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智能型閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的介紹

2009年03月12日 16:14:53人氣:813來源:煙臺(tái)勾股通信技術(shù)有限公司

  水、汽、油等流體與工業(yè)發(fā)展有著密切,而流體在工業(yè)上的應(yīng)用離不開管網(wǎng)系統(tǒng),有管網(wǎng)必然有閥門。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,傳統(tǒng)的手工機(jī)械調(diào)節(jié)方式在許多場合已不再適用。要實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化管理,更是離不開電動(dòng)閥門這個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在某些應(yīng)用場合,對(duì)閥門的控制不僅僅是簡單的開關(guān)控制,還涉及到開度控制以及流量等各種關(guān)系控制,這對(duì)閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的智能性提出了更高的要求。文中應(yīng)用微處理器設(shè)計(jì)了一種閥門控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的智能化。
  1系統(tǒng)工作原理和功能
  閥門的控制量為閥門開度,在應(yīng)用場合往往會(huì)根據(jù)實(shí)際需要將閥門開或關(guān),或者開到一定程度,甚至動(dòng)態(tài)的以某種規(guī)律開關(guān)。在傳統(tǒng)的模擬控制方式中用時(shí)間、電流的大小來表示閥門的開啟角度。由于影響時(shí)間、電流(電壓)等參數(shù)的因素很多,因此顯示的開啟角度與閥門的實(shí)際位置不易達(dá)到同步,經(jīng)常出現(xiàn)明顯的誤差。同時(shí),簡單的模擬量控制提供的信息極為有限,不利于系統(tǒng)的調(diào)試和檢修。筆者設(shè)計(jì)的智能型控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的方法來控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。
  采用MOTOROLA公司單片微處理器和外圍芯片組成智能化的位置控制單元,接收統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)(如4~20mA的電流信號(hào)),經(jīng)信號(hào)處理及A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器,微處理機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)送至顯示單元顯示調(diào)節(jié)結(jié)果,運(yùn)算處理后產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。此外,系統(tǒng)帶通訊功能,可以接收上位機(jī)的指令,進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)字控制。同時(shí)也可以在智能控制器本地的人機(jī)界面上通過菜單和按鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場手動(dòng)控制。
  主要功能描述:
 ?。?)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),直接接收4~20mA/4~12mA/12~20mA/0~5V/1~5V等控制信號(hào),輸出隔離的4~20mA閥位反饋信號(hào);
  (2)具有仿真運(yùn)行功能,并可根據(jù)用戶設(shè)定的流量特性曲線運(yùn)行;
 ?。?)控制信號(hào)斷路故障判斷、報(bào)警及保護(hù)功能。斷路故障時(shí)可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)或開、或關(guān)、或保特、或在0~*之間預(yù)置的任意值;
 ?。?)數(shù)字顯示,顯示控制信號(hào)值、閥位值、故障類別;
 ?。?)RS485遠(yuǎn)程通訊功能,通過通訊協(xié)議在上位機(jī)進(jìn)行編程組態(tài),對(duì)過程量、開關(guān)量作數(shù)據(jù)或圖形處理。
 ?。?)閥門行程自整定,輸入輸出模擬信號(hào)自校準(zhǔn)。
  2系統(tǒng)硬件組成
  智能控制器根據(jù)智能化、可靠性高、抗*力強(qiáng)、成本低等原則,控制核心采用8位微處理器MC68HC908SR12(SR12),電機(jī)控制的主電路采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
  SR12具有速度快、功能強(qiáng)和價(jià)格低等特點(diǎn)。其zui高工作頻率可達(dá)8MHz,有512字節(jié)的片內(nèi)RAM、12K字節(jié)的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器,14路10位A/D,及SCI、I2C、SPI等通訊接口[1,4]。
  系統(tǒng)應(yīng)用SR12內(nèi)部的A/D進(jìn)行閥門位置信號(hào)及輸入控制信號(hào)的采集,利用PWM輸出經(jīng)過濾波后的位置信號(hào),利用I2C總線與外部存儲(chǔ)器AT24C08進(jìn)行通訊存儲(chǔ)設(shè)置值,利用SCI接口通過MAX485與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,充分利用了該芯片的內(nèi)部資源,節(jié)約了成本。
  2.1信號(hào)輸入部分
  利用SR12內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換,將輸入的模擬信號(hào)和閥門位置反饋的模擬信號(hào)進(jìn)行量化。采用REF02作為A/D的基準(zhǔn)電壓,其溫度漂移系數(shù)為3PPM/℃。
  2.2信號(hào)輸出部分
  SR12有3通道8位高速PWM,每個(gè)通道有獨(dú)立的計(jì)數(shù)器,可選擇PWM輸入時(shí)鐘以產(chǎn)生各種PWM頻率,并有自動(dòng)相位控制。利用其中一路PWM作為模擬量輸出信號(hào),其余兩路作為電機(jī)控制信號(hào)。同時(shí)選擇I/O口PTB6作為繼電器開關(guān)量輸出的控制信號(hào)。
  2.3輸入輸出隔離
  系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場使用時(shí),涉及到各種儀表、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu),會(huì)由于各種原因引入信號(hào)干擾以及各種危險(xiǎn)的強(qiáng)電壓信號(hào)。為了保證系統(tǒng)的安全,保證檢測的正確性和運(yùn)行的可靠性,采用光耦LOC210對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行隔離。
  2.4通訊部分
  為了完成工業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制和組網(wǎng)的需要,系統(tǒng)支持RS485通訊方式。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX485。實(shí)際工作時(shí),可以與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊,進(jìn)行運(yùn)行方式設(shè)定并監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)。
  2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分
  電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用電力電子開關(guān)可控硅 target=_blank>雙向可控硅BTA16。可控硅 target=_blank>雙向可控硅具有開關(guān)速度快、壽命長、無火花和拉弧現(xiàn)象等特點(diǎn)[2],保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高溫條件下的長期可靠運(yùn)行,同時(shí)有助于對(duì)電機(jī)的保護(hù)。主電路與CPU之間采用光耦MOC302X驅(qū)動(dòng),如圖3所示,圖中ZL為電機(jī)負(fù)載。
  在設(shè)計(jì)中,MOC3020的二極管前向電流為15mA,MOC3021和MOC3023分別為8mA和3mA,所以可以由MC68HC908SR12的I/O口采用灌電流方式直接驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際工作時(shí)RC吸收回路的實(shí)際參數(shù)需要根據(jù)電機(jī)參數(shù)(ZL)的不同確定。
  需要注意的是,MOC302X的耐壓是400V,如果電機(jī)需要工作在380V下或者電機(jī)的反電勢(shì)比較大時(shí),要選用MOC308X系列。
  3軟件設(shè)計(jì)
  控制器的軟件主要是由主程序、人機(jī)界面處理程序及自動(dòng)調(diào)試、故障處理、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理、手動(dòng)操作故障處理等子程序組成。主程序流程如圖4所示。
  在執(zhí)行過程中,判斷各種故障狀態(tài),發(fā)現(xiàn)故障,立即報(bào)警顯示,同時(shí)輸出一組繼電器開關(guān)量信號(hào)給用戶,并切斷電機(jī)電源。
  系統(tǒng)采用4個(gè)鍵復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制及參數(shù)設(shè)定。4個(gè)鍵的定義分別為F(Function)、U(Up)、D(Dowm)、S(Shift)。F為功能鍵,按此鍵進(jìn)入設(shè)置菜單,多次按F鍵后可退出菜單。U、D鍵分別代表增加和減小當(dāng)前數(shù)值或進(jìn)行參數(shù)選擇,在手動(dòng)操作中代表向上或向下指令。S為切換鍵,可以改變當(dāng)前輸入焦點(diǎn),配合U、D鍵,可以很方便的實(shí)現(xiàn)任意數(shù)字的輸入。
  在電機(jī)控制算法上采用PID調(diào)節(jié),避免了超調(diào)、振蕩的發(fā)生,同時(shí)可選直接比例控制和比例+步進(jìn)控制等控制方式,使系統(tǒng)能適用不同類型的電機(jī)。
  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使得可隨時(shí)調(diào)整閥門兩端位置,只要調(diào)整好限位開關(guān)后作一次自整定(F、S鍵同時(shí)按下10s)即可,極大地方便了用戶。系統(tǒng)還提供RS485通訊協(xié)議,用戶可以通過上位機(jī)編程控制閥門,使閥門聯(lián)網(wǎng)通訊及計(jì)算機(jī)控制更加方便。
  4結(jié)束語
  該系統(tǒng)的各個(gè)主要功能模塊集中在單片微處理器中,降低了系統(tǒng)的成本,提高了可靠性,減小了體積,可直接安裝于執(zhí)行器內(nèi)部而無需改動(dòng)原機(jī)械機(jī)構(gòu),這不僅方便了現(xiàn)有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的生產(chǎn),也有利于原有舊設(shè)備的改造。同時(shí),系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境情況,采取了完善的抗干擾措施和故障保護(hù)措施,使系統(tǒng)能適用于工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境。
  該系統(tǒng)已實(shí)際投產(chǎn),目前在各種工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行良好。
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