[發(fā)明專利]基于FPGA的超高速工業(yè)控制器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310391243.8
• 申請(qǐng)日: 2013-08-30
• 公開（公告）號(hào): CN103631176B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳愛國;崔巍;江濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B19/042
• 分類號(hào): G05B19/042
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 杜文茹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種工業(yè)控制器。特別是涉及一種適用于多路模擬量采集與控制場(chǎng)合的基于FPGA的超高速工業(yè)控制器。?

背景技術(shù)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用數(shù)字控制器作為工業(yè)自動(dòng)化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并已達(dá)到一個(gè)令人矚目的市場(chǎng)規(guī)模。在航空航天、大型裝備制造、電子信息等高新領(lǐng)域中，對(duì)控制器的快速性、穩(wěn)定性、抗干擾性、精度、速度等指標(biāo)提出了更高的要求，對(duì)超高速工業(yè)控制器的需求越來越強(qiáng)烈。國內(nèi)工業(yè)控制器近年在追趕國際先進(jìn)水平方面取得了一定進(jìn)展，但總體水平仍落后于國外技術(shù)先進(jìn)的國家，發(fā)展還不成熟，主要體現(xiàn)在：①控制器難以運(yùn)用于超高速應(yīng)用場(chǎng)合，抗干擾性和穩(wěn)定性較差。由于控制器軟硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致控制周期大于超高速應(yīng)用的要求，抗干擾性和穩(wěn)定性不好，最終的控制效果較差。②核心控制器沒有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)普遍采用國外PLC控制器及相關(guān)軟件組成，所配控制器只有個(gè)別國外廠家提供，控制功能專用，不適合我國的應(yīng)用要求。?

現(xiàn)如今國內(nèi)工業(yè)控制器市場(chǎng)仍是國外產(chǎn)品占據(jù)大部分份額，而高水平的控制器市場(chǎng)幾乎被幾家國外公司壟斷，也就是說我國現(xiàn)在缺乏一種自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高速、低成本、高可靠性的工業(yè)控制器。?

因此，開發(fā)一款具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能夠通用于各種控制系統(tǒng)的超高速、低成本、高可靠性的超高速工業(yè)控制器具有重要的意義。?

工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)包含各類設(shè)備：控制室或現(xiàn)場(chǎng)的上位計(jì)算機(jī)；測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)各種生產(chǎn)變量的模擬式傳感器，如流量傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等；改變管路流體流量的調(diào)節(jié)閥，如溢流閥、比例雙向閥等；反映生產(chǎn)狀態(tài)與人機(jī)交互的開關(guān)式設(shè)備，如警報(bào)開關(guān)、啟動(dòng)/停止按鈕等；用于通斷各種生產(chǎn)回路的電磁閥等。?

超高速工業(yè)控制器在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，為了與上述工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)包含的各類設(shè)備交互，超高速工業(yè)控制器具有如下接口：RS232和RS422（半/全雙工RS485）總線——用于與上位機(jī)通信，16路4～20mA/0～10V模擬量輸入信號(hào)AI——用于采集各種模擬式傳感器信號(hào)，8路-10V～+10V模擬量輸出信號(hào)AO——用于控制調(diào)節(jié)閥開度，16路開關(guān)量輸入信號(hào)DI——用于讀取現(xiàn)場(chǎng)的各種開關(guān)量輸入狀態(tài)，8路開關(guān)量輸出信號(hào)DO——用于直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)中的各種電磁閥。?

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的主要作用是：FPGA通過A/D轉(zhuǎn)換器將最多16路傳感器采集的模擬量輸入信號(hào)AI轉(zhuǎn)換為FPGA能識(shí)別的二進(jìn)制信息，然后FPGA根據(jù)這些信息與控制算法計(jì)算出調(diào)節(jié)閥應(yīng)有的開度，然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)放大電路，輸出最多8路-10V～+10V模擬量給調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制目的：同時(shí)FPGA可通過RS232和RS422（半/?全雙工RS485）總線向上位機(jī)發(fā)送所有16路AI、8路AO的數(shù)值和16路DI、8路DO的狀態(tài)，上位機(jī)可向FPGA發(fā)送各種控制信息。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠通用于各種控制系統(tǒng)的超高速、低成本、高可靠性的可與上位機(jī)共同組成控制系統(tǒng)及能夠直接與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)匹配的基于FPGA的超高速工業(yè)控制器。?