CN112049836B - 气动执行机构可视化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种气动执行机构可视化系统，包括：设置于气动执行机构上的预设数据采集点的变送器、与所述变送器连接的信号隔离转换器、与所述信号隔离转换器连接的输入板卡、与所述输入板卡连接的工控机、与所述工控机连接的输出板卡、与所述输出板卡连接的继电器以及与所述工控机连接的串口屏。本发明的气动执行机构可视化系统可实现实时显示气动执行机构各组成部分实际情况以及模拟画面，从而为相关人员分析气动执行机构各个构成组件、气缸、阀门等动作情况提供极大的便利。

Description

气动执行机构可视化系统
技术领域
本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种气动执行机构可视化系统。
背景技术
气动执行机构及其自动控制系统是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递和信号传递，实现工业过程自动控制的系统。气动执行机构及其自动控制系统是实现自动化的重要手段之一，其具有工作效率高、成本低廉、无污染等一系列优点，因此在电力、造纸、机械、化工、冶金、食品、医药等工业领域得到越来越广泛的应用。然而，由于气动执行机构构成复杂，形式繁多，为了能够更好的让相关人员分析气动执行机构各个构成组件、气缸、阀门的动作情况，如何建立一种气动执行机构可视化系统，以实时显示气动执行机构各组成部分实际情况，成为业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气动执行机构可视化系统，能够实时显示气动执行机构各组成部分实际情况，便于相关人员分析气动执行机构各个构成组件的动作情况。
本发明提供一种气动执行机构可视化系统，包括：设置于气动执行机构上的预设数据采集点的变送器、与所述变送器连接的信号隔离转换器、与所述信号隔离转换器连接的输入板卡、与所述输入板卡连接的工控机、与所述工控机连接的输出板卡、与所述输出板卡连接的继电器以及与所述工控机连接的串口屏；
所述变送器，用于采集气动执行机构各个预设数据采集点的状态参数；
所述信号隔离转换器，用于将所述变送器采集的状态参数经转换电路转换成标准4-20mA电流信号，再经电流-电压转换模块将所述4-20mA电流信号转为0-10V电压信号，并保证各信号回路间不相互干扰；
所述输入板卡，用于将所述0-10V电压信号读取至所述工控机；
所述工控机，用于将所述0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据所述实际状态参数数据，生成所述气动执行机构的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据，以及，使用根据预先储存的数据进行所述气动执行机构的动作模拟，生成所述气动执行机构执行各类动作的演示数据；
所述串口屏，用于根据所述实际状态参数显示数据，实时显示所述气动执行机构的各个预设数据采集点的实际状态参数，以及根据所述演示数据，显示所述气动执行机构执行各类动作的模拟画面；
所述输出板卡，用于根据所述工控机发送的控制数据，通过模拟量输出通道输出4-20mA电流信号，并经由所述继电器，最终传输至所述气动执行机构的智能定位器，以使所述智能定位器将4-20mA电信号转为气动信号驱动气缸。
可选的，所述输入板卡共有32路单端输入通道，或16路差分输入通道，各通道分辨率为12bits，采集速率最大为500kS/s。
可选的，所述输出板卡共有16路数字量信号输出通道，8路模拟量信号输出通道，各通道分辨率为12bits，最大输入电压±30V。
可选的，所述信号隔离转换器的供电电源为DC 24V或AC 220V，输入信号为4-20mA，输出信号为0-10V。
可选的，所述智能定位器的输入信号为4-20mA，输出信号为4-20mA。
可选的，所述串口屏为7寸HMI屏幕，通过RS485与所述工控机进行通讯。
可选的，所述输出板卡的输出端还设置有光耦隔离放大板，所述光耦隔离放大板的控制电压为DC3.3V-24V，输入电流为5-10mA，输出类型为无触点型，驱动元件P/N沟道场效应管。
可选的，所述工控机通过采用C#语言编写的Winform上位机程序，将所述0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据所述实际状态参数数据，生成所述气动执行机构的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据。
可选的，所述工控机使用根据预先储存在SQL数据库的数据进行所述气动执行机构的动作模拟，生成所述气动执行机构执行各类动作的演示数据。
可选的，所述系统还包括电源模块，所述电源模块为24V/5V双路电源，分别为所述信号隔离转换器以及所述继电器供电。
本发明的有益效果如下：本发明的气动执行机构可视化系统，可通过变送器采集气动执行机构各个预设数据采集点的状态参数，利用信号隔离转换器将变送器采集的状态参数经转换电路转换成标准4-20mA电流信号，再经电流-电压转换模块将4-20mA电流信号转为0-10V电压信号，并保证各信号回路间不相互干扰，再经过输入板卡将0-10V电压信号读取至工控机，通过工控机将0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据实际状态参数数据，生成气动执行机构的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据，以及，使用根据预先储存的数据进行气动执行机构的动作模拟，生成气动执行机构执行各类动作的演示数据，最后通过串口屏根据实际状态参数显示数据，实时显示气动执行机构的各个预设数据采集点的实际状态参数，以及根据演示数据，显示气动执行机构执行各类动作的模拟画面；此外，本系统还设置有输出板卡，可根据工控机发送的控制数据，通过模拟量输出通道输出4-20mA电流信号，并经由继电器，最终传输至气动执行机构的智能定位器，以使智能定位器将4-20mA电信号转为气动信号驱动气缸，本发明的气动执行机构可视化系统可实现实时显示气动执行机构各组成部分实际情况以及模拟画面，从而为相关人员分析气动执行机构各个构成组件、气缸、阀门等动作情况提供极大的便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的气动执行机构可视化系统的示意图。
图2为本发明实施例提供的气动执行机构可视化系统的信号隔离转换器的电路图。
图3为本发明实施例提供的气动执行机构可视化系统的光耦隔离放大板的第一种接线图。
图4为本发明实施例提供的气动执行机构可视化系统的光耦隔离放大板的第二种接线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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做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。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种气动执行机构可视化系统的示意图，该气动执行机构可视化系统包括：设置于气动执行机构100上的预设数据采集点的变送器1、与所述变送器1连接的信号隔离转换器2、与所述信号隔离转换器2连接的输入板卡3、与所述输入板卡3连接的工控机4、与所述工控机4连接的输出板卡5、与所述输出板卡5连接的继电器6以及与所述工控机4连接的串口屏7。
其中，所述变送器1，用于采集气动执行机构100各个预设数据采集点的状态参数。具体可以使用位移变送器、压力变送器、压拉力变送器、噪声变送器、温度变送器以及震动变送器等多种变送器，来采集气动执行机构整套系统各点相关参数。
所述信号隔离转换器2，用于将所述变送器1采集的状态参数经转换电路转换成标准4-20mA电流信号，再经电流-电压转换模块将所述4-20mA电流信号转为0-10V电压信号，并保证各信号回路间不相互干扰。
请参阅图2，所述信号隔离转换器2可以采用DC 24V或AC 220V供电，为现场的变送器提供隔离配电电源，同时将变送器产生的电流信号转换为电压信号后从现场隔离传送到控制室。输入端接口电流源，二线制，三线制变送器通用。内部采用高效的磁电隔离技术，输入、输出、电源之间相互隔离，具有高精度、高线性度、低温漂等特点。
具体地，所述信号隔离转换器2的一些具体参数如下：供电电源可以采用DC24V，±10％或AC85-265V，本实施例中为DC24V或AC220V。温度漂移为0.005％F.S./℃(-20℃～+55℃)。绝缘强度为1500VAC/1min(输入、输出、电源之间)。绝缘电阻≥100MΩ(输入、输出、电源之间)。工作温度范围为-20～+55℃。
电磁兼容性符合GB/T18268(IEC61326-1)。配电电压24V(最大驱动电流30mA)。一进一出，24V供电，配电输入，20mA输出时，消耗电流≤50mA。一进二出，24V供电，配电输入，20mA输出时，消耗电流≤70mA。二进二出，24V供电，配电输入，20mA输出时，消耗电流≤100mA。响应时间≤10mS(0-90％)(TYP)。
所述输入板卡3，用于将所述0-10V电压信号读取至所述工控机4。在本实施例中，所述输入板卡3采用研华PCI-1715U输入板卡，共有32路单端输入通道，或16路差分输入通道，各通道分辨率为12bits，采集速率最大为500kS/s。PCI-1715U的采集精度以及采集速率完全能够满足可视化系统的数据采集要求。
所述工控机4，用于将所述0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据所述实际状态参数数据，生成所述气动执行机构100的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据，以及，使用根据预先储存的数据进行所述气动执行机构100的动作模拟，生成所述气动执行机构100执行各类动作的演示数据。
在本实施例中，所述工控机4采用研华IPC-610H工控机，研华IPC-610H工控机采用I7六代处理器，16G DDR4运行内存，1T工业级机械硬盘，采用工业级防护要求，能满足工业现场各类防护等级，能够满足长时间可靠运行要求，能够满足快速采集数据处理速度，能够满足大量数据存储容量。
具体地，所述工控机4通过采用C#语言编写的Winform上位机程序，将所述0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据所述实际状态参数数据，生成所述气动执行机构100的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据。Winform上位机程序采用C#语言编写，使用GDI+绘图实现点与点之间的连接，而且能够实现路径相连和路径填充。
通过自定义控件，如：气缸控件、放大器控件、气锁阀控件、阀门控件等。实现气动执行机构部分动作可视化功能。所述工控机4使用根据预先储存在SQL数据库的数据进行所述气动执行机构100的动作模拟，生成所述气动执行机构100执行各类动作的演示数据。数据存储软件采用SQL Server数据管理软件。SQL Server数据库具有功能强大、存储方便、查找快速等优点。SQL存储语言支持软件多，编写快速。
由C#语言编写的winform程序一方面将各通道数据存入SQL数据库，另一方面将0-10V电压信号通过转换公式转换为实际参数数值，Winform程序使用这些数据，在画面中实时显示整套气动执行机构个点状态，并且能够使用SQL数据库中储存的数据，进行气动执行机构动作模拟，能够在脱离实物的状态下，演示气动执行机构各类动作。
所述串口屏7，用于根据所述实际状态参数显示数据，实时显示所述气动执行机构100的各个预设数据采集点的实际状态参数，以及根据所述演示数据，显示所述气动执行机构100执行各类动作的模拟画面。具体可显示单作用气缸、双作用气缸、放大器、先导头、气锁阀、阀门等的实时工作状态。
在本实施例中，由于大屏显示器的防护等级不足以支持在工业现场长时间可靠运行，为方便现场调试，特在现场增加一块无线传输的7寸工业级触摸屏幕，实时同步显示各参数数值，方便调试。所述串口屏7可以采用7寸人机接口(英文：Human MachineInterface，简称：HMI)屏幕，可通过RS485进行通讯。通过USART HMI软件进行组态编辑。软件内置各类控件，并可通过自定义控件实现特殊操作。
工控机4通过RS485通讯端口经RS485无线模块，发送各类数据、信息，传输至串口屏一侧，再经RS485转TTL转为串口通讯，使串口屏7同步显示实时数据，并且无线传输的方式可是工作人员手持屏幕，进行调试，检测。并可通过HMI屏幕发送命令至工控机，设置不同参数。通讯方便，响应速度快。
所述输出板卡5，用于根据所述工控机4发送的控制数据，通过模拟量输出通道输出4-20mA电流信号，并经由所述继电器6，最终传输至所述气动执行机构100的智能定位器101，以使所述智能定位器101将4-20mA电信号转为气动信号驱动气缸。为了方便系统进行各类大功率用电器控制，添加了继电器模块，能够进行故障报警指示，如信号灯、蜂鸣器等。
在本实施例中，所述输出板卡5可采用研华PCI-1710输出板卡，共有16路数字量信号输出通道，8路模拟量信号输出通道，各通道分辨率为12bits，最大输入电压±30V，4KFIFO，可通过模拟量输出通道输出4-20mA电流信号驱动智能定位器，进行气动操作。本系统可兼容各类型号气动执行机构智能定位器，本实施例采用ABB品牌智能定位器，所述智能定位器101的输入信号为4-20mA，输出信号为4-20mA，采用PID运算的方式作为控制方式。
请参阅图3和图4，由于研华PCI-1710输出板卡输出电流在20mA以内，不足以驱动继电器线圈吸合，故增加BMZ-TP/N光耦隔离板，采用标准导轨式安装。所述输出板卡5的输出端设置有光耦隔离放大板，所述光耦隔离放大板的控制电压为DC3.3V-24V，输入电流为5-10mA，输出类型为无触点型，驱动元件P/N沟道场效应管。
具体地，所述系统还包括电源模块，所述电源模块为24V/5V双路电源，分别为所述信号隔离转换器2以及所述继电器6供电。在本实施例中，电源采用明纬24V/5V电源，能够同时提供两组不同电压电源，方便信号隔离器/转换器以及继电器同时工作。7寸HMI RS485屏幕采用可充电锂电池进行供电，经电压转换模块将电压稳定在5V，供7寸HMI RS485屏幕使用。
本发明的气动执行机构可视化系统的工作原理如下：
首先，通过变送器1采集气动执行机构100各个预设数据采集点的状态参数，利用信号隔离转换器2将变送器1采集的状态参数经转换电路转换成标准4-20mA电流信号，再经电流-电压转换模块将4-20mA电流信号转为0-10V电压信号，并保证各信号回路间不相互干扰，经过输入板卡3将0-10V电压信号读取至工控机4。
通过工控机4将0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据实际状态参数数据，生成气动执行机构100的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据，以及，使用根据预先储存的数据进行气动执行机构100的动作模拟，生成气动执行机构100执行各类动作的演示数据，最后通过串口屏7根据实际状态参数显示数据，实时显示气动执行机构100的各个预设数据采集点的实际状态参数，以及根据演示数据，显示气动执行机构100执行各类动作的模拟画面。
此外，本系统还设置有输出板卡5，可根据工控机4发送的控制数据，通过模拟量输出通道输出4-20mA电流信号，并经由继电器6，最终传输至气动执行机构100的智能定位器101，以使智能定位器101将4-20mA电信号转为气动信号驱动气缸。
综上所述，本发明的气动执行机构可视化系统可实现实时显示气动执行机构各组成部分实际情况以及模拟画面，从而为相关人员分析气动执行机构各个构成组件、气缸、阀门等动作情况提供极大的便利。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气动执行机构可视化系统，其特征在于，包括：设置于气动执行机构(100)上的预设数据采集点的变送器(1)、与所述变送器(1)连接的信号隔离转换器(2)、与所述信号隔离转换器(2)连接的输入板卡(3)、与所述输入板卡(3)连接的工控机(4)、与所述工控机(4)连接的输出板卡(5)、与所述输出板卡(5)连接的继电器(6)以及与所述工控机(4)连接的串口屏(7)；
所述变送器(1)，用于采集气动执行机构(100)各个预设数据采集点的状态参数；
所述信号隔离转换器(2)，用于将所述变送器(1)采集的状态参数经转换电路转换成标准4-20mA电流信号，再经电流-电压转换模块将所述4-20mA电流信号转为0-10V电压信号，并保证各信号回路间不相互干扰；
所述输入板卡(3)，用于将所述0-10V电压信号读取至所述工控机(4)；
所述工控机(4)，用于将所述0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据所述实际状态参数数据，生成所述气动执行机构(100)的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据，以及，使用根据预先储存的数据进行所述气动执行机构(100)的动作模拟，生成所述气动执行机构(100)执行各类动作的演示数据，其中，所述工控机(4)通过采用C#语言编写的Winform上位机程序，将各通道数据存入SQL数据库，以及将0-10V电压信号通过转换公式转换为实际参数数值，并使用所述实际参数数据，在画面中实时显示整套气动执行机构(100)个点状态，并且能够使用SQL数据库中储存的数据，进行气动执行机构(100)动作模拟，能够在脱离实物的状态下，演示气动执行机构各类动作；
所述串口屏(7)，用于根据所述实际状态参数显示数据，实时显示所述气动执行机构(100)的各个预设数据采集点的实际状态参数，以及根据所述演示数据，显示所述气动执行机构(100)执行各类动作的模拟画面，至少显示单作用气缸、双作用气缸、放大器、先导头、气锁阀和阀门的实时工作状态；
所述输出板卡(5)，用于根据所述工控机(4)发送的控制数据，通过模拟量输出通道输出4-20mA电流信号，并经由所述继电器(6)，最终传输至所述气动执行机构(100)的智能定位器(101)，以使所述智能定位器(101)将4-20mA电信号转为气动信号驱动气缸。
2.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述输入板卡(3)共有32路单端输入通道，或16路差分输入通道，各通道分辨率为12bits，采集速率最大为500kS/s。
3.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述输出板卡(5)共有16路数字量信号输出通道，8路模拟量信号输出通道，各通道分辨率为12bits，最大输入电压±30V。
4.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述信号隔离转换器(2)的供电电源为DC 24V或AC 220V，输入信号为4-20mA，输出信号为0-10V。
5.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述智能定位器(101)的输入信号为4-20mA，输出信号为4-20mA。
6.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述串口屏(7)为7寸HMI屏幕，通过RS485与所述工控机(4)进行通讯。
7.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述输出板卡(5)的输出端还设置有光耦隔离放大板，所述光耦隔离放大板的控制电压为DC3.3V-24V，输入电流为5-10mA，输出类型为无触点型，驱动元件P/N沟道场效应管。
8.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述工控机(4)通过采用C#语言编写的Winform上位机程序，将所述0-10V电压信号通过转换公式转换为实际状态参数数据，根据所述实际状态参数数据，生成所述气动执行机构(100)的各个预设数据采集点的实际状态参数显示数据。
9.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述工控机(4)使用根据预先储存在SQL数据库的数据进行所述气动执行机构(100)的动作模拟，生成所述气动执行机构(100)执行各类动作的演示数据。
10.如权利要求1所述的气动执行机构可视化系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块，所述电源模块为24V/5V双路电源，分别为所述信号隔离转换器(2)以及所述继电器(6)供电。
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