一种基于嵌入式系统的智能控制装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于嵌入式系统的智能控制装置，包括外壳（6）、内置或外置电源、还包括有MCU微控单元、I/O模块（2），电机驱动模块和通信网卡（4），其中：MCU微控单元通过I2C、SPI或UART系统总线连接至I/O模块（2），电机驱动模块和通信网卡（4），且均集成安装在一块安装板（8）上，电机驱动模块通过导线连接至需要控制的电动机上，能控制三相异步电机在启动和停止时缓起缓停；本发明装置作为智能智造的一个工业基础器件，不仅能让设备智能化，还将降低控制系统的复杂度。系统中大量应用本装置将大幅减少电缆、桥架、控制箱等的使用，从而在设计、安装、调试、维护等环节降低器件成本，降低人工设计成本，还能降低相关人员的技术门槛。

说明书

技术领域

本发明属于运输、自动化控制、电气控制、设备驱动等技术领域，具体为一种基于嵌入式系统的智能控制装置和方法。

背景技术

当前自动化设备控制系统一般采用PLC（可编程控制器）采集设备上的检测开关状态信息，通过编制好的程序进行分析运算产生控制指令，发送给电机驱动器（电机启动器、变频器等）使电动机运行，从而达到自动控制设备运行的目的。如图所示，目前的技术存在以下不足：

1）由于器件间的离散程度高，导致整个控制系统设计复杂度高并且安装调试不方便，设计成果的复用性低。

2）PLC控制成本较高，控制程序过于集中，运算能力不足，无法运行较为复杂的算法。

3）电机驱动器的智能化程度不足,不适应当前智能智造的系统需求。如启动器只具有电动机的启动、停止、正转、反转基本功能；变频器可以实现电动机的缓启缓停，一些高端的变频也可以通过扩展I/O（输入/输出）模板采集一些检测开关信号，设置简单的逻辑指令，但在温度、电流、寿命等数据采集、分析方面则不能满足智能系统的需求。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的不足和缺陷，本发明将设备控制中所需的通信、运算、I/O处理和电机驱动等功能集中于一体，通过制定软件程序、通信协议，使之前功能单一、被动执行、傻瓜式的电机驱动器变成智能化控制单元；因此，本发明是这样实现的：

一种基于嵌入式系统的智能控制装置，包括外壳、内置或外置电源、还包括有MCU微控单元、I/O模块，电机驱动模块和通信网卡，其中：MCU微控单元通过I

进一步的，所述I/O模块输入信号采用光电隔离，输出信号使用晶体管输出，能对设备上的检测开光信号连接进行采集，同时也可以输出信号控制状态指示灯。

进一步的，所述通信网卡与上层系统通信连接，能根据所需通信协议在工业以太网、Modbus、CAN或Profinet协议之间切换，并与MCU微控单元使用SPI通用接口，两者之间使用固定的协议通信连接。

进一步的，内置或外置电源为外置电源时，设有外部电源接口，为内置电源时，为内置蓄电池。

进一步的，还包括一个外壳，外壳上于侧面设有线缆或网线开孔，对应于安装板上I/O模块、通信网卡或电机驱动模块的接连插口位置。

本发明的另一方面，提供了一种基于嵌入式系统的智能控制方法，包括以下步骤：选用嵌入式系统作为MCU微控制单元，并使用I

本发明的工作原理介绍：智能化控制单元是一个具有自我感知、信息处理、自主决策控制的独立个体，脱离对PLC的依赖、实现了控制单元的智能化。在控制系统中应用后，将改变当前控制系统的系统布局、网络架构和控制模式，大幅降低在设计、安装、调试、维护等环节的复杂度，降低了器件、线缆辅材和人工等多方面的综合成本。

本发明的有益效果：MCU和I/O模块、电机驱动模块的集中结合，MCU中装载了所控设备的智能控制程序软件；MCU直接与连接I/O模块、电机驱动模块，对电流、温度、振动、运行寿命等方面进行监控、智能分析，进而实现自感智、自诊断等智能化功能。

本发明装置应用在控制系统中，将会使得系统由“全集成中央控制”向“中心控制——边缘控制”转变。智能控制装置作为边缘控制分担大型PLC为中心控制的计算量，满足设备在实时控制、应用智能、安全与专用技术保护等方面的需求，以在大型PLC为主的控制中心则将大量边缘控制的单点孤立信息汇聚成系统化的信息，为路径规划、设备预警等智能化提供更强大的信息基础。

本发明装置作为智能智造的一个工业基础器件，不仅能让设备、的智能化、还将降低控制系统的复杂度。系统中大量应用本装置将大幅减少电缆、桥架、控制箱等使用，从而在设计、安装、调试、维护等环节降低本器件成本，降低人工设计成本，还能降低相关人员的技术门槛。

附图说明

图1现有技术原理示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的产品结构示意图；

其中：其中：1—MUC微处理单元，2—I/O模块，3—电动机驱动模块，4—通信网卡，5—物料输送设备，6—外壳、7—线缆或网线开孔、8—安装板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：一种基于嵌入式系统的智能控制装置，包括外壳6、内置或外置电源、还包括有MCU微控单元、I/O模块2，电机驱动模块和通信网卡4，其中：MCU微控单元通过I2C、SPI或UART系统总线连接至I/O模块2，电机驱动模块和通信网卡4，且均集成安装在一块安装板8上，电机驱动模块通过导线连接至需要控制的电动机上，能控制0.25kW-2.2kW三相异步电机在启动和停止时缓起缓停。I/O模块2输入信号采用光电隔离，输出信号使用晶体管输出，能对设备上的检测开光信号连接进行采集，同时也可以输出信号控制状态指示灯。通信网卡4与上层系统通信连接，能根据所需通信协议在工业以太网、Modbus、CAN或Profinet协议之间切换，并与MCU微控单元使用SPI通用接口，两者之间使用固定的协议通信连接。内置或外置电源为外置电源时，设有外部电源接口，为内置电源时，为内置蓄电池。外壳6上于侧面设有线缆或网线开孔7，对应于安装板8上I/O模块2、通信网卡4或电机驱动模块的接连插口位置。

如图2所示，MCU微控制单元作为整个装置的核心大脑，它包含软件的存储、运行，数据记录、分析等功能。通过通信网卡4接受上层系统任务指示，根据I/O模块2接受到的检测信息，进行程序运算，将运算结果转换为输出指令，传达给电动机驱动模块，完成驱动任务。MCU是整个装置的智能运算核心，编制具有数据采集、分析、报告的软件算法，对装置、设备的电流、温度、振动、运行寿命等方面进行监控、智能分析，进而实现自感知、自诊断等智能化功能。

I/O模块2输入信号采用光电隔离，输出信号使用晶体管输出。对设备上的检测开光信号进行采集，同时也可以输出信号控制状态指示灯。

电动机驱动模块选用变频器板卡作为电动机驱动模块，可以控制0.25kW-2.2kW三相异步电机在启动和停止时缓起缓停。

通信网卡4作为与上层系统通信的模块，是可以根据所需通信协议进行更换。如工业以太网、Modbus、CAN、Profinet等，它与MCU使用SPI通用接口，两者之间使用固定的协议通信连接。

物料输送设备5本部分不属于发明装置的一部分，使用虚框显示，它是用来说明发明装置的功能。设备上根据需要布置有光电开关、接近开关等检测开关，其产生的信号接入2中的输入点。三相异步电机是设备的动力输出装置，3电动机驱动模板对其进行正转、反转的控制。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。