一种用于物联网智能化除尘设备系统的智能自控系统的制作方法

本发明涉及智能自动控制技术领域，具体地说是涉及一种用于物联网智能化除尘设备系统的智能自控系统。

背景技术：

近几年，由于工厂生产环境内的除尘设备未能实现良好的除尘效果，以致爆发各种规模不一的火灾、爆炸等生产安全事故。事故发生的原因在于在设备及管道等密闭环境下，粉尘、有害或易燃易爆气体达到一定浓度易产生爆炸，并且在浓度较轻的情况下，易对该环境下工作的人员身体健康造成损害。另外，就当前情况而言，无法解决设备密闭环境下除尘设备开启的准确时间，如果长时间除尘设备处于长期开启状态，容易造成资源浪费，并在一定程度上也缩短了除尘设备的使用寿命。

物联网的定义是：通过感知、识别的信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。因此，采用物联网可对设备及管道等密闭环境下除尘设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节及各类信号报警等功能，也就是实现在密闭生产环境下的智能化除尘应用领域的“感知”。与物联网感知紧密结合的就是智能化自动控制，只有物联网感知与智能化自动控制两者得到充分发挥才能实现不需人工干预的、完全自动控制的智能化除尘管控。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于物联网智能化除尘设备系统的智能自控系统，该系统整体结构设计巧妙，能够根据物联网感知来的监测数据对密闭环境内的除尘设备实现无人工干预的、智能化自动遥控，具有良好的自动化除尘控制效果，系统运行稳定可靠，有效改善了易燃易爆的粉尘和各种危化品对生产环境造成的污染。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种用于物联网智能化除尘设备系统的智能自控系统，包括控制除尘设备开关的现场启闭控制装置、现场传感数据监测组件、下位机（或工控机）、工业以太网和上位机，所述现场启闭控制装置通过现场总线连接下位机，所述现场传感数据监测组件通过数据电缆连接下位机，所述下位机通过工业以太网连接上位机，所述下位机包括电源管理模块、数据转换模块、数据处理模块、以太网通信模块和数据隔离模块，所述电源管理模块分别为数据转换模块、数据处理模块、以太网通信模块和数据隔离模块提供电源，所述数据转换模块通过数据隔离模块连接数据处理模块，所述以太网通信模块连接数据处理模块；所述数据转换模块连接现场启闭控制装置和现场传感数据监测组件，所述以太网通信模块的网络通信接口接入工业以太网。

作为本发明的一种改进，所述现场启闭控制装置包括多组继电器和继电器驱动电路，所述现场传感数据监测组件包括设置在现场监测节点的传感监测模块和监测终端，所述传感监测模块包括传感器和zigbee终端，所述传感监测模块通过zigbee终端与监测终端互联通信，所述监测终端通过数据电缆连接数据转换模块。

作为本发明的一种改进，所述电源管理模块包括宽电压输入电源模块、dc/dc电源模块和直流稳压器，所述宽电压输入电源模块的输入端连接直流电源，宽电压输入电源模块的输出端分别连接dc/dc电源模块和直流稳压器的输入端，所述宽电压输入电源模块提供5vdc输出接口和15vdc输出接口，所述dc/dc电源模块提供1.2vdc输出接口和3.3vdc输出接口，所述直流稳压器提供2.5vdc输出接口。

作为本发明的一种改进，所述数据转换模块包括ad模块和da模块，所述ad模块包括多路复用器、信号放大器和adc芯片，所述多路复用器的输入端连接监测终端，多路复用器的输出端连接信号放大器的输入端，所述信号放大器的输出端连接adc芯片的输入端，所述adc芯片的输出端连接数据隔离模块；所述da模块包括dac芯片和基准电压源芯片，所述dac芯片的输入端连接数据隔离模块，dac芯片的输出端连接现场启闭控制装置，所述基准电压源芯片的输入端连接15vdc输出接口，基准电压源芯片的输出端连接dac芯片的refin引脚。

作为本发明的一种改进，所述数据处理模块采用fpga模块，所述fpga模块包括fpga芯片、fpga配置模块、fpgai/o口模块、fpga电源模块，所述fpga配置模块、fpgai/o口模块、fpga电源模块均与fpga芯片相连。

作为本发明的一种改进，所述以太网通信模块包括以太网协议芯片、以太网隔离变压器和led网络指示灯，所述以太网接口芯片的数据总线接口、地址总线接口以及控制信号线接口均连接fpgai/o口模块的以太网通信控制单元，所述以太网接口芯片通过网络通信接口的两路差分信号与以太网隔离变压器的输入端连接，所述以太网隔离变压器的输出端连接rj45接口模块，所述led网络指示灯连接以太网协议芯片的网络指示灯接口。

作为本发明的一种改进，所述数据隔离模块包括ad数据隔离单元和da数据隔离单元，所述ad数据隔离单元的输入端连接adc芯片的输出端，ad数据隔离单元的输出端连接fpgai/o口模块的ad数据单元，所述da数据隔离单元的输入端连接fpgai/o口模块的da数据单元，da数据隔离单元的输出端连接dac芯片的输入端。

作为本发明的一种改进，所述宽电压输入电源模块采用vrb2405d电源模块实现，所述fpga芯片采用ep3c40q240c8n，所述以太网协议芯片采用型号为w5300的以太网芯片，所述ad数据隔离单元和da数据隔离单元均采用四通道数字隔离器adum3481实现。

作为本发明的一种改进，所述上位机采用pc机，所述现场总线采用profibus-dp总线。

作为本发明的一种改进，所述fpgai/o口模块还包括键盘按钮触发单元，所述键盘按钮触发单元通过四通道数字隔离器adum3480连接fpga芯片的i/o口。

相对于现有技术，本发明所提出的智能自控系统的整体结构设计巧妙，拆卸组装维修更换方便，制造成本较低，能够根据现场传感数据监测组件中感知来的环境监测数据对密闭环境中的所有除尘设备进行智能化、自动化以及信息化的启动、关闭以及待机控制，能够有效改善易燃易爆的粉尘和各种危化品对生产环境造成的污染；系统采用模块化设计，具有良好的通用性及可扩展性，并且易于维护使用，长期使用时运行稳定可靠，具备良好的社会效益和经济效益。作为系统主要控制中心的下位机在硬件架构上比较简单，易于实现及使用，成本较低，由于以太网传输速度快、传输距离远，在下位机上采用fpga模块作为数据处理模块，作为下位机的核心控制单元，来控制以太网协议芯片w5300，从而可以与远程上位机进行实时通信的数据采集，实现对信号的高速采集和实时数据传输。

附图说明

图1为本发明的智能自控系统结构框图。

图2为本发明的智能自控系统的下位机结构示意图。

图3为本发明实施例的电源管理模块的电路图。

图4为本发明实施例的ad模块的电路图。

图5为本发明实施例的da模块的电路图。

图6为本发明实施例的fpga配置模块的电路图。

图7为本发明实施例的fpga电源模块的电路图。

图8为本发明实施例的fpgai/o口模块的电路图。

图9为本发明实施例的以太网通信模块的电路图。

图10为本发明实施例的数据隔离模块的电路图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

如图1和2所示，一种用于物联网智能化除尘设备系统的智能自控系统，尤其是针对易燃易爆粉尘的除尘设备系统及生产过程中的安全防爆、火花探测、自动灭火、自动报警、自动启闭、自动注入惰性气体、自动隔爆及泄爆等的智能化管控系统，包括控制除尘设备开关的现场启闭控制装置、现场传感数据监测组件、下位机、工业以太网和上位机，所述现场启闭控制装置通过现场总线连接下位机，所述现场传感数据监测组件通过数据电缆连接下位机，所述下位机通过工业以太网连接上位机，所述下位机包括电源管理模块、数据转换模块、数据处理模块、以太网通信模块和数据隔离模块，所述电源管理模块分别为数据转换模块、数据处理模块、以太网通信模块和数据隔离模块提供电源，所述数据转换模块通过数据隔离模块连接数据处理模块，所述以太网通信模块连接数据处理模块；所述数据转换模块连接现场启闭控制装置和现场传感数据监测组件，所述以太网通信模块的网络通信接口接入工业以太网。另外，系统中还设有与除尘设备相配套使用的辅助执行装置，包括有自动泄爆装置、自动联锁关停装置、自动声光报警装置、自动抑爆装置、自动火花探测装置、自动灭火装置、自动隔爆装置、自动注入惰性气体的装置等，所有辅助执行装置也与现场启闭控制装置相连，通过现场启闭控制装置实现智能化自动管控。

优选的是，所述现场启闭控制装置包括多组继电器和继电器驱动电路，所述继电器的组数与设置在现场除尘节点的除尘设备和辅助执行装置的控制开关数目相对应，通过继电器驱动电路对继电器的闭合与关断进行驱动控制，可有效保证除尘设备及辅助执行装置开关动作执行的稳定性。所述除尘设备包括风机除尘设备、水喷淋除尘设备和除静电设备中的任意一种或以上的组合，所述风机除尘设备、水喷淋除尘设备和除静电设备的控制开关均与继电器相连；所述风机除尘设备、水喷淋除尘设备和除静电设备的本身及其管道上设有现场监测节点。所述现场传感数据监测组件包括设置在现场监测节点的传感监测模块和监测终端，所述传感监测模块包括传感器和zigbee终端，所述传感监测模块通过zigbee终端与监测终端互联通信。另外，设置在位于管道上现场监测节点的所有传感监测模块均采用插件式的方式安装，有利于提高通用性。此外，所述现场除尘节点上设置的除尘设备以及现场监测节点上设置的传感监测模块均具有唯一的编号，从而可对每个现场除尘节点和现场监测节点上的所有除尘设备以及传感监测模块进行精确的定位控制，实现定点精确除尘，有效提高系统的节能减排效果。在实际应用时，所述传感监测模块包括粉尘浓度监测模块、voc监测模块、静电传感模块、pm2.5监测模块、火警传感监测模块、温湿度监测模块、前后压差监测模块、水流量水速传感模块、液位监测控制模块、水压力监测模块、空气压力与风速传感模块、氢气浓度监测控制模块、隔爆监测模块、防雷监测模块，所述粉尘浓度监测模块采用粉尘传感器，所述voc监测模块采用voc传感器，所述静电传感模块采用静电传感器，所述pm2.5监测模块采用pm2.5传感器，所述火警传感监测模块采用红外温度传感器，所述温湿度监测模块采用温湿度传感器，所述水流量水速传感模块采用水流传感器，所述空气压力与风速传感模块采用风速传感器和压力传感器，所述氢气浓度监测控制模块采用氢气传感器，所述液位监测控制模块采用液位计。所述粉尘传感器、voc传感器、静电传感器、pm2.5传感器、红外温度传感器、温湿度传感器、水流传感器、风速传感器、压力传感器、氢气传感器和液位计与相应传感监测模块的zigbee终端相连。所有传感监测模块是协同工作的关系，并始终处于联动监测的工作状态，针对铝镁粉尘混合的生产环境，特别是在受热的情况下，当铝镁粉尘的浓度达到一定值时就会发生爆炸，因此在监测过程中，既要采用粉尘浓度监测模块监测铝镁粉尘的浓度，又要采用静电传感模块、火警传感监测模块监测静电火花和明火同时采用温湿度监测模块监测室内温度，以防止发生爆炸。所述监测终端通过数据电缆连接数据转换模块，监测终端将对所有传感监测模块传输来的数据进行预处理，然后通过数据电缆传输给数据转换模块进行转换处理。

上述的智能自控系统在使用时，在现场除尘节点上按照除尘需求安装对应的除尘设备和辅助执行装置，同时在现场监测节点上按照监测需求安装相应的传感监测模块，并将所有传感监测模块接入监测终端，将所有除尘设备及辅助执行装置的控制开关通过继电器及继电器驱动电路接入下位机，然后将下位机通过工业以太网连接上位机。

通过上位机向下位机发送预设的系统运行参数，上位机的数据处理模块分别加载系统运行参数及与上位机连接的终端服务器ip地址后，监测终端开启所有传感监测模块进行传感数据监测，并将监测所得传感数据通过zigbee网络传输给监测终端，传感数据经监测终端处理后通过信号线缆传输给上位机的数据处理模块，在上位机的数据处理模块接收到监测终端发送来的超标的传感数据后，上位机的数据处理模块根据预设的控制指令向继电器驱动电路发送控制信号，继电器驱动电路根据控制信号产生高低电位信号控制继电器的开关，继而对除尘设备及辅助执行装置进行开关控制启动相对应的除尘功能。

进一步优选的是，所述电源管理模块包括宽电压输入电源模块、dc/dc电源模块和直流稳压器，所述宽电压输入电源模块的输入端连接24v直流电源，宽电压输入电源模块的输出端分别连接dc/dc电源模块和直流稳压器的输入端。整个电源管理模块可提供多路不同电压大小的直流电压输出，以供下位机中的所有模块使用。其中，所述宽电压输入电源模块提供5vdc输出接口和15vdc输出接口，所述dc/dc电源模块提供1.2vdc输出接口和3.3vdc输出接口，所述直流稳压器提供2.5vdc输出接口。

进一步优选的是，所述数据转换模块包括ad模块和da模块，所述ad模块包括多路复用器、信号放大器和adc芯片，所述多路复用器的输入端连接监测终端，多路复用器的输出端连接信号放大器的输入端，所述信号放大器的输出端连接adc芯片的输入端，所述adc芯片的输出端连接数据隔离模块。所述da模块包括dac芯片和基准电压源芯片，所述dac芯片的输入端连接数据隔离模块，dac芯片的输出端连接现场启闭控制装置的继电器驱动电路输入端口，为继电器驱动电路提供动作指令信号。所述基准电压源芯片的输入端连接15vdc输出接口，基准电压源芯片的输出端连接dac芯片的refin引脚，为dac芯片的正常工作提供基准电压。

进一步优选的是，所述数据处理模块采用fpga模块，所述fpga模块包括fpga芯片、fpga配置模块、fpgai/o口模块、fpga电源模块，所述fpga配置模块、fpgai/o口模块、fpga电源模块均与fpga芯片相连。

其中，所述fpga配置模块包括flash存储器芯片和外接接口，所述flash存储器芯片和fpga芯片的专用配置引脚相连，flash存储器芯片内部存储有fpga芯片上电工作的配置参数，用于完成对fpga模块的配置功能。所述外接接口和fpga芯片的jtag输入引脚相连，用于对fpga芯片实现芯片内部测试。所述fpgai/o口模块包括fpga时钟配置单元、ad数据单元、da数据单元和以太网通信控制单元，所述fpga时钟配置单元连接32.768mhz晶振，为fpga芯片提供50mhz工作时钟，pgai/o口模块是负责fpga模块对外的数据处理功能。所述ad数据单元、da数据单元和以太网通信控制单元均连接fpga芯片的i/o口，所述fpga电源模块包括锁相环模拟供电单元、i/o口供电单元和锁相环数字供电单元，所述锁相环模拟供电单元连接2.5vdc输出接口，所述i/o口供电单元连接3.3vdc输出接口，所述锁相环数字供电单元连接1.2vdc输出接口。因此，采用fpga电源模块为fpga模块供电。

进一步优选的是，所述以太网通信模块包括以太网协议芯片、以太网隔离变压器和led网络指示灯，所述以太网接口芯片的数据总线接口、地址总线接口以及控制信号线接口均连接fpgai/o口模块的以太网通信控制单元，所述以太网接口芯片通过网络通信接口的两路差分信号与以太网隔离变压器的输入端连接，所述以太网隔离变压器的输出端连接rj45接口模块，通过网络电缆线连接rj45接口模块和上位机，从而实现远程通信，所述led网络指示灯连接以太网协议芯片的网络指示灯接口，用于对以太网协议芯片的数据读写状态、全双工/半双工模式、ip地址冲突、网络连接以及网络速度进行指示。

进一步优选的是，所述数据隔离模块包括ad数据隔离单元和da数据隔离单元，所述ad数据隔离单元的输入端连接adc芯片的输出端，ad数据隔离单元的输出端连接fpgai/o口模块的ad数据单元，所述da数据隔离单元的输入端连接fpgai/o口模块的da数据单元，da数据隔离单元的输出端连接dac芯片的输入端。通过ad数据隔离单元和da数据隔离单元能够将ad模块和da模块与fpga模块进行有效隔离，避免对fpga模块产生干扰而影响整个下位机的工作性能。

进一步优选的是，如图3所示，所述宽电压输入电源模块采用vrb2405d电源模块实现，所述dc/dc电源模块采用pme5218t芯片设计实现，所述直流稳压器采用reg1117芯片设计实现。如图4所示，所述多路复用器采用多通道多路复用器adg1206实现，所述信号放大器采用单路放大器ad8031实现，所述adc芯片采用ad7851。如图5所示，所述dac芯片采用ad5755-1，所述基准电压源芯片采用adr02auj。如图6-8所示，所述fpga芯片采用ep3c40q240c8n，所述flash存储器芯片采用epcs64。如图9所示，所述以太网协议芯片采用型号为w5300的以太网芯片，所述以太网隔离变压器采用h1102网口变压器。如图10所示，所述ad数据隔离单元和da数据隔离单元均采用四通道数字隔离器adum3481实现。

进一步优选的是，所述上位机采用pc机，作为人机交互终端使用，主要用来发出操作指令和显示结果数据，而下位机主要用来监测和执行上位机的操作指令。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转化为数字信号后反馈给上位机。所述现场总线采用profibus-dp总线，其抗干扰能力强、数据传输速度快且实时性强，非常适合大范围的复杂通讯场合。

进一步优选的是，所述fpgai/o口模块还包括键盘按钮触发单元，所述键盘按钮触发单元通过四通道数字隔离器adum3480连接fpga芯片的i/o口。设置键盘按钮触发单元可外接操作键盘或按钮，从而可在紧急情况下采用人工干预的方式对除尘设备进行人工操作，实现了自动控制为主、人工监控为辅的高效稳定可靠的除尘目的，有效确保了密闭室内环境下的安全生产。

本发明所提出的用于物联网智能化除尘设备系统的智能自控系统适用于国家安全监管局印发的关于工贸行业重点可燃性粉尘目录中的金属制品加工、农副产品加工、木制、纸制品加工、纺织品加工、橡胶和塑料制品加工、冶金、有色、建材行业煤粉制备及其他所有粉尘生产环境的自动化、智能化除尘控制，具备良好的通用性、适用性、实用性和安全可靠性。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。