CN102902234A - 硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置及方法，该装置包括：主控单元、电源管理单元、信号输入单元、计量单元、控制输出单元、显示单元和网络通信单元。整个装置采用模块化设计，划分出具有各自功能的独立电路，利用统一接口相互连接，根据用户需求可进行合理组合，通电后装置可以自动检测各个单元的工作状态，通过远程软件可以根据用户自定义进行系统配置并完成指定功能。该装置及方法解决了现有不同类型的工控仪表无法兼容的弊端，具有良好的灵活性和扩展性，兼顾工业生产的各类需求，便于工厂的统一管理与更新换代。

Description

硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置及方法

技术领域

本发明涉及一种工业控制领域的装置和方法，具体是一种硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置及方法。

背景技术

许多工业设备需要在运行过程对多种物理量进行检测和监视，并根据检测结果对该物理量进行有效的控制，这里的物理量包括位移、速度、加速度、力、力矩、功率、压力、流量、温度、硬度、密度、湿度、比重、黏度、长度、角度、形状、位置、表面粗糙度、表面波形等等，实际生产、生活和科学实验中还会遇到化学量、生物量，而所有这些，从信号工程的角度来看，都需要通过传感器，将其转换成电信号，而后再进行信号的传输、处理、存储、显示、控制等等，这也就是工业控制仪表需要完成的基本功能。

嵌入式处理器的飞跃式发展，伴随着硬件技术的巨大进步，使得当今的仪表、控制器的功能更加强大、体积也逐渐减小。而软件应用方面，工业仪表在功能性的及人性化方面取得了长足的进步，这与通讯和信息化技术的普及密不可分。

目前市场上的工控仪表种类繁多，但功能参差不齐，低端仪表一般采用LED数码管显示，具备单路输入输出及简单的PID控制功能。中端仪表则可实现多种类型信号输入、多路控制信号输出，并且增加了通讯接口，具备远程通讯能力。高端仪表具有高精度多端程序控制功能并支持多种类多通道的输入输出信号，因而能提供更稳定和多参数可编程的温度控制，以及更人性化的操作界面。输入信号的类型主要包括温度传感器(各类热电阻、热电偶等)信号，压力传感器信号、位置传感器信号等，而输出信号则主要是电流输出、报警信号、继电器开关等形式。

但目前的工控仪表产品在通用性和扩展性方面存在较大缺陷，高中低端产品之间并未着重考虑设计上的兼容性，而在实际工业生产过程中往往需要同时使用多种类型的仪表，而不同类型产品各自独立的安装与操作方式，不利于工业生产的统一管理，也为工厂的更新换代带来极大不便。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置及方法，其具有较好的通用性与较高的灵活度。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置，包括：主控单元、电源管理单元、信号输入单元、计量单元、控制输出单元、显示单元和网络通信单元，其中：信号输入单元从外部接收多通道的传感器输入信号，经通道切换后输出给计量单元；计量单元完成对信号的滤波、放大、采样处理后将测量值传递给主控单元；主控单元根据测量值与用户设定的参数运算得到控制结果并通过控制输出单元输出相应信号；显示单元实时显示上述工作过程及控制结果；网络通信单元将本装置与远程计算机相连接，用户可通过远程控制软件对本装置进行系统配置、参数设置和过程监控；电源管理单元通过对外部提供的市电进行整流、滤波、变压处理，为本装置各个单元电路提供稳压输出。

作为本发明的进一步改进，所述主控单元在开启后对整个装置各个单元进行自动识别并检测工作状态是否正常，通过网络通信单元与远程计算机相连，接受用户的远程指令后对整个装置进行配置、测量、控制操作，包括对信号输入单元的通道切换控制、接受计量单元的测量结果、控制显示单元的显示内容以及对输出控制单元的输出调节。

作为本发明的进一步改进，所述信号输入单元包括多路传感器通道及检定信号通道。多路传感器通道可以接入多种类型的传感器信号，硬件上采用了模块化的设计，不同的通道均可以独立使用，并通过远程软件实时配置相关参数。

作为本发明的进一步改进，所述计量单元包括模拟开关电路、信号处理电路和模数转换电路，其中模拟开关电路接受主控单元的控制信号后将输入传感器信号切换至指定通道，而信号处理电路通过软件配置后可对指定类型的传感器信号进行相应的滤波、补偿、放大处理后送至模数转换电路，由模数转换电路将处理后的模拟测量信号转换为数字测量值提供给主控单元。

作为本发明的进一步改进，所述控制输出单元根据主控单元的指令进行相应的输出。输出形式包括多种类型，例如4-20mA电流输出、报警输出、继电器开关量输出等，该单元同样采用硬件模块化设计与软件可配置的设计思路，可根据用户需求选配输出信号类型，并通过软件进行相关设置。

作为本发明的进一步改进，所述显示单元采用LCD和LED之一进行显示。能够反映仪表测得的实时数据、用户设定的控制参数以及整个装置的工作状态等。

作为本发明的进一步改进，所述网络通信单元利用工业总线、以太网的方式实现远距离通信功能，从而保证利用远端计算机可以监控多个仪表同时工作，从而组合成为完整的工控网络。

本发明还提供一种上述装置的软硬件配置与测量控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，用户根据需求进行合理的硬件选择，包括确定信号输入通道数目以及控制输出通道的数目与类型、显示单元以及网络通信单元选用的类型；

第二步，将各个硬件单元组合安装好，接入电源后，主控单元将自动识别整个装置及其组成单元的工作状态是否正确，通过显示单元显示出来，同时利用网络通信单元将结果传递给远程计算机；

第三步，用户通过远程计算机监控软件对整个装置进行系统设置与用户参数设置，包括信号输入通道各个通道的传感器类型，控制输出通道各个通道的控制类型，PID控制的参数设置，设置指令通过网络通信单元发送至主控单元；

第四步，主控单元接收到指令后，完成对应的参数设置，将计量单元切换至用户指定的测量通道，从信号输入单元接收输入的传感器信号，对信号进行滤波、补偿、放大等处理后进行模数转换，并将采样值传递给主控单元。

第五步，主控单元根据用户设定的PID控制算法参数，对采样得到的测量值进行运算处理，得到需要输出的控制量，将控制量传递给指定的控制通道后进行控制输出，并在显示单元中将上述测量值与控制量显示出来。

本发明的有益效果是：本发明提供了通用化的工控仪表硬件结构，不论是传感器信号输入还是控制信号输出，均采用了模块化的设计思路，用户可以根据自身需求合理选择不同类型、不同数目的输入输出通道，并且只需通过远程软件进行自定义参数配置即可保证不同单元的协调工作。该装置解决了现有不同类型的工控仪表无法兼容的弊端，具有良好的灵活性和扩展性，兼顾工业生产的各类需求，便于工厂的统一管理与更新换代。

附图说明

图1是本发明的硬件系统框图；

图2是本发明的软件架构示意图；

图3是本发明的方法流程图。

结合附图，作以下说明：

1——主控单元           2——电源管理单元

3——信号输入单元       4——计量单元

5——信号输出单元       6——显示单元

7——网络通信单元

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本装置包括：主控单元1、电源管理单元2、信号输入单元3、计量单元4、信号输出单元5、显示单元6和网络通信单元7，其中：主控单元1是整个装置的控制核心，负责对其它单元的控制和调配。电源管理单元2对外部提供的市电进行整流、滤波、变压等处理后为本装置各个单元电路提供稳压输出。信号输入单元3从外部接受多通道的传感器输入信号，经通道切换后输出给计量单元4，计量单元4完成对信号的滤波、放大、采样等处理后将测量值传递给主控单元1，主控单元1根据测量值与用户设定的参数运算得到控制结果并通过控制输出单元5输出相应信号。显示单元6实时显示上述工作过程及相关控制结果，网络通信单元7将本装置与远程计算机相连接，用户可通过远程控制软件对本装置进行系统配置、参数设置与过程监控。

所述的主控单元1选用微控制处理器，在开启后对整个装置各个单元进行自动识别并检测工作状态是否正常，通过网络通信单元7与远程计算机相连，接受用户的远程指令后对整个装置进行配置、测量、控制等操作，包括对信号输入单元3的通道切换控制、接受计量单元4的测量结果、控制显示单元6的显示内容以及对输出控制单元5的输出调节。

所述的信号输入单元3包括传感器信号通道及检定信号通道。传感器信号通道包含多路输入，每一路通道均可独立使用，并且可以接收不同的传感器类型，主控单元1自动对每路输入信号进行硬件匹配，并利用软件对各通道进行对应的参数设置。检定信号通道可输入标准的检定信号从而对本装置进行校准。

所述的计量单元4包括模拟开关电路、信号处理电路和模数转换电路构成，其中模拟开关电路接受主控单元1的控制信号后将输入传感器信号切换至指定通道，而信号处理电路也通过软件配置后可对指定类型的传感器信号进行相应的滤波、补偿、放大等处理后送至模数转换电路，由模数转换电路将处理后的模拟测量信号转换为数字测量值提供给主控单元1。

所述的控制输出单元5根据主控单元的指令进行相应的输出，输出形式包括多种类型，例如4～20mA电流输出、报警输出、继电器开关量输出等，该单元同样采用硬件模块化与软件可配置的设计思路，可根据用户需求选配不同的输出信号类型，均可与主控单元1搭配使用，通过软件进行对应设置。

所述的显示单元6采用LCD或者LED等形式进行显示，能够反映仪表测得的实时数据、用户设定的控制参数以及整个装置的工作状态等。

所述的网络通信单元7利用工业总线、以太网等方式实现远距离通信功能，从而保证利用远端计算机可以监控多个仪表同时工作，从而组合成为完整的工控网络。

本发明装置中微控制处理器所采用的软件架构示意图如图2所示，共分为3层软件架构：最底层为操作系统层，负责整个装置软硬件的资源管理与调度，采用实时操作系统，提供更快的响应速度与更高的可靠性。中间层是软硬件驱动层，主要完成装置的网络协议处理、信号输入单元与控制输出单元的驱动、图形界面的驱动等功能。最顶层是应用层，包括图形显示、网络命令处理、软件配置、PID控制等部分。

本实施例的上述装置的软硬件配置与测量控制方法，包括下述步骤：

第一步，用户根据需求确定信号输入单元3与控制输出单元5各自的通道数目与类型，同时选择显示单元6(LCD、LED等)以及网络通信单元7(RS485、以太网等)的类型。

第二步，确定类型后将各个单元组合安装好，上电后，主控单元1将自动识别整个装置其它组成单元的工作状态是否正确，通过显示单元6显示出来，同时利用网络通信单元7将结果传递给远程计算机。

第三步，用户通过远程计算机监控软件对整个装置进行系统设置与用户参数设置(包括信号输入通道3各个通道的传感器类型，控制输出通道5各个通道的控制类型，PID控制的参数设置等)，设置指令通过网络通信单元7发送至主控单元1。

第四步，主控单元1接收到指令后，完成对应的参数设置。将计量单元4切换至用户指定的测量通道，从信号输入单元接收输入的传感器信号，对信号进行滤波、补偿、放大等处理后进行模数转换，并将采样值传递给主控单元1。

第五步，主控单元1根据用户设定的PID控制算法参数，对采样得到的测量值进行运算处理，得到需要输出的控制量，将控制量传递给指定的控制通道后进行控制输出，并在显示单元5中将上述测量值与控制量显示出来。

图3给出了上述步骤的流程图，整个装置在功能关闭之前，将不断重复第三步至第五步的过程，从而实现了对工厂设备物理量的连续控制。

本实施例提供了一类通用化的工控仪表装置及其方法，在各个单元均采用了模块化的设计思路，用户可以根据自身需求合理选择不同类型、不同数目的输入输出通道，并且只需通过远程软件进行自定义参数配置即可保证不同单元的协调工作。该装置解决了现有不同类型的工控仪表无法兼容的弊端，具有良好的灵活性和扩展性，兼顾工业生产的各类需求，便于工厂的统一管理与更新换代。

Claims (8)

1.一种硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置，其特征在于，其包括：主控单元(1)、电源管理单元(2)、信号输入单元(3)、计量单元(4)、控制输出单元(5)、显示单元(6)和网络通信单元(7)，其中：信号输入单元从外部接收多通道的传感器输入信号，经通道切换后输出给计量单元；计量单元完成对信号的滤波、放大、采样处理后将测量值传递给主控单元；主控单元根据测量值与用户设定的参数运算得到控制结果并通过控制输出单元输出相应信号；显示单元实时显示上述工作过程及控制结果；网络通信单元将本装置与远程计算机相连接，用户可通过远程控制软件对本装置进行系统配置、参数设置和过程监控；电源管理单元通过对外部提供的市电进行整流、滤波、变压处理，为本装置各个单元电路提供稳压输出。

2.根据权利要求1所述的硬件模块化和软件可配置的工控仪表装置，其特征在于：所述主控单元在开启后对整个装置各个单元进行自动识别并检测工作状态是否正常，通过网络通信单元与远程计算机相连，接受用户的远程指令后对整个装置进行配置、测量、控制操作，包括对信号输入单元的通道切换控制、接受计量单元的测量结果、控制显示单元的显示内容以及对输出控制单元的输出调节。

3.根据权利要求1所述的硬件模块化和软件可配置的工控仪表的装置，其特征在于：所述信号输入单元包括多路传感器通道及检定信号通道。

4.根据权利要求1所述的硬件模块化和软件可配置的工控仪表的装置，其特征在于：所述计量单元包括模拟开关电路、信号处理电路和模数转换电路，其中模拟开关电路接受主控单元的控制信号后将输入传感器信号切换至指定通道，而信号处理电路通过软件配置后可对指定类型的传感器信号进行相应的滤波、补偿、放大处理后送至模数转换电路，由模数转换电路将处理后的模拟测量信号转换为数字测量值提供给主控单元。

5.根据权利要求1所述的硬件模块化和软件可配置的工控仪表的装置，其特征在于：所述控制输出单元根据主控单元的指令进行相应的输出。

6.根据权利要求1所述的硬件模块化和软件可配置的工控仪表的装置，其特征在于：所述显示单元采用LCD和LED之一进行显示。

7.根据权利要求1所述的硬件模块化和软件可配置的工控仪表的装置，其特征在于：所述网络通信单元利用工业总线、以太网的方式实现远距离通信功能。

8.一种根据权利要求1至7中任一项所述装置的软硬件配置与测量控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，用户根据需求进行合理的硬件选择，包括确定信号输入通道数目以及控制输出通道的数目与类型、显示单元以及网络通信单元选用的类型；

第二步，将各个硬件单元组合安装好，接入电源后，主控单元将自动识别整个装置及其组成单元的工作状态是否正确，通过显示单元显示出来，同时利用网络通信单元将结果传递给远程计算机；

第三步，用户通过远程计算机监控软件对整个装置进行系统设置与用户参数设置，包括信号输入通道各个通道的传感器类型，控制输出通道各个通道的控制类型，PID控制的参数设置，设置指令通过网络通信单元发送至主控单元；

第四步，主控单元接收到指令后，完成对应的参数设置，将计量单元切换至用户指定的测量通道，从信号输入单元接收输入的传感器信号，对信号进行滤波、补偿、放大等处理后进行模数转换，并将采样值传递给主控单元。

第五步，主控单元根据用户设定的PID控制算法参数，对采样得到的测量值进行运算处理，得到需要输出的控制量，将控制量传递给指定的控制通道后进行控制输出，并在显示单元中将上述测量值与控制量显示出来。

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