[導讀] 摘要：介紹了一種閥門電動執(zhí)行機構的智能控制器。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驅動單元，完成了一個集自動控制、手動調節(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。
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)的手工機械調節(jié)方式在許多場合已不再適用。要實現(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)行機構。在某些應用場合，對閥門的控制不僅僅是簡單的開關控制，還涉及到開度控制以及流量等各種關系控制，這對閥門電動執(zhí)行機構控制器的智能性提出了更高的要求。文中應用微處理器設計了一種閥門控制系統(tǒng)實現(xiàn)了閥門執(zhí)行機構控制的智能化。
1 系統(tǒng)工作原理和功能
閥門的控制量為閥門開度，在應用場合往往會根據(jù)實際需要將閥門開或關，或者開到一定程度，甚至動態(tài)的以某種規(guī)律開關。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際位置不易達到同步，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)的調試和檢修。筆者設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)行機構運行。
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)一的標準直流信號(如4～20 mA的電流信號)，經(jīng)信號處理及A/D轉換送至微處理器，微處理機將處理后的數(shù)據(jù)送至顯示單元顯示調節(jié)結果，運算處理后產(chǎn)生的控制信號驅動交流電機。此外，系統(tǒng)帶通訊功能，可以接收上位機的指令，進行遠程數(shù)字控制。同時也可以在智能控制器本地的人機界面上通過菜單和按鈕實現(xiàn)現(xiàn)場手動控制。
主要功能描述：
(1)一體化結構設計，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)具有仿真運行功能，并可根據(jù)用戶設定的流量特性曲線運行;
(3)控制信號斷路故障判斷、報警及保護功能。斷路故障時可使執(zhí)行機構或開、或關、或保特、或在0～100%之間預置的任意值;
(4)數(shù)字顯示，顯示控制信號值、閥位值、故障類別;
(5)RS485遠程通訊功能，通過通訊協(xié)議在上位機進行編程組態(tài)，對過程量、開關量作數(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。
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、成本低等原則，控制核心采用8位微處理器MC68HC908SR12(SR12)，電機控制的主電路采用電力電子技術實現(xiàn)。SR12具有速度快、功能強和價格低等特點。其最高工作頻率可達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)應用SR12內(nèi)部的A/D進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進行通訊存儲設置值，利用SCI接口通過M AX485與上位機進行數(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轉換，將輸入的模擬信號和閥門位置反饋的模擬信號進行量化。采用REF02作為A/D的基準電壓，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 機控制信號。同時選擇I/O口PTB6作為繼電器開關量輸出的控制信號。
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)行機構，會由于各種原因引入信號干擾以及各種危險的強電壓信號。為了保證系統(tǒng)的安全，保證檢測的正確性和運行的可靠性，采用光耦LOC210對輸入輸出信號進行隔離。
左側有CPU系統(tǒng)的數(shù)字地，右側有外部系統(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)場遠程控制和組網(wǎng)的需要，系統(tǒng)支持 RS485通訊方式。電平轉換芯片采用MAX485。實際工作時，可以與上位機進行遠程通訊，進行運行方式設定并監(jiān)控運行狀態(tài)。
2.5 電機驅動部分
電機的驅動采用電力電子開關雙向可控硅BTA16。雙向可控硅具有開關速度快、壽命長、無火花和拉弧現(xiàn)象等特點[2]，保證執(zhí)行機構在高溫條件下的長期可靠運行，同時有助于對電機的保護。主電路與CPU之間采用光耦MOC302X驅動。
在設計中，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動。在實際工作時RC吸收回路的實際參數(shù)需要根據(jù)電機參數(shù)(ZL)的不同確定。
需要注意的是，MOC302X的耐壓是400 V，如果電機需要工作在380 V下或者電機的反電勢比較大時，要選用MOC308X系列。
3 軟件設計
控制器的軟件主要是由主程序、人機界面處理程序及自動調試、故障處理、A /D轉換和數(shù)據(jù)處理、手動操作故障處理等子程序組成。
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量信號給用戶，并切斷電機電源。
系統(tǒng)采用4個鍵復用的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制及參數(shù)設定。4個鍵的定義分別為F(Function)、U(Up)、D(Dowm)、S(Shift)。F為功能鍵，按此鍵進入設置菜單，多次按F鍵后可退出 菜單。U、D鍵分別代表增加和減小當前數(shù)值或進行參數(shù)選擇，在手動操作中代表向上或向下指令。S為切換鍵，可以改變當前輸入焦點，配合U、D鍵，可以很方便的實現(xiàn)任意數(shù)字的輸 入。
在電機控制算法上采用PID調節(jié)，避免了超調、振蕩的發(fā)生，同時可選直接比例控制和比例+步進控制等控制方式，使系統(tǒng)能適用不同類型的電機。
系統(tǒng)的軟件設計使得可隨時調整閥門兩端位置，只要調整好限位開關后作一次自整定(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 位機編程控制閥門，使閥門聯(lián)網(wǎng)通訊及計算機控制更加方便。
4 結束語
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)部而無需改動原機械機構，這不僅方便了現(xiàn)有執(zhí)行機構的生產(chǎn)，也有利于原有舊設備的改造。同時，系統(tǒng)的硬件設計充分考慮了工業(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)已實際投產(chǎn)，目前在各種工業(yè)環(huán)境下運行良好。