CN104714495A - 一体式智能自动化终端设备 - Google Patents
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Abstract
一种一体式智能自动化终端设备，包括集成于一体的检测/执行终端、转换器模块、智能控制模块、***总线和网络通信模块，所述检测/执行终端包括与所述转换器模块分别通讯连接的检测元件和/或执行部件；所述转换器模块通过所述***总线与所述智能控制模块通讯连接；所述智能控制模块用于接收或发送信息并进行相应逻辑控制，将处理信息存储和与外部信息网络进行数据交换；所述网络通信模块通过所述***总线与所述智能控制模块通讯连接。本发明公开的一体式智能自动化终端设备，可把模拟信号的传输距离尽可能地缩短，并进行简单逻辑判断或运算，同时利用网络通信技术与外部网络进行信息交换，有利于现场设备运行状况的及时监控和管理。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一体式智能自动化终端设备。
背景技术
一般安装在生产现场的终端设备，分为负责检测的检测设备和负责执行的执行设备。现有的终端检测设备或执行设备大多采用供电线路和通讯信号线路分开的安装模式，整个自动化控制网络不仅安装成本高，而且布线复杂度大，相应的其故障机率也高。
现有的终端检测设备或执行设备都是哑终端。对于检测设备，只能机械地发送从感应元件得到的测量信号；对于执行设备，只能被动地根据自动化控制网络中的控制器发出的执行信号作出相应动作。由于本身不具备任何智能，就算是一些类似超值警告等简单的功能，也需要依赖于网络中的控制器上的执行逻辑来进行。更无法进行主动故障诊断，一旦感应元件或执行机构出现问题，往往无法及时发现问题，要等到造成了后果以后才能被发现。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种一体式智能自动化终端设备，可在短距离内进行数-模或模-数转换，并进行简单逻辑判断或运算，同时利用网络通信技术与外部网络进行信息交换，有利于现场设备运行状况的及时监控和管理。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种一体式智能自动化终端设备，包括集成于一体的检测/执行终端、转换器模块、智能控制模块、***总线和网络通信模块，其中所述检测/执行终端用于现场设备信息的实时检测或调整，并发送或接收用于检测或执行的物理信号，包括与所述转换器模块分别电连接的检测元件和/或执行部件；
所述转换器模块用于接收所述检测元件所发送的物理信号、将模拟状态的物理信号转换为数字信号并将其传输给所述智能控制模块，或接收所述智能控制模块所传输的数字信号后将其转换为模拟信号并发送给所述执行元部件，所述转换器模块通过所述***总线与所述智能控制模块通讯连接；
所述智能控制模块用于接收所述转换器模块发送的数字信号并进行相应的数据处理或将控制信息发送给所述转换器模块进行信号转换，所述智能控制模块还根据预设的条件进行逻辑判断和控制，所述智能控制模块还将处理信息进行存储并经过适当的协议栈转换后与外部信息网络进行数据交换；
所述网络通信模块用于所述智能控制模块与外部信息网络之间的通信和数据交换通道，所述网络通信模块通过所述***总线与所述智能控制模块通讯连接。
优选的，所述智能控制模块包括微控制器、可擦写存储器及保存在所述可擦写存储器中的***固件和配置参数，所述微控制器可依据所述***固件和元件特性参数进行线性化运算和校正，以及量程变换运算；可依据所述***固件所定义的网络通信协议栈将数据打包或解包以便与外部信息网络进行网络通信；可对接收的信息进行逻辑判断和控制处理；可根据所设定的频次参数、特性参数和诊断数据对所述检测元件或执行部件进行故障诊断和分析；还可将接收到的数据、配置参数、处理结果等各种信息存储于所述可擦写存储器中。
优选的，所述转换器模块包括用于接收模拟信号输入的放大器和模-数转换器单元、用于输出模拟信号的数-模转换器和驱动器单元和用于开关量输入输出的通用输入输出单元中的一种、两种或三种的组合。
优选的，所述网络通信模块为电力线通信模块即PLC模块，所述PLC模块用于将接收到的所述智能控制模块的处理信息调制成载波信号并通过电力线进行传输，或接收电力线上的载波信号后解调为所述智能控制模块可读取的数据信息。
优选的，所述网络通信模块为RS485通讯模块，所述RS485通讯模块用于所述智能控制模块与外接RS485串行通信网络之间的通讯连接。
优选的，所述网络通信模块为以太网通讯模块，所述以太网通讯模块用于所述智能控制模块与以太网之间的通讯连接。
优选的，所述一体式智能自动化终端设备集成了PLC模块，其通信协议采用了TCP/IP协议，并且在此基础上还集成了Modbus-TCP协议，最终实现了Modbus-TCP/IP/PLC的层次化通信架构。
优选的，所述一体式智能自动化终端设备还包括供电控制模块，用于监视本终端的电力消耗情况和远程启闭本终端。
优选的，所述一体式智能自动化终端设备还包括人机交互界面。
采用以上技术方案的有益效果是：通过高度集成设计，直接将变送器或接收器、微控制器、网络通信等功能集成到终端，尽量靠近检测元件或执行部件，这样就能将模拟信号传输线路最大程度地缩短，在很短的距离内进行数/模或/数转换减少了模拟信号受干扰的机会，大大提高了信号的真实度；同时通过集成的智能控制模块，智能自动化终端设备还可以做一些只依赖于本终端自身信息就能进行的简单逻辑判断或运算，还可以用来直接控制执行部件，提高了现场网络的集成化和自动化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明一体式智能自动化终端设备的实施例1的结构原理框图；
图2为本发明一体式智能自动化终端设备的实施例2的结构原理框图；
图3为本发明一体式智能自动化终端设备的实施例3的结构原理框图
图4为本发明一体式智能自动化终端设备的实施例4的结构原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的检测设备，例如温度计，其感应元件得到的物理信号均是模拟信号，如果采用分体式变送器，一般要经过几米到十几米的距离才能送到变送器。现有的执行设备，例如气动阀，其接收器收到控制信号后需要将其转换成能够驱动具体执行机构的模拟信号。在这些模拟信号传送的过程中，一般会在电路设计上采取多种技术尽量减少误差，但在这个层面上，每个感应元件或执行机构都有其各自的特性参数，发出或接受的信号也是千差万别，一旦误差发生，变送器或接收器很难得知错误的发生。并且，信号传输线路越长越容易受到周边环境干扰，错误发生的机率越大。
现代的变送器内部基本都已采用数字电路来把传感器产生的特定模拟信号进行线性化和标准化转换的工作，但其输出的标准信号还是属于模拟信号。而执行设备的接收器收到的控制信号，也只是标准化了的模拟信号，需要再转换成具体执行机构所需的特定模拟信号。在两个模拟信号的相互转换过程中，信息很容易会损失，并且转换次数越多，信息损失越大。现有的终端检测设备或执行设备大多采用供电线路和通讯信号线路分开的安装模式，整个自动化控制网络不仅安装成本高，而且布线复杂度大，相应的其故障机率也高。
本发明所描述的智能自动化终端设备（简称IATD）是指自动化控制网络中最末梢的那些设备，通过高度集成，使其可以做一些只依赖于本终端自身信息就能进行的简单逻辑判断或运算的智能控制。
实施例1
一种一体式智能温度传感器，包括集成于一体的热电阻、转换器模块、智能控制模块、***总线和以太网通信模块，其中热电阻连接转换器模块，转换器模块通过内部***总线与智能控制模块通讯连接，以太网通信模块也通过内部***总线与智能控制模块通讯连接。
智能控制模块包括微控制器MCU、可擦写存储器及保存在可擦写存储器 中的***固件和配置参数，微控制器依据可擦写存储器中预先保存的元件特性参数进行线性化运算和校正，以及量程变换运算；对采集到的信息进行逻辑判断和控制处理；MCU还根据配置参数中所设定的诊断频次、热电阻特性参数和诊断数据对热电阻进行故障诊断和分析，同时将各处理信息存储于可擦写存储器中。MCU还连接有带有数码管的显示模块，用于显示当前测量温度或进行简单人机交互。
转换器模块包括用于接收模拟信号输入的放大器和模-数转换器单元、用于开关量输入输出的通用输入输出单元。其中通用输入输出单元连接报警用蜂鸣器和三位八态的输出端口。热电阻的阻值由于测量温度变化而发生改变，引起检测电桥失去平衡，产生一个毫伏级别的压差信号。这个压差信号经运算放大器放大后输入模-数转换器转换成原始数字信号。该原始数值通过***总线传送到智能控制模块。
MCU运行IPX/SPX协议栈将该温度数据封装成IPX/SPX数据包，该数据包通过***总线被发送到以太网通信模块，并由其进一步发送到以太网上去。
在智能控制模块中，MCU根据该原始数值和存储在可擦写存储器中预先标定好的校正曲线拟合公式计算出当前测量的温度值，MCU将该温度数据通过***总线送到显示模块，显示模块据此驱动数码管将当前所测量到的温度显示出来。同时，MCU还将当前温度记录和该温度数据记录在可擦写存储器上指定的数据文件中以备后查。
用户可以在擦写存储器预先储存设置好的某些目标温度，用于和MCU所接收到的温度信息作比较，当MCU所接收到的温度信息与预先设置好的某些目标温度比较后满足一定的条件时，可以通过***总线将指示信号传输到转换模块，由转换器模块中的通用输入输出单元驱动对应的输出端口输出指定的开关信号，用户可以用这些信号来进一步控制外部设备，例如切断加热电磁阀等。
如果用户设置了极限最高温度和最低温度，MCU一旦发现测量到的温度不在范围内，将认为检测器已经发生故障。MCU会通过***总线发送报警指示给转换模块，转换模块中的通用输入输出单元将驱动蜂鸣器发出警报声。
无论是达到了用户指定温度的指示信息事件还是检测器出错警告事件，MCU均会将其记录在可擦写存储器上的设备运行日志文件中供用户日后查询。
该温度传感器的配置设定工作可以由用户在电脑上进行，然后将配置文件如温度标定拟合公式等存储在可擦写存储器上，在本实施例中，可擦写存储器还可以为可插拔SD卡，便于用户在电脑上进行元件特性参数定义或目标值设定等操作。
实施例2
一种一体式智能压力传感器，包括集成于一体的压力传感器、转换器模块、智能控制模块、***总线和RS485网络通信模块，其中压力传感器连接转换器模块，转换器模块通过内部***总线与智能控制模块通讯连接，RS485网络通信模块也通过内部***总线与智能控制模块通讯连接。
智能控制模块包括微控制器MCU、可擦写存储器及保存在可擦写存储器 中的***固件和配置参数，微控制器依据***固件和元件特性参数进行线性化运算和校正，以及量程变换运算；对接收的信息进行逻辑判断和控制处理；MCU根据设定的频次对压力传感器进行故障诊断和分析，同时将各处理信息存储于可擦写存储器中；MCU还通过RS485通信模块将采集到的压力数据发送到RS485通信网络中。
转换器模块包括用于接收模拟信号输入的放大器和模-数转换器单元和用于开关量输入输出的通用输入输出单元的组合。其中通用输入输出单元连接报警用蜂鸣器。压力传感器产生的微弱电信号被检测电桥转成一个毫伏级的微小压差信号，该压差信号被运算放大器放大后进入模-数转换器转换成信号原始数值，智能控制模块中的MCU根据预先标定好存储在可擦写存储器中的线性化公式计算出当前压力，该压力数据被存储在可擦写存储器的指定文件中。
MCU运行Mudbug-RTU协议栈将该压力数据封装成Modbus-RTU数据包，该数据包通过***总线被发送到RS485网络通信模块，并由其进一步发送到RS485串行通信总线上去。
MCU也会根据可擦写存储器中预先设定好的极限数据来判断传感器是否出了故障，一旦认为出错，将通过蜂鸣器发出声音警报，并发送警报数据到RS485网络上。所有的事件和数据都会被记录在日志文件中，智能控制模块中的***固件将提供以下主要功能：嵌入式微型操作***； Modbus-RTU通信协议栈；线性化计算；异常极限边界检测；存储数据和日志。
如果安装了可选配的后备电池，该一体式智能压力传感器设备还可以在无外来供电的情况下继续测量，一旦通电上线，会自动向上级网络报告离线期间所记录下来的测量数据或各类事件。
实施例3
一种一体式智能电动调节阀，包括集成于一体的调节阀、转换器模块、智能控制模块、***总线和PLC模块，其中调节阀连接转换器模块，转换器模块通过内部***总线与智能控制模块通讯连接，PLC模块也通过内部***总线与智能控制模块通讯连接。智能控制模块运行IP协议与控制网络进行数据交换。
智能控制模块包括微控制器MCU、可擦写存储器及保存在可擦写存储器中的***固件和配置参数，微控制器依据可擦写存储器中的部件特性参数进行阀门开度变换运算；对接收的信息进行逻辑判断和控制处理；根据设定的频次对调节阀进行故障诊断和分析，同时将各处理信息存储于可擦写存储器中。
转换器模块包括用于接收模拟信号输入的放大器和模-数转换器单元和用于输出模拟信号的数-模转换器和驱动器单元。
调节阀包括用于调整阀芯的步进电机和用于反馈阀芯位置的霍尔传感器，其中步进电机电连接数-模转换单元，霍尔传感器电连接模-数转换器单元。
控制网络中的指令调度者把包含有阀门开度百分比的指令数据封装在IP数据包中，该指令数据包通过电力载波调制解调器被转换成数字载波信号发送到供电线路上并通过供电线路将数字载波信号发送出去。
电连接在该线路上的一体式智能电动调节阀的中的PLC模块中的调制解调器接收到该载波信号，将其还原成IP数据包，该IP数据包通过***总线被发送到智能控制模块，智能控制模块中的MCU将该IP数据包通过IP协议栈将实际指令数据解出来，并根据该百分比数据和预先存储在可擦写存储器内的步进电机控制曲线公式计算出需要发送给步进电机的控制脉冲个数；该脉冲个数被MCU通过***总线发送给数-模转换器，转换模块根据接收到的数据向驱动器发出指定个数的脉冲，驱动器将这些脉冲信号转换成可以驱动步进电机的电流脉冲使步进电机转动特定角度，带动阀芯运动到指定位置。
固定在阀芯上的霍尔传感器将阀芯的工作位置不断地反馈回MCU，MCU将反馈回来的位置信号数据转换成开度百分比后通过IP协议栈封装成IP数据包，再由PLC模块发送到供电线路上原路返回到控制网络，反馈给指令调度者作为指令执行状态反馈信息。
MCU将收到的指令数据和阀芯位置数据都保存到可擦写存储器的指定文件内。MCU一旦发现阀芯传感器无响应，会立刻将事件记录下来，并在第一时间通过控制网络来上报警告数据包。
由于在智能控制模块中实现了IP协议栈，用户可直接使用IP地址来访问本智能阀门，存取本智能阀门上所有数据。例如，步进电机的参数、控制换算曲线等配置数据可由用户通过网络用IP协议直接发送到阀门，并由MCU存储在可擦写存储器中。同时用户也可以通过网络直接使用IP地址来访问阀门，存取存储在可擦写存储器中的位置数据和阀门运行日志。
由于一体式智能电动调节阀设有PLC模块，因此与网络的通信都可以利用现有电力线，通过载波方式将数据进行高速传输，而不需要额外铺设网络总线，在成本上有不可替代的优势。
实施例4
其余与实施例3相同，不同之处在于，如图4所示，在实施例3的基础上还集成了供电控制模块用于监视电力消耗情况和远程启闭本终端；其***固件的通信协议采用了TCP/IP协议，另外还在***固件中集成了Modbus-TCP协议，最终实现了Modbus-TCP/IP/PLC的层次化通信架构，使得用户可以采用更加简单和标准化的方式来和该智能电动调节阀进行通信。
在以上所述的这些实施例中，检测元件可以是压力传感器、温湿度传感器、气体传感器、流量传感器、速度传感器、加速度传感器、光电传感器或检测仪表中的一种或多种，在实际应用中根据需要选用，此处不做限定。
在以上所述的这些实施例中，执行部件可以是调节阀或控制阀或控制开关或声光报警器中的一种或数种，在实际应用中根据需要选用，此处不做限定。
在以上所述的这些实施例中，网络通信模块的网络通信协议还可以采用ISO/IEC 7498-1标准中所规范的第三层网络层协议，如IP协议、IPX协议等，或采用IEC 61158标准中所规范的现场总线协议，如Modbus协议、DeviceNet协议等，或者在TCP/IP协议的基础上集成了Modbus-TCP协议或PROFINET协议或FOUNDATION Fieldbus HSE协议，此处不做限定。
采用以上技术方案的有益效果是：通过高度集成设计，直接将变送器或接收器、微控制器、网络通信等功能集成到终端，尽量靠近检测元件或执行部件，这样就能将模拟信号传输线路最大程度地缩短，在很短的距离内进行数/模或/数转换，大大提高了信号的真实度；同时通过集成的智能控制模块，智能自动化终端设备还可以做一些只依赖于本终端自身信息就能进行的简单逻辑判断或运算，还可以用来直接控制一些外部执行部件，提高了生产现场管理自动化。
通过集成的模-数、数-模转换器，在智能控制模块的控制下，传感元件所产生的信息一旦被数字化以后，就始终保持在数字状态，只会以数字的形式进行通信传输和存储。只有在送到执行部件之前会被接收器转换成具体执行所需的模拟信号。这样就最大程度地降低了因为多重模拟信号转换所导致的信息损失。
MCU在***固件控制下可以做一些只依赖于本终端自身信息就能进行的简单逻辑判断或运算，结果可以用来控制直接在终端设备上的声光报警器等，也可以发送到指定的执行终端来采取动作，另外当然也可以上传到上位机作进一步的复杂处理。***还能根据预先设定的频次自动根据储存的特性参数和诊断数据对感应元件或执行部件进行故障诊断和分析，能在问题还没造成后果之前就采取预防措施。智能控制模块的存在，就使得这样的终端设备具有了一定程度的智能。
通过高度集成的电路设计，直接将变送器或接收器、微控制器、等功能集成到终端，尽量靠近传感元件或执行部件，这样就能将模拟信号传输线路最大程度地缩短到厘米级，模拟信号得以第一时间就被转换成数字信号，大大减少了外界干扰的机会。而MCU在***固件的控制下，会根据储存在可擦写存储器中的参数进行线性化运算和校正，以及量程变换运算，在这个过程中，一旦发现结果数据有异常，MCU将主动向***汇报故障情况。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1. 一种一体式智能自动化终端设备，其特征在于，包括集成于一体的检测/执行终端、转换器模块、智能控制模块、***总线和网络通信模块，其中所述检测/执行终端用于现场设备信息的实时检测或调整，并发送或接收用于检测或执行的物理信号，包括与所述转换器模块分别电连接的检测元件和/或执行部件；
所述转换器模块用于接收所述检测元件所发送的物理信号、将模拟状态的物理信号转换为数字信号并将其传输给所述智能控制模块，或接收所述智能控制模块所传输的数字信号后将其转换为模拟信号并发送给所述执行元部件，所述转换器模块通过所述***总线与所述智能控制模块通讯连接；
所述智能控制模块用于接收所述转换器模块发送的数字信号并进行相应的数据处理或将控制信息发送给所述转换器模块进行信号转换，所述智能控制模块还根据预设的条件进行逻辑判断和控制，所述智能控制模块还将处理信息进行存储并经过适当的协议栈转换后与外部信息网络进行数据交换；
所述网络通信模块用于所述智能控制模块与外部信息网络之间的通信和数据交换通道，所述网络通信模块通过所述***总线与所述智能控制模块通讯连接。
2. 根据权利要求1所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述智能控制模块包括微控制器、可擦写存储器及保存在所述可擦写存储器中的***固件和配置参数，所述微控制器可依据所述***固件和元件特性参数进行线性化运算和校正，以及量程变换运算；可依据所述***固件所定义的网络通信协议栈将数据打包或解包以便与外部信息网络进行网络通信；可对接收的信息进行逻辑判断和控制处理；可根据所设定的频次参数、特性参数和诊断数据对所述检测元件或执行部件进行故障诊断和分析；还可将接收到的数据、配置参数、处理结果等各种信息存储于所述可擦写存储器中。
3. 根据权利要求1所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述转换器模块包括用于接收模拟信号输入的放大器和模-数转换器单元、用于输出模拟信号的数-模转换器和驱动器单元和用于开关量输入输出的通用输入输出单元中的一种、两种或三种的组合。
4. 根据权利要求1所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述网络通信模块为电力线通信模块即PLC模块，所述PLC模块用于将接收到的所述智能控制模块的处理信息调制成载波信号并通过电力线进行传输，或接收电力线上的载波信号后解调为所述智能控制模块可读取的数据信息。
5. 根据权利要求1所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述网络通信模块为RS485通讯模块，所述RS485通讯模块用于所述智能控制模块与外接RS485串行通信网络之间的通讯连接。
6. 根据权利要求1所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述网络通信模块为以太网通讯模块，所述以太网通讯模块用于所述智能控制模块与以太网之间的通讯连接。
7. 根据权利要求4-6所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述一体式智能自动化终端设备集成了PLC模块，其通信协议采用了TCP/IP协议，并且在此基础上还集成了Modbus-TCP协议，最终实现了Modbus-TCP/IP/PLC的层次化通信架构。
8. 根据权利要求1所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述一体式智能自动化终端设备还包括人机交互界面。
9. 根据权利要求1所述的一体式智能自动化终端设备，其特征在于，所述一体式智能自动化终端设备还包括供电控制模块。
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|---|---|---|---|
| CN201310675638.0A CN104714495A (zh) | 2013-12-13 | 2013-12-13 | 一体式智能自动化终端设备 |
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| CN104714495A true CN104714495A (zh) | 2015-06-17 |
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|---|---|---|---|---|
| US20060047480A1 (en) * | 2004-08-31 | 2006-03-02 | Watlow Electric Manufacturing Company | Method of temperature sensing |
| CN103034202A (zh) * | 2012-12-11 | 2013-04-10 | 北京中油瑞飞信息技术有限责任公司 | 一体化采集控制设备 |
| CN203232329U (zh) * | 2013-01-08 | 2013-10-09 | 东华大学 | 一种基于wifi的无线温度控制装置 |
-
2013
- 2013-12-13 CN CN201310675638.0A patent/CN104714495A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20060047480A1 (en) * | 2004-08-31 | 2006-03-02 | Watlow Electric Manufacturing Company | Method of temperature sensing |
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