CN114488913A - 一种对象仿真模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对象仿真模块，其能够根据设定，模拟多种控制对象的过程数据输出，为工业控制器的过程控制功能、使用方法、控制精度等方面评测提供可靠实验对象。其包括：控制电路；人机交互部分；控制电路包括ARM控制器模块、模拟量输入采样电路、模拟量输出电路、通信接口电路，ARM控制器模块用于采集外部输入模拟量信号、进行数学模型计算、并输出对应比例的PWM信号、同时提供通信接口供上位机通信；模拟量输入采样电路用于接收外部设置值；模拟量输出电路用于将仿真模拟结果、将对应比例的PWM信号转化为过程控制系统用标准模拟信号；通讯接口电路提供通信接口、用于和上位机连接；控制电路和人机交互部分通过SPI总线通信连接。

Description

一种对象仿真模块

技术领域

本发明涉及工业信号检测的技术领域，具体为一种对象仿真模块。

背景技术

现有技术中，过程控制对象(如电炉加热、水位控制、流量控制、压力控制)均采用实物进行搭建，根据工业控制器输出信号进行真实的加热、液位控制等，将过程数据反馈给工业控制器；

通常在评估一款工业控制器时，用户通过设备厂商提供的开发软件进行编程，控制真实的实物对象(如电炉、水箱、压力容器)，然后使用传感器进行过程数据检测，由变送器转化为4-20mA或0-10V，反馈给工业控制器，在工业控制器中实现过程控制算法的使用(如PID)，以评测该控制器的性能指标、使用方法；

现有的使用实物控制对象的技术存在如下缺陷：

1、需要根据控制对象的不同，搭建不同的实物控制对象，投入成本大、过程周期长；

2、对外部环境有要求，如隔热防火、液体泄漏等，需要防止产生不安全的实验隐患；

3、灵活性低，实物对象无法输出极端情况下的过程数据，用户难以验证控制算法的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种对象仿真模块，其能够根据设定，模拟多种控制对象的过程数据输出，为工业控制器的过程控制功能、使用方法、控制精度等方面评测提供可靠实验对象。

一种对象仿真模块，其特征在于，其包括：

控制电路；

人机交互部分；

所述控制电路包括ARM控制器模块、模拟量输入采样电路、模拟量输出电路、通信接口电路，所述ARM控制器模块用于采集外部输入模拟量信号、进行数学模型计算、并输出对应比例的PWM信号、同时提供通信接口供上位机通信；

所述模拟量输入采样电路用于接收外部设置值；

所述模拟量输出电路用于将仿真模拟结果、将对应比例的PWM信号转化为过程控制系统用标准模拟信号；

所述通讯接口电路提供通信接口、用于和上位机连接；

所述控制电路和人机交互部分通过SPI总线通信连接，所述人机交互部分用于显示模型名称、模拟输入值、模拟输出值以及对应的量化物理值。

其进一步特征在于：

所述模拟量输入采样电路包括分压电路、两级一阶RC滤波器，所述模拟量输入采集电路接收外部模拟量输入指令信号0-10V、经过分压电路后将信号转换为0-3.3V范围内，然后经过两级一阶RC滤波器，输入所述ARM控制器模块的AD输入引脚；

所述两级一阶RC滤波器的滤波输出处设置第一浪涌防护结构，保护所述ARM控制器模块的端口；

所述第一浪涌防护结构具体为二极管和TVS二极管；

所述模拟量输出电路包括信号滤波和信号放大两个部分，所述模拟量输出电路设置包括有两级一阶RC滤波器、运输放大器、射极跟随器，所述两级一阶RC滤波器将所述ARM控制器模块输出的PWM信号转换为平滑的模拟量信号，之后通过使用运输放大器进行信号跟随、同相放大后，接入射极跟随器，转换为0-10V标准信号，提高带负载能力；

所述射极跟随器的输出所对应的接口设置有第二浪涌防护结构；

所述第二浪涌防护结构具体为750mA自恢复保险丝和TVS二极管；

所述通讯接口电路提供数据通信能力，包括RS485接口电路和以太网接口电路；

所述RS485接口电路经以MAX13085作为接口芯片，在接口线路中增加上拉电阻RC电路和下拉电阻RC电路提高抗干扰能力，限流电阻R17和R18用于抑制通信线路中冲击电流，并增加TVS二极管保护；

所述以太网接口电路采用W5500以太网协控制器，所述以太网接口电路与所述ARM控制器模块通过SPI总线进行数据交互。

采用本发明的结构后，预先通过上位机将模型代码输入到ARM控制器的微处理器控制电路、模拟量输出电路，使得微处理器控制电路接收到外部输入模拟量信号后进行对应的数学模型计算后输出PWM脉冲信号，模拟量输出电路将PWM脉冲信号根据数学模型计算获得过程控制系统用标准模拟信号输出，根据所需控制的对象，可以快速进行切换和参数设置；能够模拟各种极端情况时的过程数据；其无需搭建真实的过程控制实验对象，节约成本，使得性价比高：且通讯接口丰富，提供RS485和以太网两种类型通信接口，与上位机进行数据通信，生产历史数据曲线或存储；其能够根据设定，模拟多种控制对象的过程数据输出，为工业控制器的过程控制功能、使用方法、控制精度等方面评测提供可靠实验对象。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图；

图2为本本发明的ARM控制器模块的电路结构图；

图3为本发明的模拟量输入采样电路的电路结构图；

图4为本发明的模拟量输出电路的电路结构图；

图5为本发明的RS485接口电路的电路结构图；

图6为本发明的以太网接口电路的电路结构图。

具体实施方式

一种对象仿真模块，见图1-图6，其包括控制电路和人机交互部分；

控制电路包括ARM控制器模块、模拟量输入采样电路、模拟量输出电路、通信接口电路，ARM控制器模块用于采集外部输入模拟量信号、进行数学模型计算、并输出对应比例的PWM信号、同时提供通信接口供上位机通信；

模拟量输入采样电路用于接收外部设置值；

模拟量输出电路用于将仿真模拟结果、将对应比例的PWM信号转化为过程控制系统用标准模拟信号；

通讯接口电路提供通信接口、用于和上位机连接；

控制电路和人机交互部分通过SPI总线通信连接，人机交互部分用于显示模型名称、模拟输入值、模拟输出值以及对应的量化物理值。

具体实施时：

模拟量输入采样电路包括分压电路、两级一阶RC滤波器，模拟量输入采集电路接收外部模拟量输入指令信号0-10V、经过分压电路后将信号转换为0-3.3V范围内，然后经过两级一阶RC滤波器，输入ARM控制器模块的AD输入引脚，

两级一阶RC滤波器的滤波输出处设置第一浪涌防护结构，保护ARM控制器模块的端口；具体实施例中、第一浪涌防护结构具体为二极管和TVS二极管；

模拟量输出电路包括信号滤波和信号放大两个部分，模拟量输出电路设置包括有两级一阶RC滤波器、运输放大器、射极跟随器，两级一阶RC滤波器将ARM控制器模块输出的PWM信号转换为平滑的模拟量信号，之后通过使用运输放大器进行信号跟随、同相放大后，接入射极跟随器，转换为0-10V标准信号，提高带负载能力；

射极跟随器的输出所对应的接口设置有第二浪涌防护结构；具体实施例中、射极跟随器具体为三极管射极跟随器，第二浪涌防护结构具体为750mA自恢复保险丝和TVS二极管；

通讯接口电路提供数据通信能力，包括RS485接口电路和以太网接口电路；

具体实施例中RS485接口电路具体为RS485防雷击通信电路，其经以MAX13085作为接口芯片，在接口线路中增加上拉电阻RC电路和下拉电阻RC电路提高抗干扰能力，限流电阻R17和R18用于抑制通信线路中冲击电流，并增加TVS二极管保护；

具体实施例中，以太网接口电路采用W5500以太网协控制器，以太网接口电路与ARM控制器模块通过SPI总线进行数据交互；

具体实施例中，人机交互部分具体为OLED液晶显示屏，OLED液晶显示屏通过SPI总线与ARM控制器模块进行数据通信，实时更新和显示过程数据，OLED液晶显示屏，显示当前设置的模型名称、模拟量输入值、模拟量输出值、量化物理值。

具体实施例的功能测试如下：

测评对象为某PLC的PID功能测试；

测试目的：1、PLC指令功能稳定性；2、过程控制精度(PID指令控制精度、PLC内置AD/DA电路转换精度)；3、PLC过程曲线图形化交互方式优化

仿真对象：加热电炉

参数范围：模拟量给定(SV):0-10V,仿真过程模拟量反馈(PV):0-10V；温控范围：当前环境温度～1200℃

测试过程：用户通过OLED液晶显示屏面选择PLC所控制的仿真对象为加热电炉。加热电炉的数学模型为一阶延时系统(K/(Ts+1))，该对象仿真模块根据PLC输出的外部输入模拟量信号SV值，进行模型计算，模拟电炉加热温升过程，并反馈实时温度给PLC的AD输入端口(PV值)。

当SV＝0V,PV＝0.2V,即电炉温度为当前环境温度；

当SV＝10V,经过一段时间后(取决于电炉模型的延时系数T)，PV上升为10V,即电炉温度为1200℃。

其工作原理如下：预先通过上位机将模型代码输入到ARM控制器的微处理器控制电路、模拟量输出电路，使得微处理器控制电路接收到外部输入模拟量信号后进行对应的数学模型计算后输出PWM脉冲信号，模拟量输出电路将PWM脉冲信号根据数学模型计算获得过程控制系统用标准模拟信号输出，根据所需控制的对象，可以快速进行切换和参数设置；能够模拟各种极端情况时的过程数据；其无需搭建真实的过程控制实验对象，节约成本，使得性价比高：且通讯接口丰富，提供RS485和以太网两种类型通信接口，与上位机进行数据通信，生产历史数据曲线或存储；其能够根据设定，模拟多种控制对象的过程数据输出，为工业控制器的过程控制功能、使用方法、控制精度等方面评测提供可靠实验对象。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种对象仿真模块，其特征在于，其包括：

控制电路；

人机交互部分；

所述控制电路包括ARM控制器模块、模拟量输入采样电路、模拟量输出电路、通信接口电路，所述ARM控制器模块用于采集外部输入模拟量信号、进行数学模型计算、并输出对应比例的PWM信号、同时提供通信接口供上位机通信；

所述模拟量输入采样电路用于接收外部设置值；

所述模拟量输出电路用于将仿真模拟结果、将对应比例的PWM信号转化为过程控制系统用标准模拟信号；

所述通讯接口电路提供通信接口、用于和上位机连接；

所述控制电路和人机交互部分通过SPI总线通信连接，所述人机交互部分用于显示模型名称、模拟输入值、模拟输出值以及对应的量化物理值。

2.如权利要求1所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述模拟量输入采样电路包括分压电路、两级一阶RC滤波器，所述模拟量输入采集电路接收外部模拟量输入指令信号0-10V、经过分压电路后将信号转换为0-3.3V范围内，然后经过两级一阶RC滤波器，输入所述ARM控制器模块的AD输入引脚。

3.如权利要求2所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述两级一阶RC滤波器的滤波输出处设置第一浪涌防护结构，保护所述ARM控制器模块的端口。

4.如权利要求3所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述第一浪涌防护结构具体为二极管和TVS二极管。

5.如权利要求1所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述模拟量输出电路包括信号滤波和信号放大两个部分，所述模拟量输出电路设置包括有两级一阶RC滤波器、运输放大器、射极跟随器，所述两级一阶RC滤波器将所述ARM控制器模块输出的PWM信号转换为平滑的模拟量信号，之后通过使用运输放大器进行信号跟随、同相放大后，接入射极跟随器，转换为0-10V标准信号。

6.如权利要求5所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述射极跟随器的输出所对应的接口设置有第二浪涌防护结构。

7.如权利要求6所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述第二浪涌防护结构具体为750mA自恢复保险丝和TVS二极管。

8.如权利要求1所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述通讯接口电路提供数据通信能力，包括RS485接口电路和以太网接口电路。

9.如权利要求8所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述RS485接口电路经以MAX13085作为接口芯片，在接口线路中增加上拉电阻RC电路和下拉电阻RC电路提高抗干扰能力，限流电阻R17和R18用于抑制通信线路中冲击电流，并增加TVS二极管保护。

10.如权利要求1所述的一种对象仿真模块，其特征在于：所述以太网接口电路采用W5500以太网协控制器，所述以太网接口电路与所述ARM控制器模块通过SPI总线进行数据交互。

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