CN106444619B - 一种基于工控机的工业仪器一站式控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于工控机的工业仪器一站式控制系统，涉及工业仪器的一站式控制系统领域，使用工控机连接自动化设备或流水线PLC以及工业仪器，设计人员进行简单的PLC内存读写可直接控制工业仪器运行及获取数据,简化了设计人员的编程负担、降低了通讯模块的成本、提升了设备的运行速度、提高了智能化程度。独有的仪器操作2种方式、仪器变量5种操作方式、变量映射机制结合用户的配置，可使整个系统动态的运行，本发明针对工业仪器一站式控制，包括工控机、串口通讯扩展卡、扩展数据线、串口通讯分线座、串口通讯扩展卡驱动、USB扩展器、交换机、仪器驱动、控制系统软件。

Description

一种基于工控机的工业仪器一站式控制系统

技术领域

本发明属于工业仪器的一站式控制系统，具体涉及将工业现场各类型带有通讯口的仪器通过工控机进行一站式管理。

背景技术

在工业现场的核心设备往往是一些测试仪器、工艺仪器。测试仪器如电压、电流、电阻、压力、扭矩、泄露等测试仪；工艺仪器如焊接接、打标机、喷墨打印机等。为了方便用户进行自动化控制，这些仪器一般都带有通讯数据口，通过发送报文可进行对应的控制，如设置参数、开始运行、获取测试数据等。而各类仪器甚至同类仪器不同的供应商往往使用不同的物理通讯方式，如RS232、RS485、USB、TCP/IP等，以及不同的通讯报文协议。这给自动化设备或流水线的制造带来了麻烦，如果使用PLC进行控制，电气工程师必须采购昂贵的PLC通讯模块，并进行繁琐的编程，并且一旦客户对PLC有不同的要求，则整个工程又必须重建、程序需要重新改写。鉴于此，如果能有一款控制系统，将仪器的通讯接口连接至工控机，在工控机上实现对仪器的控制，并且可以对仪器驱动进行收集，将大大减少自动化设备或流水线的制造成本，缩减工时，提高运行速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于工控机的工业仪器一站式控制系统，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于：包括工控机、串口通讯扩展卡、扩展数据线、串口通讯分线座、串口通讯扩展卡驱动、USB扩展器、交换机、工业仪器、仪器驱动和控制系统软件，所述工控机为具备USB接口、网口、主板上含有空余PCI卡槽、搭载了操作系统以及所述控制系统软件的计算机；所述串口通讯扩展卡是基于PCI协议的板卡，插于工控机PCI卡槽上，用于扩展工控机的串行通讯接口；所述扩展数据线用于将串口通讯扩展卡的串口信号连接至串口通讯分线座；所述串口通讯分线座用于布置串行通讯插头，进行电平转换，供使用串口通讯的工业仪器连接；所述USB扩展器用于扩展工控机的USB接口，供多个使用USB通讯的工业仪器连接；所述交换机用于将使用网口通讯的工业仪器和工控机连接；所述工业仪器内搭载有所述仪器驱动；所述仪器驱动与控制系统软件实现报文通讯；所述控制系统软件实现现场组态、仪器运行状态的在线监控、测试数据库的生成与查看、报表的生成。

在本发明技术方案中控制系统软件作为系统核心，工业仪器的数据通讯口通过扩展数据线连接至串口通讯分线座，USB扩展器，或者交换机；串口通讯扩展卡通过扩展数据线连接串口通讯分线座，将工业仪器的信号转换为PCI信号；串口通讯扩展卡驱动使工控机操作系统可识别串口通讯扩展卡所配置的串口。仪器驱动分析仪器发送的报文，并将客户指令生成为仪器报文。控制系统软件实现现场组态、仪器运行状态的在线监控、测试数据库的生成、报表的生成。

优选的，所述串口通讯扩展卡输出多路串行信号，输出信号通过光耦隔离电路以保护串口通讯扩展卡。

优选的，所述串口通讯分线座将所述工业仪器的RS232、RS485信号相应通过Max232、Max485芯片转换为TTL电平信号。串口通讯分线座接入5V直流电源对信号转换芯片进行供电；串口通讯分线座在接收所述工业仪器信号端针对RS232、RS485信号的不同分别使用SM05、SM12芯片进行静电和过压防护；在输出至所述串口通讯扩展卡端信号使用SM05进行静电和过压防护。

优选的，所述串口通讯分线座使用DB9或者DB25插座输出。

优选的，所述仪器驱动制作成DLL文件作为功能链接库，用于翻译接收报文和将指令生成报文，另外文件内记录有仪器订货号、版本、可设置参数等重要信息。

优选的，控制系统软件对工业仪器的操作有初始化和开始测试两种控制系统。

优选的，所述控制系统软件还含有OPC客户端，OPC客户端用于与所述工业仪器PLC通讯连接，实现用户改写PLC中特定的内存值，控制系统进行相应操作，以及给用户配置特定的PLC内存存放控制系统分析的工业仪器数据。

优选的，所述控制系统软件针对所述工业仪器参数有5种操作：初始化时读取；初始化时写入；开始测试前写入；开始测试；测试完成后读取，这5个操作用户可自由选择是否投入使用，并每个操作设有优先级，用于区分工业仪器执行同一操作的不同参数先后顺序，其中初始化时读取、初始化时写入由对仪器的初始化操作被动引出，开始测试前写入、开始测试、测试完成后读取由对仪器的开始测试操作被动引出。

优选的，所述控制系统软件设有变量映射机制，用于所述工业仪器变量的动态改变，变量映射机制建立在参数5种操作的过程的基础上。

优选的，所述控制系统软件除了工业仪器变量和OPC客户端设置的PLC变量外，还具有自定义变量，可以作为变量映射机制的中间变量以及变量映射时进行自定义算法后进行复制。

采用以上技术方案的有益效果是：

(1)系统可配置较多的通讯接口，节省了开发成本；

(2)无需在PLC上编写通讯程序，大大减轻了电气工程师的编程负担；

(3)通讯程序在工控机上运行，大大减轻了自动化设备或流水线的可编程控制器运行负担，提高了速度；

(4)连接仪器可以进行图形化组态配置，操作性、可扩展性强；

(5)变量映射机制使系统可以根据需要动态的运行；

(6)可实时监控设备运行，显示测试数据等，并能生成报表；

(7)可以根据用户需求生成测试结果数据库，方便追溯。

附图说明

图1为基于工控机的工业仪器一站式控制系统示意简图。

图2为串口通讯扩展卡设计示意简图。

图3为串口通讯分线座设计示意简图。

图4为工程组态案例。

图5为通讯端口配置案例。

图6为仪器参数操作设置案例。

图7为映射机制示意简图。

图8为映射机制案例。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明基于工控机的工业仪器一站式控制系统的优选的实施方式。

图1-图8出示本发明基于工控机的工业仪器一站式控制系统的具体实施方式：基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于：包括工控机、串口通讯扩展卡、扩展数据线、串口通讯分线座、串口通讯扩展卡驱动、USB扩展器、交换机、工业仪器、仪器驱动和控制系统软件，所述工控机为具备USB接口、网口、主板上含有空余PCI卡槽、搭载了操作系统以及所述控制系统软件的计算机；所述串口通讯扩展卡是基于PCI协议的板卡，插于工控机PCI卡槽上，用于扩展工控机的串行通讯接口；所述扩展数据线用于将串口通讯扩展卡的串口信号连接至串口通讯分线座；所述串口通讯分线座用于布置串行通讯插头，进行电平转换，供使用串口通讯的工业仪器连接；所述USB扩展器用于扩展工控机的USB接口，通过UBS扩展线供多个使用USB通讯的工业仪器连接；所述交换机用于将通过网线与使用网口通讯的工业仪器和工控机连接；所述工业仪器内搭载有所述仪器驱动，包括串口通信仪器、USB通信一仪器、TCP/IP通信仪器、PLC设备；所述仪器驱动与控制系统软件实现报文通讯；所述控制系统软件实现现场组态、仪器运行状态的在线监控、测试数据库的生成与查看、报表的生成。

在本发明技术方案中控制系统软件作为系统核心，工业仪器的数据通讯口通过扩展数据线连接至串口通讯分线座，USB扩展器，或者交换机；串口通讯扩展卡通过扩展数据线连接串口通讯分线座，将工业仪器的信号转换为PCI信号；串口通讯扩展卡驱动使工控机操作系统可识别串口通讯扩展卡所配置的串口。仪器驱动分析仪器发送的报文，并将客户指令生成为仪器报文。控制系统软件实现现场组态、仪器运行状态的在线监控、测试数据库的生成与查看、报表的生成。

在本实施例中，所述串口通讯扩展卡输出多路串行信号，输出信号通过光耦隔离电路以保护串口通讯扩展卡。

在本实施例中，所述串口通讯分线座将所述工业仪器的RS232、RS485信号相应通过Max232、Max485芯片转换为TTL电平信号。串口通讯分线座接入5V直流电源对信号转换芯片进行供电；串口通讯分线座在接收所述工业仪器信号端针对RS232、RS485信号的不同分别使用SM05、SM12芯片进行静电和过压防护；在输出至所述串口通讯扩展卡端信号使用SM05进行静电和过压防护。

在本实施例中，所述串口通讯分线座使用DB9或者DB25插座输出没通过DB9或者DB25数据线与工业仪器连接。

在本实施例中，所述仪器驱动制作成DLL文件作为功能链接库，用于翻译接收报文和将指令生成报文，另外文件内记录有重要信息包括订货号、版本、可设置参数。

在本实施例中，所述控制系统软件对工业仪器的操作有初始化和开始测试两种。

在本实施例中，所述控制系统软件还含有OPC客户端，OPC客户端用于与所述工业仪器PLC通讯连接，实现用户改写PLC中特定的内存值，控制系统进行相应操作，以及给用户配置特定的PLC内存存放控制系统分析的工业仪器数据。

所述控制系统软件针对仪器的操作有初始化和开始测试。仪器初始化在控制系统开启后自动运行一次，此后如果需要初始化则可以设置自定义变量和OPC客户端中的PLC变量为特定值时触发，或者点击实时监控画面中仪器初始化按钮才可进行；仪器开始测试只能通过设置自定义变量和OPC客户端中的PLC变量为特定值时触发，或者点击实时监控画面中仪器开始测试按钮才可进行。

在本实施例中，所述控制系统软件针对仪器参数有5种操作：初始化时读取，用于控制系统开启后工业仪器初始化前针对仪器内部参数或信息的读取；初始化时写入，用于写入工业仪器的初始化数据，如运行参数、合格标准等；开始测试前写入，用于写入一些每次测试可能动态改变的参数；开始测试，用于写入一些触发开始测试必须要改变的参数；测试完成后读取，用于完成测试后读取测试结果或数据。这5个操作用户可自由选择是否投入使用，并每个操作设有优先级，用于区分仪器执行同一操作的不同参数先后顺序。针对仪器参数的操作只能由针对仪器的操作被动引出，仪器初始化将引出初始化时读取、初始化时写入两个仪器参数操作；仪器开始测试将引出始测试前写入、开始测试、测试完成后读取三个仪器参数操作。

在本实施例中，所述控制系统软件设有变量映射机制，用于仪器变量的动态改变，变量映射机制建立在参数5种操作的过程的基础上。选择初始化时读取、测试完成后读取进行变量映射的参数将其操作完成后的结果值复制给用户选择的其他参数；选择初始化时写入、开始测试前写入、开始测试进行变量映射的参数将用户选择的其他参数复制给自身然后再进行操作。前一种作为输出性质的映射可以选择多个输出对象参数，后一种作为输入性质的映射只可以选择一个输入对象参数。

在本实施例中，所述控制系统软件除了工业仪器变量和OPC客户端设置的PLC变量外，还具有自定义变量，可以作为变量映射机制的中间变量以及变量映射时进行自定义算法后进行复制。

如图1所示，基于工控机的工业仪器一站式控制系统示意简图，包括工控机、串口通讯扩展卡、扩展数据线、串口通讯分线座、串口通讯扩展卡驱动、USB扩展器、交换机、工业仪器、仪器驱动等。

基于工控机的工业仪器一站式控制系统以控制系统软件为核心。工业仪器与工控机连接，然后通过仪器驱动与控制系统软件实现正确的报文通讯。控制系统软件通过OPC与设备PLC通讯，实现交换数据和仪器控制。用户可操作控制系统软件实现在线监控、生成测试数据、生成打印文件等功能。

实际工作时，控制系统软件实现了几个特定功能子软件：通讯组态、在线监控、数据库查看、OPC客户端。

如图2所示，串口通讯扩展卡设计示意简图。工业仪器中使用串口通讯的数量最多，且串口通讯的数据吞吐量一般不大，所以串口通讯扩展卡实现PCI转16路串行信号。主芯片使用CH359,提供收发独立的128字节FIFO缓冲器，支持最高4Mbps的通讯波特率,完全满足要求。考虑工业现场仪器多样，为利于扩展，将串行信号电平转换任务加到串口通讯分线座上，串口通讯扩展卡只输出CH359的串行TTL电平信号。另外因为考虑串口通讯扩展卡的串行信号输出口可能经常插拔或者出现误插，故对串行信号进行光耦隔离，保护卡内部关键芯片，对光耦至串口信号分线座侧使用SM05进行过压和静电保护。

如图3所示，串口通讯分线座设计示意简图。在串行信号转换芯片的两侧均做静电和过压保护，针对RS232的12V信号使用SM12，针对RS485的5V差分信号是用SM05。根据需求对不同的串行信号进行数量分配可设计出不同的串口通讯分线座，这样就无需更换串口通讯扩展卡。

如图4所示，工程组态案例。在整个系统投入使用前，用户对网络框架进行搭建，先添加通讯端口和仪器，然后根据实际情况将端口和仪器进行连接，控制系统软件编译用户的设计，然后配置相应的仪器驱动至通讯端口，实现与工业仪器的正确通讯。

如图5所示，通讯端口配置案例。在整个系统投入使用前，用户必须进行通讯端口的关键设置，如图4，针对串口通讯，必须设置端口号、波特率、数据位、校检位、停止位等。

如图6所示，仪器参数操作设置案例。在仪器驱动中设置有仪器默认的可操作参数，用户可对仪器参数进行5中操作：初始化时读取、初始化时写入、开始测试前写入、开始测试、测试完成后读取。其中初始化时写入、开始测试前写入、开始测试三种写入参数可以设置手动写入值，初始化时读取、测试完成后读取只做读取操作。每种操作可以选择是否使用，并可设置仪器内参数间优先级，0为最高，99为最低，优先级相同则按默认顺序运行。例子中参数选择了开始测试前写入和开始测试两个操作投入使用，并对优先级进行了设定，对于该参数开始测试前写入FALSE,开始测试写入TRUE，上升沿跳变触发仪器的运行。另外例子用户无法选择进行测试完成后读取操作，这是由仪器驱动决定，说明此参数无法进行测试完成后读取或者测试完成后读取无意义。

如图7所示，映射机制示意简图。控制系统软件中变量有三种类型：仪器参数、OPC连接的PLC变量、自定义变量。后两者不可以进行变量映射设置，但是可以被仪器参数设置为位映射源或者映射目标。仪器参数必须设置控制投入使用才能进行相应的变量映射设置。仪器参数在5种操作时都可以进行执行映射机制，初始化时读取、测试完成后读取操作完成后将仪器参数值映射至目标参数，初始化时写入、开始测试前写入、开始测试则在操作开始前将源参数映射至仪器参数，每种参数的类型必须对应，特殊情况中可位编辑参数可以与位参数、可位编辑参数与可位编辑参数可以进行位映射。如图8所示例子中，将电流测试仪的变量自定义1测试后读取的值映射到PLC变量中。

基于上述，本发明结构基于工控机的工业仪器一站式控制系统与现有技术相比有益效果为：

(1)系统可配置较多的通讯接口，节省了开发成本；

(2)无需在PLC上编写通讯程序，大大减轻了电气工程师的编程负担；

(3)通讯程序在工控机上运行，大大减轻了自动化设备或流水线的可编程控制器运行负担，提高了速度；

(4)连接仪器可以进行图形化组态配置，操作性、可扩展性强；

(5)变量映射机制使系统可以根据需要动态的运行；

(6)可实时监控设备运行，显示测试数据等，并能生成报表；

(7)可以根据用户需求生成测试结果数据库，方便追溯。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于：包括工控机、串口通讯扩展卡、扩展数据线、串口通讯分线座、串口通讯扩展卡驱动、USB扩展器、交换机、工业仪器、仪器驱动和控制系统软件，其特征在于：所述工控机为具备USB接口、网口、主板上含有空余PCI卡槽、搭载了操作系统以及所述控制系统软件的计算机；所述串口通讯扩展卡是基于PCI协议的板卡，插于工控机PCI卡槽上，用于扩展工控机的串行通讯接口；所述扩展数据线用于将串口通讯扩展卡的串口信号连接至串口通讯分线座；所述串口通讯分线座用于布置串行通讯插头，进行电平转换，供使用串口通讯的工业仪器连接；所述USB扩展器用于扩展工控机的USB接口，供多个使用USB通讯的工业仪器连接；所述交换机用于将使用网口通讯的工业仪器和工控机连接；所述工业仪器内搭载有所述仪器驱动；所述仪器驱动与控制系统软件实现报文通讯；所述控制系统软件实现现场组态、仪器运行状态的在线监控、测试数据库的生成与查看、报表的生成；所述串口通讯扩展卡输出多路串行信号，输出信号通过光耦隔离电路以保护串口通讯扩展卡；所述串口通讯分线座将所述工业仪器的RS232、RS485信号相应通过Max232、Max485芯片转换为TTL电平信号，串口通讯分线座接入5V直流电源对信号转换芯片进行供电；串口通讯分线座在接收所述工业仪器的RS232、RS485信号时，针对RS232、RS485信号的不同，分别使用SM05、SM12芯片进行静电和过压防护；在输出至所述串口通讯扩展卡端信号使用SM05进行静电和过压防护。

2.根据权利要求1所述的基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于，所述串口通讯分线座使用DB9或者DB25插座输出。

3.根据权利要求1所述的基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于，所述仪器驱动制作成DLL文件作为功能链接库，用于翻译接收报文和将指令生成报文，另外文件内记录有重要信息包括订货号、版本、可设置参数。

4.根据权利要求1所述的基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于，所述控制系统软件对所述工业仪器的操作有初始化和开始测试两种。

5.根据权利要求1所述的基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于，所述控制系统软件还含有OPC客户端，OPC客户端用于与所述工业仪器PLC通讯连接，实现用户改写PLC中特定的内存值，控制系统进行相应操作，以及给用户配置特定的PLC内存存放控制系统分析的工业仪器数据。

6.根据权利要求1所述的基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于，所述控制系统软件针对工业仪器参数有5种操作：初始化时读取；初始化时写入；开始测试前写入；开始测试；测试完成后读取，这5个操作用户可自由选择是否投入使用，并每个操作设有优先级，用于区分工业仪器执行同一操作的不同参数先后顺序，其中初始化时读取、初始化时写入由对仪器的初始化操作被动引出，开始测试前写入、开始测试、测试完成后读取由对仪器的开始测试操作被动引出。

7.根据权利要求6所述的基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于，所述控制系统软件设有变量映射机制，用于工业仪器变量的动态改变，变量映射机制建立在参数5种操作的过程的基础上。

8.根据权利要求5所述的基于工控机的工业仪器一站式控制系统，其特征在于，所述控制系统软件除了工业仪器变量和OPC客户端设置的PLC变量外，还具有自定义变量，可以作为变量映射机制的中间变量以及变量映射时进行自定义算法后进行复制。