断路器及工业以太网系统的制作方法

1.本技术涉及断路器技术领域，具体而言，涉及一种断路器及工业以太网系统。


背景技术：

2.随着互联网技术的发展，低压断路器作为底层开关设备，可以通过以太网接口进行数据传输。
3.具有以太网接口的低压断路器传统组网方式为星型拓扑，其中多个低压断路器分别连接到交换机，再由交换机接入上位机实现信息传输。
4.但是，目前的星型拓扑的方法需要多组电缆连接，存在接线复杂、电缆成本较高、安装成本大的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种断路器及工业以太网系统，以解决现有技术中接线复杂、电缆成本较高、安装成本大的问题。
6.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
7.第一方面，本技术提供一种断路器，包括：主控单元、网络控制单元、交换单元和多个网口单元；
8.所述主控单元与所述网络控制单元电连接，所述网络控制单元与所述交换单元电连接；
9.所述交换单元包括网络接口，各网络接口分别连接一个所述网口单元。
10.可选的，所述控制单元与所述网络控制单元通过串行外设接口连接。
11.可选的，所述网络控制单元与所述交换单元通过全双工差分总线连接。
12.可选的，所述交换单元包括：交换机芯片。
13.可选的，所述网口单元包括：rj45接口。
14.第二方面，本技术提供一种工业以太网系统，包括：多个第一方面所述的断路器以及至少一个上位机；
15.多个断路器中的至少一个断路器与所述至少一个上位机连接。
16.可选的，所述多个断路器通过断路器上的网口单元依次串接，形成菊花链拓扑结构。
17.可选的，所述至少一个上位机为一个；
18.所述多个断路器中的首个或者末位断路器通过网口单元与所述上位机连接。
19.可选的，所述至少一个上位机为多个；
20.各断路器分别通过至少一个网口单元与至少一个上位机连接。
21.可选的，所述至少一个上位机为多个；
22.各断路器分别通过多个网口单元与多个上位机连接。
23.本技术的有益效果是：本实施例中，断路器包括主控单元、网络控制单元、交换单
元和多个网口单元，通过交换单元扩展多个网络接口，从而对应连接多个网口单元，使得断路器可以通过多个网口单元接入断路器或者上位机等设备，以形成工业以太网系统。基于本实施例的断路器，能够实现多个断路器之间依次连接并接入上位机实现菊花链连接，可以降低电缆及人力布线等成本。其中上位机可以是多台，进一步实现多上位机之间通讯，多台上位机可以对断路器同时进行监测、控制和状态展示，满足多用户使用需求。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
25.图1是本技术实施例提供的一种星型拓扑的断路器组网连接方式示意图；
26.图2是本技术实施例提供的一种基于多以太网接口的断路器的结构示意图；
27.图3是本技术实施例提供的第一种工业以太网系统连接结构示意图；
28.图4是本技术实施例提供的第二种工业以太网系统连接结构示意图；
29.图5是本技术实施例提供的第三种工业以太网系统连接结构示意图。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本技术中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本技术的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本技术中使用的流程图示出了根据本技术的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本技术内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
31.另外，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.需要说明的是，本技术实施例中将会用到术语“包括”，用于指出其后所声明的特征的存在，但并不排除增加其它的特征。
33.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.具有以太网接口的低压断路器传统组网方式为星型拓扑，图1是星型拓扑的断路器组网连接方式示意图，如图1所示，组网中包括多个断路器，一台交换机以及一台上位机，星型拓扑的组网连接方式需要各断路器分别与交换机电连接，交换机再与上位机电连接。但是，由于工业设备的通信量较小，也就没有大量的信息量传输需求，使用星型拓扑作为组网方式进行数据传递会造成电缆及人力布线成本过大，且无法通过多台上位机监测和控制各断路器。
36.基于上述问题，本技术提出了一种基于多以太网接口的断路器，该断路器可以使用交换单元拓展多个网络接口，并将多个网络接口与相应多个网口单元连接，使得断路器拥有多个网口单元。
37.因此上述基于多以太网接口的断路器可以形成一种工业以太网系统，由于本技术中的断路器依靠其内部的交换单元可以拥有多个网口单元，使得上述工业以太网系统中的断路器可以与其他断路器连接，也可以与上位机连接，从而在降低电缆和布线成本的同时还能够实现灵活的组网。
38.当上位机为一个时，多个断路器之间可以通过各自的网络单元形成依次串接的菊花链拓扑结构，并由其中的首个或者末位断路器通过网口单元与上位机连接。与传统的星型网络拓扑结构相比，可以减少每个断路器与交换单元之间的电缆，大幅降低电缆等成本。
39.当上位机为多个时，各断路器分别通过至少一个网口单元与至少一个上位机连接，或者各断路器分别通过多个网口单元与多个上位机连接，形成多上位机通讯形式，可以实现多上位机的与断路器的通讯，使得多上位机同时监测同一台断路器，并且可以实现多台上位机之间的通讯，满足多用户使用场景。
40.当需要在多个断路器和一台上位机构成的多以太网菊花链形式与多个断路器和多台上位机构成的多上位机通讯形式之间相互转换时，可以在断路器和上位机连接好后，由断路器发送设置信息完成两种形式的转换。上述转换形式的方法相较于星型拓扑的组网连接方式可以大量减少布线时的人力成本。
41.接下来对本技术实施例中断路器进行详细的解释说明。
42.图2是本技术实施例提供的一种断路器的结构示意图。下面对上述断路器进行说明。
43.参照图2，断路器包括：主控单元201、网络控制单元202、交换单元203和多个网口单元204。
44.可选的，断路器可以根据来自上位机的指令信号对所控正常回路条件下的电流进行关合、承载和开断的，其中上位机可以通过向断路器发送和接收信号实现对断路器的监测和控制，并将所控回路相关状态数据进行展示。示例性的，一台断路器可以控制一个房间中连接所有用电设备的总回路上的电流。
45.作为一种可选的实施方式，断路器中的主控单元201为微控制单元(microcontroller unit，简称mcu)，mcu可以接收来自上位机的指令并根据指令控制断路器的导通和闭合，以实现所控电路电流的导通和断开，并完成采集电流电压等信息并与上位机进行通讯等工作。
46.可选的，网络控制单元202可以完成通讯数据的封装和解封，并完成对通讯数据的编码和译码。
47.可选的，主控单元201与网络控制单元202电连接，网络控制单元202与交换单元203电连接。
48.可选的，交换单元203可以接收来自上位机的指令信息，并将指令信息发送给网络控制单元202进行解封和译码，网络控制单元202将经过解封和译码的信息发送给主控单元201，由主控单元201对接收到的指令信息做出动作响应。相应的，主控单元201可以发送数据给网络控制单元202，由网络控制单元202对接收到的数据进行封装和编码，然后将经过封装和编码的数据发送给交换单元203。其中，主控单元201发送的数据可以包括电流电压信息以及断路器状态信息等。
49.可选的，交换单元203包括网络接口，各网络接口分别连接一个网口单元204。
50.可选的，交换单元203可以为以太网提供多个网络接口，并进行协议转换，其中网络接口的数量可以按照用户实际需求设置。各网络接口分别对应连接一个网口单元204。来自主控单元201经过网络控制单元202发送给交换单元203的数据通过网络接口发送到对应网口单元204，再通过网口单元204将信号最终发送至上位机。
51.可选的，上述各网口单元204为以太网接口。
52.本实施例中，断路器包括主控单元、网络控制单元、交换单元和多个网口单元，通过交换单元扩展多个网络接口，从而对应连接多个网口单元，使得断路器可以通过多个网口单元接入断路器或者上位机等设备，以形成工业以太网系统。基于本实施例的断路器，能够实现多个断路器之间依次连接并接入上位机实现菊花链连接，可以降低电缆及人力布线等成本。其中上位机可以是多台，进一步实现多上位机之间通讯，多台上位机可以对断路器同时进行监测、控制和状态展示，满足多用户使用需求。
53.可选的，控制单元与网络控制单元202通过串行外设接口连接。
54.作为一种可选的实施方式，控制单元与网络控制单元202可以通过串行外设接口(serial peripheral interface，spi)接口连接。其中spi是高速、全双工及同步的通信总线，可以使网络控制单元202与主控单元201以串行方式进行通信以交换信息，可以达到通信简单和数据传输速率快等效果。
55.可选的，网络控制单元202与交换单元203通过全双工差分总线连接。
56.可选的，全双工差分总线可以实现数据在两个方向同时传输，并具有抗干扰能力强、有效抑制电磁干扰及时序定位准确等优点。通过全双工差分总线可以完成网络控制单元202与交换单元203之间的信息交互，达到信息双向传输的目的。
57.可选的，交换单元203包括交换机芯片。
58.可选的，交换机芯片可以通过数据包交换来接收数据并将其转发到目标设备来连接网络控制单元202和网口单元204，并且可以通过扩展设置在交换机芯片上的网络接口连接对应数量的多个网口单元204，实现网口单元204的拓展，进一步使得断路器可以连接多个断路器和多个上位机，构成工业以太网系统。
59.可选的，网络单元包括rj45接口。
60.可选的，rj45接口可以连通断路器外部的设备和断路器进行通信，具体的，可以连通多个断路器或者上位机。rj45具有低成本，无信号衰减，连接方便可靠和防水防尘，适用多种环境等特点。
61.本实施例中，控制单元与网络控制单元202通过串行外设接口连接，网络控制单元
202与交换单元203通过全双工差分总线连接，交换单元203包括交换机芯片，网口单元包括rj45接口，通过控制单元与网络控制单元202的双向通讯、网络控制单元202与交换单元203的双向通讯和交换单元203与网口单元的双向通讯可以实现断路器内部的信息双向导通，且具有稳定可靠性，适用多种场景。
62.在上述实施例所述的断路器的基础上，本技术还提供一种工业以太网系统。接下来结合图3、图4和图5，对本技术实施例中一种工业以太网系统进行详细的解释说明。
63.可选的，工业以太网系统包括：多个上述的断路器以及至少一个上位机。
64.可选的，工业以太网系统应用于工业控制领域，包括上述基于多以太网接口的断路器和至少一个上位机，断路器与上位机之间通过网线连接。其中上位机可以完成对断路器的实时监测、控制和对断路器状态的展示。
65.可选的，多个断路器中的至少一个断路器与至少一个上位机连接。
66.可选的，多个断路器中至少有一个断路器和至少一个上位机通过网线相连接完成完整的信息传递。
67.示例性的，上位机可以有一个展示屏幕和多个按钮。其中展示屏幕可以展示各个断路器采集到的相关数据，包括断路器所控回路的电流及电压情况等。多个按钮可以用来控制相应断路器的导通和关断。上位机也可以根据相关回路出现的短路情况等对相对应的断路器做出指示，保证电路安全性。
68.本实施例中，工业以太网系统包括上述的断路器以及至少一个上位机，多个断路器中的至少一个断路器与至少一个上位机连接，通过断路器与上位机进行信号传递，可以实现上位机对分别对各断路器的监测，控制和状态展示，断路器根据上位机指令对所控电路回路进行导通或者关断，达到断路器与上位机实时双向通信的目的。其中，上位机所发出的指令信号可以控制某个断路器动作，也可以控制所有断路器动作。
69.下面参照图3对菊花链拓扑结构形成的工业以太网系统进行说明。
70.可选的，多个断路器301、302和303通过断路器上的网口单元204依次串接，形成菊花链拓扑结构。
71.可选的，各个网口单元204可以通过网线相互连接。示例性的，网线可以是连接rj45接口的双绞线。
72.可选的，多个断路器通过网口单元204及之间的网线依次串联，形成菊花链拓扑结构。示例性的，如图3所示，断路器1中的网口单元204与断路器2中的网口单元204通过网线相连，断路器2中的网口单元204与下一断路器中的网口单元204通过网线相连，以此类推组成依次串联的断路器，进而形成菊花链拓扑结构。
73.本实施例中，多个断路器通过断路器上的网口单元依次串接，形成菊花链拓扑结构可以使各断路器实现双向通信，避免不必要的线缆及布线人力成本。
74.下面继续根据图3对一台上位机与多台断路器相连构成的工业以太网系统进行说明。
75.可选的，工业以太网系统包括上述断路器以及一个上位机1，多个断路器中的首个或者末位断路器通过网口单元204与上位机1连接。
76.具体的，上位机1通过网线向断路器n中的一个网口单元204发送信号，在断路器n中，网口单元204接收信号并将其中信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信
息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给主控单元201，主控单元201根据来自上位机所指示的信息做出相应动作。并通过断路器n的另一网口单元204将信号发送至断路器n-1的一个网口单元204，断路器n-1同样完成将信息发送给断路器n-1中的主控单元201的动作，并通过断路器n-1的另一网口单元204将信号发送给断路器n-2的一个网口单元204，依次类推，所有断路器均接收到来自上位机1的信号并完成相应动作。
77.相应的，各断路器中的主控单元201收集到断路器的状态等并生成信息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信息发送给网口单元204，网口单元204通过网线将信号发送给上位机1，其中，断路器n将信号通过网线发送给上位机1，断路器n-1将信号经过断路器n发送给上位机1，断路器n-2将信号经过断路器n-1及断路器n将信号发送给上位机1。上位机1接收所有断路器信号并收集其中各断路器的状态等信息并进行计算和展示。
78.可选的，通过在上述菊花链拓扑结构中首个或者末位断路器上通过网口单元204连接一个上位机1，可以实现上位机1对菊花链拓扑结构中多个断路器的监测、控制和状态展示。
79.本实施例中，工业以太网系统包括上述断路器以及一个上位机，多个断路器中的首个或者末位断路器通过网口单元与上位机连接，可以实现上位机对多个断路器的监测、控制和状态展示，大幅降低电缆成本。
80.下面参照图4对多上位机连接的菊花链拓扑结构组成的工业以太网系统进行说明。
81.可选的，工业以太网系统包括上述断路器以及多个上位机，各断路器分别通过至少一个网口单元204与至少一个上位机连接。
82.可选的，多上位机与多个断路器依次串联组成的菊花链拓扑相连是基于如图3所示的一个上位机与多个断路器依次串联组成的菊花链拓扑上，在菊花链拓扑上任一断路器上未使用的网口单元204连接一个或多个上位机形成的。
83.示例性的，断路器2的网口单元1-204与断路器的1的网口单元1-204连接，断路器2的网口单元2-204与断路器的3的网口单元1-204相连，断路器2的网口单元3-204与上位机相连。
84.具体的，上位机1通过网线向断路器n中的一个网口单元204发送信号，网口单元204接收信号并将其中信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给主控单元201，主控单元201根据来自上位机所指示的信息做出相应动作。与上述一台上位机与多台断路器相连构成的工业以太网系统中信号传输原理相同，断路器n-1、断路器n-2等依次接收到来自上位机1发送的信号。
85.上位机2通过网线向断路器2中的网口单元204发送信号，断路器2中的网口单元204接收信号并将其中信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给主控单元201，主控单元201根据来自上位机所指示的信息做出相应动作。与上述一台上位机与多台断路器相连构成的工业以太网系统中信号传输原理相同，断路器1、断路器3、断路器4等依次接收到来自
上位机2发送的信号。
86.上位机3通过网线向断路器n及其他各断路器发送信号的传输过程与上述方法相同，在此处不在赘述。
87.相应的，各断路器中主控单元201收集到断路器的状态等并生成信息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信息发送给网口单元204，网口单元204通过网线将信号发送给上位机1。其中，断路器n将信号通过网线发送给上位机1，断路器n-1将信号经过断路器n发送给上位机1，断路器n-2将信号经过断路器n-1及断路器n将信号发送给上位机1。上位机1接收信号并收集其中断路器的状态等信息并进行计算和展示。
88.各断路器中主控单元201收集到断路器的状态等并生成信息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信息发送给网口单元204，网口单元204通过网线将信号发送给上位机2。其中，断路器2将信号通过网线发送给上位机2，断路器1将信号经过断路器2发送给上位机2，断路器3将信号经过断路器2将信号发送给上位机2，其他断路器信号传输方法依次类推，均将信号发送给上位机2。上位机2接收信号并收集其中各断路器的状态等信息并进行计算和展示。
89.上位机3通过网线接收断路器n及其他各断路器信号的传输过程与上述方法相同，在此处不在赘述。
90.可选的，除首位或末位外的单台断路器上连接的上位机的数量小于或断路器所有的网口单元204个数-2，首位和末位单台断路器上连接的上位机的数量小于或等于断路器所有的网口单元204个数-1。在满足上述条件下，上位机的数量可以根据用户实际需求加设。
91.本实施例中，工业以太网系统包括上述断路器以及多个上位机，各断路器分别通过至少一个网口单元与至少一个上位机连接。通过在由多个断路器依次串联组成的菊花链拓扑上连接多台上位机，可以实现多台上位机同时对多个断路器进行监测、控制和状态展示，使对断路器的监测、控制和状态展示不受地理位置限制，满足多用户使用。由于断路器与上位机之间的信息可以双向传输，则可以实现多上位机之间的通讯，达到多用户之间通过工业以太网进行通信的目的。
92.下面参照图5对多上位机与断路器相连构成的工业以太网系统进行说明。
93.可选的，工业以太网系统包括上述断路器以及多个上位机，各断路器分别通过多个网口单元204与多个上位机连接。
94.可选的，断路器上可以连接与断路器网口单元204数量相同的上位机。示例性的，断路器有m个网口单元204，则该断路器最多可以连接m个上位机。
95.可选的，断路器可以连接多个上位机。具体的，断路器中的网口单元1-204与上位机4通过网线连接，断路器的网口单元2-204与上位机5通过网线连接，断路器的网口单元n-204与上位机m通过网线连接，n大于m。
96.具体的，各上位机通过网线向断路器中的网口单元204发送信号，网口单元204接收信号并将其中信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给主控单元201，主控单元201根据来自各上位机所指示的信息做出相应动作。
97.相应的，主控单元201收集到断路器的状态等并生成信息发送给网络控制单元202，网络控制单元202接收信息并处理后将信息发送给交换单元203，交换单元203接收信息并将信息发送给网口单元204，各网口单元204通过网线将信号分别发送给各上位机，各上位机接收信号并收集其中断路器的状态等信息并进行计算和展示。
98.本技术实施例中，工业以太网系统包括上述断路器以及多个上位机，各断路器分别通过多个网口单元与多个上位机连接。通过上位机与断路器之间的双向通讯可以实现多台上位机同时对多个断路器进行监测、控制和状态展示，并可以实现多上位机之间的通讯，满足多场景使用该工业以太网的场景。
99.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种断路器，其特征在于，包括：主控单元、网络控制单元、交换单元和多个网口单元；所述主控单元与所述网络控制单元电连接，所述网络控制单元与所述交换单元电连接；所述交换单元包括网络接口，各网络接口分别连接一个所述网口单元。2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述控制单元与所述网络控制单元通过串行外设接口连接。3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述网络控制单元与所述交换单元通过全双工差分总线连接。4.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述交换单元包括：交换机芯片。5.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述网口单元包括：rj45接口。6.一种工业以太网系统，其特征在于，包括：多个权利要求1-5任一项所述的断路器以及至少一个上位机；多个断路器中的至少一个断路器与所述至少一个上位机连接。7.根据权利要求6所述的工业以太网系统，其特征在于，所述多个断路器通过断路器上的网口单元依次串接，形成菊花链拓扑结构。8.根据权利要求7所述的工业以太网系统，其特征在于，所述至少一个上位机为一个；所述多个断路器中的首个或者末位断路器通过网口单元与所述上位机连接。9.根据权利要求7所述的工业以太网系统，其特征在于，所述至少一个上位机为多个；各断路器分别通过至少一个网口单元与至少一个上位机连接。10.根据权利要求6所述的工业以太网系统，其特征在于，所述至少一个上位机为多个；各断路器分别通过多个网口单元与多个上位机连接。

技术总结
本申请提供了一种断路器及工业以太网系统，该断路器包括：主控单元、网络控制单元、交换单元和多个网口单元，主控单元与网络控制单元电连接，网络控制单元与交换单元电连接，交换单元包括多个网络接口，各网络接口分别连接一个网口单元。本申请通过采用交换单元拓展多个网络接口与多个网口单元连接，可以使断路器实现菊花链连接从而降低线缆及布线时产生的人力等成本，并且在断路器的多个网口单元接入上位机可以实现多个上位机之间的通信，实现多上位机监测模式，满足多用户使用需求。满足多用户使用需求。满足多用户使用需求。


技术研发人员：张伟强 杨瑶 李永振
受保护的技术使用者：上海良信电器股份有限公司
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/7/19