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智能型閥門電動履行機構控製器的設計

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:262时间:2019-12-09

摘要:先容了一種閥門電動履行機構的智能控製器。該控製器采用MOTOROLA公司的8位微處理器作為控製單元 ,用電力電子器件作為電機驅動單元,完成了一個集主動控製、手動調節、狀況檢測等功能於一體的智能係統。該係統適用於各類產業控製閥。

關鍵詞 :閥門電動履行機構;智能控製器;MC68HC908SR12

引言

水 、汽 、油等流體與產業發展有著密切聯係,而流體在產業上的利用離不開管網係統,有管網必然有閥門。隨著產業主動化的發展,傳統的手工機械調節方式在很多場合已不再適用。要實現管網係統的產業主動化治理,更是離不開電動閥門這個管網係統中的履行機構。在某些利用處合,對閥門的控製不僅僅是簡單的開關控製,還涉及到開度控製和流量等各種關係控製,這對閥門電動履行機構控製器的智能性提出了更高的要求。文中利用微處理器設計了一種閥門控製係統實現了閥門履行機構控製的智能化。

1係統工作道理和功能

閥門的控製量為閥門開度,在利用處合往往會根據實際需要將閥門開或關,或者開到一定程度,甚至動態的以某種規律開關。在傳統的模擬控製方式中用時間、電流的大小來表示閥門的開啟角度。由於影響時間、電流(電壓)等參數的身分很多,是以顯示的開啟角度與閥門的實際位置不易達到同步,經常出現明顯的誤差[3]。同時,簡單的模擬量控製提供的信息極為有限,不利於係統的調試和檢驗。筆者設計的智能型控製係統采用數字化的方法來控製電動履行機構運行。其智能控製器係統構成如圖1所示。

采用MOTOROLA公司單片微處理器和外圍芯片構成智能化的位置控製單元,接收同一的標準直流信號(如4~20mA的電流信號),經信號處理及A/D轉換送至微處理器,微處理機將處理後的數據送至顯示單元顯示調節結果,運算處理後產生的控製信號驅動交流電機。此外 ,係統帶通訊功能,可以接收上位機的指令,進行長途數字控製。同時也可以在智能控製器本地的人機界麵上通過菜單和按鈕實現現場手動控製。

首要功能描述:

(1)一體化結構設計,直接接收4~20mA/4~12mA/12~20mA/0~5V/1~5V等控製信號,輸出隔離的4~20mA閥位反饋信號;

(2)具有仿真運行功能,並可根據用戶設定的流量特性曲線運行;

(3)控製信號斷路故障判定、報警及保護功能。斷路故障時可使履行機構或開、或關、或保特、或在0~100%之間預置的任意值;

(4)數字顯示,顯示控製信號值、閥位值、故障種別;

(5)RS485長途通訊功能,通過通訊協議在上位機進行編程組態,對過程量 、開關量作數據或圖形處理。

(6)閥門行程自整定,輸進輸出模擬信號自校準。

2係統硬件構成

智能控製器根據智能化、可靠性高、抗幹擾能力強、本錢低等原則,控製核心采用8位微處理器MC68HC908SR12(SR12),電機控製的主電路采用電力電子技術實現 。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8MHz,有512字節的片內RAM、12K字節的片內FLASH存儲器,14路10位A/D,及SCI、I2C、SPI等通訊接口[1,4]。

係統利用SR12內部的A/D進行閥門位置信號及輸進控製信號的采集,利用PWM輸出經過濾波後的位置信號,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MAX485與上位機進行數據交換,充分利用了該芯片的內部資本,節約了本錢。

2.1信號輸進部分

利用SR12內部A/D轉換,將輸進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,其溫度漂移係數為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器,可選擇PWM輸進時鍾以產生各種PWM頻率,並有主動相位控製。利用其中一路PWM作為模擬量輸出信號,其餘兩路作為電機控製信號。同時選擇I/O口PTB6作為繼電器開關量輸出的控製信號 。

2.3輸進輸出隔離

係統在產業現場使用時,涉及到各種儀表、傳感器及履行機構,會由於各種啟事引進信號幹擾和各種危險的強電壓信號。為了保證係統的安全,保證檢測的精確性和運行的可靠性,采用光耦LOC210對輸進輸出信號進行隔離,如圖2所示。

圖2中,左邊有CPU係統的數字地,右邊有外部係統的地。同時,外部係統的電源與內部係統的電源完全隔離。

2.4通訊部分

為了完成產業現場長途控製和組網的需要,係統撐持RS485通訊方式。電平轉換芯片采用MAX485。實際工作時 ,可以與上位機進行長途通訊,進行運行方式設定並監控運行狀況。

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矽BTA16。雙向可控矽具有開關速度快、壽命長、無火花和拉弧現象等特點[2],保證履行機構在高溫條件下的長期可靠運行,同時有助於對電機的保護。主電路與CPU之間采用光耦MOC302X驅動,如圖3所示,圖中ZL為電機負載。

在設計中,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動。在實際工作時RC吸收回路的實際參數需要根據電機參數(ZL)的不同確定。

需要重視的是,MOC302X的耐壓是400V,假如電機需要工作在380V下或者電機的反電勢比較大時,要選用MOC308X係列 。

3軟件設計

控製器的軟件首要是由主程序、人機界麵處理程序及主動調試、故障處理、A/D轉換和數據處理、手動操縱故障處理等子程序構成。主程序流程如圖4所示。

在履行過程中,判定各種故障狀況,發現故障,立即報警顯示,同時輸出一組繼電器開關量信號給用戶,並切斷電機電源。

係統采用4個鍵複用的方法實現對係統的控製及參數設定。4個鍵的定義分別為F(Function)、U(Up)、D(Dowm)、S(Shift)。F為功能鍵,按此鍵進進設置菜單,多次按F鍵後可退出菜單。U、D鍵分別代表增加和減小當前數值或進行參數選擇,在手動操縱中代表向上或向下指令。S為切換鍵,可以改變當前輸進焦點,配合U 、D鍵,可以很方便的實現任意數字的輸進。

在電機控製算法上采用PID調節,避免了超調、振蕩的發生,同時可選直接比例控製和比例+步進控製等控製方式,使係統能適用不同類型的電機。

係統的軟件設計使得可隨時調整閥門兩端位置,隻要調整好限位開關後作一次自整定(F 、S鍵同時按下10s)即可,極大地方便了用戶。係統還提供RS485通訊協議,用戶可以通過上位機編程控製閥門,使閥門聯網通訊及計算機控製更加方便。

4結束語

該係統的各個首要功能模塊集中在單片微處理器中,降低了係統的本錢,進步了可靠性,減小了體積,可直接安裝於履行器內部而無需改動原機械機構,這不僅方便了現有履行機構的生產,也有益1頁

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