智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)試

智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)試閥門的控制量為閥門開度，在應(yīng)用場(chǎng)合往往會(huì)根據(jù)實(shí)際需要將閥門開或關(guān)，或者開到一定程度，甚至動(dòng)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(shí)間、電流的大小來(lái)表示閥門的開啟角度。由于影響時(shí)間、電流(電壓)等參數(shù)的因素很多，因此顯示的開啟角度與閥門的實(shí)際位置不易達(dá)到同步，經(jīng)常出現(xiàn)明顯的誤差。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。
功能相對(duì)簡(jiǎn)單，采用伺服放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可以完成基本的功能設(shè)計(jì)，但是智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器要完成人機(jī)交互、智能控制、通訊等一些相對(duì)比較復(fù)雜的功能，這就要求在傳統(tǒng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的基礎(chǔ)上增加一些新的模塊來(lái)支撐這些功能。



智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)試圖1-電動(dòng)調(diào)節(jié)閥
智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的基本功能模塊主要由主控單元、接口模塊、電源模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊、檢測(cè)反饋模塊組成。智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器主控單元通過接受CAN總線傳送的上位機(jī)命令并結(jié)合所要調(diào)控的對(duì)象（如閥門）的檢測(cè)傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，主控CPU據(jù)此計(jì)算所需的速度控制信號(hào)。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4～20mA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)界面上通過菜單和按鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。


    智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)試主要功能描述：
    (1)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接接收4～20mA/4～12mA/12～20mA/0～5V/1～5V等控制信號(hào)，輸出隔離的4～20mA閥位反饋信號(hào)；
    (2)具有仿真運(yùn)行功能，并可根據(jù)用戶設(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、或關(guān)、或保特、或在0～99%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(duì)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(hào)自校準(zhǔn)。


    2智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)硬件組成
    智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的基本功能模塊主要由主控單元、接口模塊、電源模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊、檢測(cè)反饋模塊組成。智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器主控單元通過接受CAN總線傳送的上位機(jī)命令并結(jié)合所要調(diào)控的對(duì)象（如閥門）的檢測(cè)傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，主控CPU據(jù)此計(jì)算所需的速度控制信號(hào)。
然后將該信號(hào)傳送至何服驅(qū)動(dòng)控制模塊，智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥功率驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使被控對(duì)象（閥門）的開度在理想的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)合理的位置。智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器利用了現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)將伺服放大器和功率驅(qū)動(dòng)模塊緊密起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了主控單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的雙向通訊、在線標(biāo)定、自我診斷、保護(hù)等多種功能，很大程度上提高了控制精度和設(shè)備運(yùn)行的安全性。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(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)行閥門位置信號(hào)及輸入控制信號(hào)的采集，利用PWM輸出經(jīng)過濾波后的位置信號(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(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。


    2.4智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)調(diào)試通訊部分
    智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥任何一種技術(shù)的進(jìn)步都和相關(guān)其他技術(shù)的進(jìn)步有著非常緊密的關(guān)系，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展也離不開微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等技術(shù)的進(jìn)步。伴隨這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)為：智能變頻技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效變頻電機(jī)及傳動(dòng)技術(shù)、S9工作制、動(dòng)態(tài)力平衡定位技術(shù)、故障診斷及保護(hù)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)、機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)、數(shù)字控制技術(shù)等等。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)采用電力電子開關(guān)雙向可控硅BTA16。雙向可控硅具有開關(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(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400V，如果電機(jī)需要工作在380V下或者電機(jī)的反電勢(shì)比較大時(shí)，要選用MOC308X系列。