摘要： 介紹了一種閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能控制器。該控制器采用MOTOROLA公司的8位微處理器作為控制單元，用電力電子器件作為電機(jī)驅(qū)動單元，完成了一個集自動控制、手動調(diào)節(jié)、狀態(tài)檢測等功能于一體的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于各類工 業(yè)控制閥。

關(guān)鍵詞： 閥門電動 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 智能控制器

0引言

水、汽、油等流體與工業(yè)發(fā)展有著密切聯(lián)系，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)自動化管理，更是離不開電動閥門這個管網(wǎng)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在某些應(yīng)用場合，對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，這對閥門電動執(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間、電流的大小來表示閥門的開啟角度。由于影響時間、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[3]。同時，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)計的智能型控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的方法來控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。其智能控制器系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

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(如4～20 mA的電流信號)，經(jīng)信號處理及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)生的控制信號驅(qū)動交流電機(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)場手動控制。

主要功能描述：

(1)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，直接接收4～20 mA/4～12 mA/12～20 mA/0～5 V/1～5 V等控制信號，輸出隔離的4～20mA閥位反饋信號;

(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;

(3)控制信號斷路故障判斷、報警及保護(hù)功能。斷路故障時可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)或開、或關(guān)、或保特、或在0～100%之間預(yù)置的任意值;

(4)數(shù)字顯示，顯示控制信號值、閥位值、故障類別;

(5)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)，對過程量、開關(guān)量作數(shù)據(jù)或圖形處理。

(6)閥門行程自整定，輸入輸出模擬信號自校準(zhǔn)。

2系統(tǒng)硬件組成

智能控制器根據(jù)智能化、可靠性高、抗干擾能力強(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)和價格低等特點(diǎn)。其最高工作頻率可達(dá)8 MHz，有512字節(jié)的片內(nèi)RAM、12K字節(jié)的片內(nèi)FLASH存儲器，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)行閥門位置信號及輸入控制信號的采集，利用PWM輸出經(jīng)過濾波后的位置信號，利用I2C總線與外部存儲器AT24C08進(jìn)行通訊存儲設(shè)置值，利用SCI接口通過M AX485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信號輸入部分

利用SR12內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號和閥門位置反饋的模擬信號進(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信號輸出部分

SR12有3通道8位高速PWM，每個通道有獨(dú)立的計數(shù)器，可選擇PWM輸入時鐘以產(chǎn)生各種PWM 頻率，并有自動相位控制。利用其中一路PWM作為模擬量輸出信號，其余兩路作為電 機(jī)控制信號。同時選擇I/O口PTB6作為繼電器開關(guān)量輸出的控制信號。

2.3輸入輸出隔離

系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場使用時，涉及到各種儀表、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，會由于各種原因引入信號干擾以及各種危險的強(qiáng)電壓信號。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對輸入輸出信號進(jìn)行隔離，如圖2所示。

圖2中，左側(cè)有CPU系統(tǒng)的數(shù)字地，右側(cè)有外部系統(tǒng)的地。同時，外部系統(tǒng)的電源與內(nèi)部系統(tǒng)的電源完全隔離。

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，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)動部分

電機(jī)的驅(qū)動采用電力電子開關(guān)雙向可控硅BTA16。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，同時有助于對電機(jī)的保護(hù)。主電路與CPU之間采用光耦MOC302X驅(qū)動，如圖3所示，圖中ZL為電機(jī)負(fù)載。

在設(shè)計中，MOC3020的二極管前向電流為15 mA,MOC3021和MOC3023分別為8 mA和3 mA，所以可以由MC68HC908SR12的I/O口采用灌電流方式直接驅(qū)動。在實(shí)際工作時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400 V，如果電機(jī)需要工作在380 V下或者電機(jī)的反電勢比較大時，要選用MOC308X系列。

3軟件設(shè)計

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調(diào)試、故障處理、A /D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理、手動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，立即報警顯示，同時輸出一組繼電器開關(guān)量信號給用戶，并切斷電機(jī)電源。

系統(tǒng)采用4個鍵復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制及參數(shù)設(shè)定。4個鍵的定義分別為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)計使得可隨時調(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鍵同時按下10 s)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)通訊及計算機(jī)控制更加方便。

4結(jié)束語

該系統(tǒng)的各個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，系統(tǒng)的硬件設(shè)計充分考慮了工業(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。

參考文獻(xiàn)

[1]張友德.M68HC08系列單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2001.

[2]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]張衛(wèi)華.電動閥門智能測控系統(tǒng)的研制[J].青島大學(xué)學(xué)報，2003，16(3)：79-82.