寿命以及电气寿命控制继电器的输出；所述环境采集单元用于对I/O模块周围的环境进行采集；所述Ethercat底座保护单元包括电源输入检测器以及Ethercat温度传感器；本发明用于解决现有的技术中在I/O模块运行故障时不能及时预警，导致数据丢失以及设备损坏的问题。损坏的问题。损坏的问题。


技术研发人员：杨林
受保护的技术使用者：南京德克威尔自动化有限公司
技术研发日：2023.08.01
技术公布日：2023/9/7