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地 址:揚州市邗江區(qū)維揚經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)創(chuàng)業(yè)園中路9號
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更新時間:2014-06-17 點擊次數(shù):4715次
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際位置不易達(dá)到同步,經(jīng)常出現(xiàn)的誤差。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。
(1)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計,直接接收4~20mA/4~12mA/12~20mA/0~5V/1~5V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(shè)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(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~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)實現(xiàn)。
SR12具有速度快、功能強(qiáng)和價格低等特點。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行的可靠性,采用光耦LOC210對輸入輸出信號進(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。實際工作時,可以與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊,進(jìn)行運行方式設(shè)定并監(jiān)控運行狀態(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[2],保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高溫條件下的長期可靠運行,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。在實際工作時RC吸收回路的實際參數(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,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(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。
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際位置不易達(dá)到同步,經(jīng)常出現(xiàn)的誤差。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。
(1)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計,直接接收4~20mA/4~12mA/12~20mA/0~5V/1~5V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(shè)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(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~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)實現(xiàn)。
SR12具有速度快、功能強(qiáng)和價格低等特點。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行的可靠性,采用光耦LOC210對輸入輸出信號進(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。實際工作時,可以與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊,進(jìn)行運行方式設(shè)定并監(jiān)控運行狀態(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[2],保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高溫條件下的長期可靠運行,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。在實際工作時RC吸收回路的實際參數(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,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(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。