能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发.doc

能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发 摘要阀门电动装置控制器是阀门电动装置的核心部件。本文对现有的国内外阀门电动装置及其控制器进行了深入和详尽的对和分析,借鉴和传承了它们的有效的成功经验。在此基础上,开发研制出新型的能实现远程控制的智能化阀门电动装置控制器。它以单片机为控制和接受远程控制信号的核心部件,不仅具有常规调节仪表的检测、控制、调节功能,而且由于单片机的可编程,使其更具智能化。系统功能包括阀门控制、实时显示阀位、阀门状态监测、故障诊断、失效保护及给定值无扰动切换的软件判定等多种功能。本文设计原则依据:安全性,可靠性,简便性和实用性。对阀门电动装置智能化控制器进行了总体方案的设计,并据此开发研制出整个控制系统,包括微机控制器和其外围检测控制机构,并用汇编语言编写了系统控制软件。此外,为了提高系统的抗干扰能力,系统附设了一系列软件、硬件抗干扰措施。最后.一的实验调试结果表明,系统整体设计合理,功能齐全,实现了预期的设计目标。关键词:阀门电动装置 远程控制 单片机三相电机控制., .,. ,?, , .,. ., ? .: ,?.能实现远程控制的阔门智能电动装置的研究与开发第一章绪论.概述阀门是管道控制系统中的重要组成部分,是用来截断和调节管道中介质流量的。阀门广泛应用于石油、化工、冶金、造纸、水电、环保等行业。随着科技的发展,为了解除工作人员繁重的体力劳动,实现阀门的自动化控制正是操作人员乃至科技人员的心愿。在现代化的大型企业部门,尤其是大型化工企业中都广泛地使用电动阀门。电动阀门是由阀门电动装置,包括控制器和阀门本体组成。阀门电动装置既是电动阀门的部件,又是实现阀门自动化系统的一个非常重要的基础装置,而阀门电动装置控制器则是阀门电动装置的核心部分。阀门电动装置是驱动和控制阀门的主要机构,从五十年代起就开始广泛用于我国的各个工业部门中。我国每年需要约数万台,目前大量生产和使用的仍然是六、七十年代设计的产品,其主要作用只是代替人力去操作那些大口径的阀门。随着现代化工业对阀门电动装置要求的提高,现有的阀门电动装置,特别是其控制系统在功能上和使用上的缺点暴露的越来越明显。如控制误差大及难以克服性,没有可靠的故障处理和及时的报警机制,人机界面不好,难于现场标定和维修。因此,不利于阀门产品的更新和换代。国外许多阀门电动装置制造商不断对阀门电动装置及其控制器进行着不懈地研究与改进,并随着微电子技术及计算机技术的突飞猛进的发展,现已有许多新型阀门电动装置及其配套的智能控制器,这使原有的产品克服了许多不足之处,增加了许多功能,并扩展了它的应用领域,各项指标和性能也得到了提高。我国在这方面起步较晚,技术水平不高,尤其是智能化、微机化的产品目前尚不多见。随着机电仪体化技术的不断提高,目前我国阀门制造行业也对阀门电动装置的控制提出了新的要求,迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品,以提高生产效率。国外生产的阀门电动装置及其控制器价格昂贵,而且很难和国内目前使用的电动装置相兼容,售后服务不完善,零部件配套困难;而国内生产厂家由于种种原因都还没有推出新型的智能化产品,可以说目前国内正在迫切呼唤符合国情、性能先进、功能完善、工作可靠的新型智能化阀门电动装置控制器,尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制等,以满足国内广大用户生产使用的要求。所以,开发与研究“能实现远程控制的阀门智能电装”这一课题项目具有十分重要的现实意义。阀门电动装置控制器水平的提高,有助于提高国内阀门电动装置的产品水平,也有利于提高生产控制的自动化水平,最终实现生产过程的智能化,价值十分显著。能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发.国内外技术概况及发展趋势随着国外大型成套技术的发展,近几年出现了一系列新型成套设备和单机。与阀门有关的新型成套设备发展的特点是大型化、高参数化、自动化与成套化。随着各类成套设备、工艺流程和性能的改善,国外阀门的系列品种不断增加。近年来出现了不少新品种阀门,如紧急切断阀、快速开关阀、防火阀、蝶形止回阀、泄压阀、真空夹套阀、水冷或气冷高温夹套阀,其中通用阀门中球阀、蝶阀和平板闸阀是多年来发展最快的品种。为适应成套装置控制自动化的要求,阀门的自动化水平不断提高,采用气液联动、电液联动、远控和自控的阀门日益增多。国内现行阀门标准目前还没有得到贯彻,阀门质量低于国际标准,部分疏水阀、减压阀和安全阀等自动阀性能达不到标准要求。阀门驱动装置品种少,规格不全,可靠性较差,不能满足大型成套项目配套的需要。国外阀门一般都能达到国际通用标准、和等有关标准的规定,各项性能测试数据齐全。阀门驱动装置品种多,电动、气动、液动、电一液联动和气一液联动,规格齐全,安全可靠,而在国内,阀门成套水平低,只能满足年代的工程配套,品种规格少,技术参数低,其阀门的驱动装置自动化水平低,基本上没有实现智能化调节和控制。国外仅美国就有个研究所公司所属,如公司具有十分完善的测试基地和设备,包括动态、抗震、紧急切断、可靠性等多种试验设施,对产品进行多方面性能参数的测定。有限元法、电子计算机技术、微机控制技术已在阀门设计中广泛得到应用。由于高新技术的迅猛发展,关键元件器件技术难关的突破,智能化阀门电动装置在国外已经形成许多系列产品,广泛应用于许多工业领域中。英国的公司、德国公司、美国的公司和.公司等几家国外著名的公司生产的智能化阀门电动装置功能强大,简单可靠,技术先进,代表着该领域的世界先进水平,它们的产品主要有以下几个特点:.计算机控制。在过程控制中,需要通过调整阀门的开度来调节流量和压力。通常执行机构按照外部发来的控制信号驱动阀门,这些控制信号来自控制系统的微处理器。在电动执行机构中,增加带有智能控制的伺服放大器,其后是增加给定值控制功能。现在的先进的阀门电动装置具有更完善的智能控制,可按给定值自动进行调节,控制流量和压力等过程变量。例如公司的智能化阀门电动装置能响应外部模拟信号或经由一通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行控制;.安全措施。智能化阀门电动装置具有高度的自身保护及系统保护功能,如装有三相电机的执行机构有可能因为相线接错而反转,导致执行机构和阀门损坏,而智能型的电动执行机构则可以通过监视电源的相序以及输入控制信号的情况确保电机正确起动。此外,在阀门卡死的情况下,保护功能还可以避免电动机被损坏。在电动机通电期间不断的检测阀门的动作,若发现一定的时间内不动作,就认为是卡住,控制器就发出命令,切断电动机电源并发出警报。公司生产的型智能化阀门电动装置具有上述两种功能。它装有相同步器自动相旋转调整装置,能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发可确保的三相电动机始终具有正确的相旋转电源;其次如果阀门卡死,当启动信号发出?秒后无任何的动作,的执行器内部逻辑电路可将相应的触点断开。除了有自身保护功能外,智能化阀门电动装置还其有系统保护功能,即当某些部件出现故障或系统出现其它问题时,会自动采取应急措施以免发生事故。.通讯功能。智能化阀门电动装置采用数字通讯的方法与主控制室相连,主控制室送出的可寻址数字信号通过电缆被电动装置接收,电动装置的微处理器根据收到的信号对电动装置进行相应的控制。如美国的公司的系统就是采用数字通讯技术将各种设备连接成一个局部网络,一个典型的系统可以包括电动执行机构、计算机阀门控带器、网络连线、网络接口部件以及主计算机。与主计算机之间采用标准的字符码通过串行口进行通讯。此外,智能阀门电装允许工程师在远地对其进行监测、整定和修改参数或算法等。例如公司的在出厂时就被配有软件,仪表工程师利用这些软件可以对阀门电动装置编程,与系统之间通过?串行口按照经过修改的协议相连。.智能诊断。在阀门电动装置上装有一些附加的传感器,专门用于故障诊断,而在电路方面也设置了各种监测功能,如电源相序和后备电池的电压检测。微处理器在运行中连续对整个系统进行监测,一旦发现问题立即执行预定的程序,自动采取应急措旌并报警。而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测。当出现故障需要专家协助解决时,有的智能化阀门电动装置还可以通过调制解调器与专家实时联网,以便及时地诊断和排除故障。.一体化的结构。一体化的结构把整个控制回路装在一个现场仪表之中,使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大为简化,且减少因信号的传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响,提高可靠性。此外,智能化阀门电动装置在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素,其组件多带有保护涂层以防腐蚀,外壳采用密封式,经得起温度、湿度的大范围变化和振动冲击的考验,保证工作可靠。例如公司生产的系列电动装置就带有防水保护和双层密封外壳,工作温度在一 。之间。改革开放以来,我国自动化仪表行业有了长足的进步,在执行器领域则以引进为主。如吴忠仪表厂引进了山武?霍尼韦尔的和两大系列产品,上海自动化仪表七厂引入了梅索尼兰的三个品种的产品,大连第三仪表厂和四川仪表十一厂又引进了西门子的电动执行机构。可见,目前的主要工作和精力都放在消化吸收上,在进一步改进和创新上用力不多。至于数字化、智能化工作则剐刚起步、无重大进展。国内一些单位已在执行器智能化方面作了一些探索,如上海工业自动化仪表研究所开发了新型智能电动执行器,使用方便,具有自诊断、自调整和调节功能。但目前仅是个别使用,没有形成产品。根据目前阀门行业科技发展的产业政策,“依靠科技”的战略思想和以科技为先导的指导方针,“搞好产品结构调整,以机电一体化为主题”,立足于国内,搞好引进与自由开发的关系,改造老产品,缩小与国外的差距。“”能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发.课题的主要研究内容本课题的基本目标是在充分考查国内、国外相同或相关的有关阀门电动装置及其控制器的技术现状和新的发展趋势的基础上,并结合用户鞍山市阀门电控制造厂目前现有的产品的特点和技术要求,研究开发新型、实用的智能化、数字化,并能对阀门实现远距离控制的阀门电动装置控制器。主要迸行的工作:、总体方案的研究、系统硬件电路的设计、系统软件的设计、系统样机的试验和调试本课题重点解决如下问题:、现有产品的阀门电动装置大都基于单机控制的设计原则,目前国内已开发出来的智能化阀门电动装置控制器也是基于这一设计原则,这就为实现远距离控制,集中控制造成不利,因此本课题将重点解决阀门电动装置的远距离控制问题,即,能接受远程控制中心送来的模拟标准电流信号,并能回送给远程控制中心相应的信号,以指示现场工作状态,这是目前开发新一代智能化阀门电动装置控制器的重要内容。、本课题将实现控制器的远程给定阀位信号 的程序接受与信号变化识别和无扰动切换阀门开闭中。这一功能将由编制控制软件来实现,即当远程给定值在阀位的同侧变化时,由软件来识别判断,实现不停机并按新的给定量进行阀位控制。这样,可以减少电机启动次数,以利于延长阀门电机的寿命。、阀门电动装置的工作条件经常处于恶劣状况下,为了保证长期正常工作,对系统的抗干扰性能和可靠性都有很高的要求。本系统将在软件设计和硬件设计上采用各种必要的手段和抗干扰措施。、作为实用装置,必然要和操作者打交道,要设计有优良的操作界面、明晰的显示和各种工作状态的指示秀面。、作为新型、能实现远程控制的智能阀门电动装置控制器要与大量正在使用中的阀门电动装置相兼容,傲到能用新的控制器代替原有控制器。我们的设计思路就是仅对阀门电动装置本体配线作少量改动,便能实现阀门电动装置的智能化控制。这一点很重要,否则这一新产品就没有生命力,研制项目也就失去了很大的意义。能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发第二章总体方案设计.阀门电动装置结构简介阀门电动装置由六个部分组成,即电机、减速器、控制机构、手电动切换机构、手轮部件及电气部分,其传动原理如图?所示。图阀门电动装置传动原理.电机.正齿轮.蜗杆.蜗轮.输出轴.伞齿轮.行程控制机构.中间齿轮.可调式开度指示器.蜗杆上环槽.曲拐.转矩控制机构.碟簧组及转矩控制机构、电动机:采用户外型三相异步电动机,该电机为短时工作制,额定持续工作时间为分钟。、减速器:由一对正齿轮和蜗轮付组成,电动机的动力经减速器传递给输出轴。、控制机构:由转矩控制机构、行程控制机构及可调式开度指示器组成,用以控制阀门的开启和关闭及阀位指示。转矩控制机构:由曲拐、碰块、凸轮、分度盘、支板和微动开关组成。当输出轴受到一定的阻转矩后,蜗杆除旋转外,还产生轴向位移,带动曲拐旋转,同时使碰块也产生一角位移,从而压迫凸转,使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到预定值时,则支板上抬直至微动开关动作,切断电源,电机停转,实现对电动装置输出转矩的控制。能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发行程控制机构:由十进位齿轮组、顶杆、凸轮和微动开关组成,简称计数器。其工作原理是由减速箱内的一主动小齿轮带动计数器工作。如果计数器按阀门开或关的位置已调整好,当计数器随输出轴转到预先调整好的位置圈数时,则凸轮将被转动度,压迫微动开关动作,切断电源,电机停转,以实现对电动装置行程转圈数的控制。为了控制较多转圈数多回转的阀门,可调整凸轮转度或度再迫使微动开关动作。可调式开度指示器:如图?所示,由减速齿轮组、调节齿轮、阀门开度表盘、凸轮、微动开关及电位器组成。在现场调试时,可根据所配阀门开关的圈数,将调节齿轮调整到所需位置,并与减速齿轮组啮合。当阀门在开启或关闭过程中,开度盘经减速后转动,指示阀门的开关量,指示角度与阀门开关量同步。电位器的动作与开度盘同步,供远传阀门位置用。图?可调式开度指示器传动原理.? .开度电位器.输出轴 .可变速比开度指示器、电气部分:鞍山市阀门电控制造厂制造的系列整体式多回转阀门电动装置和系列部分回转阀门电动装置,共设芯接线端子,其中动力线芯端子,控制线芯端子。所有电气元件的接点均引接到端子,供用户选用。、手一电动切换机构:由手柄、凸轮、框架、直立杆、中问离合器、压簧等组成。用以实现手动状态和电动状态的切换。、手动部件:由手轮和手动轴组成,供安装调试和处理故障等需手动时使用。”。”.能进行远程控制的阀门智能电动装置控制器的原理在充分理解和仔细分析国外先进智能化阀门电动装置及控制器的基础上,借鉴它们能实现远程控制的阀门智能电动装置的研冗与开发的成功经验;依据国际阀门电动装置及控制器的发展趋势,并充分了解国内已有的产品的设计特点及技术水平,本着设计的产品要与大量正在使用中的阀门电动装置相兼容,仅对阀门电动装置本体配线作少量改动,阀门电动装置即能正常工作的设计思路,以单片机为核心,选择直接位置控制,并能接受远程的的阀位给定信号,开发实用的、符合我国国情的智能化阀门电动装置控制器,用于驱动和控制多回转阀门装置。图?为整个系统的总体框图。显示面板 ?.电压传感器?电流传感器远程控制接口卜中央处直流继电控制 ?开度传感器理堕一?现场/远程控制切换?行程限制保护开关.电 源 ?扭矩限制保护开关图系统总体框图.从图?可以看出,能进行远程控制的智能化阀门电动装置控制器系统主要有以下几部分组成:、中央处理单元这是智能化阀门电动装置控制器系统的核心部分,其主要功能为:提供人机界面,对远程控制中心的操作做出反应,控制阀门的开阀和关阀。实时对各路传感器信号进行采样,取得阀门及电动机的各种工作状态参数,如阀门的开度值、电动机是否缺相运行、交流电是否欠压等;根据这些工作参数,中央处理单元将实时做出智能化的判断,发出相应指令。当开度值达到%或%时,系统将发出停机指令,以使阀门不能再继续向极限方向动作。当电动机在缺相或电压不足,能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发及行程和扭矩值超过正常允许值时,由硬件检测电路进行检测,通知中央处理单元,并强制电机停止运转,以保护阀门和电动机。系统将实时监测极限位置和扭矩限制保护开关的状态。当保护微动开关的常开触点被压下时,电动机将由控制器控制停止运转:同时在阀门电动装置本体上的电气线路中,也接入微动开关的常闭接点,这是对电动机及阀门设置的双重保护措施。与远程控制中心交换信息接口。接收远程控制中心传送来的远程控制信号,并能回送给远程控制中心有关阀门状态的模拟量 标准电流信号,供远程接收。计算并显示阀门的开度值、接收远程送来的给定信号,并做判断和比较,输出阀位控制量;并根据阀位值,输出相应的电流信号回送给远程控制中心。实现阀门开度现场在线标定。实现阀位给定值的无扰动切换等的软件功能。、电压、电流传感器实时采集电动机的工作电压和工作电流。由电压、电流传感器输出的检测信号经调理电路处理后送往中央处理单元,作为中央处理单元判断电机欠压、缺相等工况的依据,以便可靠地保护电动机。、远程控制接口系统通过远程控制接口,实现阀门电动装置控制器的远程控制,并向远程控制中心提供阀门开度的状态参数,如阀全开、阀全关、处于开阀中、处于关阀中等信息,可用于组成大型计算机集散控制系统。、行程极限、扭矩限制保护开关在微机控制系统中,加入阀门保护微动开关的常开触点,以便能进行微机监测及时做出判断并给出动作指令;在主回路中串入保护开关的常闭触点,当阀门运行至极限位置或扭矩超载时,保护开关的常闭触点断开,强行切断交流主回路,迫使电动机停止运转,起到双重保护的作用。、现场/远程控制切换在安装、调试、参数标定及某些特定的情况下,要使用阀门电动装置本体上的点动开关进行操作,即所谓现场操作或手动操作。将现场/远程控制切换开关切换到手动位置,切换开关便把点动信号直接接入交流主回路,中央处理单元发出的控制信号失效,这里属于“硬切换”。、直流继电控制能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发中央处理单元在对阀门开度及远程给定值检测并经运算判断后,将根据阀门的工作状态对其进行实时监控,本系统采用开关量形式控制。“能进行远程控制的阀门电动装置控制器内部基本工作流程如图?所示。图?系统工作流程能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发第三章系统硬件电路设计.系统硬件设计概述.整体式阀门电动装置电气线路结构介绍根据现场考查和用户鞍山市阀门电控制造厂的实际要求,依据仅对阀门电动装置本体配线作少量改动,要与大量正在使用中的阀门电动装置相兼容,做到能用新的控制器代替原有控制器的设计思路,对其电气部分做了必要的调整。改动后的整体型阀门电动装置电气部分主要由多功能调节模块,接触器,热继电器、现场/远程转换开关等组成。图所示为三相整体型阀门电动装置电气控制原理图,图?为阀门电动装置端子接线图,表?为电气元件表。阀门电动装置的电气可逆运行工作原理为:对于三相电动机,要使其可逆运转,只需任意改变主电路上两相电源的相序,也就是要改变电动机的接线位置,用两台接触器交替地给电动机送入.。相序电源和。;:.相序电源,电动机就可以实现可逆运转。本电路由热继电器热元件、熔断器、正转接触器、反转接触器和电动机构成主回路。合闸,送入电动机接线柱、的电源分别为.、。相,电动机正、.相,电动机反转。转;合闸,送入电动机接线柱、的电源分别为由熔断器,热继电器常闭接点,停止按钮,正转起动按钮,反转起动按钮,正转接触器吸合线圈,反转接触器吸合线圈,全开行程开关常闭触点,全关行程开关常闭触点和过转矩微动开关的常闭触点、构成电气控制回路。当按下正转按钮后,接触器通电合闸,电动机正转,并带动阀门运行,当阀门到达全开位置时,运动机构将行程开关的常闭触点.撞开,切断正转接触器的控制回路,断电跳闸,电动机停止转动,阀门停止在全开的位置。当按下反转按钮时,反转接触器通电合闸,电动机反转,带动阀门向相反的方向运行,离开电机正转停止时所停留的位置。阀门一离开此位置,则行程开关,接点复位,为电动机下一次的正转作好准备。当电动机反转带动阀门到达全关的位置后,运动机构将行程开关的常闭触点撞开,断电跳闸,电动机反转停止,则阀门处于全关位置。阀门电动装置是电动阀门的驱动装置,用以控制阀门的开启和关闭。多回转系列适用于闸阀、截止阀、节流阀、隔膜阀,部分回转系列适用于球阀、蝶阀和风门等。通过对阀门电动装置电气线路的改进,加入以单片机为核心的控制调节模块,可以对阀门实现远控、集控和自动控制。壁塞堡垩堡篓型塑塑塑塑堂皇垫茎量塑至兰苎丝【:赢、?】?卜?。、?一莓声扩卜。斜翥 .?小?叵,?二?删?:,?一?旦?铴?文百。?:,?一图一三相整体型阀门电动装置电气控制原理图注:虚线内部在电动装置内能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发端子 端子图 端子接线图.说明:全开时触点接通全关时触点接通开过转矩触点接通关过转矩触点接通一陇二能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发表?电气元件表.现场/远程转换开关.停止按钮继电器常闭触点正向继电器常闭触点反向.控制系统硬件组成一、系统硬件组成根据系统的控制要求,图?为阀门电动装置控制器的界面设计图?为本文设计的系统硬件组成示意框图,系统的电路原理图见附页。图控制器面板示意图.能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发图系统硬件组成框图.二、系统功能的设计要求本课题要求系统具有如下功能:、要求系统能监测阀门开度并能以百分数的形式显示。、接收远程控制中心传送来的阀门开度给定值,经过/转换器进行模数转换后送给中央处理单元,与现场实际阀位值比较,输出控制量,以对阀门开度进行实时控制;并将阀位开度参数经/转换后以相应的标准电流信号形式输出给远程控制中心。&实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发、具有超限报警指示及超载保护功能。当阀门开度等于%或等于%时,发出报警信号,并自动切断电动机的三相电源,使阀门停止开启或关闭。、当电动机电源电压欠压超过设定值及电机缺相运行时要报警指示并停机,以保护电机。、方便的输出信号在线标定功能。根据现场阀门实际开度量程范围,标定 信号的输出,即零调整和满度调整。、考虑到阀门实际工作环境,系统要设计具有各种抗干扰措旋,以使系统能在实际应用中可靠准确运行。、良好的人机界面,直接简便的显示、调整操作方式。.,控制系统结构根据系统功能的设计要求,系统结构为典型的计算机控制系统,系统控制原理框图如图所示。图阀门控制系统原理框图:给定值:偏差:控制量:被控量 :输出远程系统控制器中由于加入了单片机,实际上就构成了由计算机组成的控制系统,其本质上是一个离散系统。在离散系统中,采样过程是一个十分重要环节,直接关系到系统的稳定性。在本系统中,考虑到控制任务的实际大小及实时性,采用汇编语言编写控制程序。系统中采用晶振为,程序最大循环周期为。在阀位控制过程中,由阀门开度电位器输出的?直流信号指示阀门当前的开度,因此,对这一信号的采样过程,将直接影响到阀门开度的控制精度。阀门开度电位器输出的一直流信号中,含有高频成分,这将直接影响采样的准确性,因此,在本系统中,采用了数字滤波方法来消除这一高频成分的干扰,使采样值能更接近实际值,以提高控制精度。能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发.过程通道的设计利用计算机对生产设备或过程进行监测控制时,需要把控制对象的状态信息输入给计算机,计算机按照一定的控制规律进行处理、计算后,再把结果输出给执行机构。过程通道就是在计算机和控制对象之间进行信息传递和交换时起桥梁和通路作用的。不同的信息形式,需要不同类型的过程通道。一般来讲,过程通道分为四类:第一类,模拟量输入通道。生产过程的许多参数,如温度、压力、液位、流量都可以通过不同的检测装置转换为相应的模拟电信号,然后,再将其转换为数字信号输入计算机。完成这一任务的电路就是模拟量输入通道。本系统中有两个模拟量参数需要检测,。,一个是远程的给定值一个是表示阀位的电压信号第二类,模拟量输出通道。生产设备或过程的许多执行机构,往往要求用模拟信号来控制,而计算机输出的控制信号是数字量,这就要求有相应的电路将其转换为模拟量。的输出用于回送远程,这种电路就是模拟量输出通道。本系统中,模拟量以供指示现场阀门的工作状态。第三类,开关量输入通道。生产设备或控制系统的许多状态信息,如开关、按钮、继电器的触点等,它们只有两种状态:通或断,对这类信号的拾取需要通过开关量输入通道来实现。本系统的开关量输入通道由光电耦合器等组成,用以监测阀门的行程极限位置和过转矩等。第四类,开关量输出通道。还有许多控制对象,如指示灯的亮和灭,电机的启动和停止,阀门的开启和关闭等,对它们的控制只需通过二值逻辑“”和“”来实现,这种输出电路就是开关量输出通道。本系统,由及继电器等组成开关量输出通道,用以控制阀门的开启和关闭。.模拟量输入通道本系统模拟量输入通道由 /转换器等组成。其与单片机的接口电路见附页。或卜,开度电位器输出的电压模从远程控制中心送来的给定值,拟量输出调整电位器的电压输出值,这三个参数模拟量必须由/转换器转换成计算机数据总线能接受的数字量。根据系统精度要求,本文选用的/转换器为。”是一种单片器件,是位逐次逼近式/转换器,其特点是转换速度快。片内包括位的模数转换器,路多路开关和与微处理器兼容的控制逻辑。它可接受个通道的模拟量输入信号,可在程序控制下对任一通道进行/转换,得到位能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发的二进制数字量。的综合特点如下:分辨率为位;非调整误差为;单供电,模拟输入范围一,无需调零和满刻度调整;具有锁存功能的路模拟开关;可锁存,三态输出,输出与兼容;转换速度取狭于芯片的时钟频率,频率范围为:?。在附图中,因是三态输出,所以数据端口?直接接到的口,通道选择端,分别接低三位地址线,。由于片内无时钟,可利用提供的地址锁存允许信号经触发器二分频后获得。脚的频率是单片机时钟频率的/。本系统单片机的时钟频率采用,则引脚的频率为,再用二分频后为,符合对时钟频率的要求。的写信号与.经过或非逻辑电路后接至的脚和引脚,这样通过对?州中的某个口地址进行一次写操作,即可启动相应通道的/转换。本文中与单片机的接口方式为查询方式,引脚与单片机.相连,当查询到由低变高时,/转换结束。在读取转换结果时,用单片机的读信号与.经或非逻辑电路后产生的正脉冲作为的输出允许信号,用以打开三态输出锁存器。本系统中,转换器的路模拟量输入的地址是从?,通过对其中任意一个口地址进行一次读操作,即可将转换结果读出。?各通道定义如下:远程给定信号 经精密电阻变换为卜:阀门开度电位器 :输出,零调整精密电位器:输出,满凄调整精密电位器:扩展口:扩展口:扩展口:扩展口能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发.模拟量输出通道工业现场的各种状态参数输入计算机以后,计算机按照一定的控制规律进行运算和处理,再将运算处理后的结果输出给执行机构,以实现对生产设备或生产过程的自动控制。计算机输出的是数字量,而执行机构往往要求模拟量输入,这就需要有相应的电路把数字量转换成模拟量,实现这一功能的电路就是模拟量输出通道。模拟量输出通道的结构形式有两种,一种是单路模拟量输出通道结构,另一种是多路模拟量输出通道结构。多路模拟量输出通道形式需要有多路开关和保持器。本系统中的模拟量输出通道结构形式为单路模拟量输出通道结构,其结构图如图所示。./转换器它是模拟量输出通道中的核心部件。其作用是将计算机输出的数字量转换为模拟量,转换后的模拟量有电压和电流两种类型。本系统中选用的是/转换器,它是电流输出型的。使用时,一般需要通过运算放大器本系统选用转换为电压信号输出。放微/寄大执型 接转存口 变计 行器 换换机算 电器电 构机 路路图单路模拟量输出通道结构图.放大/变换电路/转换器输出的模拟信号往往无法直接驱动执行机构,需要进行适当地放大或变换。例如,常用的电动执行器需要或的电流信号来控制,这就需要把/转换器输出的电压信号变换成上述范围的电流信号。在本系统中,这部分电路选用了美国?公司生产的单片精密电压一电流转换器来实现?电压到电流的转换。.寄存器用于保存计算机输出的数字量控制信号。目前的/转换器芯片内一般都带有输入寄存器,因此,在模拟量输出通道中,一般不需要再加入专门的寄存器电路。本系统使用的就具有数字量的输入锁存功能,故数字量可以直接从口送入。能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发一、/转换电路具有两级寄存器,因此有三种工作方式:直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。其引脚排列如图?所示。各引脚功能简介如下:?:位数据输入线:输入锁存允许信号,高电平有效;西:片选信号,低电平有效:一:写信号,低电平有效。由、一和一一共同构成输入寄存器的控制信号。在:且西时,一的低电平将待转换的数据传递到输入寄存器,图? 的引脚排列一变回高电平时,输入寄存器中的.数据被锁存;丽页:传送控制信号,低电平有效;丽西:写信号,低电平有效。丽和丽瓦共同构成寄存器的控制信号。在时,的低电平将输入寄存器中的数据写入寄存器,以进行/转换;。:电流输出端。当寄存器中的数据为时,。输出最大值;当寄存器中的数据为时,。,输出为;。:电流输出端。萨常数。通常接地。:内部反馈电阻引出端;:参考电压输入端;:电源端。使用的单一电源;:模拟信号地:数字地。本系统中与的接口电路见附页。这部分电路中,因为只有一路/转换,故选用单缓冲方式。即:使接高电平,和接在一起,和接在一起,这样进行转换操作时,待转换的数据可同时进入两个寄存器,进行/转换。内部具有一个一 型电阻网络,其参考电压可采用或一。也可采用或一。当采用负参考电源时,对能实现远程控制的阎门智能电动装置的研究与开发于单极性输出,对应于?的数字量,其转换后的模拟量输出为。在系统中,输入端接一电压,故在放大器的输出端便得到了的直流电压。如图所示,让接,一和西丽都与地址选择线.相连, 一和两砭都由的丽信号控制。当地址线选通后,只要输出丽控制信号,就能一步完成数字量的输入锁存和/转换输出。前端的放大器,本电路选用了美国 .公司生产的。其为引脚,双电路,通用,?输入型。其特征参数简介如下:,转换速率大:/“.低消耗电流:.输入偏流小:.输出电压:,.电源电压.工作温度:一十.最大允许损耗:其极限电源电压可取,在本电路中,电源电压取。其输出端与的端相连,即接至的内部反馈电阻,反相端与。相连,同相端与。相连并接地。这样来自中的数字经转换成电流信号送给,经放大在输出端便得到一的电压信号。二、放大/变换电路标准电流信号,回送给远程控制中心,本文中,要求模拟输出通道送出的是以用于显示等。这就需要将从/转换电路中输出的?电压信号,变换为电流信号,即实现/转换。常用的/转换电路有两种形式:一种为负载共地方式,另一种为负载共电源方式。本系统/转换电路使用的是负载共地方式,如图?所示,该电路由集成/变换器与场效应管等组成。是美国?公司生产的单片精密电压一电流转换器,其管脚排列如图所示。分四种,为塑料封装,它是引脚双列直播型集成芯片。按后缀,、其余为封装。/工作温度范围为一一,/为一,为超高精度产品,其余为常规高精度产品。本系统中考虑到阀门的现场工作条件,选用了型号。主要性能特点如下:.输出标准电流;.输入电压范围,;.输入/输出范围可选;.非线性度,最大为.%;.具有,精密参数电压输出;能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发图/转换电路/.堇.一羔等黧硼图管脚图.?.单电源供电,范围广,达.。图?为的功能方框图。片外连线以输入,输出为例能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发内部结构图一.它由四个主要功能模块组成.精密电阻网络模块:由。一凡组成;.电压/电流转换模块:由.,.,凡,组成:.电流/电流转换模块:由虬,吼,。,组成;.精密电压基准模块。精密电阻网络模块用于将三路输入电压信号通过分压输入运放.的同相输入端。三路输入电压为。满量程、。满量程和、用于补偿与调整。的编程,可选择通过脚。、。、。及脚矗和脚相应的输入/输出范围,如表?所示。电压/电流转换模块中,运放使同相端输入电压全部作用在量程范围设置电阻、。上。这是因为以电压跟随器的方式工作,所以.的发射极电位与.的输入电压和值相等。由于是高增益达林顿三极管,基极电流可以忽略不计,所有电流便经电流/电流转换模块中的电阻融,且其电流为:能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发去等等等表 的连接方式与量程关系.? 其中,.为发射极到公共端地之间的量程范围设置电阻和。,图:卜中因脚悬空不与地相连,故。.,如图所见,把的、。脚与地脚相连,故。将。、,、。代入上式得:。.将。代入上式得:.。、。、。、组成电流/电流转换器,这就是的输出部分。因与的一端共同接到。另一端分别接到运放的反相的脚与脚相连与同相端,所以,。虚地原理。由于风,凡,因此旷。 由运放。将电流流经凡所形成的电压降反映到脚点上,同时利用外接场效应管将电流传送到负载上。由于场效应管的门极没有电流流过,所有电流全都由源极流到漏极,得到的输出电流为流经风的倍。故的输出电流为:六,?芒等啤孚由于外接场效应管的输出由凡控制,而不会因为负载的变化造成。向钆能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发大量回流。将场效应管设计在芯片外的目的是加强散热效果,提高整体性能。因此,按图?的连接方式,输入电压在范围变化时,根据上式的关系,在,的漏极将相应输出?【的电流。本系统在对的使用中,要求输入为一电压,输出为电流,其连线图如图?所示。根据表?管脚编程表,在输入电压为。一,输出电流为时,脚接参考端,即与脚相连,脚接地,脚接地,脚悬空,脚接至的输入电压:来自/转换部分的输出,即的输出端,脚必须与脚相连,接至场效应管的源极,脚为门驱动脚与场效应管的栅极相连。这样在漏极与地脚之间就可以得到的电流信号了。电路中,使用的电源电压为十脚。本文/转换电路可对进行失调电流校正、补偿以及对量程满度进行精确校正:先让输入为脚与地短接,仔细调整精密电位器,使输出;再把输入电压准确调至,在脚输出端串联阻值为 的精密电阻,使略低于满度值,通过仔细调整阻值为的精密电位器。与之串联的,取值,使。输出增加到标准值。一的上述取值可获得.%的满量程调整范围,己大于 可能存在的最大满度偏差。“”“”输出部分的场效应管,要求用沟道、增强型。其?转移特性如图?所示。满足这一要求的场效应管参数如表?。本文选用公司生产的。其电气特性参数如下:.极限参数萨一,:.最大漏极电流 一.:.最大漏极耗散功率:.栅源破坏电压为。电路中,由于使用的电源电压为,所以上述参数完全符合设计要求。“”能实现远程控制的阀门智能电动装置的研究与开发沟道钰./沟道图增强型的“一暗移特性;?.表参数表.能实现远程控制的阍门智能电动装置的研究与开拉三、安全保护电路为使控制系统安全可靠运行,保证在使用中做到人机安全,在整个控制系统中须设置安全保护电路一安全栅。安全栅能起传递能量和信息的作用,对于高电压或大电流则起阻挡作用。所以形象地称为保证安全的栅栏。一般认为控制室内部是安全区,因为控制室内不仅有低电压小电流的仪表,也有各种电器设备,甚至有高电压或大电流的装置。控制室外有可能就是生产现场,也有可能距生产现场有相当距离,但一般都把控制室的墙壁看作危险区与安全区的分界。安全栅就装在这个墙壁靠控制室里的壁面上,凡是由控制室进入危险区或反之从危险区引向控制室的导线,一律都要经过安全栅。目前通用的安全栅有两类,其一主要靠稳压管的齐纳击穿原理工作,叫“齐纳式安全栅”;另一类主要靠变压器的隔离作用,叫“隔离式安全栅”。齐纳式安全栅的作用原理如图一所示。一限流电阻一快速熔断丝一保险丝一放电管,一齐纳二极管图?齐纳式安全栅.正常工作时,安全侧电压一般为,最大不高于,它小于齐纳二极管即稳压管的击穿电压,故截止,电路处于正常运行状态,电流由被测参数决定,在范围内,限流电阻并不妨碍正常的能量和信号的传输。若现场发生事故,例如短路,由于有限流电阻,可将短路电流限制在额定值以下,保证危险现场不致引起燃烧爆炸。如果安全侧电压过高,超过了齐纳二极管的击穿电压但是仍低于气体放电管的放电电压,则或击穿,于是流过和的电流增大,由于是快速熔断丝,在几微秒的时间里就会熔断,立刻将高电压与危险场所隔开。假如电压突然增大到超过的放电电压,它会在. 的时间里把两端电压降到以下,同时流过的电流迅速增大,致使熔断,也就切断了到危险场所的通路。为了防止因长时间存在高电压而导致及本身损坏万一这些元件损坏,高能实现远程控制的阀门智能电动装置的研芄与开发电压就要进入危险现场,特设置了熔断丝,、在损坏之前熔断,在损坏之前熔断,就可以保证安全。用两个齐纳二极管是为了更加可靠,这是双重冗余保护。及都是限压,但作用不同。虽然能较早击穿,但的熔断总需要一点时间,若有很高的电压出现,可能在未熔断之前已引起事故。有了气体放电管,它的动作更快,旦起辉放电立即起降压作用,这时只有熔断,和不起作用。必须在以上才起辉放电,低于此值的危险电压由和保护。齐纳式安全栅具有简单、价廉、尺寸小等优点。该线路不能限制共模高压进入危险区。.开关量输入通道开关量输入通道的基本功能就是接收外部的状态信号,这些状态信号是以逻辑“”或逻辑?出现的。它是单片机监测被测对象的一座必不可少的桥梁。主要由信号拾取电路、输入调理电路等几部分组成。本文主要对电动机的欠压、缺相无电流信号及阀门开度的极限位置、过扭矩的监测。由于在阀门电动装置的电气控制线路中,因过压、过流等引起的电机发热等故障,已有熔断器卜和热继电器的保护,故本文不在作二次保护监测。一、阀门开度极限位置、过扭矩通道本文中这部分开关量输入通道共有支电