智能电动调节阀控制系统调试

智能电动调节阀控制系统调试阀门的控制量为阀门开度，在应用场合往往会根据实际需要将阀门开或关，或者开到一定程度，甚至动态的以某种规律开关。在传统的模拟控制方式中用时间、电流的大小来表示阀门的开启角度。由于影响时间、电流(电压)等参数的因素很多，因此显示的开启角度与阀门的实际位置不易达到同步，经常出现明显的误差。同时，简单的模拟量控制提供的信息极为有限，不利于系统的调试和检修。笔者设计的智能型控制系统采用数字化的方法来控制电动执行机构运行。
功能相对简单，采用伺服放大器和执行机构就可以完成基本的功能设计，但是智能型电动调节阀执行器要完成人机交互、智能控制、通讯等一些相对比较复杂的功能，这就要求在传统电动调节阀执行器的基础上增加一些新的模块来支撑这些功能。



智能电动调节阀控制系统调试图1-电动调节阀
智能电动调节阀执行器的结构示意图如图2所示，智能电动调节阀执行器的基本功能模块主要由主控单元、接口模块、电源模块、功率驱动模块、伺服驱动控制模块、检测反馈模块组成。智能电动调节阀执行器主控单元通过接受CAN总线传送的上位机命令并结合所要调控的对象（如阀门）的检测传感器反馈回来的信号，主控CPU据此计算所需的速度控制信号。采用MOTOROLA公司单片微处理器和外围芯片组成智能化的位置控制单元，接收统一的标准直流信号(如4～20mA的电流信号)，经信号处理及A/D转换送至微处理器，微处理机将处理后的数据送至显示单元显示调节结果，运算处理后产生的控制信号驱动交流电机。此外，系统带通讯功能，可以接收上位机的指令，进行远程数字控制。同时也可以在智能控制器本地的人机界面上通过菜单和按钮实现现场手动控制。


    智能电动调节阀控制系统调试主要功能描述：
    (1)一体化结构设计，直接接收4～20mA/4～12mA/12～20mA/0～5V/1～5V等控制信号，输出隔离的4～20mA阀位反馈信号；
    (2)具有仿真运行功能，并可根据用户设定的流量特性曲线运行；
    (3)控制信号断路故障判断、报警及保护功能。断路故障时可使执行机构或开、或关、或保特、或在0～99%之间预置的任意值；
    (4)数字显示，显示控制信号值、阀位值、故障类别；
    (5)RS485远程通讯功能，通过通讯协议在上位机进行编程组态，对过程量、开关量作数据或图形处理。
    (6)阀门行程自整定，输入输出模拟信号自校准。


    2智能电动调节阀控制系统调试系统硬件组成
    智能电动调节阀执行器的基本功能模块主要由主控单元、接口模块、电源模块、功率驱动模块、伺服驱动控制模块、检测反馈模块组成。智能电动调节阀执行器主控单元通过接受CAN总线传送的上位机命令并结合所要调控的对象（如阀门）的检测传感器反馈回来的信号，主控CPU据此计算所需的速度控制信号。
然后将该信号传送至何服驱动控制模块，智能电动调节阀功率驱动模块驱动电机转动，使被控对象（阀门）的开度在理想的时间内达到一个合理的位置。智能电动调节阀执行器利用了现场总线通信技术将伺服放大器和功率驱动模块紧密起来，实现了主控单元和执行机构的双向通讯、在线标定、自我诊断、保护等多种功能，很大程度上提高了控制精度和设备运行的安全性。智能控制器根据智能化、可靠性高、抗干扰能力强、成本低等原则，控制核心采用8位微处理MC68HC908SR12(SR12)，电机控制的主电路采用电力电子技术实现。SR12具有速度快、功能强和价格低等特点。其工作频率可达8MHz，有512字节的片内RAM、12K字节的片内FLASH存储器，14路10位A/D，及SCI、I2C、SPI等通讯接口［1，4］。


    系统应用SR12内部的A/D进行阀门位置信号及输入控制信号的采集，利用PWM输出经过滤波后的位置信号，利用I2C总线与外部存储器AT24C08进行通讯存储设置值，利用SCI接口通过MAX485与上位机进行数据交换，充分利用了该芯片的内部资源，节约了成本。
    2.1信号输入部分
    利用SR12内部A/D转换，将输入的模拟信号和阀门位置反馈的模拟信号进行量化。采用REF02作为A/D的基准电压，其温度漂移系数为3PPM/℃。
    2.2信号输出部分
    SR12有3通道8位高速PWM，每个通道有独立的计数器，可选择PWM输入时钟以产生各种PWM频率，并有自动相位控制。利用其中一路PWM作为模拟量输出信号，其余两路作为电机控制信号。同时选择I/O口PTB6作为继电器开关量输出的控制信号。
    2.3输入输出隔离
    系统在工业现场使用时，涉及到各种仪表、传感器及执行机构，会由于各种原因引入信号干扰以及各种危险的强电压信号。为了保证系统的安全，保证检测的正确性和运行的可靠性，采用光耦LOC210对输入输出信号进行隔离。


    2.4智能电动调节阀控制系统调试通讯部分
    智能电动调节阀任何一种技术的进步都和相关其他技术的进步有着非常紧密的关系，执行机构的发展也离不开微电子技术、电力电子技术、自动控制技术、网络技术、机电一体化技术等技术的进步。伴随这些相关技术的发展，智能电动调节阀执行机构的发展趋势为：智能变频技术、模块化设计技术、高效变频电机及传动技术、S9工作制、动态力平衡定位技术、故障诊断及保护技术、现场总线技术、抗电磁干扰技术、机电一体化结构、数字控制技术等等。为了完成工业现场远程控制和组网的需要，系统支持RS485通讯方式。电平转换芯片采用MAX485。实际工作时，可以与上位机进行远程通讯，进行运行方式设定并监控运行状态。
    2.5电机驱动部分
    电机的驱动采用电力电子开关双向可控硅BTA16。双向可控硅具有开关速度快、寿命长、无火花和拉弧现象等特点［2］，保证执行机构在高温条件下的可靠运行，同时有助于对电机的保护。主电路与CPU之间采用光耦MOC302X驱动，如图3所示，图中ZL为电机负载。
    在设计中，MOC3020的二极管前向电流为15mA,MOC3021和MOC3023分别为8mA和3mA，所以可以由MC68HC908SR12的I/O口采用灌电流方式直接驱动。在实际工作时RC吸收回路的实际参数需要根据电机参数(ZL)的不同确定。
    需要注意的是，MOC302X的耐压是400V，如果电机需要工作在380V下或者电机的反电势比较大时，要选用MOC308X系列。