智能型阀门电动执行机构控制器的设计

发布于：2007/3/28 8:56:17 | 861 次阅读

[转载]原文链接：

智能型阀门电动执行机构控制器的设计

祝荣荣，张士文，殳国华

（上海交通大学电工与电子技术中心，上海200240）

　　摘　要：介绍了一种阀门电动执行机构的智能控制器。该控制器采用MOTOROLA公司的8位微处理器作为控制单元，用电力电子器件作为电机驱动单元，完成了一个集自动控制、手动调节、状态检测等功能于一体的智能系统。该系统适用于各类工业控制阀。
　　关键词：阀门电动执行机构；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 motordrive 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、油等流体与工业发展有着密切联系，而流体在工业上的应用离不开管网系统，有管网必然有阀门。随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节方式在许多场合已不再适用。要实现管网系统的工业自动化管理，更是离不开电动阀门这个管网系统中的执行机构。在某些应用场合，对阀门的控制不仅仅是简单的开关控制，还涉及到开度控制以及流量等各种关系控制，这对阀门电动执行机构控制器的智能性提出了更高的要求。文中应用微处理器设计了一种阀门控制系统实现了阀门执行机构控制的智能化。

1系统工作原理和功能
　　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［3］。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。其智能控制器系统构成如图1所示。

　　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4～20 mA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。
　　主要功能描述：
　　（1）一体化结构设计，直接接收4～20 mA/4～12 mA/12～20 mA/0～5 V/1～5 V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0～100%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系统硬件组成
　　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，控制采用8位微处理器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8 MHz，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M AX485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，如图2所示。



　　图2中，左侧有CPU系统的数字地，右侧有外部系统的地。同时，外部系统的电源与内部系统的电源完全隔离。
2.4通讯部分
　　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长期可靠运行，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Z_L为电机负载。

　　在设计中，MOC3020的二极管前向电流为15 mA,MOC3021和MOC3023分别为8 mA和3 mA，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（Z_L）的不同确定。
　　需要注意的是，MOC302X的耐压是400 V，如果电机需要工作在380 V下或者电机的反电势比较大时，要选用MOC308X系列。

3软件设计
　　控制器的软件主要是由主程序、人机界面处理程序及自动调试、故障处理、A /D转换和数据处理、手动操作故障处理等子程序组成。主程序流程如图4所示。



　　在执行过程中，判断各种故障状态，发现故障，立即报警显示，同时输出一组继电器开关量信号给用户，并切断电机电源。
　　系统采用4个键复用的方法实现对系统的控制及参数设定。4个键的定义分别为F（Function)、U（Up)、D（Dowm)、S（Shift)。F为功能键，按此键进入设置菜单，多次按F键后可退出菜单。U、D键分别代表增加和减小当前数值或进行参数选择，在手动操作中代表向上或向下指令。S为切换键，可以改变当前输入焦点，配合U、D键，可以很方便的实现任意数字的输入。
　　在电机控制算法上采用PID调节，避免了超调、振荡的发生，同时可选直接比例控制和比例+步进控制等控制方式，使系统能适用不同类型的电机。
　　系统的软件设计使得可随时调整阀门两端位置，只要调整好限位开关后作自整定（F、S键同时按下10 s）即可，极大地方便了用户。系统还提供RS485通讯协议，用户可以通过上位机编程控制阀门，使阀门联网通讯及计算机控制更加方便。

4结束语
　　该系统的各个主要功能模块集中在单片微处理器中，降低了系统的成本，提高了可靠性，减小了体积，可直接安装于执行器内部而无需改动原机械机构，这不仅方便了现有执行机构的生产，也有利于原有旧设备的改造。同时，系统的硬件设计充分考虑了工业现场的环境情况，采取了完善的抗干扰措施和故障保护措施，使系统能适用于工业现场的环境。
　　该系统已实际投产，目前在各种工业环境下运行良好。

参考文献

［1］张友德.M68HC08系列单片机原理与应用［M］.上海：复旦大学出版社，2001.
［2］王兆安.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2001.
［3］张卫华.电动阀门智能测控系统的研制［J］.青岛大学学报，2003，16（3）：79-82.

参与讨论

登录后参与讨论

//评论区

推荐阅读

智能网联汽车国际标准法规协调专家组（HEAG）召开工作会议

近年来智能网联汽车快速发展，新技术不断涌现，与相关产业融合度持续提升，正在推动全球汽车产业发生深刻变革。为应对此种形势，欧、美、日等汽车工业发达国家和地区都加大了智能网联汽车的国际标准法规协调的参与力度，在联合国世界车辆法规论坛(UN/WP.29)和国际标准化组织(ISO)层面，智能网联汽车相关国际标准法规协调活动正快速推进。为更有效地支撑上述组织的国际标准法规协调活动，2017年全国汽车标准

0215jiejie | 发布于：2022-12-01 0评论 0赞

苹果推出搭载M2芯片的新款iPad Pro 799美元起售

据苹果官网，苹果推出搭载M2芯片的新款iPadPro。 11英寸wifi版起售价为799美元，wifi+蜂窝网络版起售价为999美元；12.9英寸wifi版起售价为1099美元，wifi+蜂窝网络版起售价为1299美元。

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

新能源汽车领衔 “中国智造”加速登陆欧洲市场

全球五大车展之一巴黎车展时隔四年再度启幕。在这场被视为“全球汽车行业风向标”的盛会上，国内外汽车品牌云集，长城汽车、比亚迪等再次领衔中国汽车出海。长城汽车欧洲区域总裁孟祥军表示：“欧洲是长城汽车最重要的海外市场之一，巴黎车展是长城汽车向欧洲市场展示GWM品牌和产品的最佳机会。长城汽车正在研究汽车行业碳排放的整个生命周期，到2025年，将推出50多款新能源产品，全力支持可再生能源使用，为全球用户

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

严监管时代来临，电子烟“通配”大战走向何方？

针对通配烟弹厂商的一系列诉讼的结果，将对生产通配烟弹的品牌未来在电子烟行业的发展产生深远影响。 10月1日，《电子烟强制性国家标准》正式实施，中国电子烟监管全面生效。而在电子烟行业进入规范化、法治化阶段前夕，一场围绕着通配烟弹的争论在行业里发酵。 “通配”是电子烟从业者约定俗成的概念。换弹式电子烟由烟杆和烟弹组成，“通配”烟弹指的是非品牌商生产、可与品牌烟杆匹配使用的烟弹。多位业内人士表示，被

0215jiejie | 发布于：2022-10-19 0评论 0赞

Bourns 全新大功率分流电阻器

采用金属感应引脚，专用于大电流应用中进行精确测量全新分流电阻器专为电池管理系统、大电流工业控制和电动汽车充电站提供高可靠性、高成本效益的解决方案美国柏恩Bourns全球知名电子组件领导制造供货商，宣布新增12款CSM2F系列功率分流电阻器，扩展其产品组合。全新系列采用铆接通孔金属传感引脚，可满足大电流应用中对电压测试点精确定位日益增长的需求。最新型Bourns?CSM2F系列分流电阻器

0215jiejie | 发布于：2022-10-18 0评论 0赞

请尊重元宇宙“这个筐”

元宇宙是个筐，啥都往里装，但区别在于有的像聚宝盆，有的像垃圾桶。国庆假期刚结束，中青宝“90后”董事长李逸伦便亲自上阵，玩起了元宇宙婚礼。靠着老板首秀和代言，中青宝顺势推出“MetaLove元囍”App，正式进军元宇宙婚礼赛道。就产品而言，如同其他元宇宙产品，李逸伦的元宇宙婚礼“新奇与吐槽齐飞”：有人说是有趣的尝试，有人则认为像QQ炫舞结婚系统。要知道，QQ炫舞是一款推出了十余年的老游戏。

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

边缘计算：突围商业模式痛点

截至8月末，中国5G基站总数达210.2万个，中国5G发展已经进入下半场。随着5G加速融入千行百业，互动直播、vCDN、安防监控等场景率先大规模落地，车联网、云游戏、工业互联网、智慧园区、智慧物流等场景也快速走向成熟，这些更大流量、更低时延、更高性能的场景涌现，对边缘计算的刚性需求势必爆发。 GrandViewResearch预测，即使在新型冠状病毒肺炎疫情肆虐全球的背景下，边缘计算和5G网络市

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

商务部回应美商务部升级半导体等领域对华出口管制并调整出口管制“未经验证清单”

商务部新闻发言人10日就美商务部升级半导体等领域对华出口管制并调整出口管制“未经验证清单”应询答记者问。有记者问：近日，美国商务部在半导体制造和先进计算等领域对华升级出口管制措施。同时，在将9家中国实体移出“未经验证清单”过程中，又将31家中国实体列入，请问中方对此有何回应？对此，商务部新闻发言人回应称，中方注意到相关情况。首先，通过中美双方前一阶段共同努力，9家中国实体zui终

0215jiejie | 发布于：2022-10-13 0评论 0赞

TCL华星官宣与奔驰合作：推出全球首款横贯A柱的车载显示屏

今年1月，奔驰带来了VISIONEQSS概念车，其中控台采用了一块完全无缝的47.5英寸曲面显示屏，横贯整个A柱，令人印象深刻。今天，TCL华星正式官宣与奔驰达成合作，并认领了VISIONEQSS上这块全球首款横贯整个A柱曲面的车载显示屏。根据TCL介绍，这款显示屏采用了完全无缝的超薄一体化设计，将仪表盘、中控与副驾娱乐显示融为一体，并能够与3D实时导航系统相辅相成。同时，这块显示屏还采用

0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

半导体板块暴跌谁最受伤

国庆假期后首日开盘，上证综指时隔5个月再次失守3000点，与此同时，半导体板块也再度走低，其中，北方华创、雅克科技等个股跌停。10月11日早盘期间，半导体板块持续下挫，北方华创、雅克科技再度跌停。截至下午收盘，北方华创、雅克科技维持跌停状态，华海清科、拓荆科技-U、盛美上海、清溢光电、海光信息的跌幅则超10%。同日，半导体板块中的119只个股中超五成呈现下跌趋势。在半导体板块遭遇下挫的同时，北

0215jiejie | 发布于：2022-10-12 0评论 0赞

unionblog

关注