仿真表和採用該仿真表的故障仿真模擬系統的製作方法

2023-06-14 17:32:31

專利名稱：仿真表和採用該仿真表的故障仿真模擬系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及仿真模擬，具體涉及故障仿真模擬系統。
背景技術：
水壓力表作為供水系統的水壓指示器是一種常用和常見的測量儀表，國內有不少廠家生產各種品牌的模擬和數字水壓力表，這些產品大量應用在供水設備和系統中，為該行業提供了直觀的測量檢測數據。傳統的壓力表通過表內的敏感元件波登管的彈性變形，再通過表內機芯的轉換機構將壓力形變傳導至錶針，引起錶針轉動來顯示壓力，屬於就地指示型壓力表，就地顯示壓力的大小，不帶遠程傳送顯示、調節功能。水壓力表壓力大小的變化可一定程度上反應設備的故障，因此可通過分析壓力表的數值來分析設備故障並解決故障。在一些特定設備中，通常需要培訓操作人員通過分析壓力表相關參數來分析設備故障並解決設備故障，例如在供水系統出現故障時如何分析設備故障及排除故障。這種培訓要求使受訓的操作人員能夠解決設備實際運行中所出現的故障。然而，實踐中，由於通常不允許輕易地中斷這些設備的運行，因此，顯而易見的是不能通過使正常運行的設備出現故障，而後排除故障，從而來達到培訓目的。因此，需要提供一種仿真系統，該系統能夠模擬設備出現故障後相應參數的變化，操作人員可根據這些參數變化來分析相應的故障原因，進而解決故障。由於傳統的壓力表只能就地顯示壓力的大小，且當故障發生的情況下，不具有停止功能和定位功能，因此已經無法滿足特殊領域的要求。因此，需要開發一種能模擬壓力表壓力的變化，尤其是能夠模擬供水(或其它液、汽體)設備和系統出現特殊故障時壓力的變化，進而真實反映發生故障時水(或其它液、汽體)的壓力等數據的仿真設備，從而可通過使用該仿真設備來達到培訓目的。

發明內容
本發明的目的是能夠模擬供水(或其它液、汽體)設備和系統出現特殊故障時壓力的變化，進而真實反映當時發生故障時水(或其它液、汽體)的壓力等數據的仿真設備。為實現上述目的，本發明提供了一種仿真表，其特徵在於，包括:表殼、錶針、動力裝置、傳動裝置、控制裝置，其中，所述錶針、傳動裝置、所述控制裝置、控制信號插座安裝在所述表殼中，所述動力裝置安裝在所述仿真表外部表殼上；以及所述控制裝置接受外部指令控制所述動力裝置，從而完成所述仿真表的仿真轉動。優選地,所述動力裝置是伺服電機。優選地，所述傳動裝置包括:軸套、傳動軸、支架、定位板、大齒輪、小齒輪，其中，所述動力裝置的輸出軸通過所述軸套與所述傳動軸的一端連接，所述傳動軸的另一端安裝有大齒輪，所述小齒輪通過轉動軸可轉動地安裝在所述支架與所述定位板之間，並與所述大齒輪嚙合，所述轉動軸的一端與錶針連接，當所述動力裝置轉動時，所述錶針一起轉動。優選地，所述的控制裝置是由單片機STC12C4015及其外圍電路構成。優選地，所述外部指令是模擬設備故障信號的指令。優選地，所述仿真表是仿真壓力表或仿真溫度表。本發明還提供了一種故障仿真模擬系統，包括:終端、網絡接口、網絡總線、仿真表，其中，所述仿真表是以上所述的仿真表，所述終端通過網絡接口和網絡總線與所述仿真表連接。優選地，所述網絡接口採用MAX485晶片，所述終端與所述仿真表之間採用RS-485協議通訊。優選地，所述指令由所述終端以廣播形式發出，所述仿真表接收指令，地址正確則計算校驗和，與指令中的校驗和對比一致則按照模式和參數執行命令，並返回正確信息報告，不一致則返回錯誤信息報告。優選地，所述指令數據包具有長包和短包兩種格式，所述長包用於終端向仿真表發送的指令，所述短包用於仿真表反饋回終端的信息。優選地，所述長包長度為9個字節，第I個字節和第9個字節為固定的包頭和包尾，所述短包共有5個字節，第I個字節和第5個字節為固定的包頭和包尾。使用時，可將本發明的仿真表放置於各設備處(也可將該仿真表放置在教室等任何地方)，並通過電纜連接到控制室裡的終端，終端將模擬設備故障信號的指令發送給仿真表的控制裝置，控制裝置根據該指令控制伺服電機轉動，從而使錶針進行相應的運動。技術人員可根據錶針運動情況、轉動的角度來判斷設備出現的故障。換言之，如果真實的設備中壓力表(或溫度表)的錶針發生與本發明的仿真表的錶針運動相同的運動，則可據此判定設備所發生的故障類型。本發明的智能模擬水壓力表能智能控制，具有成本較低、高仿真性和高穩定性的優點。


圖1是本發明的故障仿真模擬系統的總體框圖；圖2是本發明的故障仿真模擬系統的一個實施例的總體框圖；圖3是本發明的一個實施例的仿真表結構的立體透視圖；圖4是圖2中的仿真表結構的另一立體透視圖；圖5是圖2中的仿真表結構的俯視圖，為清楚起見，移除了表殼；圖6是圖4的沿線A-A的剖視圖，為清楚起見，移除了表殼；圖7是圖2中網絡接口和控制裝置的硬體電路圖；圖8是消除電源電壓出現的尖峰的電路圖；圖9示出在總線上傳輸的數據包中長包的形式；圖10 12示出在總線上傳輸的數據包中的短包形式；圖13是本發明的故障仿真模擬系統的控制流程圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細說明，以便更清楚理解本發明的目的、特點和優點。應理解的是，附圖所示的實施例並不是對本發明範圍的限制，而只是為了說明本發明技術方案的實質精神。圖中相同的部分採用相同的附圖標記表示。參見圖1和2，本發明的可實現智能控制的故障仿真模擬系統包括:終端、網絡總線、網絡接口、仿真表。仿真表包括網絡接口 17、控制裝置、動力裝置、傳動裝置以及錶針。其中，網絡總線用於傳輸終端所發出的數據包，網絡接口 17用於連接終端和控制裝置。以下以仿真壓力表為例，詳細說明本發明的故障仿真模擬系統。參見圖2至5，本發明的智能控制仿真壓力表100包括表殼1、控制裝置(未示出)、動力裝置、傳動裝置、控制信號插座2、錶針。其中，動力裝置是由扭矩大、定位準確、控制簡單的伺服電機3組成。伺服電機是一種位置伺服的驅動器，適用於需要角度不斷變化並可以保持的控制裝置，控制信號由接收機的通道進入信號調製晶片，獲得直流偏置電壓，伺服電機內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。傳動裝置包括:軸套4、傳動軸5、支架6、大齒輪7、小齒輪8。伺服電機3的輸出軸30通過軸套4與傳動軸5的一端連接，軸套4與輸出軸30和傳動軸5之間通過頂絲9固定。傳動軸5的另一端安裝有大齒輪7。小齒輪8通過轉動軸12可轉動地安裝在支架6與定位板10之間，並與大齒輪7嚙合，轉動軸12的一端與錶針20連接，另一端可轉動地連接到支架6上,支架6通過螺絲固定到底座11上，而定位板10亦通過螺絲固定到支架6上。伺服電機3通過底座11上的定位孔通過螺絲安裝在壓力表背面的外殼上，承載控制裝置的電路板(未示出)通過壓力表側面的定位孔固定在表殼內，控制信號插座2通過安裝孔安裝在壓力表背面的外殼上。較佳地，本發明的仿真表還包括安裝柱15，安裝柱15穿過表殼側壁上的孔安裝到表殼上，用於將仿真表安裝到所需的位置。當終端發出控制信號時，控制裝置控制伺服電機3轉動，伺服電機的轉動帶動大齒輪7轉動，進而小齒輪7隨之轉動，並帶動錶針也隨之轉動。圖7是圖2中網絡接口和控制裝置的硬體電路圖。參見圖2和圖7，電路板16由網絡接口電路17連接以單片機STC12C4015及其外圍電路構成的控制裝置構成。其中，網絡接口電路17是由插座Jl、MAX485晶片連接構成，MAX485晶片為平衡驅動器和差分接收器的組合，該晶片的A、B端(或Jl的3、4端)與RS-485網絡總線連接，Jl的I和2腳為控制裝置提供電源；單片機STC12C4015具有兩個定時器，一個UART、PROOMdiM PWM、網絡和地址存儲功能，單片機STC12C4015的Pl.2接有上拉電阻與控制信號插座2 (J2)的腳3連接；控制裝置通過控制信號插座2 (J2)的1、2腳向伺服電機提供電源，3腳向伺服電機輸出控制脈衝信號。 圖8是為了消除上電時電源電壓出現尖峰的電路圖。由於伺服電機在啟動的瞬間會拉低電源電壓，而且在此電路中所有伺服電機由單一電源供電，所以設計了圖中所示的Π型網絡，有效消除了尖峰。圖9示出在總線上傳輸的數據包中長包的形式。長包用於終端向壓力表發送的命令，如圖所示，長包長度為9個字節，第I個字節和第9個字節為固定的包頭和包尾。不同的模式代表不同的功能，例如OxOl代表測試功能，參數1、2、3在不同的模式中代表壓力錶針轉動的角度或時間，校驗高位和低位組成兩個字節的二進位數是從OXOc到參數3共六個字節的校驗和。圖10 12示出在總線上傳輸的數據包中的短包形式。短包用於壓力表反饋回終端信息，如圖所示，短包共有5個字節，第I個字節和第5個字節為固定的包頭和包尾，根據不同的命令分為兩種形式:一是當對查詢位置命令的回覆時字節命令，如圖10 ;當對其他命令回復時字節命令，如圖11 ; 二是校驗和錯誤信息報告的命令，如圖12。圖13是本發明的故障仿真模擬系統的控制流程圖。如圖所示，指令由終端以廣播形式發出，當控制裝置接收到指令數據包時，對數據包進行判斷和解析，判斷收到數據包的地址字節和自己的地址是否一致，地址正確則計算校驗和，與指令中的校驗和對比一致則按照模式和參數執行命令，並返回正確信息報告，不一致則返回錯誤信息報告。然後，控制裝置會發出相應的脈衝控制伺服電機的轉動。伺服電機一般需要20ms左右的時基脈衝，而脈衝的高電平部分一般為0.5ms 2.5ms範圍內的角度控制脈衝部分，以180度角度伺服為例，那麼對應的控制關係應該為:0.5ms對應O度；1.0ms對應45度；1.5ms對應90度；
2.0ms對應135度；2.5ms對應180度。所以只需要向伺服電機發送不同佔空比的脈衝，就能控制脈衝伺服電機轉到不同的角度。本發明中選擇伺服電機為日本雙葉電子工業株式會社(FUTABA)的 S9001，其參數為:尺寸 40.4*19.8*36mm 重量 48g，速度 0.18sec/60」 (6V)，扭力5.2kg:cm(6V)，因此可完成水壓力表0-270度的仿真轉動。此外，為了能長距離通訊並節省連線根數，終端和仿真壓力表之間採用的是RS-485協議通訊，RS-485的邏輯信號是由一對差分信號的電壓差決定的，接口電平低，不易損壞接口電路的晶片，並且與TTL電平兼容，可以方便的與TTL電路進行連接。RS-485協議在邏輯上分成主設備和多個從設備，每個設備都有唯一的地址，通訊只能在主設備和一個從設備之間進行數據包的傳輸。多個設備可以如使用總線一樣連接到這一對線上，終端發送的信息在所有的端點都能收到。RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps，最大的傳輸距離標準為1200米。本發明在普通壓力表的基礎上，將錶針控制方式與微型計算機系統、微電機控制裝置及機械結構相結合為一體，製成智能模擬水壓力表，可完成真實壓力表所有動作工況，能夠仿真壓力不穩時錶針抖動的狀態，同時，抖動的幅度和頻率可控，滿足工況表達的要求。使用時，可將本發明的仿真表放置於各設備處(也可將該仿真表放置在教室等任何地方)，並通過電纜連接到控制室裡的終端，終端將模擬設備故障信號的指令發送給仿真表的控制裝置，控制裝置根據該指令控制伺服電機轉動，從而使錶針進行相應的運動。技術人員可根據錶針運動情況、轉動的角度來判斷設備出現的故障。換言之，如果真實的設備中壓力表(或溫度表)的錶針發生與本發明的仿真表的錶針運動相同的運動，則可據此得知設備所發生的故障類型。本發明的仿真表能智能控制，具有成本較低、高仿真性和高穩定性的優點。需要指出的是，雖然以仿真壓力表為例描述了本發明，但應理解，本發明也可適用於仿真溫度表、仿真溼度表等。以上已詳細描述了本發明的較佳實施例，但應理解到，在閱讀了本發明的上述講授內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改。這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
權利要求
1.一種仿真表，其特徵在於，包括:表殼、錶針、動力裝置、傳動裝置、控制裝置，其中， 所述錶針、傳動裝置、所述控制裝置、控制信號插座安裝在所述表殼中，所述動力裝置安裝在所述仿真表外部表殼上；以及 所述控制裝置接受外部指令控制所述動力裝置，從而完成所述仿真表的仿真轉動。
2.根據權利要求1所述的仿真表，其特徵在於，所述動力裝置是伺服電機。
3.根據權利要求1所述的仿真表，其特徵在於，所述傳動裝置包括:軸套、傳動軸、支架、定位板、大齒輪、小齒輪，其中， 所述動力裝置的輸出軸通過所述軸套與所述傳動軸的一端連接，所述傳動軸的另一端安裝有大齒輪，所述小齒輪通過轉動軸可轉動地安裝在所述支架與所述定位板之間，並與所述大齒輪嚙合，所述轉動軸的一端與錶針連接，當所述動力裝置轉動時，所述錶針一起轉動。
4.根據權利要求1所述的故障仿真模擬系統，其特徵在於，所述的控制裝置是由單片機STC12C4015及其外圍電路構成。
5.根據權利要求1所述的仿真表，其特徵在於，所述外部指令是模擬設備故障信號的指令。
6.根據權利要求1所述的仿真表，其特徵在於，所述仿真表是仿真壓力表或仿真溫度表。
7.一種故障仿真模擬系統，包括:終端、網絡接口、網絡總線、仿真表，其中，所述仿真表是權利要求1-6中任一項所述的仿真表，所述終端通過網絡接口和網絡總線與所述仿真表連接。
8.根據權利要求7所述的故障仿真模擬系統，其特徵在於，所述網絡接口採用MAX485晶片，所述終端與所述仿真表之間採用RS-485協議通訊。
9.根據權利要求7所述的故障仿真模擬系統，其特徵在於，所述指令由所述終端以廣播形式發出，所述仿真表接收指令，地址正確則計算校驗和，與指令中的校驗和對比一致則按照模式和參數執行命令，並返回正確信息報告，不一致則返回錯誤信息報告。
10.根據權利要求6所述的故障仿真模擬系統，其特徵在於，所述指令數據包具有長包和短包兩種格式，所述長包用於終端向仿真表發送的指令，所述短包用於仿真表反饋回終端的信息。
全文摘要
一種仿真表和採用該仿真表的故障仿真模擬系統，其特徵在於，包括表殼、錶針、動力裝置、傳動裝置、控制裝置，其中，所述錶針、傳動裝置、所述控制裝置、控制信號插座安裝在所述表殼中，所述動力裝置安裝所述仿真表外部表殼上；以及所述控制裝置接受外部指令控制所述動力裝置，從而完成所述仿真表的仿真轉動。本發明能夠模擬供水(或其它液、汽體)設備和系統出現特殊故障時壓力的變化，進而真實反映當時發生故障時水(或其它液、汽體)的壓力等數據，而且具有成本較低、高仿真性和高穩定性的優點。
文檔編號G09B19/00GK103165000SQ201110428078
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者陸利坤, 李業麗 申請人:北京印刷學院