CN103729993A - Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用，所涉及的Wi-Fi在电动执行机构中的应用，利用Wi-Fi作为信号传输媒介，通过网络来控制电动执行机构的开、关、停以及参数的设定、故障的诊断等，实现对单台电动执行器的近距离遥控以及多台电动执行器的组网控制等功能。系统包括电动执行机构、电动执行机构上设置的各类传感器、路由器及智能操控设备。这种控制方法具有机动、灵活性强的特点，可广泛应用于排水、暖通、石油、化工、电子、轻工、食品、医药、轻纺、造纸、水电、船舶、冶炼、能源系统等流体管线上各个环节，有效减少传统的开关量、模拟量及总线控制式电动执行机构在使用时布线的麻烦，以及遥控器在遥控时，会干扰到临近的执行器等问题。

Description

Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用

技术领域

 本发明涉及一种电动执行机构，属于自动控制系统中调节和截流装置技术领域。

背景技术

电动执行机构，也称电动执行器，使用电能作为其动力，具有其它几类动力传动类型不可比拟的优势：获取能源方便，动作快，信号传递速度快，且可远距离传输信号，便于和数字装置配合使用等；是自动控制领域的常用机电一体化设备（器件），自动化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备；是具体控制信号的响应机构，主要是对一些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，用以代替人工作业。

在现有技术中电动执行机构的主要控制方式有:有源开关量控制及反馈、无源开关量控制及反馈、模拟量控制及反馈、总线控制及反馈、遥控器控制等。上述5种控制方式均为有线式控制方式或红外遥控，如图1所示，它们在实际使用时会存在以下缺点：

1、在控制系统构建时，除工作电源线之外，要对每一台电动执行机构接入各种控制及反馈线，成本较高。

2、在空间电磁环境复杂的情况下，控制线容易受到干扰，信号传输质量大打折扣，有时需要选用更高端的信号线，无形中增加了安装成本。

3、对于由多个电动执行机构构成控制系统，如果要更改该系统的功能，则需要对大量的控制线进行更改，技术要求高，改造难度较大。

4、对于红外遥控部分，传统的红外遥控器不具有用户自学习功能，在实际使用中用户必须参考使用说明书进行相应的操作，操作难度大。

5、红外遥控不是一对一的设备，如图2所示，在实际控制中存在相互干涉现象，当遥控器在操作一台执行器时，红外控制信号有可能会被临近的另外一台执行器接收，而发生误响应状况，影响系统的稳定。

6、红外遥控器控制的方向性要求较高，必须指向被控制的设备才可以有效控制，且控制方法为单工式，无法完成交互式控制。

7、遥控器在实际使用现场保管较难，容易遗失。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明公开了Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用。

Wi-Fi俗称无线宽带，全称Wireless Fidelity，最大优点就是传输速度高，有效距离长，兼容性强；是一种具有国际先进性的通讯方式，也是目前应用最为普遍的一种短程无线传输技术。伴随着移动数码设备的普及尤其是智能手机的大量使用，Wi-Fi已成为人们日常生活中不可或缺的网络形式，多数的城市已全面覆盖了公共免费的Wi-Fi。

本发明所涉及的Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用使用Wi-Fi作为信号传输媒介，通过网络来控制电动执行机构的开、关、停以及参数的设定、故障的诊断等，实现了对单台电动执行器的近距离遥控以及多台电动执行器组网的控制等功能。这种控制方法具有机动、灵活性强的特点，通过网络更改控制指令更加方便，可广泛应用于排水、暖通、石油、化工、电子、轻工、食品、医药、轻纺、造纸、水电、船舶、冶炼、能源系统等流体管线上各个环节，有效减少了传统的开关量、模拟量及总线控制式电动执行机构在使用时布线的麻烦，以及遥控器在遥控时，会干扰到临近的执行器等问题。

本发明所涉及的Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用的系统结构如图3所示。

本发明所涉及的Wi-Fi型自动控制系统装置包括被监控设备、被监控设备上设置的各类传感器、电动执行机构、路由器及智能操控设备。其中，所述电动执行机构通过传动轴与被监控设备上的驱动轴连接；所述被监控设备上设置的各类传感器固定在被监控的设备上，通过电路与电动执行器连接；路由器安装在有电源的干燥阴凉处。

其中，所述被监控设备包括通过电动执行器操控完成各种指定动作的电力设备，如各类电动阀门、地铁系统使用的电动门、体育场馆的电动风门等。

其中，所述的电动执行机构，包括电动执行器、安装在电动执行器内的收发控制板、在电动执行器内部植入的Wi-Fi模块。Wi-Fi模块的天线采用内置式，确保电动执行器的整体性。

其中，所述智能操控设备包括手提电脑、智能手机、工控机、触摸屏等可随身携带的执行远程操控的电子产品。

本发明所涉及的Wi-Fi型自动控制系统装置的应用，包括对被监控设备的开、关、停等动作的操作以及对参数的设定、故障的诊断等；电动执行器内安装有专用APP软件，利用电动执行机构内的Wi-Fi模块与无线网络构建的无线通讯通路，由带有Wi-Fi功能的智能操控设备对电动执行器发出指令，完成被监控设备的指定动作。

电动执行机构专用APP软件，是通过Wi-Fi模块构建的无线通讯通路，取代原有的模拟量控制、总线控制等方式；在每台电动执行器内分配一个IP地址进行电动执行机构的通讯配置，灵活方便。

电动执行机构内部电路之间的通讯均采用串行数字信号，减少外界强电磁环境引起的干扰，完全杜绝在现有技术中，模拟信号的传输受到外界电磁干扰，而发生误动作的现象。

其中，所述电动执行机构专用的APP软件，以智能操控设备自带的Wi-Fi作为信号通道，与电动执行机构进行现场遥控操作，取代传统的红外遥控方式。所述APP软件，为专门开发用于对应型号电动执行器的控制软件，是对应Android、iOS、Symbian等主流移动设备操作系统的软件；该软件以手机或平板电脑的操作系统为平台，借助移动设备的Wi-Fi功能为控制信号传输通道，与相应的电动执行器进行IP地址分配配对后，即可实现一对一的通信，从而实现对指定的电动执行器的遥控控制。APP软件安装在Wi-Fi型电动执行器内，带有Wi-Fi功能的智能操控设备在安装该软件后，即可使用。

APP软件内设丰富的帮助系统，可以通过软件的帮助提示功能，轻松通过智能操控设备对电动执行机构进行操作。

APP软件通过IP地址及电动执行机构内设的Wi-Fi模块，与电动执行机构建立一对一的通信联机，相邻的其他电动执行器不会像红外遥控一样发生信号干涉，而引起电动执行器的误动作。

如果智能操控设备遗失，可将智能操控设备内安装的APP软件装入另一部智能操控设备，继续对电动执行机构进行控制操作。

如图4所示为Wi-Fi智能手机对执行器的控制示意图。

3、所述无线路由器通过使用分配的IP地址，与电动执行机构组成控制网络，由中央总控制器进行集中控制，如图5所示；同样也可以由无线路由器通过专用的互联网端口联入Internet，实现远程控制、状态监控、远程诊断等功能。

每个Wi-Fi控制芯片内部都有一个固定且唯一的设备地址，用户在使用时采用无线路由器对每一个设备地址进行绑定，并分配相应的IP地址，即可构建控制网络，如同电脑构建局域网一样。所述控制局域网通过互联网端口接入Internet，无论电动执行器被安装到任何位置，用户只需要通过互联网的专用控制网页来实时获取指定的电动执行器的开度、开关是否到位、执行器的扭矩、是否有过扭矩、过温度等状态，对被监控系统进行远程监控。

同时通过网页中相应的控制按钮方便的对远程指定的电动执行器进行如开阀、关阀、调节等相关操作的远程控制，也可以用主站来远程控制现场的电动执行机构，构建自动控制系统。

如果远程的执行器发生故障，只需将该电动执行器连接到故障诊断网站接口即可通过远程执行器制造商的服务器自动的对故障的电动执行器进行远程的故障诊断功能，诊断结果及故障排除措施将发布到邮件中，同时对于制造商的售后服务部门也获取了第一手资料，方便针对性的服务。上述远程控制、状态监控、故障诊断等功能，使得电动执行器的可操作性及可维护性得到大大的提高。

附图说明：

图1传统的电动执行机构通过控制线组网构建的自动控制系统图；

图2红外遥控器对控制执行器的控制示意图；

图3Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用系统结构示意图；

图4Wi-Fi手机对电动执行机构控制的示意图；

图5电动执行机构通过Wi-Fi组网构建的自动控制系统示意图；

图6Wi-Fi型自动控制系统的控制原理框图；

图7 植入Wi-Fi控制芯片的电动执行器示意图；

图8Wi-Fi电动执行器控制板示意图；

图9安装了控制电动执行器APP软件的智能手机；

图10 安装APP控制软件的智能手机对电动执行机构的控制主界面示意图；

图11安装APP控制软件的智能手机对电动执行机构的设置界面示意图；

图12为带有Wi-Fi功能的电动执行机构系统示意图。

其中，1、电源总线；2、控制总线；3、DCS中央总控；4、无线路由器；5、远红外线遥控器；6、安装APP控制软件的智能手机；7、植入Wi-Fi控制芯片的电动执行机构；8、未植入Wi-Fi控制芯片的电动执行机构；9、无线网络；10、手提电脑。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明所涉及的Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用作进一步的描述。

实施例：Wi-Fi在一个阀门开度远程自动控制系统中的应用。

阀门开度自动控制系统包括被监控阀门、安装在阀门上的位置传感器及扭矩传感器、信号变送器、系统电源适配器、电机驱动控制器、电动执行器、安装了控制电动执行器APP软件的智能手机。其中，电动执行器的收发控制板以MCU为控制核心，通过SPI总线与Wi-Fi芯片进行通讯连接，与阀门位置传感器、扭矩传感器、信号变送器、系统电源适配器、电机驱动控制器等部件构成硬件系统，由MCU嵌入式程序进行信号的采集、数据的处理、与Wi-Fi的数据交换等工作的软件系统，构成一个有机的智能整体。

图6所示为Wi-Fi型自动控制系统遥控阀门开度的原理框图。其中主控制MCU为自动控制系统的核心，通过采集阀门位置传感器的信号来确认当前阀门的开度，行程限位为阀门的全开或全关位的角度限位。当电动执行器运行到相应位置时，行程限位产生相应的到位信号， MCU检测到相应的到位信号后，发出信号到控制电机及驱动部分，控制电机停止运转，从而实现阀门的全关或全开状态。

Wi-Fi的收发控制器为电动执行器的无线通信单元，是控制及反馈信号的传输媒介。

所述Wi-Fi的收发控制器首先与智能手机或无线路由器进行IP自动配对，构建无线数据通路的物理层，数据链路层采用Modbus协议，电动执行器为从站，相应的智能手机为主站；当主站发送开阀或关阀的指令经Wi-Fi发送出去后，电动执行器的Wi-Fi收发控制器接收到主站发来的命令后，传输到MCU；MCU进行命令解析，回送主站所请求的数据，经Wi-Fi收发控制器由无线的Wi-Fi信道发射出去，主站接收到Wi-Fi电动执行器的应答后就知道执行器的阀门开度、执行器的扭矩的开关是否到位、是否有过扭矩、过温度等状态。

图7所示为在电动执行器控制电路中植入Wi-Fi芯片；所述Wi-Fi芯片采用Ralink RT3052作为控制芯片，该芯片符合802.11b/g/n无线标准，最大300Mbps的波特率，20M/40M的信号带宽，可内置或外置的天线，满足电动执行机构的控制需要。

图8所示为Wi-Fi型电动执行器的收发控制板示意图，所述收发控制板以MCU为控制核心，与Wi-Fi芯片进行通讯连接，与阀门位置传感器、扭矩传感器、信号变送器、系统电源适配器、电机驱动控制器等部件构成硬件系统，由MCU嵌入式程序进行信号的采集、数据的处理，与Wi-Fi的数据交换等软件系统，构成一个有机智能整体。其中，所述MCU的控制芯板为STM32F103VET6，Wi-Fi芯片为RT3052，MCU与Wi-Fi芯片通过SPI总线进行通讯连接，收发控制板使用220V的电源。

图9所示为安装了控制电动执行器APP软件的智能手机。其中所述电动执行器的控制APP软件，为专门开发用于对应型号执行器控制的手机软件，是对应Android、iOS、Symbian等主流移动设备的操作系统的软件，该软件以手机或平板电脑的操作系统为平台，借助移动设备的Wi-Fi功能为控制信号传输通道，与相应的电动执行器进行IP地址分配配对后，即可实现一对一的通信，从而实现对指定的电动执行器的遥控控制。Wi-Fi型电动执行器在出厂时，软件会随执行器附送给用户，用户需将该软件装入带有Wi-Fi功能的智能型手机即可。

图10所示为电动执行器控制软件的主界面。主界面很直观的反应出当前的阀门的开度、扭矩值、转速值、温度值等参数；同时具有开阀、关阀、停止等控制按钮，用户可以直接通过点击相应的按钮来操纵电动执行器执行相应的动作。由于Wi-Fi信号属于辐射型，在实际操作时可以在其覆盖范围内随意操控，无需对准受控设备。

同时长按控制软件中的某个按钮即可自动弹出该主题的帮助信息，用户可以很方便的获取帮助，无需系统培训即可轻松上手。

图11所示为电动执行器控制软件的设置界面，方便用户对电动执行器进行相关的配置及系统设置。

有益效果：

本发明所涉及的Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用，使用Wi-Fi作为信号传输媒介，利用网络对电动执行机构的开、关、停以及参数的设定、故障的诊断等的遥控，实现了对单台电动执行机构的近距离遥控以及多台执行器的组网控制等功能。

Wi-Fi型自动控制系统装置及其应用具有以下优点：

1）具有机动、灵活性强的特点，通过网络更改控制指令更加方便。

2）应用范围广。可广泛应用于排水、暖通、石油、化工、电子、轻工、食品、医药、轻纺、造纸、水电、船舶、冶炼、能源系统等流体管线上各个环节。

3）可以有效减少传统的开关量、模拟量及总线控制式电动执行机构在使用时布线的麻烦。

4）克服了遥控器在遥控时，会干扰到临近的执行器的问题。

Claims (8)

1.一种Wi-Fi型自动控制系统装置，包括被监控设备、被监控设备上设置的各类传感器、电动执行机构、路由器及智能操控设备；

其中，所述电动执行机构通过传动轴与被监控设备上的驱动轴连接；所述被监控设备上设置的各类传感器固定在被监控的设备上，通过电路与电动执行器连接；路由器安装在有电源的干燥阴凉处；

其特征在于：所述电动执行机构，包括电动执行器、安装在电动执行器内的收发控制板及在电动执行器内部植入的Wi-Fi模块。

2.根据权利要求1所述的Wi-Fi型自动控制系统装置，其特征在于：所述Wi-Fi模块的天线采用内置式。

3.根据权利要求1或2所述的Wi-Fi型自动控制系统装置，其特征在于：所述被监控设备包括通过电动执行器操控完成各种指定动作的电动设备。

4.根据权利要求1或2所述的Wi-Fi型自动控制系统装置，其特征在于：所述智能操控设备包括手提电脑、智能手机、工控机、触摸屏。

5.根据权利要求3所述的Wi-Fi型自动控制系统装置，其特征在于：所述智能操控设备包括手提电脑、智能手机、工控机、触摸屏。

6.一种根据权利要求1所述的Wi-Fi型自动控制系统装置的应用，包括对被监控设备的开、关、停以及参数的设定、故障的诊断，其特征在于：电动执行器内安装有专用APP软件。

7.如权利要求6所述的Wi-Fi型自动控制系统装置的应用，其特征在于：电动执行机构内部电路之间的通讯均采用串行数字信号。

8.如权利要求6或7所述的Wi-Fi型自动控制系统装置的应用，其特征在于：所述APP软件，为对应Android、iOS、Symbian等主流移动设备操作系统的软件，以手机或平板电脑的操作系统为平台。

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