智能型閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)
祝榮榮，張士文，殳國(guó)華
（上海交通大學(xué)電工與電子技術(shù)中心，上海200240）
摘 要：介紹了一種閥門(mén)電動(dòng)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(dòng)單元，完成了一個(gè)集自動(dòng)控制、手動(dòng)調(diào)節(jié)、狀態(tài)檢測(cè)等功能于一體的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于各類(lèi)工 業(yè)控制閥。
關(guān)鍵詞：閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；智能控制器；MC68HC908SR12
The design of an intelligent controller for use with electric valveactuators
ZHU Rongrong,ZHANG Shiwen;SHU Guohua
(Electrical & ElectroNIc Techonlogy Center of Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)
Abstract：An intelligent controller is designe d for use with electric valveactuators.The controller uses the 8bit MCU as a control unit and the power electronics as a motordrive unit.The system is pro vided with the integrated function of automatic and manual control and can also detect the state of the valve.The system is applicable to many kinds of industri al valve.
Key words：electric valveactuator;intelligent controller;MC68H C908SR12
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(kāi)管網(wǎng)系統(tǒng)，有管網(wǎng)必然有閥門(mén)。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(chǎng)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(kāi)電動(dòng)閥門(mén)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(chǎng)合，對(duì)閥門(mén)的控制不僅僅是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，還涉及到開(kāi)度控制以及流量等各種關(guān) 系控制，這對(duì)閥門(mén)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(mén)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)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(mén)的控制量為閥門(mén)開(kāi)度，在應(yīng)用場(chǎng)合往往會(huì)根據(jù)實(shí)際需要將閥門(mén)開(kāi)或關(guān)，或者開(kāi)到一定程度，甚至動(dòng)態(tài)的以某種規(guī)律開(kāi)關(guān)。在傳統(tǒng)的模擬控制方式中用時(shí)間、電流的大小來(lái)表示閥門(mén)的開(kāi)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(kāi)啟角度與閥門(mén)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(shí)，簡(jiǎn)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(lái)控制電動(dòng)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(hào)（如4～20 mA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(guò)菜單和按鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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4～20 mA/4～12 mA/12～20 mA/0～5 V/1～5 V等控制信號(hào)，輸出隔離的4～20mA閥位反饋信號(hào)；
?。?）具有仿真運(yùn)行功能，并可根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的流量特性曲線運(yùn)行；
（3）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(kāi)、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(hào)值、閥位值、故障類(lèi)別；
?。?）RS485遠(yuǎn)程通訊功能，通過(guò)通訊協(xié)議在上位機(jī)進(jìn)行編程組態(tài)，對(duì)過(guò)程量、開(kāi)關(guān)量作數(shù)據(jù)或圖形處理。
(6)閥門(mén)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(jià)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(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(mén)位置信號(hào)及輸入控制信號(hào)的采集，利用PWM輸出經(jīng)過(guò)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(guò)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(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(mén)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(kāi)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(chǎng)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(cè)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，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(shí)，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(chǎng)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(kāi)關(guān)雙向可控硅BTA16。雙向可控硅具有開(kāi)關(guān)速度快、壽命長(zhǎng)、無(wú)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(zhǎng)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(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400 V，如果電機(jī)需要工作在380 V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(guò)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(kāi)關(guān)量信號(hào)給用戶(hù)，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(lèi)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(mén)兩端位置，只要調(diào)整好限位開(kāi)關(guān)后作一次自整定（F、S鍵同時(shí)按下10 s）即可，極大地方便了用戶(hù)。系統(tǒng)還提供RS485通訊協(xié)議，用戶(hù)可以通過(guò)上 位機(jī)編程控制閥門(mén)，使閥門(mén)聯(lián)網(wǎng)通訊及計(jì)算機(jī)控制更加方便。
4結(jié)束語(yǔ)
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(wú)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(chǎng)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(chǎng)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。