一种管道阀门控制系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种管道阀门控制系统和方法，系统包括下位机和上位机；下位机包括控制器以及分别连接控制器的开度采集单元、模式选择单元、阀门开度现场设定单元和开度控制单元；上位机中设有当前开度采集单元和开度设定单元；控制器通过开度采集单元采集阀门当前开度信号，通过模式选择单元获取用户的模式选择信号，通过阀门开度现场设定单元获取用户在现场设定的阀门开度设定值；上位机连接控制器，获取阀门当前开度信号，并向控制器发送用户远程设定的阀门开度设定值；控制器根据控制模式，将现场或远程设定的开度值与当前开度值进行对比，然后根据对比结果控制开度控制单元改变阀门开度。本发明可工作于现场或远程控制方式，系统成本低，可靠性高。
【专利说明】
一种管道阀门控制系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及组态控制、阀门控制技术领域，特别是一种运用组态控制技术实现对阀门进行控制的管道阀门控制系统和方法。
【背景技术】
[0002]阀门作为管道的重要执行机构，广泛用于水利、工业等领域。最初的阀门控制采用手动方式，即:通过手动调节阀门机械臂来调节阀门的开度，这种方式简单，成本低。但是其弊端也很明显，开度不好控制且浪费人力，且水下、高空等场合操作困难。
[0003]随着工业的不断进步，智能化概念渐渐深入人心，阀门的控制也朝着集成化、数字化、智能化的方向发展。原始的机械式现场手动控制方式已不能满足当前多数领域日新月异的要求，取而代之的是以微电子技术为核心的新型智能控制方法。
[0004]目前阀门控制方法很多，控制系统机构纷繁杂类，不过多数并无远程控制的功能，且造价较高。
[0005]MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，用户无需具备计算机编程知识，就可以在短时间内轻而易举的完成一个运行稳定，功能全面，维护量小，且具备专业水准的监控系统开发工作。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题为:利用组态控制技术实现对阀门的控制，可工作于现场或远程控制方式，系统成本低，可靠性高，控制难度低。
[0007]本发明采取的技术方案具体为:一种管道阀门控制系统，包括下位机和上位机； 下位机包括控制器以及分别连接控制器的开度采集单元、模式选择单元、阀门开度现场设定单元和开度控制单元;模式选择单元中设有可切换现场控制模式与远程控制模式的模式切换开关;开度控制单元包括输出轴连接阀门的驱动电机；
上位机中设有MCGS平台，MCGS平台的设备工具箱中设有控制器驱动构件;所述控制器驱动构件包括当前开度采集单元和开度设定单元;开度设定单元中预设有开度设定值；下位机中，控制器通过开度采集单元采集阀门当前开度信号，通过模式选择单元获取用户的模式选择信号，通过阀门开度现场设定单元获取用户在现场设定的阀门开度设定值；
上位机连接控制器，利用当前开度采集单元从控制器获取阀门当前开度信号，利用开度设定单元向控制器发送用户远程设定的阀门开度设定值；
当控制器获取到的模式选择信号对应现场控制模式时，控制器将阀门当前开度信号与用户现场设定的阀门开度设定值进行比较，并根据两者之间的差值，控制开度控制单元中驱动电机的运行，从而改变阀门的开度，使得阀门开度与用户现场设定的阀门开度设定值相符；
当控制器获取到的模式选择信号对应远程控制模式时，控制器将阀门当前开度信号与用户远程设定的阀门开度设定值进行比较，并根据两者之间的差值，控制开度控制单元中驱动电机的运行，从而改变阀门的开度，使得阀门开度与用户远程设定的阀门开度设定值相符。
[0008]本发明中下位机控制器通过RS232串口连接上位机，实现与MCGS平台的数据通信。上位机采用PC计算机。
[0009]进一步的，本发明中，下位机还包括显示单元，显示单元的输入端连接控制器。控制器可将当前阀门开度值、阀门开度设定值，及驱动电机运行过程中采集到的动态变化的阀门开度值数据传输至显示模块中，以便现场工作人员更直观获知。显示单元可采用现有的液晶显示器如IXD1602集成模块，其直接与单片机的I/O 口连接。
[0010]优选的，本发明开度控制单元还包括电机驱动模块，控制器通过电机驱动模块控制驱动电机的运行；电机驱动模块采用ULN2003复合晶体管，开度控制单元的驱动电机为步进电机。步进电机控制方式与其他电机不同，它以脉冲控制方式工作，给它一个脉冲，电机就转动一定角度，控制脉冲个数即可控制电机转动角度，而电机转动速度则由脉冲频率决定。由于单片机输出端口输出电流低，无法直接驱动步进电机，故采用ULN2003高耐压、大电流复合晶体管以提供足以让步进电机正常工作的电流。
[0011]优选的，本发明下位机中开度采集单元与阀门开度现场设定单元还包括A\D采集器，阀门开度现场设定单元采用电位器，A\D采集器的输入端分别连接阀门开度现场设定单元的输出端，以及被控阀门的电位器输出端，A\D采集器的输出端连接控制器。电位器输出的为电压信号，不同电压信号对应不同的开度数值。本发明为了简化系统结构将两路阀门开度信号采集集成于一个AD采集器中。
[0012]优选的，本发明下位机中的控制器为单片机。可选用现有的AT89S52，外接晶振频率11.0592MHz。单片机价格便宜，可得性高，控制方便，且可靠性能满足要求不高的场合。[0013 ]本发明还公开基于上述系统的管道阀门控制方法，包括以下步骤:
步骤一，获取用户设定的控制模式类型，判断控制模式为现场控制模式还是远程控制模式，如为现场控制模式则转至步骤二，如为远程控制模式则转至步骤五；
步骤二，采集用户现场设定的阀门开度数据；
步骤三，采集当前阀门开度数据；
步骤四，判断用户现场设定的阀门开度数据与当前阀门开度数据是否相等:
如相等则转至步骤二；
如不等则计算二者差值，根据差值分析相应的驱动电机脉冲控制信号，进而控制驱动电机的转动，从而改变阀门开度;重复步骤三至步骤四，直至当前阀门开度与用户现场设定的阀门开度相等；
步骤五，获取用户远程设定的阀门开度数据；
步骤六，采集当前阀门开度数据；
步骤七，判断用户远程设定的阀门开度数据与当前阀门开度数据是否相等:
如相等则转至步骤五；
如不等则计算二者差值，根据差值分析相应的驱动电机脉冲控制信号，进而控制驱动电机的转动，从而改变阀门开度;重复步骤五至步骤七，直至当前阀门开度与用户远程设定的阀门开度相等。
[0014]进一步的，本发明方法步骤一在获取用户设定的控制模式类型之前，还获取当前阀门开度数据。此时获取的开度数据主要用于终端下位机显示单元与PC端的数据显示，以便远程操作人员及现场工作人员获知相关信息，并根据当前开度设置所需的阀门开度。
[0015]本发明的有益效果为:本发明的系统和方法可适用于管道阀门的现场或远程控制，控制方便，可靠性高。基于组态控制的远程控制方式可适应较远距离的控制需求，解决水下、高空等场合阀门控制操作不便的窘境，适应当前潮流，操作员只需坐在PC端，即可通过上位机了解阀门当前状态并实施控制，阀门控制变得方便许多，极大地节省了人力。
【附图说明】
[0016]图1所示为本发明一种具体实施例的系统结构示意图；
图2所示为本发明一种具体实施例的方法流程示意图；
图3所示为上位机与下位机通信结构示意图；
图4所示为组态过程示意图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图和具体实施例进一步描述。
[0018]请参考图1，本发明的管道阀门控制系统，包括下位机和上位机；
下位机包括控制器以及分别连接控制器的开度采集单元、模式选择单元、阀门开度现场设定单元和开度控制单元;模式选择单元中设有可切换现场控制模式与远程控制模式的模式切换开关;开度控制单元包括输出轴连接阀门的驱动电机；
上位机中设有MCGS平台，MCGS平台的设备工具箱中设有控制器驱动构件;所述控制器驱动构件包括当前开度采集单元和开度设定单元;开度设定单元中预设有开度设定值；下位机中，控制器通过开度采集单元采集阀门当前开度信号，通过模式选择单元获取用户的模式选择信号，通过阀门开度现场设定单元获取用户在现场设定的阀门开度设定值；
上位机连接控制器，利用当前开度采集单元从控制器获取阀门当前开度信号，利用开度设定单元向控制器发送用户远程设定的阀门开度设定值；
当控制器获取到的模式选择信号对应现场控制模式时，控制器将阀门当前开度信号与用户现场设定的阀门开度设定值进行比较，并根据两者之间的差值，控制开度控制单元中驱动电机的运行，从而改变阀门的开度，使得阀门开度与用户现场设定的阀门开度设定值相符；
当控制器获取到的模式选择信号对应远程控制模式时，控制器将阀门当前开度信号与用户远程设定的阀门开度设定值进行比较，并根据两者之间的差值，控制开度控制单元中驱动电机的运行，从而改变阀门的开度，使得阀门开度与用户远程设定的阀门开度设定值相符。
实施例
[0019]图1所示的实施例中，下位机控制器通过RS232串口连接上位机，实现与MCGS平台的数据通信。上位机采用PC计算机。下位机中的控制器为单片机，选用现有的AT89S52，外接晶振频率11.0592MHz。
[0020]下位机还包括显示单元，采用现有的液晶显示器如IXD1602集成模块，其直接与单片机的I/o 口连接。单片机可将当前阀门开度值、阀门开度设定值，及驱动电机运行过程中采集到的动态变化的阀门开度值数据传输至显示模块中，以便现场工作人员更直观获知。
[0021]开度控制单元的驱动电机为步进电机。开度控制单元还包括电机驱动模块，电机驱动模块采用ULN2003高耐压、大电流复合晶体管，提供足以让步进电机正常工作的电流。单片机通过ULN2003控制步进电机的运行，进而改变阀门开度。步进电机以脉冲控制方式工作，给它一个脉冲，电机就转动一定角度，控制脉冲个数即可控制电机转动角度，而电机转动速度则由脉冲频率决定。
[0022]下位机中开度采集单元与阀门开度现场设定单元还包括A\D采集器，阀门开度现场设定单元采用电位器，即开度设定电位器。A\D采集器的输入端分别连接开度设定电位器输出端以及被控阀门的电位器输出端，A\D采集器的输出端连接控制器。电位器输出的为电压信号，不同电压信号对应不同的开度数值。型号PCF8591的AD采集器芯片具有4路模拟输入和I路模拟输出，本实施例为了简化系统结构将两路阀门开度信号采集集成于一个AD采集器中。
[0023]图2所示实施例中，基于上述系统的管道阀门控制方法，包括以下步骤:
步骤一，获取用户设定的控制模式类型，判断控制模式为现场控制模式还是远程控制模式，如为现场控制模式则转至步骤二，如为远程控制模式则转至步骤五；
步骤二，采集用户现场设定的阀门开度数据；
步骤三，采集当前阀门开度数据；
步骤四，判断用户现场设定的阀门开度数据与当前阀门开度数据是否相等:
如相等则转至步骤二；
如不等则计算二者差值，根据差值分析相应的驱动电机脉冲控制信号，进而控制驱动电机的转动，从而改变阀门开度;重复步骤三至步骤四，直至当前阀门开度与用户现场设定的阀门开度相等；
步骤五，获取用户远程设定的阀门开度数据；
步骤六，采集当前阀门开度数据；
步骤七，判断用户远程设定的阀门开度数据与当前阀门开度数据是否相等:
如相等则转至步骤五；
如不等则计算二者差值，根据差值分析相应的驱动电机脉冲控制信号，进而控制驱动电机的转动，从而改变阀门开度;重复步骤五至步骤七，直至当前阀门开度与用户远程设定的阀门开度相等。
[0024]步骤一在获取用户设定的控制模式类型之前，还获取当前阀门开度数据。此时获取的开度数据主要用于终端下位机显示单元与PC端的数据显示，以便远程操作人员及现场工作人员获知相关信息，并根据当前开度设置所需的阀门开度。
[0025]下位机控制器功能实现:
采用单片机的下位机控制器程序使用Keil uVis1n3编写，软件功能模块与硬件模块相对应。如图2所示的实施例，启动系统后，采集当前阀门开度，并在液晶屏上显示，同时将该开度信息发送给上位机。然后判断工作方式:现场方式下，阀门开度设定通过现场开度设定电位器给定;远程方式下，阀门开度设定值从上位机处获得，由用于通过人机接口界面设定。对阀门控制采用经典反馈方式，实时采集当前阀门开度，与预设值比较，转动角度取决于当前阀门开度与设定值之间的误差，转速由脉冲间隔决定，通过控制电机相序即可控制其正反转，也即开大阀门或关小阀门。
[0026]上位机PC功能实现:
如附图3所示，上位机设计包括MCGS设备驱动构件编写及组态设计。
[0027]I)本发明中，上位机中MCGS平台中的设备驱动构件是下位机中控制器与上位机通信的桥梁，MCGS平台除进行设备驱动构件的编写外，还包括组态设计，组态设计即完成一系列控制逻辑及人机交互界面的设计。MCGS平台为用户提供了一套可扩充的接口规范和配套的高级开发工具包，用户可将自己编制的设备驱动构件挂接到设备工具箱里，即可在组态环境中使用。与VB、VC等编程语言相比，MCGS配套的脚本开发工具简单易学，可以极大地缩短开发时间。在采用MCGS脚本开发工具编写控制器脚本驱动构件时，驱动构件通常包含初始化脚本、采集脚本、单通道写脚本和退出脚本四个部分，本发明的当前开度采集单元和开度设定单元即分别对应采集脚本和单通道写脚本。初始化脚本在MCGS启动时自动调用，完成一些初始化工作，采集脚本的调用用于从设备处获取数据，解析后赋值给相应通道，单通道写脚本在其所连接的通道值发生变化时得到调用，当退出MCGS时自动调用退出脚本，完成一些清理工作。将编制好的设备驱动构件挂接到MCGS设备工具箱中，这样就可在组态环境中使用它进行设计了。使用时需要挂接到通用串口父设备下。
[0028]2)参考附图4，组态过程包括组态设计、生成目标数据库文件、运行。组态设计在组态环境中进行，组态结果为一个数据库文件，运行环境负责解释执行组态结果。
[0029]建立实时数据库，它是组态过程的纽带，组态中的所有动画效果及组态逻辑实质上是通过数据对象来实现的。在此，建立了5个数据对象，分别为:当前阀门开度、阀门开度输入、开足、关足、输入开度。其中，当前阀门开度用于接收下位机传送来的当前阀门开度，值范围0-100;阀门开度输入为MCGS欲设定的阀门开度值，范围0-100;开足、关足为开关型变量，分别用于控制阀门开到最大和完全关闭；输入开度为开关型，在用户窗口中，用于控制阀门开度输入框的可见度的对象。用户界面，包括一个阀门及管道，阀门开度输入框、开足、关足按钮及必要的标签等元件，然后根据控制逻辑设定各对象操作属性及动作效果。组态设置好后，编译生成数据库文件，即可运行，运行过程是在运行环境中进行的。
【主权项】
1.一种管道阀门控制系统，其特征是，包括下位机和上位机； 下位机包括控制器以及分别连接控制器的开度采集单元、模式选择单元、阀门开度现场设定单元和开度控制单元;模式选择单元中设有可切换现场控制模式与远程控制模式的模式切换开关;开度控制单元包括输出轴连接阀门的驱动电机； 上位机中设有MCGS平台，MCGS平台的设备工具箱中设有控制器驱动构件;所述控制器驱动构件包括当前开度采集单元和开度设定单元;开度设定单元中预设有开度设定值； 下位机中，控制器通过开度采集单元采集阀门当前开度信号，通过模式选择单元获取用户的模式选择信号，通过阀门开度现场设定单元获取用户在现场设定的阀门开度设定值； 上位机连接控制器，利用当前开度采集单元从控制器获取阀门当前开度信号，利用开度设定单元向控制器发送用户远程设定的阀门开度设定值； 当控制器获取到的模式选择信号对应现场控制模式时，控制器将阀门当前开度信号与用户现场设定的阀门开度设定值进行比较，并根据两者之间的差值，控制开度控制单元中驱动电机的运行，从而改变阀门的开度，使得阀门开度与用户现场设定的阀门开度设定值相符； 当控制器获取到的模式选择信号对应远程控制模式时，控制器将阀门当前开度信号与用户远程设定的阀门开度设定值进行比较，并根据两者之间的差值，控制开度控制单元中驱动电机的运行，从而改变阀门的开度，使得阀门开度与用户远程设定的阀门开度设定值相符。2.根据权利要求1所述的管道阀门控制系统，其特征是，下位机还包括显示单元，显示单元的输入端连接控制器。3.根据权利要求1所述的管道阀门控制系统，其特征是，下位机中开度采集单元与阀门开度现场设定单元还包括A\D采集器，阀门开度现场设定单元采用电位器，A\D采集器的输入端分别连接阀门开度现场设定单元的输出端，以及被控阀门的电位器输出端，A\D采集器的输出端连接控制器。4.根据权利要求1所述的管道阀门控制系统，其特征是，开度控制单元还包括电机驱动模块，控制器通过电机驱动模块控制驱动电机的运行；电机驱动模块采用ULN2003复合晶体管，开度控制单元的驱动电机为步进电机。5.根据权利要求1至4任一项所述的管道阀门控制系统，其特征是，下位机中的控制器为单片机。6.基于权利要求1至5所述管道阀门控制系统的管道阀门控制方法，其特征是，包括以下步骤: 步骤一，获取用户设定的控制模式类型，判断控制模式为现场控制模式还是远程控制模式，如为现场控制模式则转至步骤二，如为远程控制模式则转至步骤五； 步骤二，采集用户现场设定的阀门开度数据； 步骤三，采集当前阀门开度数据； 步骤四，判断用户现场设定的阀门开度数据与当前阀门开度数据是否相等: 如相等则转至步骤二； 如不等则计算二者差值，根据差值分析相应的驱动电机脉冲控制信号，进而控制驱动电机的转动，从而改变阀门开度;重复步骤三至步骤四，直至当前阀门开度与用户现场设定的阀门开度相等； 步骤五，获取用户远程设定的阀门开度数据； 步骤六，采集当前阀门开度数据； 步骤七，判断用户远程设定的阀门开度数据与当前阀门开度数据是否相等: 如相等则转至步骤五； 如不等则计算二者差值，根据差值分析相应的驱动电机脉冲控制信号，进而控制驱动电机的转动，从而改变阀门开度;重复步骤五至步骤七，直至当前阀门开度与用户远程设定的阀门开度相等。7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，步骤一在获取用户设定的控制模式类型之前，还获取当前阀门开度数据。
【文档编号】F16K31/02GK105972284SQ201610302144
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】朱云凯, 吕欣欣, 刘倪宣, 费峻涛, 倪建军
【申请人】河海大学常州校区