CN105093965B - 仿真控制器和设备仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真控制器，包括：信号采集模块，故障仿真模块，第一通信接口和线束模块；其中，仿真控制器通过第一通信接口与外部的组态服务器连接，由组态服务器控制设备的内部线路的通断状态、对地短路状态和信号失准状态；信号采集模块，用于采集设备的内部线路信号；故障仿真模块，用于根据组态服务器的控制信号仿真设备的内部线路的通断状态、对地短路状态和信号失准状态，第一继电器输出端、第二继电器输出端和模拟量输出端通过线束模块与外部的测试台和设备电性连接，从测试台对第一继电器输出端、第二继电器输出端和模拟量输出端进行测量。

Description

仿真控制器和设备仿真系统

技术领域

本发明属于工业测控领域，具体地说，涉及一种仿真控制器和设备仿真系统。

背景技术

智能仿真模块是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它使用快速、确定性的运算来控制机器和过程，以便管理逻辑、时序、计时、计数和算法等功能。它使用电流/电压环路、现场总线或工业以太网通信协议来与端节点通信。智能仿真模块主要用于设备故障仿真，可实现开关量逻辑控制，运动控制，过程控制，数据处理，通信联网。

当代测控技术的发展，一个最明显的趋势就是网络化。测控网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，仿真控制器除完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个控制管理、信息管理系统的一部分。以OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的对象连接与嵌入)为代表的网络化数据交换协议已经广泛应用，设备故障仿真训练也不例外。

在车载电子、航空电子、医疗电子、加工机械、船舶制造等各领域，现有仿真控制器能够仿真的设备较为单一，适用领域很窄，通用性较差，只是适用于仿真特定的电子设备。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种仿真控制器和设备仿真系统，以解决现有技术中仿真控制器适用领域窄，通用性差，只是适用于仿真特定的电子设备的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种仿真控制器，包括：信号采集模块，故障仿真模块，第一通信接口和线束模块；其中，所述仿真控制器通过所述第一通信接口与外部的组态服务器连接，由所述组态服务器控制所述设备的内部线路的通断状态、对地短路状态和信号失准状态；所述信号采集模块，用于采集所述设备的内部线路信号，包括至少32个第一模拟量输入端和至少16个第二模拟量输入端，将所述设备的内部线路信号反馈给所述组态服务器；所述故障仿真模块，用于根据所述组态服务器的控制信号仿真所述设备的内部线路的通断状态、对地短路状态和信号失准状态，包括至少32个第一继电器输出端、至少8个模拟量输出端和至少16个第二继电器输出端，所述第一继电器输出端、第二继电器输出端和模拟量输出端通过所述线束模块与外部的测试台和所述设备电性连接，从所述测试台对所述第一继电器输出端、第二继电器输出端和所述模拟量输出端进行测量。

所述信号采集模块，故障仿真模块，第一通信接口和线束模块被集成在面积小于或等于100cm²的印刷电路板。

所述仿真控制器还包括第二通信接口，所述第二通信接口被用作测试接口与所述设备连接。

所述故障仿真模块包括第一继电器输出子模块，第二继电器输出子模块和模拟量输出子模块；所述第一继电器输出子模块与第二继电器输出子模块之间通过RS-485总线连接；所述第一通信接口、线束模块与信号采集模块集成在所述第一继电器输出子模块和第二继电器输出子模块中的任意一个，所述模拟量输出子模块集成在第一继电器输出子模块中；所述第一通信接口为RS-232通信接口。

所述RS-485总线的长度小于或等于1000米，波特率缺省为115200，其他波特率可设置。

所述RS-232通信接口的数据通信采用Modbus RTU协议，并将保持寄存器的每一数据位分别映射到不同的继电器，用针对所述保持寄存器的读命令和写命令来代替针对所述继电器的读命令和写命令，所述组态服务器通过针对所述保持寄存器的每一位数据的按位操作来控制相应的继电器。

所述RS-232通信接口的数据通信采用Modbus RTU协议，并将32个模拟量数据用一个保持寄存器分别读取，所述组态服务器通过针对所述保持寄存器分别写入所述32个模拟量的地址来分别读取所述32个模拟量数据。

所述信号采集模块还包括：至少2个计数器输入端，用于采集所述设备的转速、工作频率等参数。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种设备仿真系统，包括组态服务器，测试台和权利要求1-8任一所述的仿真控制器，所述组态服务器通过RS-232接口与所述仿真控制器连接，所述测试台通过线束与所述仿真控制器和被仿真设备电性连接；所述组态服务器包括显示器，用于显示所述被仿真设备的内部线路图，并从所述内部线路图中选取线路并设置所述线路的状态，以模拟所述被仿真设备内部线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态；所述测试台绘制有所述被仿真设备的内部线路图，用于测量所述仿真控制器各输出端的参数，以测试出所述被仿真设备内部线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态。

所述组态服务器接入以太网，将显示的所述被仿真设备的内部线路图传输至远程计算机终端。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：提供了多路继电器输出端和模拟量输出端，可仿真的设备范围较广，可用于仿真多领域的设备，并且该仿真控制器可用于针对被仿真设备的故障仿真测试以及诊断和排除相应故障的教学，使该仿真控制器的适用范围更广。

当然，实施本申请的任一产品不必一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例的一种仿真控制器的示例性结构框图；

图2是本申请实施例的一种仿真控制器的示例性结构框图；

图3是本申请实施例的一种设备仿真系统的示例性结构框图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

图1是本申请实施例提供的一种仿真控制器，包括：信号采集模块10，故障仿真模块11，第一通信接口12和线束模块14。

仿真控制器通过线束模块14与该仿真控制器外部的设备20连接，该仿真控制器用于仿真设备20的内部线路的状态，包括通路、断路、对地短路、信号失准等状态。

仿真控制器通过第一通信接口12与该仿真控制器外部的组态服务器30连接，由组态服务器30控制设备20的内部线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态。组态服务器30可根据用户的选择操作来选择设备20内部的线路并设置该线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态，组态服务器30的控制信号由仿真控制器内部的MCU单片机(图中未示出)通过线束模块14转发至设备20。

信号采集模块10用于采集设备20的内部线路信号，包括至少32个第一模拟量输入端和至少16个第二模拟量输入端。其中，第一模拟量输入端用于采集额定输出参数较小的设备的模拟量，例如1A/220V；第二模拟量输入端用于采集额定输出参数较大的设备的模拟量，例如10A/220V。信号采集模块10将采集到的模拟量信号通过仿真控制器内部的MCU单片机反馈给组态服务器30，使组态服务器30显示的线路状态发生改变。

故障仿真模块11用于根据组态服务器30的控制信号仿真设备20的内部线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态。根据组态服务器30的控制信号控制相应的继电器的通断状态或者模拟量输出端的输出值。故障仿真模块11包括至少32个第一继电器输出端、至少8个模拟量输出端和至少16个第二继电器输出端。其中，第一继电器输出端、第二继电器输出端和模拟量输出端通过线束模块14与仿真控制器外部的测试台40以及设备20电性连接，从测试台40对第一继电器输出端、第二继电器输出端和模拟量输出端进行测量，可以测量到每个继电器两端的电压值和每个模拟量输出端的电阻值，以确定所仿真的相应线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态。

本申请实施例提供的仿真控制器，提供了多路继电器输出端和模拟量输出端，可仿真的设备范围较广，可用于仿真多领域的设备，并且该仿真控制器可用于针对被仿真设备的故障仿真测试以及诊断和排除相应故障教学，使该仿真控制器的适用范围更广。

在仿真控制器的故障仿真模块11中，该至少32个第一继电器输出端的额定输出参数为1A/220V，该至少16个第二继电器输出端的额定输出参数为10A/220V。该额定输出参数为10A/220V的第二继电器输出端，使仿真控制器能够仿真更多的大功率设备线路，进一步扩展仿真控制器的适用范围。

该仿真控制器的信号采集模块10还包括至少2个计数器输入端，用于采集所述设备的转速、工作频率等参数。将采集到的相应参数反馈给组态服务器30，使组态服务器30能够显示出相应的参数，在组态服务器30设置了设备20的内部线路的各种状态之后，能够展示出上述参数的变化，便于了解各条线路的不同状态对设备运行的影响，使仿真控制器的仿真效果更加直观，更适用于教学展示和讲解。

该仿真控制器还包括第二通信接口，第二通信接口被用作测试接口与所述设备20连接，使该仿真控制器还可用于对各种工控设备进行测试。

该仿真控制器的第一通信接口12和第二通信接口为RS-232接口，仿真控制器通过RS-232接口与组态服务器30和设备20连接，用于数据通信。当设备20不具备相应的RS-232接口时，可通过接口转换器与设备20连接，即将RS-232接口转换为与设备20相对应的其他通信接口。

该RS-232接口的数据通信采用Modbus RTU协议，将故障仿真模块11中的每个继电器作为一个控制点，从而通过组态服务器30来控制每个继电器的通断。为了控制组态服务器30的成本，降低控制点数量，对Modbus RTU协议进行了修改，将保持寄存器的每个数据位分别映射到相应位置的继电器。例如，保持寄存器包括16个数据位，将16个数据位分别映射到16个继电器，通过发送对不同数据位的读写指令即可相应控制16个继电器，而该保持寄存器在组态服务器30可视为一个控制点，从而使组态服务器30的一个控制点来控制通常需要16个点的继电器。组态服务器30原本是通过针对继电器线圈的读命令和写命令来直接控制每个继电器，现在采用针对保持寄存器数据位的读命令和写命令来代替针对继电器的读命令和写命令，从而达到组态服务器30针对保持寄存器的读写操作能够控制多个继电器的效果。针对Modbus RTU协议的另外一处修改是，将32路模拟量数据用一个保持寄存器分别读取，组态服务器30通过针对保持寄存器先写地址后读数据操作来实现32路模拟量数据的读取，即分别写入32个模拟量的地址从而分别读取这32个模拟量数据，这样，组态服务器30用一个参数点完成了对32个参数的操作。上述针对Modbus RTU协议的修改不会造成与国际Modbus规范相冲突，却又能取得降低组态服务器成本、减少无效数据传送量、提高通讯效率的显著效果，也为国际标准的本地化扩展提供了实例。

该仿真控制器的信号采集模块10，故障仿真模块11，第一通信接口12和线束模块14被集成在面积小于或等于100cm²的印刷电路板，使该仿真控制器体积小巧，结构紧凑，便于携带至各种场合进行应用，同时提升该仿真控制器的抗干扰能力，例如，与设备20的距离较近时，设备20运行后的会产生电磁干扰，例如汽车发动机，而体积较小的仿真控制器使设备20的电磁干扰所造成的影响非常小，能够维持更佳仿真效果。

在一个实施例中，如图2所示，故障仿真模块11进一步包括多个子模块，包括第一继电器输出子模块110，第二继电器输出子模块111和模拟量输出子模块112。其中，第一继电器输出子模块110与第二继电器输出子模块111通过RS-485总线相连。将上述第一继电器输出子模块110与第二继电器输出子模块111中的任意一个做为主模块，用来与外部的设备20，组态服务器30和测试台40通信，因此，相应的第一通信接口12、线束模块14和信号采集模块10都集成在该主模块上，外部数据都通过该主模块传输到其他模块。在图2中，以第一继电器输出子模块110做为主模块为例，第一通信接口12、数据采集模块10和线束模块14都集成在第一继电器输出子模块110上，第一继电器输出子模块110与第二继电器输出子模块111之间通过RS-485总线15连接。而模拟量输出子模块112集成在第一继电器输出子模块110并且可不必集成在主模块上；当第一继电器输出子模块110为主模块时，模拟量输出子模块112可与第一通信接口12、线束模块14和信号采集模块10一起集成在第一继电器输出子模块110；当第二继电器输出子模块111为主模块时，模拟量输出子模块112集成在第一继电器输出子模块110，第一通信接口12、线束模块14和信号采集模块10则集成在第二继电器输出子模块111。图2所示的模块组合方式仅用于举例说明，并不构成对本发明保护范围的限制。这样能够便于该仿真控制器的各模块根据设备20的不同而进行扩展。

上述RS-485总线15的最长可达1000米，波特率缺省为115200，波特率可根据实际应用场景的变化进行设置。此时，该仿真控制器可用于对分布在不同位置的设备进行仿真，例如厂房内的大型生产线设备；或者，用于对大型工控设备的远程仿真，例如码头或建筑施工现场的大型作业设备，从而进一步扩展了该仿真控制器的适用范围。

图3是本发明实施例提供的一种设备仿真系统，包括组态服务器30，测试台40和上述实施例中提供的仿真控制器50。组态服务器30通过RS-232接口与仿真控制器50连接，测试台40通过线束与仿真控制器50和被仿真设备电性连接。

组态服务器30包括显示器300，用于显示被仿真设备的内部线路图，并从显示的内部线路图中选取线路并设置该线路的状态，包括通断状态、对地短路状态与信号失准状态，以模拟被仿真设备内部线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态。

测试台40也绘制有被仿真设备的内部线路图，与组态服务器30所显示的线路图相符，用于测量仿真控制器50各输出端的参数，以测试出被仿真设备内部线路的的状态变化，包括通断状态、对地短路状态与信号失准状态。

该设备仿真系统可用于设备的仿真教学和对设备维护人员的维护技能测试。例如，通过组态服务器30为设备设置线路故障，由维护人员从测试台40测量各个仿真线路的参数，以找到故障线路，维护人员可通过组态服务器选择其认为故障的线路进行恢复，以确定自己的故障判断是否准确。或者，在组态服务器中预置依次出现的多种线路故障，由维护人员在预定时间内提交测试结果，以判断该维护人员的故障分析能力。

该设备仿真系统的组态服务器还可以接入以太网，将显示的被仿真设备内部线路图传输至远程计算机终端，在远程计算机终端进行展示，以实现针对该被仿真设备的远程培训和辅导。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿真控制器，其特征在于，包括：信号采集模块，故障仿真模块，第一通信接口和线束模块；其中，所述仿真控制器通过所述第一通信接口与外部的组态服务器连接，由所述组态服务器控制被仿真设备的内部线路的通断状态、对地短路状态和信号失准状态；

所述信号采集模块，用于采集所述被仿真设备的内部线路信号，包括至少32个第一模拟量输入端和至少16个第二模拟量输入端，将所述被仿真设备的内部线路信号反馈给所述组态服务器；

所述故障仿真模块，用于根据所述组态服务器的控制信号仿真所述被仿真设备的内部线路的通断状态、对地短路状态和信号失准状态，包括至少32个第一继电器输出端、至少8个模拟量输出端和至少16个第二继电器输出端，所述第一继电器输出端、第二继电器输出端和模拟量输出端通过所述线束模块与外部的测试台和所述被仿真设备电性连接，从所述测试台对所述第一继电器输出端、第二继电器输出端和所述模拟量输出端进行测量。

2.如权利要求1所述的仿真控制器，其特征在于，所述信号采集模块、故障仿真模块、第一通信接口和线束模块被集成在面积小于或等于100cm²的印刷电路板。

3.如权利要求1所述的仿真控制器，其特征在于，所述仿真控制器还包括第二通信接口，所述第二通信接口被用作测试接口与所述被仿真设备连接。

4.如权利要求1所述的仿真控制器，其特征在于，所述故障仿真模块包括第一继电器输出子模块、第二继电器输出子模块和模拟量输出子模块；

所述第一继电器输出子模块与第二继电器输出子模块之间通过RS-485总线连接；

所述第一通信接口、线束模块与信号采集模块集成在所述第一继电器输出子模块和第二继电器输出子模块中的任意一个，所述模拟量输出子模块集成在第一继电器输出子模块中；

所述第一通信接口为RS-232通信接口。

5.如权利要求4所述的仿真控制器，其特征在于，所述RS-485总线的长度小于或等于1000米，波特率缺省为115200，其他波特率可设置。

6.如权利要求4所述的仿真控制器，其特征在于，所述RS-232通信接口的数据通信采用Modbus RTU协议，并将保持寄存器的每一数据位分别映射到不同的继电器，用针对所述保持寄存器的读命令和写命令来代替针对所述继电器的读命令和写命令，所述组态服务器通过针对所述保持寄存器的每一位数据的按位操作来控制相应的继电器。

7.如权利要求4所述的仿真控制器，其特征在于，所述RS-232通信接口的数据通信采用Modbus RTU协议，并将32个模拟量数据用一个保持寄存器分别读取，所述组态服务器通过针对所述保持寄存器分别写入所述32个模拟量的地址来分别读取所述32个模拟量数据。

8.如权利要求1所述的仿真控制器，其特征在于，所述信号采集模块还包括：至少2个计数器输入端，用于采集所述被仿真设备的参数，其中，所述参数包括转速、工作频率。

9.一种设备仿真系统，其特征在于，包括组态服务器，测试台和权利要求1-8任一所述的仿真控制器，所述组态服务器通过RS-232接口与所述仿真控制器连接，所述测试台通过线束与所述仿真控制器和被仿真设备电性连接；

所述组态服务器包括显示器，用于显示所述被仿真设备的内部线路图，并从所述内部线路图中选取线路并设置所述线路的状态，以模拟所述被仿真设备内部线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态；

所述测试台绘制有所述被仿真设备的内部线路图，用于测量所述仿真控制器各输出端的参数，以测试出所述被仿真设备内部线路的通断状态、对地短路状态与信号失准状态。

10.如权利要求9所述的设备仿真系统，其特征在于，所述组态服务器接入以太网，将显示的所述被仿真设备的内部线路图传输至远程计算机终端。