一种嵌入式模块化的船舶阀门控制装置的制作方法

本发明涉及一种船舶阀门控制装置，尤其涉及一种嵌入式模块化的阀门控制装置，属于船舶设备技术领域。

背景技术：

传统上，船舶阀门状态采集与控制箱往往体积庞大，使用高成本的plc作为信息处理与控制系统，然而随着船舶电器自动化技术的不断发展进步，船舶智能化水平不断提高，船舶设备不断趋于小型化、智能化、模块化，传统的阀控设备往往不能适应这些新的技术需求，另外，现有的采用plc作为信息处理与控制系统的技术方案，控制精度比较低，反应速度慢、可靠性也差，尤其是在恶劣环境中，常常会出现难以控制的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种精度高、可靠性好，能够适应恶劣环境，反应速度快的嵌入式模块化的船舶阀门控制装置。

为了解决上述技术问题，本发明的嵌入式模块化的船舶阀门控制装置，包括阀门控制模块和通讯模块，阀门控制模块包括用于对接收信号进行处理、逻辑判断以及发送指令的阀控模块主控cpu、与阀控模块主控cpu连接的能够检测阀门状态或接收相应的阀门控制指令并将能够信息传输给阀控模块主控cpu的数字量反馈采集接口以及用于将电路中的电流信号转换成电压信号并将信号传输给阀控模块主控cpu用以计算阀门开度或开度指令的百分比数值的模拟量反馈采集接口，通讯模块包括用于对接收的信号进行处理和指令收发的通讯主控cpu以及与通讯主控cpu连接的并用于和外部设备的标准协议进行通讯的rs485、232、以太网和can通讯接口。

所述阀控模块主控cpu还与用于输出无源触点信号的数字量输出接口以及输出电流信号的模拟量输出接口连接。

所述阀控模块主控cpu与用于下载模块程序和在线程序调试的阀门swd下载端口连接。

所述阀控模块主控cpu与用于区分模块并设置模块号的阀门设备拨码连接。

所述阀控模块主控cpu与用于显示模块的运行和通讯状态的阀门指示灯连接。

所述通讯主控cpu与用于下载模块程序和在线程序调试的通讯swd下载端口连接。

所述通讯主控cpu与用于显示模块的运行和通讯状态的通讯指示灯连接。

所述数字量反馈采集接口连接有光耦隔离电路。

所述模拟量反馈采集接口与模拟量输出接口使用ad8605运放电路辅以rc低通滤波实现电流与电压的精确转化。

所述数字量输出接口采用隔离继电器干触点输出。

本实用新型的优点在于：

1、使用嵌入式技术，其结构构成合理，体积小，成本低，运行快速、稳定，控制精度大幅度提高、使用可靠性好，能够适应恶劣环境，反应速度快，可准确方便的计算开度值或输出开度信号，并拥有以太网、rs485等多种接口，支持目前主流的通讯方式，方便与hmi等外部设备通讯连接，同时使用模块化设计，模块可单独使用也可组合使用，可根据情况完成不同功能，安装、更换方便。

2、数字量反馈采集接口与数字量输出接口采用tlp627的光耦开关电路，隔离电压达到2500vrms，工作温度范围宽、抗干扰性能强.无触点且输入与输出在电气上完全隔离，增加了模块的稳定性。

3、使用嵌入式技术，体积小，成本低，主控cpu使用stm32f107rct6芯片运行快速、稳定。

4、模拟量反馈采集接口与模拟量输出接口使用ad8605高精度运放电路辅以rc低通滤波实现电流与电压的精确转化，可准确方便的计算开度值或输出开度信号。

5、拥有以太网、rs485等多种接口，支持目前主流的通讯方式，方便与hmi等外部设备通讯连接。

6、模块接口多使用插销、卡槽结构，模块安装、更换方便。

7、拥有超时、故障保护机制，可避免控制过程中对阀门造成损伤。

附图说明

图1为本实用新型中阀门控制模块的原理框图；

图2为本实用新型中通讯模块的原理框图；

图3为本实用新型嵌入式模块化的船舶阀门控制装置的原理框图；

图4为本实用新型中阀门遥控及控制信号接收流程图；

图5为本实用新型中阀门控制方法一流程图；

图6为本实用新型中阀门控制方法二流程图；

图7为本实用新型中阀门控制方法三流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型的嵌入式模块化的船舶阀门控制装置进一步详细说明，

如图所示，本实用新型的嵌入式模块化的船舶阀门控制装置，包括阀门控制模块和通讯模块，阀门控制模块用于阀门状态采集与阀门开关(开度)控制，通讯模块拥有多种通讯接口方便与外部设备通讯，可将多个(最多64个)阀门控制模块采集的阀门状态传输至外部设备或将外部设备的阀门控制指令传输给阀门控制模块，所说的阀门控制模块包括阀门模块主控cpu、与阀控模块主控cpu连接的数字量反馈采集接口以及模拟量反馈采集接口、阀控模块swd下载端口、阀控模块电源接口、阀控模块can通讯插槽接口、阀控模块指示灯、阀控模块拨码以及数字量输出接口和模拟量输出接口，其中，阀控模块主控cpu使用stm32f107rct6芯片，用于对接收到的阀门状态信号、阀门控制信号的处理、判断和发送，stm32f107rct6芯片运行快速、稳定，自带看门狗功能，增加系统的可靠性；数字量反馈采集接口接收并检测电路中的高电平信号，具体地说数字量反馈采集接口接收并检测电路中的开关闭合信号，开关断开时，由于下拉电路的作用，cpu接收口为低电平，开关闭合时，cpu接收口为高电平；模拟量反馈采集接口接收电路中的4-20ma电流信号，具体地说模拟量反馈采集接口负责将电路中的4-20ma电流信号转换成0-3v的电压信号，供cpu的adc采集；阀控模块主控cpu用于对接收信号的处理，发送(用于对接收信号进行处理、逻辑判断以及发送指令)；阀控模块swd下载端口用于读取或下载模块程序和在线调试时读取模块数据，具有端子体积小、引线少和可离线下载等优点；can插槽接口使用adm3053电源隔离式控制器区域网络(can)物理层收发器，当多个模块插在同一根插槽导轨上时，可用此插槽接口实现模块间的数据相互通讯；阀门设备拨码用于区分模块并设置模块号；阀控模块指示灯用于显示模块的运行和通讯状态，本实施例中共有三个二极管指示灯用于显示模块当前的运行状态、通讯状态与通讯故障状态，阀控模块电源接口连接24v电源为模块供电，阀控模块拨码用于区分模块并设置模块号，使用6位dip开关可区分64个阀控模块；数字量输出接口采用隔离继电器干触点输出，输出无源触点信号，模拟量输出接口输出dc4-20ma电流信号，具体地说数字量输出接口与数字量采集反馈接口一样，接口下有开到位输出端子、关到位输出端子、遥控输出端子、故障输出端子等端子，每个端子均连接有光耦开关电路，根据阀控模块主控cpu发出的控制信号接通控制电路，用来输出电路闭合信号；模拟量输出接口，其接口有开度反馈输出端子、开度指令输出端子，模块内的ad420将阀控模块主控cpu输出的开度百分比信号数字转换为电流信号(输出4-20ma电流信号)，传递至阀门控制器。

其中，数字量反馈采集接口用于接收并检测电路中的数字量信号，接口下有：开到位接收端子、关到位接收端子、遥控接收端子、故障接收端子等端子，每个端子连接模块内均有光耦开关电路，其输出端连接至主控cpu芯片引脚，当某一端子所在线路接通，光耦开关检测到高电平信号，说明所监控阀门的此状态激活(如检测到开到位端子的高电平信号说明阀门处于开到位状态)或接收到相应的阀门控制指令(如检测到开启指令端子的高电平信号说明有外部的对阀门开启指令)，并将信号发送至阀控模块主控cpu，本实施例中，数字量反馈采集接口采用tlp627的光耦隔离电路，隔离电压达到2500vrms，工作温度范围宽、抗干扰性能强，增加了模块的稳定性。

模拟量反馈采集接口，其接口有开度反馈接收端子、开度指令接收端子，端子接收电路中的4-20ma电流信号，通过模块内的高精度低温漂采样电阻将电流信号转化为电压信号，并通过ad8605运放电路转换为电压信号，传输至阀控模块主控cpu用以计算阀门开度或开度指令的百分比数值，本实施例中，模拟量反馈采集接口与模拟量输出接口使用ad8605高精度运放电路辅以rc低通滤波实现电流与电压的精确转化，可准确方便的计算开度值或输出开度信号。

通讯模块用于整合can总线上阀控模块的数据，方便外部设备使用多种不同的通讯方式读取，或向阀控模块写入外部设备写入的阀门控制指令，其包括通讯模块主控cpu以及与通讯模块主控cpu连接的rs485通讯接口、232通讯接口、以太网通讯接口、can通讯接口、通讯swd下载端口、通讯电源接口、can通讯插槽接口、通讯模块指示灯以及通讯拨码，其中，通讯模块can通讯插槽接口用于模块与模块之间的数据通讯；本实施例中，通讯can插槽接口，使用adm3053隔离式控制器区域网络(can)物理层收发器，在同一根插槽导轨上，可与多个控制模块(一路最多64个)通讯，读取各控制模块采集到的阀门状态，或向控制模块传输外部设备写入的阀门控制指令；通讯设备拨码用于区分模块并设置模块号；通讯模块swd下载端口用于下载模块程序和在在线调试时读取模块数据；rs485、232、以太网和can通讯接口用于和外部设备的标准协议通讯；rs485通讯接口，使用隔离式rs-485/rs-422收发器，可进行485、422通讯，以太网通讯接口，主结构为rj45隔离网络插座与lan8720收发器，可进行modbustcp通讯；232通讯接口，使用sp3232收发器，可进行232通讯；can通讯接口，使用adm3053隔离式控制器区域网络(can)物理层收发器，可进行can通讯；通讯主控cpu用于对接收信号的处理，发送；通讯电源接口，连接24v电源为模块供电，支持双路冗余供电，通讯主控cpu使用stm32f407zgt6芯片，用于对各通讯端口的通讯数据进行处理和转发(用于对接收信号的处理和指令的收发)；通讯模块指示灯用于显示模块的运行和通讯状态，本实施例中，共有三个二极管指示灯用于显示模块当前的运行状态、通讯状态与通讯故障状态，通讯拨码，使用6位dip开关可区分64个阀控模块(采用6位设置最多可连接64个模块)。

多个阀门控制模块(最多64个)和通讯模块之间可通过can插槽接口连接成一路can总线，利用can总线的协议特点通讯模块可同时读取最多64个阀控模块的阀门状态或向其传输外部设备写下的控制指令，需要进一步说明的是：阀门控制模块和其他阀门控制模块或通讯模块之间可通过can插槽接口连接成一路can总线，并进行数据交互，因此，外部设备可通过通讯模块的多种通讯接口快速读取多个阀门控制模块(最多64个)的阀门状态数据，或同时向多个阀门控制模块写入控制指令。

其工作过程如下：

阀门状态采集:

(1)阀门开关状态的采集：当阀门开到位(关到位)时，其限位开关触发，采集电路形成回路，这时数字量反馈采集接口中开到位(关到位)端子接收到电路闭合时的高电平信号，将信号传递至阀控模块主控cpu，阀控模块主控cpu处理后向外传输阀门开到位(关到位)的信号。

(2)阀门开度百分比的采集：阀门开度传感器向模块传输4-20ma的电流信号，由模拟量反馈采集接口的开度反馈接收端子接收，并将电流信号通过ad转换成电压信号传递给阀控模块主控cpu，阀控模块主控cpu处理后向外传输阀门开度百分比信号。

(3)阀门遥控、故障信号采集：当阀门处于遥控或故障状态时，相应的连接电路将处于闭合(断开)状态，数字量反馈采集接口中的相应端子采集到相应的高电平(低电平)信号，将信号传递至阀控模块主控cpu，阀控模块主控cpu处理后向外传输阀门遥控或故障信号。

以上描述中的向外传输可使用以下方式：

(1)通过数字量输出接口端子向各指示灯输出通断信号，或通过模拟量输出接口向指示器输出4-20ma电流信号。

(2)以can插槽接口连接通讯模块，通过通讯模块上的以太网、rs485、232或can接口向外传输数据，此过程支持标准通讯协议。阀门遥控方式：

如图4所示，当阀门处于本地状态时，阀门控制模块只接收由阀控箱本地输入的控制指令，对外部其他设备的通讯控制指令不做反应；反之，当阀门处于遥控状态时阀控模块只向阀门控制器发送由外部设备输入的遥控控制指令，对阀控箱的本地控制指令不做反应。

阀门控制过程：

(1)阀门开关状态控制：

如图5所示，在经过遥控状态判断后，阀控模块主控cpu对外部控制信号进行处理，并传输至数字量输出接口，数字量输出接口的开启指令(关闭指令)端子闭合，输出指令信号，激活阀门控制器，做出开启(关闭)动作，当收到阀门的开到位(关到位)信号后，模块停止开启指令(关闭指令)信号输出。

(2)阀门开度控制有两种方法：

1.如图6所示，在经过遥控状态判断后，阀控模块主控cpu对外部输入的开度设置信号进行处理，并由模拟量输出接口的开度反馈输出端子转换为电流信号输出至阀门控制器,并可由阀门保护程序停止信号输出。

2.如图7所示，在经过遥控状态判断后，阀控模块主控cpu接收并处理外部输入的开度设置信号，将外部输入的设定值与模拟量反馈采集接口收到的开度状态值进行对比，比采集值大则由数字量输出接口的开启指令端子输出闭合信号，反之，则由关闭指令端子输出闭合信号，之后持续监视阀门开度，当开度反馈值与设定值一致时，停止开启(关闭)信号输出或由阀门保护程序停止信号输出。

以上描述中的外部输入可为以下方式：

(1)以can通讯插槽接口连接通讯模块，由通讯模块上的以太网或rs485等接口接收到的以标准通讯协议发送的开指令、关指令或开度设置的通讯信号。

(2)通过数字量反馈采集接口的开指令接收端子、关指令接收端子或模拟量反馈采集接口的开度指令接收端子接收到的电信号。

阀门保护：

(1)超时保护：可在导入阀门控制模块程序时直接写入，或通过连接通讯模块上rs485或以太网口的外部设备通讯设置超时保护时间，当阀门开启或关闭动作时间超过超时保护时间的设定值而阀门未到达开限位或关限位时，阀门控制模块将停止开、关信号输出。

(2)故障保护：当阀门控制收到阀门故障信号将通过数字量输出接口的故障输出端子或通讯模块向外输出阀门故障信号，同时阀门控制将停止开指令、关指令信号输出。

(3)输出保护：对阀门开关信号的输出可设置输出保护，当阀门控制信号与阀门当前状态一致时(如开指令和开到位状态相一致)控制模块将不会向阀门发出控制指令信号。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。