CN210796575U - 低温液体储罐网络化应变强化控制系统 - Google Patents

Abstract

低温液体储罐网络化应变强化控制系统涉及应变强化控制系统。主要是为解决现有的单体控制系统不能满足生产需求的问题而设计的。它包括多个工作单元，与其对应连接的多个控制器，分别采用单、双线总线等方式将应变强化设备与上位IPC主机进行区域组网组成网络化应变强化控制系统，通过STM32CAN控制器和单、双线CAN收发器之间的通信与上位IPC主机连接，传感器对应变强化设备的信息检测，通过单线CAN收发器上传，上位IPC主机发出控制指令，由STM32CAN控制器、通过双线CAN收发器传递给多个PLC控制器对现场的增压及注水模块单元、动作执行模块单元、配电模块单元进行控制。优点是实现应变强化网络化控制过程。

Description

低温液体储罐网络化应变强化控制系统

技术领域：

本实用新型涉及一种应变强化控制系统，属于压力容器设计制造技术领域，尤其涉及一种低温液体储罐网络化应变强化控制系统。

背景技术：

奥氏体不锈钢应变强化技术是利用奥氏体不锈钢优良的延伸性能和优异的低温强化性能，在低温液体储罐设计制造技术领域得到了广泛的应用。采用应变强化技术可显著地减薄低温液体储罐的壁厚，从而实现轻量化设计的目标，降低制造成本以及运营成本。同时，通过应变强化技术也可提高奥氏体不锈钢低温液体储罐的安全性和可靠性。推广应变强化技术符合国家节能减排的政策方针。随着国家节能、减排、战略的实施和推广，近年来应变强化技术得到了快速的发展推广和实际应用，给企业带来了可观的经济效益。但现有技术中的应变强化控制系统均是单体控制,也就是说每一台应变强化系统需要一个控制柜控制一台设备的变频电机驱动增压泵，水经过流量传感器由常压管路进入到增压泵后输出高压水源，流量传感器可测量瞬时进水量以及累计进水量并将数据发送给控制柜，柱塞泵做往复运动，可不断抽取水箱中的水并输出，高压水经单向阀进入容器，从而实现增压功能。变频电机的转速由控制柜控制，从而控制柱塞泵的打压速率。该系统见中国专利授权公告号CN203382798U，名称：一种奥氏体不锈钢压力容器应变强化控制系统。但是作为企业的重点和关建设备所使用的应变强化设备，往往需要在10m以内安装两台或者两台以上的设备，或者在较大的范围内安装多台设备，使其组成网络化的应变强化设备集群进行网络化系统生产、以便满足日益扩大化的生产需求。因此，现有的单体控制系统已经不能满足现有的生产需求。因此,需要一种网络化控制技术方案解决现有技术问题。

发明内容：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种低温液体储罐网络化应变强化控制系统，在现有的单体控制系统基础上，通过现场总线使现场设备形成网络化控制系统装置，解决现有的单体控制系统已经不能满足生产需求的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

本实用新型的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，设置在多个应变强化设备上的多个由增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元组成的多个工作单元，与多个工作单元对应设置的用于控制多个由增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元的多个PLC控制器，数据处理中心上位IPC主机，外存储器SD卡，其特征在于：还包括分别与上位IPC主机、外存储器SD卡电性连接的STM32CAN控制器，STM32CAN控制器电性连接有CAN通信数据切换，CAN通信数据切换分别与单线CAN收发器、双线CAN收发器电性连接，单线CAN收发器分别与多个信号表征及传感模块单元电性连接，双线CAN收发器分别与多个PLC控制器电性连接，每个PLC控制器均分别与对应设置的增压及注水模块单元、动作执行模块单元和配电模块单元电性连接；

增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元均分别对应安装在一个工作单元的应变强化设备上，信号表征及传感模块单元的流量传感器、压力传感器，位移传感器、信号变送器和计时器将采集到的实时流量、压力、位移和打压时间工作参数进行表征及信号变送后，再经过数字信号转化处理以后，通过单线CAN收发器和CAN通信数据切换上传递给STM32CAN控制器，对应变强化过程的多个实时传感器信号、流量信号、变频器信号、面板配键按钮信号进行接收和处理，再由STM32CAN控制器上传给数据处理中心上位IPC主机；

上位IPC主机为中心控制单元，对多个信号表征及传感模块单元采集的信号数据以及多个PLC控制器进行人机交互，并依据控制工艺的逻辑关系，发出控制指令，由STM32CAN控制器、CAN通信数据切换通过双线CAN收发器传递给多个PLC控制器，并通过多个PLC控制器对现场多个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元、和配电模块单元进行控制，从而实现应变强化网络化控制过程。

所述STM32CAN控制器，包括控制器电源模块，分别与控制器电源模块电性连接的CAN控制器STM32模块、控制器RS485转换模块、控制器CAN收发器模块、外存储器SD卡、报警及显示模块、时钟保持电路、通信指示灯，CAN控制器STM32模块分别与控制器CAN收发器模块、外存储器SD卡、报警及显示模块、时钟保持电路、通信指示灯、面板配键按钮、控制器RS485模块电性连接。当网络传输正常工作时，CAN控制器发出通信指示信号灯光亮、显示正常工作；当网络传输故障时，CAN控制器发出通信指示信号灯光灭、显示出现故障。

上位IPC主机选用研华610H工控机作为控制核心对各工作单元各节点的数据进行实时处理及曲线显示并进行存储，同时根据处理结果、通过CAN通信数据切换、双线CAN收发器向PLC控制器I、PLC控制器Ⅱ、PLC控制器N发送指令，通过PLC控制器控制现场多个工作单元的的增压泵、注水泵、管路及阀门、变频器、高压电磁阀、高压溢流阀、继电器、接触器、过载保护器及信号灯的开启和关闭，其中PLC控制器选用西门子S7-400PLC可编程控制器。

作为实施例本实用新型的单线CAN收发器，与单线CAN收发器对应连接的信号表征及传感模块单元I、信号表征及传感模块单元Ⅱ、信号表征及传感模块单元N，各个信号表征及传感模块单元与单线CAN收发器的输入端电性连接；与双线CAN收发器对应连接的PLC控制器I，PLC控制器Ⅱ和PLC控制器N，与PLC控制器I，PLC控制器Ⅱ和PLC控制器N对应连接的工作单元包括增压及注水模块单元I、动作执行模块单元I、配电模块单元I，增压及注水模块单元Ⅱ、动作执行模块单元Ⅱ、配电模块单元Ⅱ，增压及注水模块单元N、动作执行模块单元N、配电模块单元N，各个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元和配电模块单元与PLC控制器的输出端电性连接。

本实用新型的控制器电源模块，包括LTC4218集成芯片I、LTC4218集成芯片Ⅱ，LTC4218集成芯片I分别与DC/DC隔离模块、取样电阻I、MOS开关I、过流值设定电阻I电性连接，输入接口、DC/DC隔离模块、取样电阻I、MOS开关I、取样电阻Ⅱ、MOS开关Ⅱ、LED指示顺次电性连接，LTC4218集成芯片Ⅱ分别与MOS开关I、取样电阻Ⅱ、MOS开关Ⅱ、过流值设定电阻Ⅱ电性连接，MOS开关Ⅱ与输出接口电性连接。

本实用新型的有益效果是：本系统包括设置在多个应变强化设备上的多个工作单元，与其对应连接的多个PLC控制器，该系统分别采用单、双线CAN总线和485通讯方式将多个工作单元的应变强化设备与上位IPC主机进行区域组网组成网络化应变强化控制系统，并通过STM32CAN控制器、CAN通信数据切换和单、双线CAN收发器之间的通信与上位IPC主机连接，这样各传感器可以对应变强化设备的实时工艺参数信息进行检测，并通过单线CAN收发器上传，然后根据依据控制工艺的逻辑关系，上位IPC主机发出控制指令，由STM32CAN控制器、CAN通信数据切换、通过双线CAN收发器传递给多个PLC控制器对现场多个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元、和配电模块单元进行控制，从而实现应变强化网络化控制过程。

附图说明：

图1是本实用新型的系统总体框图；

图2是本实用新型的CAN控制器电路框图；

图3是本实用新型的控制器电源模块电路框图。

具体实施方式：

下面结合说明书附图对本实用新型进行详细地描述，但是应该指出本实用新型的实施不限于以下的实施方式。

如图1所示一种低温液体储罐网络化应变强化控制系统，包括设置在多个应变强化设备上的多个由增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元组成的多个工作单元，与多个工作单元对应设置的用于控制多个由增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元的多个PLC控制器，数据处理中心上位IPC主机，外存储器SD卡，其特征在于：还包括分别与上位IPC主机、外存储器SD卡电性连接的STM32CAN控制器，STM32CAN控制器电性连接有CAN通信数据切换，CAN通信数据切换分别与单线CAN收发器、双线CAN收发器电性连接，单线CAN收发器分别与多个信号表征及传感模块单元电性连接，双线CAN收发器分别与多个PLC控制器电性连接，每个PLC控制器均分别与对应设置的增压及注水模块单元、动作执行模块单元和配电模块单元电性连接；

其中：信号表征及传感模块单元用于应变强化设备的注水量、储罐内压力、打压时间、储罐周向变形量的检测，包括流量传感器、压力传感器、位移传感器、信号变送器和计时器；增压及注水模块单元用于储罐内的增压及注水过程实现，包括增压泵、注水泵、管路及阀门；动作执行模块单元用于应变强化设备的流量调节及开关控制，包括变频器、高压电磁阀及高压溢流阀；配电模块单元采用过载热电保护技术，用于应变强化设备的配电输出控制及信号灯显示，包括继电器、接触器、过载保护器及信号灯；

增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元均分别对应安装在一个工作单元的应变强化设备上，信号表征及传感模块单元的流量传感器、压力传感器，位移传感器、信号变送器和计时器将采集到的实时流量、压力、位移和打压时间工作参数进行表征及信号变送后，再经过数字信号转化处理以后，通过单线CAN收发器和CAN通信数据切换上传递给STM32CAN控制器，对应变强化过程的多个实时传感器信号、流量信号、变频器信号、面板配键按钮信号进行接收和处理，再由STM32CAN控制器上传给数据处理中心上位IPC主机；

上位IPC主机为中心控制单元，对多个信号表征及传感模块单元采集的信号数据以及多个PLC控制器进行人机交互，并依据控制工艺的逻辑关系，发出控制指令，由STM32CAN控制器、CAN通信数据切换通过双线CAN收发器传递给多个PLC控制器，并通过多个PLC控制器对现场多个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元、和配电模块单元进行控制，从而实现应变强化网络化控制过程。

如图2所示本实用新型所述STM32CAN控制器，包括控制器电源模块，分别与控制器电源模块电性连接的CAN控制器STM32模块、控制器RS485转换模块、控制器CAN收发器模块、外存储器SD卡、报警及显示模块、时钟保持电路、通信指示灯，CAN控制器STM32模块分别与控制器CAN收发器模块、外存储器SD卡、报警及显示模块、时钟保持电路、通信指示灯、面板配键按钮、控制器RS485模块电性连接。当网络传输正常工作时，CAN控制器发出通信指示信号灯光亮、显示正常工作；当网络传输故障时，CAN控制器发出通信指示信号灯光灭、显示出现故障。

上位IPC主机选用研华610H工控机作为控制核心对各工作单元各节点的数据进行实时处理及曲线显示并进行存储，同时根据处理结果、通过CAN通信数据切换、双线CAN收发器向PLC控制器I、PLC控制器Ⅱ、PLC控制器N发送指令，通过PLC控制器控制现场多个工作单元的的增压泵、注水泵、管路及阀门、变频器、高压电磁阀、高压溢流阀、继电器、接触器、过载保护器及信号灯的开启和关闭，其中PLC控制器选用西门子S7-400PLC可编程控制器。

CAN控制器STM32模块选用STM32F4系列自带二路 CAN 控制器的芯片STM32F469NI，它同时支持 CAN2.0B协议，它能高效的以较小的 CPU 负荷来处理大量收到的报文，STM32的 CAN 控制器可以通过配置来设定报文发送的优先级；上位IPC主机通过UART 访问CAN控制器STM32模块，告知CAN控制器STM32模块所要检测的一个工作单元的应变强化设备，CAN控制器STM32模块根据所要检测的一个工作单元的应变强化设备，设置不同的 CAN 通信波特率，利用 I/O 口控制模拟开关的通断，选择不同类型的 CAN 通讯模式，来完成信号表征及传感模块单元采集的信号数据检测，在检测过程中如有问题，则通过声光报警器反映发出声光报警信息；

CAN通信数据切换用于不同 CAN 通信模式的数据切换、选用MAXIM的芯片MAX4684完成，MAX4684 为双单刀双掷模拟开关； 双线 CAN 收发器选用SN65HVD230， SN65HVD230是由德州仪器公司生产的3.3V CAN 总线收发器，最高速率可达 1Mb/s，单线 CAN 收发器选用MC33897 芯片，它是飞思卡尔公司推出的单总线 CAN 总线收发器，它为数据之间的传输提供一单线的物理接口，与地构成传输回路，也就是说，它只需要一根信号线即可完成CAN 总线通信，这样节省了各节点之间相互通信的成本，同时也方便了系统的布线和后期维护工作。

作为实施例本实用新型的单线CAN收发器，与单线CAN收发器对应连接的信号表征及传感模块单元I、信号表征及传感模块单元Ⅱ、信号表征及传感模块单元N，各个信号表征及传感模块单元与单线CAN收发器的输入端电性连接；与双线CAN收发器对应连接的PLC控制器I，PLC控制器Ⅱ和PLC控制器N，与PLC控制器I，PLC控制器Ⅱ和PLC控制器N对应连接的工作单元包括增压及注水模块单元I、动作执行模块单元I、配电模块单元I，增压及注水模块单元Ⅱ、动作执行模块单元Ⅱ、配电模块单元Ⅱ，增压及注水模块单元N、动作执行模块单元N、配电模块单元N，各个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元和配电模块单元与PLC控制器的输出端电性连接。

本实用新型STM32CAN控制器的功能是发送远程帧通过CAN通信数据切换、单线CAN收发器向信号表征及传感模块单元I、信号表征及传感模块单元Ⅱ、信号表征及传感模块单元N，查询各工作单元的注水量、储罐内压力、打压时间、储罐周向变形量数据，并通过A/D转换器检测各流量传感器、压力传感器、位移传感器的电桥差分输出电压，然后计算得出此工作单元的流量、压力、位移数值，由信号变送器通过单线CAN收发器、CAN通信数据切换传送给PLC控制器发送到上位IPC主机或外存储器SD卡中。

外存储器SD卡采用四线制SPI总线与其相连接，主要用到了移植的FATFS文件系统提供的访问FAT卷的应用接口，控制器RS485转换模块选用MAX3485电平转换芯片，采用专有的低压差发送、输送级，利用内部双电荷泵保证RS485性能，控制器CAN收发器模块选用德州仪器3.3V的SN65HVD230 CAN收发器，最高速率可达 1Mb/s，具有差分收发能力，抗干扰性强，可靠性高的优点。

本实用新型分别采用单、双线CAN总线和485通讯方式将多个工作单元的应变强化设备与上位IPC主机进行区域组网组成网络化应变强化控制系统，并通过STM32CAN控制器和单、双线CAN收发器之间的通信与数据处理中心上位IPC主机连接，这样各传感器可以对应变强化设备的实时工艺参数信息进行检测，并通过单线CAN收发器上传，然后根据依据控制工艺的逻辑关系，上位IPC主机发出控制指令，由STM32CAN控制器、通过双线CAN收发器传递给多个PLC控制器对现场多个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元、和配电模块单元进行控制，从而实现应变强化网络化控制过程。

如图3所示本实用新型的控制器电源模块，包括LTC4218集成芯片I、LTC4218集成芯片Ⅱ，LTC4218集成芯片I分别与DC/DC隔离模块、取样电阻I、MOS开关I、过流值设定电阻I电性连接，输入接口、DC/DC隔离模块、取样电阻I、MOS开关I、取样电阻Ⅱ、MOS开关Ⅱ、LED指示顺次电性连接，LTC4218集成芯片Ⅱ分别与MOS开关I、取样电阻Ⅱ、MOS开关Ⅱ、过流值设定电阻Ⅱ电性连接，MOS开关Ⅱ与输出接口电性连接；

控制器电源模块的输入端选用了DC/DC隔离模块给系统供电确保系统的物理安全，并且需要切断接地回路来保护系统免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真，控制芯片采用了美国Linear公司的双LTC4218集成芯片构成的双重过压、过流、并具有短路保护功能；

其中：DC/DC隔离模块将输入的DC18～36V电压转换成所需要的DC5V、 DC12V、DC18V、 DC24V；取样电阻将负载的电流信号转成电压信号送到LTC4218集成芯片中处理；MOS开关选用型号为BSC016N04NS芯片来完成电源输出通断功能；LED指示是电源输出状态指示，电源工作正常时LED灯亮，电源故障保护时LED灯灭；过流值设定电阻通过改变电阻值达到电源输出过流保护动作值；LTC4218集成芯片I、Ⅱ通过取样电阻采集系统回路中的电压、电流信号进行处理，将处理结果转换成开关量输出信号控制MOS开关I、Ⅱ完成欠压、过压、缓启动、短路保护功能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.低温液体储罐网络化应变强化控制系统，包括设置在多个应变强化设备上的多个由增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元组成的多个工作单元，与多个工作单元对应设置的用于控制多个由增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元的多个PLC控制器，上位IPC主机；其特征在于：还包括分别与上位IPC主机、外存储器SD卡电性连接的STM32CAN控制器，所述STM32CAN控制器电性连接有CAN通信数据切换，所述CAN通信数据切换分别与单线CAN收发器、双线CAN收发器电性连接，所述单线CAN收发器分别与多个信号表征及传感模块单元电性连接，所述双线CAN收发器分别与多个PLC控制器电性连接，每个PLC控制器均分别与对应设置的增压及注水模块单元、动作执行模块单元和配电模块单元电性连接；

所述增压及注水模块单元、动作执行模块单元、信号表征及传感模块单元和配电模块单元均分别对应安装在一个工作单元的应变强化设备上，所述信号表征及传感模块单元的流量传感器、压力传感器，位移传感器、信号变送器和计时器将采集到的实时流量、压力、位移和打压时间工作参数进行表征及信号变送后，再经过数字信号转化处理以后，通过单线CAN收发器和CAN通信数据切换上传递给STM32CAN控制器，对应变强化过程的多个实时传感器信号、流量信号、变频器信号、面板配键按钮信号进行接收和处理，再由STM32CAN控制器上传给数据处理中心上位IPC主机；

所述上位IPC主机为中心控制单元，对多个信号表征及传感模块单元采集的信号数据以及多个PLC控制器进行人机交互，并依据控制工艺的逻辑关系，发出控制指令，由STM32CAN控制器、CAN通信数据切换通过双线CAN收发器传递给多个PLC控制器，并通过多个PLC控制器对现场多个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元、和配电模块单元进行控制，从而实现应变强化网络化控制过程。

2.根据权利要求1所述的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，其特征在于：所述STM32CAN控制器，包括控制器电源模块，分别与控制器电源模块电性连接的CAN控制器STM32模块、控制器RS485转换模块、控制器CAN收发器模块、外存储器SD卡、报警及显示模块、时钟保持电路、通信指示灯，所述CAN控制器STM32模块分别与控制器CAN收发器模块、外存储器SD卡、报警及显示模块、时钟保持电路、通信指示灯、面板配键按钮、控制器RS485模块电性连接。

3.根据权利要求1所述的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，其特征在于：所述单线CAN收发器，分别与单线CAN收发器对应连接的信号表征及传感模块单元I、信号表征及传感模块单元Ⅱ、信号表征及传感模块单元N，各个信号表征及传感模块单元与单线CAN收发器的输入端电性连接。

4.根据权利要求1所述的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，其特征在于：所述双线CAN收发器，分别与双线CAN收发器对应连接的PLC控制器I，PLC控制器Ⅱ和PLC控制器N，与PLC控制器I，PLC控制器Ⅱ和PLC控制器N对应连接的工作单元包括增压及注水模块单元I、动作执行模块单元I、配电模块单元I，增压及注水模块单元Ⅱ、动作执行模块单元Ⅱ、配电模块单元Ⅱ，增压及注水模块单元N、动作执行模块单元N、配电模块单元N，各个工作单元的增压及注水模块单元、动作执行模块单元和配电模块单元与PLC控制器的输出端电性连接。

5.根据权利要求2所述的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，其特征在于：所述控制器电源模块，包括LTC4218集成芯片I、Ⅱ，所述LTC4218集成芯片I分别与DC/DC隔离模块、取样电阻I、MOS开关I、过流值设定电阻I电性连接，输入接口、DC/DC隔离模块、取样电阻I、MOS开关I、取样电阻Ⅱ、MOS开关Ⅱ、LED指示顺次电性连接，所述LTC4218集成芯片Ⅱ分别与MOS开关I、取样电阻Ⅱ、MOS开关Ⅱ、过流值设定电阻Ⅱ电性连接，所述MOS开关Ⅱ与输出接口电性连接。

6.根据权利要求1所述的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，其特征在于：所述上位IPC主机选用研华610H工控机，所述PLC控制器选用西门子S7-400 PLC可编程控制器。

7.根据权利要求2所述的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，其特征在于：所述CAN控制器STM32模块选用STM32F469NI，所述CAN通信数据切换选用MAXIM的芯片MAX4684，所述双线CAN收发器选用SN65HVD230，所述单线CAN收发器选用MC33897。

8.根据权利要求2所述的低温液体储罐网络化应变强化控制系统，其特征在于：所述控制器RS485转换模块选用MAX3485电平转换芯片，所述控制器CAN收发器模块选用SN65HVD230。

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