一種管道閥門控制系統和方法
【專利摘要】本發明公開一種管道閥門控制系統和方法，系統包括下位機和上位機；下位機包括控制器以及分別連接控制器的開度采集單元、模式選擇單元、閥門開度現場設定單元和開度控制單元；上位機中設有當前開度采集單元和開度設定單元；控制器通過開度采集單元采集閥門當前開度信號，通過模式選擇單元獲取用戶的模式選擇信號，通過閥門開度現場設定單元獲取用戶在現場設定的閥門開度設定值；上位機連接控制器，獲取閥門當前開度信號，并向控制器發送用戶遠程設定的閥門開度設定值；控制器根據控制模式，將現場或遠程設定的開度值與當前開度值進行對比，然后根據對比結果控制開度控制單元改變閥門開度。本發明可工作于現場或遠程控制方式，系統成本低，可靠性高。
【專利說明】
一種管道閥門控制系統和方法
技術領域
[0001]本發明涉及組態控制、閥門控制技術領域，特別是一種運用組態控制技術實現對閥門進行控制的管道閥門控制系統和方法。
【背景技術】
[0002]閥門作為管道的重要執行機構，廣泛用于水利、工業等領域。最初的閥門控制采用手動方式，即:通過手動調節閥門機械臂來調節閥門的開度，這種方式簡單，成本低。但是其弊端也很明顯，開度不好控制且浪費人力，且水下、高空等場合操作困難。
[0003]隨著工業的不斷進步，智能化概念漸漸深入人心，閥門的控制也朝著集成化、數字化、智能化的方向發展。原始的機械式現場手動控制方式已不能滿足當前多數領域日新月異的要求，取而代之的是以微電子技術為核心的新型智能控制方法。
[0004]目前閥門控制方法很多，控制系統機構紛繁雜類，不過多數并無遠程控制的功能，且造價較高。
[0005]MCGS(Monitor and Control Generated System，監視與控制通用系統)是基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，用戶無需具備計算機編程知識，就可以在短時間內輕而易舉的完成一個運行穩定，功能全面，維護量小，且具備專業水準的監控系統開發工作。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題為:利用組態控制技術實現對閥門的控制，可工作于現場或遠程控制方式，系統成本低，可靠性高，控制難度低。
[0007]本發明采取的技術方案具體為:一種管道閥門控制系統，包括下位機和上位機； 下位機包括控制器以及分別連接控制器的開度采集單元、模式選擇單元、閥門開度現場設定單元和開度控制單元;模式選擇單元中設有可切換現場控制模式與遠程控制模式的模式切換開關;開度控制單元包括輸出軸連接閥門的驅動電機；
上位機中設有MCGS平臺，MCGS平臺的設備工具箱中設有控制器驅動構件;所述控制器驅動構件包括當前開度采集單元和開度設定單元;開度設定單元中預設有開度設定值；下位機中，控制器通過開度采集單元采集閥門當前開度信號，通過模式選擇單元獲取用戶的模式選擇信號，通過閥門開度現場設定單元獲取用戶在現場設定的閥門開度設定值；
上位機連接控制器，利用當前開度采集單元從控制器獲取閥門當前開度信號，利用開度設定單元向控制器發送用戶遠程設定的閥門開度設定值；
當控制器獲取到的模式選擇信號對應現場控制模式時，控制器將閥門當前開度信號與用戶現場設定的閥門開度設定值進行比較，并根據兩者之間的差值，控制開度控制單元中驅動電機的運行，從而改變閥門的開度，使得閥門開度與用戶現場設定的閥門開度設定值相符；
當控制器獲取到的模式選擇信號對應遠程控制模式時，控制器將閥門當前開度信號與用戶遠程設定的閥門開度設定值進行比較，并根據兩者之間的差值，控制開度控制單元中驅動電機的運行，從而改變閥門的開度，使得閥門開度與用戶遠程設定的閥門開度設定值相符。
[0008]本發明中下位機控制器通過RS232串口連接上位機，實現與MCGS平臺的數據通信。上位機采用PC計算機。
[0009]進一步的，本發明中，下位機還包括顯示單元，顯示單元的輸入端連接控制器。控制器可將當前閥門開度值、閥門開度設定值，及驅動電機運行過程中采集到的動態變化的閥門開度值數據傳輸至顯示模塊中，以便現場工作人員更直觀獲知。顯示單元可采用現有的液晶顯示器如IXD1602集成模塊，其直接與單片機的I/O 口連接。
[0010]優選的，本發明開度控制單元還包括電機驅動模塊，控制器通過電機驅動模塊控制驅動電機的運行；電機驅動模塊采用ULN2003復合晶體管，開度控制單元的驅動電機為步進電機。步進電機控制方式與其他電機不同，它以脈沖控制方式工作，給它一個脈沖，電機就轉動一定角度，控制脈沖個數即可控制電機轉動角度，而電機轉動速度則由脈沖頻率決定。由于單片機輸出端口輸出電流低，無法直接驅動步進電機，故采用ULN2003高耐壓、大電流復合晶體管以提供足以讓步進電機正常工作的電流。
[0011]優選的，本發明下位機中開度采集單元與閥門開度現場設定單元還包括A\D采集器，閥門開度現場設定單元采用電位器，A\D采集器的輸入端分別連接閥門開度現場設定單元的輸出端，以及被控閥門的電位器輸出端，A\D采集器的輸出端連接控制器。電位器輸出的為電壓信號，不同電壓信號對應不同的開度數值。本發明為了簡化系統結構將兩路閥門開度信號采集集成于一個AD采集器中。
[0012]優選的，本發明下位機中的控制器為單片機。可選用現有的AT89S52，外接晶振頻率11.0592MHz。單片機價格便宜，可得性高，控制方便，且可靠性能滿足要求不高的場合。[0013 ]本發明還公開基于上述系統的管道閥門控制方法，包括以下步驟:
步驟一，獲取用戶設定的控制模式類型，判斷控制模式為現場控制模式還是遠程控制模式，如為現場控制模式則轉至步驟二，如為遠程控制模式則轉至步驟五；
步驟二，采集用戶現場設定的閥門開度數據；
步驟三，采集當前閥門開度數據；
步驟四，判斷用戶現場設定的閥門開度數據與當前閥門開度數據是否相等:
如相等則轉至步驟二；
如不等則計算二者差值，根據差值分析相應的驅動電機脈沖控制信號，進而控制驅動電機的轉動，從而改變閥門開度;重復步驟三至步驟四，直至當前閥門開度與用戶現場設定的閥門開度相等；
步驟五，獲取用戶遠程設定的閥門開度數據；
步驟六，采集當前閥門開度數據；
步驟七，判斷用戶遠程設定的閥門開度數據與當前閥門開度數據是否相等:
如相等則轉至步驟五；
如不等則計算二者差值，根據差值分析相應的驅動電機脈沖控制信號，進而控制驅動電機的轉動，從而改變閥門開度;重復步驟五至步驟七，直至當前閥門開度與用戶遠程設定的閥門開度相等。
[0014]進一步的，本發明方法步驟一在獲取用戶設定的控制模式類型之前，還獲取當前閥門開度數據。此時獲取的開度數據主要用于終端下位機顯示單元與PC端的數據顯示，以便遠程操作人員及現場工作人員獲知相關信息，并根據當前開度設置所需的閥門開度。
[0015]本發明的有益效果為:本發明的系統和方法可適用于管道閥門的現場或遠程控制，控制方便，可靠性高。基于組態控制的遠程控制方式可適應較遠距離的控制需求，解決水下、高空等場合閥門控制操作不便的窘境，適應當前潮流，操作員只需坐在PC端，即可通過上位機了解閥門當前狀態并實施控制，閥門控制變得方便許多，極大地節省了人力。
【附圖說明】
[0016]圖1所示為本發明一種具體實施例的系統結構示意圖；
圖2所示為本發明一種具體實施例的方法流程示意圖；
圖3所示為上位機與下位機通信結構示意圖；
圖4所示為組態過程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖和具體實施例進一步描述。
[0018]請參考圖1，本發明的管道閥門控制系統，包括下位機和上位機；
下位機包括控制器以及分別連接控制器的開度采集單元、模式選擇單元、閥門開度現場設定單元和開度控制單元;模式選擇單元中設有可切換現場控制模式與遠程控制模式的模式切換開關;開度控制單元包括輸出軸連接閥門的驅動電機；
上位機中設有MCGS平臺，MCGS平臺的設備工具箱中設有控制器驅動構件;所述控制器驅動構件包括當前開度采集單元和開度設定單元;開度設定單元中預設有開度設定值；下位機中，控制器通過開度采集單元采集閥門當前開度信號，通過模式選擇單元獲取用戶的模式選擇信號，通過閥門開度現場設定單元獲取用戶在現場設定的閥門開度設定值；
上位機連接控制器，利用當前開度采集單元從控制器獲取閥門當前開度信號，利用開度設定單元向控制器發送用戶遠程設定的閥門開度設定值；
當控制器獲取到的模式選擇信號對應現場控制模式時，控制器將閥門當前開度信號與用戶現場設定的閥門開度設定值進行比較，并根據兩者之間的差值，控制開度控制單元中驅動電機的運行，從而改變閥門的開度，使得閥門開度與用戶現場設定的閥門開度設定值相符；
當控制器獲取到的模式選擇信號對應遠程控制模式時，控制器將閥門當前開度信號與用戶遠程設定的閥門開度設定值進行比較，并根據兩者之間的差值，控制開度控制單元中驅動電機的運行，從而改變閥門的開度，使得閥門開度與用戶遠程設定的閥門開度設定值相符。
實施例
[0019]圖1所示的實施例中，下位機控制器通過RS232串口連接上位機，實現與MCGS平臺的數據通信。上位機采用PC計算機。下位機中的控制器為單片機，選用現有的AT89S52，外接晶振頻率11.0592MHz。
[0020]下位機還包括顯示單元，采用現有的液晶顯示器如IXD1602集成模塊，其直接與單片機的I/o 口連接。單片機可將當前閥門開度值、閥門開度設定值，及驅動電機運行過程中采集到的動態變化的閥門開度值數據傳輸至顯示模塊中，以便現場工作人員更直觀獲知。
[0021]開度控制單元的驅動電機為步進電機。開度控制單元還包括電機驅動模塊，電機驅動模塊采用ULN2003高耐壓、大電流復合晶體管，提供足以讓步進電機正常工作的電流。單片機通過ULN2003控制步進電機的運行，進而改變閥門開度。步進電機以脈沖控制方式工作，給它一個脈沖，電機就轉動一定角度，控制脈沖個數即可控制電機轉動角度，而電機轉動速度則由脈沖頻率決定。
[0022]下位機中開度采集單元與閥門開度現場設定單元還包括A\D采集器，閥門開度現場設定單元采用電位器，即開度設定電位器。A\D采集器的輸入端分別連接開度設定電位器輸出端以及被控閥門的電位器輸出端，A\D采集器的輸出端連接控制器。電位器輸出的為電壓信號，不同電壓信號對應不同的開度數值。型號PCF8591的AD采集器芯片具有4路模擬輸入和I路模擬輸出，本實施例為了簡化系統結構將兩路閥門開度信號采集集成于一個AD采集器中。
[0023]圖2所示實施例中，基于上述系統的管道閥門控制方法，包括以下步驟:
步驟一，獲取用戶設定的控制模式類型，判斷控制模式為現場控制模式還是遠程控制模式，如為現場控制模式則轉至步驟二，如為遠程控制模式則轉至步驟五；
步驟二，采集用戶現場設定的閥門開度數據；
步驟三，采集當前閥門開度數據；
步驟四，判斷用戶現場設定的閥門開度數據與當前閥門開度數據是否相等:
如相等則轉至步驟二；
如不等則計算二者差值，根據差值分析相應的驅動電機脈沖控制信號，進而控制驅動電機的轉動，從而改變閥門開度;重復步驟三至步驟四，直至當前閥門開度與用戶現場設定的閥門開度相等；
步驟五，獲取用戶遠程設定的閥門開度數據；
步驟六，采集當前閥門開度數據；
步驟七，判斷用戶遠程設定的閥門開度數據與當前閥門開度數據是否相等:
如相等則轉至步驟五；
如不等則計算二者差值，根據差值分析相應的驅動電機脈沖控制信號，進而控制驅動電機的轉動，從而改變閥門開度;重復步驟五至步驟七，直至當前閥門開度與用戶遠程設定的閥門開度相等。
[0024]步驟一在獲取用戶設定的控制模式類型之前，還獲取當前閥門開度數據。此時獲取的開度數據主要用于終端下位機顯示單元與PC端的數據顯示，以便遠程操作人員及現場工作人員獲知相關信息，并根據當前開度設置所需的閥門開度。
[0025]下位機控制器功能實現:
采用單片機的下位機控制器程序使用Keil uVis1n3編寫，軟件功能模塊與硬件模塊相對應。如圖2所示的實施例，啟動系統后，采集當前閥門開度，并在液晶屏上顯示，同時將該開度信息發送給上位機。然后判斷工作方式:現場方式下，閥門開度設定通過現場開度設定電位器給定;遠程方式下，閥門開度設定值從上位機處獲得，由用于通過人機接口界面設定。對閥門控制采用經典反饋方式，實時采集當前閥門開度，與預設值比較，轉動角度取決于當前閥門開度與設定值之間的誤差，轉速由脈沖間隔決定，通過控制電機相序即可控制其正反轉，也即開大閥門或關小閥門。
[0026]上位機PC功能實現:
如附圖3所示，上位機設計包括MCGS設備驅動構件編寫及組態設計。
[0027]I)本發明中，上位機中MCGS平臺中的設備驅動構件是下位機中控制器與上位機通信的橋梁，MCGS平臺除進行設備驅動構件的編寫外，還包括組態設計，組態設計即完成一系列控制邏輯及人機交互界面的設計。MCGS平臺為用戶提供了一套可擴充的接口規范和配套的高級開發工具包，用戶可將自己編制的設備驅動構件掛接到設備工具箱里，即可在組態環境中使用。與VB、VC等編程語言相比，MCGS配套的腳本開發工具簡單易學，可以極大地縮短開發時間。在采用MCGS腳本開發工具編寫控制器腳本驅動構件時，驅動構件通常包含初始化腳本、采集腳本、單通道寫腳本和退出腳本四個部分，本發明的當前開度采集單元和開度設定單元即分別對應采集腳本和單通道寫腳本。初始化腳本在MCGS啟動時自動調用，完成一些初始化工作，采集腳本的調用用于從設備處獲取數據，解析后賦值給相應通道，單通道寫腳本在其所連接的通道值發生變化時得到調用，當退出MCGS時自動調用退出腳本，完成一些清理工作。將編制好的設備驅動構件掛接到MCGS設備工具箱中，這樣就可在組態環境中使用它進行設計了。使用時需要掛接到通用串口父設備下。
[0028]2)參考附圖4，組態過程包括組態設計、生成目標數據庫文件、運行。組態設計在組態環境中進行，組態結果為一個數據庫文件，運行環境負責解釋執行組態結果。
[0029]建立實時數據庫，它是組態過程的紐帶，組態中的所有動畫效果及組態邏輯實質上是通過數據對象來實現的。在此，建立了5個數據對象，分別為:當前閥門開度、閥門開度輸入、開足、關足、輸入開度。其中，當前閥門開度用于接收下位機傳送來的當前閥門開度，值范圍0-100;閥門開度輸入為MCGS欲設定的閥門開度值，范圍0-100;開足、關足為開關型變量，分別用于控制閥門開到最大和完全關閉；輸入開度為開關型，在用戶窗口中，用于控制閥門開度輸入框的可見度的對象。用戶界面，包括一個閥門及管道，閥門開度輸入框、開足、關足按鈕及必要的標簽等元件，然后根據控制邏輯設定各對象操作屬性及動作效果。組態設置好后，編譯生成數據庫文件，即可運行，運行過程是在運行環境中進行的。
【主權項】
1.一種管道閥門控制系統，其特征是，包括下位機和上位機； 下位機包括控制器以及分別連接控制器的開度采集單元、模式選擇單元、閥門開度現場設定單元和開度控制單元;模式選擇單元中設有可切換現場控制模式與遠程控制模式的模式切換開關;開度控制單元包括輸出軸連接閥門的驅動電機； 上位機中設有MCGS平臺，MCGS平臺的設備工具箱中設有控制器驅動構件;所述控制器驅動構件包括當前開度采集單元和開度設定單元;開度設定單元中預設有開度設定值； 下位機中，控制器通過開度采集單元采集閥門當前開度信號，通過模式選擇單元獲取用戶的模式選擇信號，通過閥門開度現場設定單元獲取用戶在現場設定的閥門開度設定值； 上位機連接控制器，利用當前開度采集單元從控制器獲取閥門當前開度信號，利用開度設定單元向控制器發送用戶遠程設定的閥門開度設定值； 當控制器獲取到的模式選擇信號對應現場控制模式時，控制器將閥門當前開度信號與用戶現場設定的閥門開度設定值進行比較，并根據兩者之間的差值，控制開度控制單元中驅動電機的運行，從而改變閥門的開度，使得閥門開度與用戶現場設定的閥門開度設定值相符； 當控制器獲取到的模式選擇信號對應遠程控制模式時，控制器將閥門當前開度信號與用戶遠程設定的閥門開度設定值進行比較，并根據兩者之間的差值，控制開度控制單元中驅動電機的運行，從而改變閥門的開度，使得閥門開度與用戶遠程設定的閥門開度設定值相符。2.根據權利要求1所述的管道閥門控制系統，其特征是，下位機還包括顯示單元，顯示單元的輸入端連接控制器。3.根據權利要求1所述的管道閥門控制系統，其特征是，下位機中開度采集單元與閥門開度現場設定單元還包括A\D采集器，閥門開度現場設定單元采用電位器，A\D采集器的輸入端分別連接閥門開度現場設定單元的輸出端，以及被控閥門的電位器輸出端，A\D采集器的輸出端連接控制器。4.根據權利要求1所述的管道閥門控制系統，其特征是，開度控制單元還包括電機驅動模塊，控制器通過電機驅動模塊控制驅動電機的運行；電機驅動模塊采用ULN2003復合晶體管，開度控制單元的驅動電機為步進電機。5.根據權利要求1至4任一項所述的管道閥門控制系統，其特征是，下位機中的控制器為單片機。6.基于權利要求1至5所述管道閥門控制系統的管道閥門控制方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一，獲取用戶設定的控制模式類型，判斷控制模式為現場控制模式還是遠程控制模式，如為現場控制模式則轉至步驟二，如為遠程控制模式則轉至步驟五； 步驟二，采集用戶現場設定的閥門開度數據； 步驟三，采集當前閥門開度數據； 步驟四，判斷用戶現場設定的閥門開度數據與當前閥門開度數據是否相等: 如相等則轉至步驟二； 如不等則計算二者差值，根據差值分析相應的驅動電機脈沖控制信號，進而控制驅動電機的轉動，從而改變閥門開度;重復步驟三至步驟四，直至當前閥門開度與用戶現場設定的閥門開度相等； 步驟五，獲取用戶遠程設定的閥門開度數據； 步驟六，采集當前閥門開度數據； 步驟七，判斷用戶遠程設定的閥門開度數據與當前閥門開度數據是否相等: 如相等則轉至步驟五； 如不等則計算二者差值，根據差值分析相應的驅動電機脈沖控制信號，進而控制驅動電機的轉動，從而改變閥門開度;重復步驟五至步驟七，直至當前閥門開度與用戶遠程設定的閥門開度相等。7.根據權利要求6所述的方法，其特征是，步驟一在獲取用戶設定的控制模式類型之前，還獲取當前閥門開度數據。
【文檔編號】F16K31/02GK105972284SQ201610302144
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】朱云凱, 呂欣欣, 劉倪宣, 費峻濤, 倪建軍
【申請人】河海大學常州校區