阀门控制器中现场总线技术的研究与应用

1、上海交通大学硕士学位论文阀门控制器中现场总线技术的研究与应用姓名：林晓毅申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：谢剑英20070101阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 摘要阀门控制器中现场总线技术的研究与应用摘 要阀门电动执行机构广泛应用于现代工业控制系统中，阀门控制器是电动执行机构中对阀门进行控制和调节的核心部件。现场总线技术是当今控制领域的热点之一，综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表技术等多种技术手段，构成了一种全分散、全数字、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。论文提出了一种将现场总线技术应用于新型阀门控制器的一般模式，成功实现

2、了智能阀门控制器与Modbus、Profibus现场总线的无缝连接，为新型阀门控制器向数字化、分布式、现场总线方向迈进提供了有力的支持。论文以在阀门控制器上实现现场总线从站接口为主要研究目标，以基于单片机、DSP技术的阀门控制器为研究平台，对Modbus、Profibus-DP现场总线从站接口协议进行了有益的研究，取得了一定的成果，设计了Modbus、Profibus-DP现场总线从站接口，并为阀门控制器实现其它现场总线从站接口提供了很好的应用模式。通过了解国内外阀门控制器及现场总线技术的发展现状，分析现场总线技术的应用情况，重点分析了阀门控制器中应用现场总线技术的优势，简要介绍基于TMS32

3、0LF2407A和ATmega64L双主控芯片的阀门控制器系统的硬件组成和软件设计，详细介绍并解析Modbus、Profibus-DP总线协议内容，探讨Modbus、Profibus-DP总线接口技术，阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 摘要 设计并实现了阀门控制器中Modbus、Profibus-DP总线从站接口模块，进而实现了阀门控制器基于现场总线技术的远程控制与监测。论文还详细介绍了基于RS-485串行通讯标准Modbus总线硬件电路，根据Modbus、Profibus-DP总线数据传输协议设计了总线从站通讯接口程序。论文最后就目前研究的内容介绍了下一步的工作和发展方向，并对该研究领域

4、的发展前景进行了展望。论文完成了设计要求，成功将Modbus、Profibus-DP总线技术应用在智能阀门控制器中。论文的研究成果已经成功应用在阀门控制器中，该系统已通过了型式试验，并已开始批量投产。论文的研究成果对阀门控制器实现智能化、数字化、分布式控制起到了很大的促进作用，能促进现场总线技术在工业控制设备中的应用，并对今后阀门控制器技术的研究有重要的意义。关键词：阀门控制器，现场总线，Modbus，Profibus-DP，RS-485阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 ABSTRACTSTUDY AND APPLICATION OF FIELDBUSIN VAVLE CONTROLLER

5、ABSTRACTValve is a kind of normal device for many fields, valve electricactuating equipments are widely used to operate and regulate valves in modern control system. Valve is controlled with valve electric actuating equipment, and the valve electric controller is a main section of the valve electric

6、 actuating equipment. Industrial fieldbus technology is nowdays a hot point in the area of industrial automation. It integrates a lot of technology including digital communication technology, computer technology, automation technology, Internet technology and intelligent instrument technology, and m

7、akes up of a digital, intelligent communication and controlling system. This thesis brings up a new valve controller based on fieldbus, and this may make valve controller walk further on remote control.This thesis reseaches on realized slave interface on valve controllerwhich is based on which is ba

8、sed on microchip and DSP technology, makes some useful research work on slave protocol of Modbus and Profibus-DP, and puts forward the design of slave interface with Modbus and Profibus-DP which will provide a great way in fieldbus applicating.阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 ABSTRACTThe author finds out the situ

9、ation about valve controller and fieldbustechnology in and out, analyzes the application of fieldbus technology especially its advanced appicating in valve controller, briefly introduces the hardware construction and software design of the bi-chip controlling structure based on TMS320LF2407A and ATm

10、ega64, following describes in details the protocol contents of Modbus and Profibus-DP, duscusses their interface technology, designs and realizes interface module with Modbus and Profibus-DP on valve controller, consequently achieving remote control by data communication.This thesis also makes a det

11、ailed introduction of hardware design ofModbus which based on RS-485 criterion, plans program of fieldbus slave following data-transfer protocol of Modbus and Profibus-DP. In the end, the thesis point out the future work and the prospect in this field.Now the study achieves the original goal, and su

12、ccessfullyapplicating Modbus and Profibus-DP on intelligent valve controller. The research achievement of this thesis has been successfully applied into the valve controller, and the system is successfully put into use. The application of the research in this thesis has made a great promotion to rea

13、lizing the intelligentized, digital and distributing valve control system and application of fieldbus in industrial equipments. And I think it is of some referable points for the future reseach in this field.阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 ABSTRACT KEY WORDS: valve controller, fieldbus, Modbus, Profibus-DP, RS-4

14、85上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：林晓毅日期：2007年 1月 25日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据

15、库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：林晓毅 指导教师签名：谢剑英日期：2007年 1月 25日 日期：2007年 1月 25日阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论第1章 绪论1.1 智能阀门控制器的发展状况1.1.1 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，广泛应用于石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业、各种低温工程、宇航及海洋采油等国民经济各部门。电动阀门是由阀门电动装置，包括控制器和阀门本体。阀门电动装置既是电动

16、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，它适用于截止阀、闸阀、蝶阀等各种类型的阀门。电动执行装置具有比传统的机械式执行装置动作和响应速度快、工作效率高、调速性能好等优点，它作为控制和驱动阀门的重要装置，在石油、电站、污水处理等工业现场得到了广泛的应用。智能电动执行装置系列是一类新型终端控制仪表，把微电子、微机技术应用到执行器基础产品上，使技术含量大大提高，许多功能都可以依靠电子和软件来解决。它根据控制电信号，直接改变阀门的位移，利用微机技术和现场通信技术扩大功能，实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平，又能够获得最快

17、响应时间，实现控制也更为合理、方便、经济，因而受到用户的欢迎，成为阀门控制器发展的大趋势。然而，现有的国产阀门阀门控制器存在着设备庞大，控制方式落后，控制精度低，可靠性不高、缺乏完善的保护和故障报警措施以及必要的通信手段，不能很好的实现人机对话等问题，不便于调试和维护，不能根据生产的实际需要进行参数的现场调整，不能组成网络进行远程控制，已不能跟上工业发展的需要。随着我国能源、化工、钢铁、运输等现代工业高速发展以及与其有密切联系的水、气、油能流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门在生产中发挥着越来越重要的作用。机电一体化技术的不断提高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

18、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，售后服务不完善，零部件配套困难，因而自主开发性能先1阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论 进、功能完善、工作可靠尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制的新型智能化阀门控制器有着十分重要的现实意义。1.1.2 国内外阀门控制器的发展概况近几年来，随着计算机技术、电子技术以及大规模集成电路的发展，各种高性能的电子器件和微处理器为数字化阀门阀门控制器的开发研究奠定了基础。国内外在阀门的智能控制方面也做了大量的研究工作。国内基本上是在“九五”期间进行智能化仪表的开发工作。20世界90年代初期开发的DDZ-S系列电动执行

19、装置，采用了微机技术。随着电子技术，微机技术以及现场总线技术的发展，“九五”期间我国已在九五攻关项目中把现场总线型智能电动执行装置列为重点开发项目。目前，国内方面，天津市阀门公司研制了阀门数字控制系统，实现了阀门控制的数字化和网络化；中国航天电子基础技术研究学院周建国等人设计了一种电动阀门分散控制系统，采用单片机和PC机，实现电动阀门控制的数字化和自动化；上海交通大学的邓兵等人应用数字信号处理器（DSP）作为控制系统的核心，对阀门阀门控制器的数字化控制作了研究；上海大学的边宁宁等人设计出基于DeviceNet现场总线的智能阀控制系统，通过DeviceNet现场总线实现从机与主机之间的通信，达到

20、了对阀门的远程控制。除此外，对于阀门智能控制技术的研究不多，对于现场总线型的阀门智能控制技术研究更是少见。国外目前正在研究采用灵巧技术（即微处理器技术）和数字通信相结合来提高阀门的可靠性。这种阀门称为灵巧式（Smart）阀门，这项技术被认为是对传统的阀门控制、诊断和维修的一场革命。英国的几家自动化仪表公司已生产出此类产品并投入生产运行。灵巧式阀门是在控制阀上装有一组称为诊断组件的电子设备，阀门与控制室中的计算机通过现场总线相连，按照智能数字通信协议进行通信，由此构成了一套现场阀门控制和诊断的计算机系统。另外，爱默生电气有限公司生产的阀门智能控制板，能实现阀门控制数字化，并具有现场总线通讯接口，

21、能实现多个阀门的联动及其远程控制。国际上已经有公司开发出了带有现场总线接口的阀门控制器，国内在这方面仍处于研究阶段。可见，无论国内国外，阀门控制器朝着智能化、数字化及开放性系统的方向发展。过程控制系统中全数字化、双向、多站通信的现场总线技术的开发应用，2阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论 为智能阀门控制器的发展提供了必要技术支持。1.1.3 阀门控制器的智能化进程阀门控制器的智能化是阀门技术在计算机技术以及微电子技术发展的结果，通常包括以下几个特征：（1） 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

22、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，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PID调节，控制流量和压力等过程变量。例如VALTEK公司的Starpac智能化阀门电动装置能响应外部4-20mA模拟信号或经由RS-485通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行PID控制。（2） 安全保护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

23、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地检测阀门的动作，若发现一定的时间内没有动作，就认为是阀门卡住，控制器就发出命令，切断电动机电源并发出警报。ROTORK公司生产的IQ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)，可确保IQ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7-15秒后无任何的动作，IQ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具有系统保护功能，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避免发生事故。（3） 总线功能智能化阀门电动装置采

24、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L工M工TORQUE公司的Controlinc系3阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论 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(LAN)，一个典型的系统可以包括电动执行机构、计算机、阀门控制器(CVC)、网络连线、网络接口部件()以及主计算机。NIU与主计算机之间采用标准的AS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程对其进行监测、整定和修改参数或算法等。例如VALTEK公司的Starpac在出厂时就被

25、配有PC软件，仪表工程师利用这些软件可以对阀门电动装置编程，PC与系统之间通过RS-485串行口按照经过修改的HART协议相连。（4） 智能自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，置了各种监测功能，如电源相序和后备电池的电压检测。而在电路方面也设微处理器在运行中连续对整个新型阀门电动执行机构的研究与开发系统进行监测，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急措施并报警。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。（5） 机电一体化的结构一体化的结构把整个控制

26、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ROTORK公司生产的300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3070之间。从上述产品特点中，可以看到智能电动执行机构的发展趋势：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术，带通

27、信的逐步取代不带通信的，数字控制逐步取代模拟控制。 4阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论1.2 现场总线技术发展概述1.2.1 现场总线技术的产生传统的工业控制系统中，现场设备与控制器之间需要经过点对点的物理连接以及标准模拟信号传递信息，投资大、控制精度低、抗干扰能力差、信号传输距离短、信息共享困难。后来发展起来的DCS控制系统虽然采用了分层的结构，运用数字信号和模拟信号混合通信，克服了点对点控制的诸多弊端，但并没有完全解决模拟信号传输带来的问题，而且不同厂家的产品自成体系，难以实现互连、互操作和互换。现场总线技术在这种情况下应运而生。现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信

28、的一种工业现场层网络通信技术，是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。它是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，用数字信号代替传统的420mA/24VDC模拟信号在设备间传递，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展，现场总线控制系统（FCS）得到长足的发展。现场总线控制系统具有全数字、全分布、标准化程度高的特点，并且它的网络协议是开放的，遵循同一协议的设备和仪表可以方便地实现互连、互操

29、作和互换，使系统的集成不再依赖制造商。它与智能化的现场设备相结合充分体现现场总线控制系统的优越性。可见，现场总线技术解决了原有自动化系统得“信息孤岛”问题，突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，使底层设备与Intranet、Internet互连构成多层次的复杂网络，使得实现信息共享成为可能。1.2.2 现场总线技术的特点现场总线技术使得生产、过程领域的基本控制设备之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系更加简单、方便。与模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统特别与集散控制系统相比，现场总线技术及现场总线控制系统具有极大的优势。（1）结构简单、成本低 5阀门控

30、制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论现场总线仪表与控制系统之间采用的是一对N的连接方式，一对传输线可接N台设备，双向传输多个信号。这种方式改变了传统控制系统与模拟仪表间一对一、单向传输一个模拟信号的连接方式，从而节省了大量的连接设备，使得接线大大简化，减少了由接线点造成的不可靠因素，占用空间小，维护方便，系统扩展容易。（2）开放式、互操作性、互用性、可维护性开放是指对相关标准的一致性、公开性，通信协议标准一致公开，各不同设备生产厂商的设备之间可实现信息交换。在系统集成者的角度上，可按自己的需要和考虑，把来自不同设备供应商的产品组成适合自身需要的控制系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放

31、互连系统。互可操作性是指实现互连设备之间、系统间的信息传送与沟通；互用性是说不同厂家的性能类似的设备可实现相互替换。不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互用性，因此设备具有很好的可集成性。现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不仅仅是单纯取代420mA信号，还可实现现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，从而增强了系统的可维护性。（3）系统结构的高度分散性现场总线系统已经构成一种新的全分散性控制系统得体系结构，它突破了集散控制系统（DCS）中通信由专

32、用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，从根本上改变了现有集散控制系统（DCS）集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统可靠性。（4）对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，目前已经具备的传输方式有双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线等多种选择，而且具有较强的抗干扰能力。多种工业现场总线在支持总线供电与通电同时，还可以满足安全防暴要求等。（5）规模可变的控制系统现场总线控制系统采用完全分散式结构，系统功能单元模块化，功能块内嵌6阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论 于现场总线设备和仪表或控制器中，现场设备和仪表作为节点平等地挂接在现

33、场总线上。增加控制回路或单元，只需将设备挂接到网络节点上，系统扩展十分简单，故被称为规模可变得控制系统。1.3 阀门控制器中应用现场总线的优势近年来，智能化现场设备、数据通讯以及开放系统是仪表发展的重点技术，过程控制系统中全数字化、双向、多站通信的现场总线的开发应用，使智能电动执行装置到了实用阶段。现场总线型智能电动执行装置已成为电动装置的发展方向，基于现场总线技术的特点，在阀门控制器中应用现场总线技术具有以往电动装置无法比拟的优势。1) 现场使用的辅助设备少。采用总线技术，只需两根电缆4根线就能实现多台设备之间的双向通讯。2) 可靠性高。阀门控制器采用现场总线，其输出为数字信号，减少了信号转

34、换过程中的损失，增加了抗干扰能力，且所传递信号的质量也非常稳定。辅助设备的减少也降低了人为错误及系统故障。3) 操作维护方便。采用了现场总线的执行装置具有双向通讯功能，操作人员在控制室既可以对现场执行装置进行标定、参数设置、功能组态等，还可以在线监测装置的工作情况，进行故障诊断，实施状态维修 。这样执行装置时刻处于被监控状态，使用和维护十分方便。4) 可实现远程编程、操作和诊断。当执行装置在现场出现一些难以解决的问题时，就可以利用装置上带有的通讯接口通过网络的途径进行远程会诊。1.4 课题的主要研究任务和章节安排本课题的基本目标是在充分考查国内外相同或相关的有关电动装置及其控制器的技术现状和新

35、的发展趋势的基础上，研究开发一种新型智能化、数字化、且具有总线的阀门装置控制器。主要完成的工作：1) 针对目前国内已开发出来的智能阀门控制器基于单机控制的原则、不利7阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论于实现远距离控制、集中控制的缺陷，在阀门控制器中应用现场总线技术来解决远距离信号传输及远距离控制问题，也就是实现将现场设备的状态信息数字量的传送到远程控制中心，并能接受远程控制中心送来的数字量控制信号，这是本课题研究的重点，这也是目前开发新一代智能化阀门控制装置的重要内容。本课题中拟采用技术成熟、应用广泛的Modbus和Profibus现场总线来完成这项工作。2) 解析Modbus

36、和Profibus总线协议，实现Modbus总线通讯接口电路的搭建3) 根据Modbus、Profibus协议规范，完成Modbus和Profibus总线协议从站的软件开发。4) 应用现场总线技术实现阀门控制器的远程控制功能，完成远程开、关、停功能模拟试验，完成故障、阀门及力矩等信息的远程监控。根据上述本课题的主要工作，本文章节安排大致如下：第一章 第一章主要介绍阀门控制器和现场总线技术的现状和发展前景，阐述了电动装置中应用现场总线技术的好处，并概括了本课题的主要工作。第二章 第二章介绍了阀门电动装置总体设计，对装置的硬件和软件结构作了描述，特别阐述了本课题在远程通讯部分所采用的Modbus和

37、Profibus-DP现场总线技术。第三章 第三章主要是Modbus总线协议在本课题中的应用情况，介绍了Modbus电气接口，串行通讯标准RS-485以及在这些基础上搭建的Modbus通讯从站硬件电路；重点解析Modbus总线数据链路层协议的RTU传输模式，按照其数据传输方式，完成通讯从站的程序编写。第四章 第四章是Profibus-DP总线协议的应用，介绍采用的Profibus总线嵌入式模块电路，Profibus-DP总线传输协议，完成Profibus-DP总线通讯从站软件的程序。第五章 第五章是调试情况的总结概括章节，先是通讯软硬件程序的调试，保证模拟的主从站之间能够正确地通讯，再搭建阀门

38、控制装置远程控制试验台，用Modbus和Profibus现场总线来完成远程控制命令的传送，测试阀门控制装置是否按照用户意愿运行，并观测现场设备回送的状8阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第1章 绪论态信息，测试信息回送与实际状态是否相符，从而证明了现场总线技术在阀门控制装置中应用的可行性。第六章 第六章是对本课题研究的总结与展望。9阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计第2章 阀门控制器系统的总体设计智能阀门控制装置是集机、电、仪为一体的机电一体化系统，有着广阔的工业应用空间，因此系统总体设计应遵循“简单实用、操作方便、安全可靠、技术先进”的原则。阀门控制装

39、置以380V交流三相电源为驱动电源，接受控制信号，并将其转换为相应的输出轴位移，从而去操纵阀门。工作原理如下图：图2-1 电动阀门装置工作原理图2.1 阀门控制器系统总体设计方案电动阀门装置主要由执行器和控制器组成。执行器主要是在控制器的控制下完成设定动作的机械部分，一般由电动机、主传动机构、开度传感器、行程限制机构、手动调整机构等部分组成，它是用于直接驱动阀门的；控制器是电动阀门装置的核心部分，它接受控制信息和阀门的状态反馈信息，将两信息进行比较，判断处理，输出控制结果给执行器，通过执行器使阀门开启或关闭。2.1.1 控制器功能设计电动阀门装置的控制器作为阀门的现场控制模块是整个系统的设计基

40、础，该10阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计 模块的设计要满足改造传统的阀门手动控制为智能化、数字化的程序控制，要能增加装置与操作者之间的信息交流，并且能够实现数字化的远程信息传输，因而，本设计中的阀门控制器需要有以下几个功能：1) 阀门开、关、停控制功能。开、关、停是阀门运动最基本的三种形式，所有的附加功能都围绕着如何更好地实现这三种基本运动，因此阀门控制器需要实现可靠的信号驱动和必要的控制逻辑次序。2) 阀门各种状态的采集功能。包括阀门的限位开关量，力矩值，转速值及阀门开度等。3) 阀门控制器本地显示、本地参数设定及本地控制功能。这是阀门现场操作员进行阀

41、门控制的人机接口，出于安全考虑，本地控制优先级必须高于远程控制的优先级。4) 故障检测和故障处理功能。能根据电动阀门装置反馈的异常状况判断故障类型，如阀门卡塞、过力矩等，并做出相应的故障处理，如停机。5) 远程控制。在电动执行装置中引入现场总线控制技术，实现数字化远程控制以及必要的信息通讯。2.1.2 控制器总体结构智能电动阀门装置是集常规仪表的检测、控制、执行、调节等作用于一身，具有智能化控制、显示、诊断、保护和通讯功能的系统。它是以控制器为中心，并把许多部件组装在一起的一体化结构。下图为电动阀门装置控制器系统的总体结构图：11阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总

42、体设计图2-2 控制系统总体结构框图控制器大致可分为后端控制器、前端控制器以及远程控制部分。后端控制器是人机对话接口，主要实现本地控制信息的采集以及将装置状态反应给本地操作员，采用单片机为主要芯片；前端控制器是电机控制部分，这部分是控制器的核心，它接受由人机对话接口或远程控制传送来的控制信息，经过比较、处理后输出控制阀门开、关、停的基本运动，采用DSP为主要控制芯片；远程控制部分包括420mA模拟量信号传送和基于现场总线技术的数字量信号传送，本课题主要研究实现在阀门控制器中利用现场总线技术进行远程控制与监视，主要用到的现场总线协议有Modbus总线协议和Profibus-DP总线协议。2.2

43、智能阀门控制器硬件设计2.2.1 硬件设计原则在设计系统的硬件时，遵循复用原则、模块化原则、标准化原则。（1）复用原则在设计硬件系统时，尽量把每一次的设计工作用于未来的设计中，可以缩短12阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计 设计的时间，也可以减少设计中出现错误的可能性。通常地，一种系统在更新换代时，其核心的硬件设计只通过很少的改动，就可以应用于未来的产品中。所以如果系统的硬件设计之前考虑到未来复用的需求，那么在设计后续产品时，可以节省很大一部分成本，包括资金成本和设计时间成本。（2）模块化原则所谓模块化原则，体现在系统的硬件设计上即自顶向下的设计思想，把整个

44、硬件系统分成各个子系统，分别进行设计，在设计的每个阶段优化每个子模块的设计方案和设计思路，便于检查设计的缺陷，也为设计工作的复用打下基础。模块化的设计思路为未来的系统设计带来很大的方便，好的设计模块可以使系统的设计像搭积木一样。（3）标准化原则所谓的标准化，包括两方面的含义：法定标准和自定义标准。在设计系统的硬件时，把模块的对外接口设计成标准化的，将会对未来的设计工作带来很大的方便。根据以上原则对智能型阀门控制器进行设计，将整个控制系统分成几个主要模块：电源模块，前端控制器模块，后端控制器模块和通信模块。2.2.2 硬件设计需求分析设计原则确定之后，开发工作的下一步工作就是要对控制器系统进行需

45、求分析。智能型阀门控制器硬件需求分析如下。（1）电源交流380V：提供电机运转； 直流24V及其它芯片供电电源：提供系统运行。（2）电机控制正转、反转，需要2个控制器输出管脚与电磁隔离。（3）远程控制数字输入量：远控开阀、远控关阀、远控停、远控ESD，需要4个光电隔离元件输入到控制器4个管脚；数字输出量：内部检测出错、阀门卡塞故障、电机过热故障、电源故障、阀门开向过力矩故障、阀门关向过力矩故障、阀位行程全开、阀位行程全关，阀位13阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计 行程中间位置1、阀位行程中间位置2、控制器现场状态、控制器远控状态、阀门正在开指示、阀门正在关

46、指示，14个控制器输出管脚与电磁隔离；模拟输出量：当前阀位、当前力矩，需要2个4-20mA电流环发生器。（4）现场控制状态选择：现场、远控、停止、设定，需要4个开关输入到控制器4个管脚； 执行装置开关与功能选择：开（确定）、关（取消），需要2个开关输入到控制器2个管脚；红外遥控装置。（5）信号采集装置阀位行程检测装置、执行装置扭矩检测、三相电相序检测与纠正、电机过热检测（6）总线通信模块MODBUS模块、PROFIBUS模块2.2.3 主控芯片简介（1）前端控制器主控芯片TMS320LF2407A前端控制器主控芯片采用美国德州仪器公司（Texas Instrument, TI）一款定点数字信号

47、处理器（Digital Signal Processor, DSP） TMS320LF2407A芯片。C24x系列DSP是专门为电动机（DMC）而设计的，它们兼有DSP的高运算速度和单片机的强控制能力。TMS320LF2407 是TI公司推出的高性能、低价位的16位定点DSP，属于TI公司TMS320C2000系列定点DSP中的C24xx产品系列。该系列产品还有TMS320LF2401A、2402A、2403A、2406A和TMS320LC2401A、2402A、2404A、2406A。C24xx系列DSP兼容早期的C24x DSP系列。其中“LF”代表片内FLASH EPROM（3.3 V）

48、。该DSP芯片的工作电压3.3V，有4种低功耗工作方式，单指令周期最短为25ns（40Hz），最高运算速度可达40MIPS，适用于电动机的实时控制。片内集成了32K字的Flasj程序存储器、2K字的单口RAM、544字的双口RAM，提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字I/O能力；具有两个专门用于电动机控制的事件管理器（EV），适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多极电机和逆变器；具有同步串行接口SPI模块14阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计 和异步串行接口SCI模块；工作温度范围宽，普通级：-4085；特殊级

49、-40125。TMS320LF2407具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式。这些丰富的资源使得TMS320LF2407A在工业控制中尤其是在电机控制应用中比传统的单片机有着无与伦比的优势。（2）后端控制器主控芯片ATmega64本文设计采用ATMEL公司的8位单片机ATmega64作为智能型阀门控制器后端控制的主控芯片，ATMEL公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。ATmega64是一款基于AVR内核，采用RISC结构，低功耗CMOS的8位单片机。由于在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega64可以达到

50、接近1MIPS/MHz的性能。ATmega64具有以下特点：64KB的可在系统编程/应用编程（ISP/IAP）Flash程序存储器，4kB EEPROM，4KB SRAM，32个通用工作寄存器，53个通用I/O口，实时时钟计数器（RTC），4个带有比较模式灵活的定时器/计数器，2个可编程的USART接口，1个8位面向字节的TWI总线接口，8通道单端或差分输入的10位ADC（其中一个差分通道为增益可调的），可编程带内部振荡器的看门狗定时器，一个SPI接口，一个兼容IEEE 1149.1标准年的JTAG接口（用于在线仿真调试和程序下载），6种可通过软件选择的省电模式。2.3 阀门控制器软件设计控制

51、器由硬件和软件两大部分组成，控制系统要实现其控制功能都离不开硬件、软件这两部分，在搭建好控制器的硬件平台后，还需要考虑控制系统的软件部分。2.3.1 软件系统概述控制器软件部分主要是告诉控制系统该“怎么做”，硬件系统是控制器的手足，而软件系统是控制器的灵魂。软件系统结构、实现的好坏，直接影响到控制器能否正常可靠地工作。控制器的软件设计有自己的一套方案，即自上而下的设计方法，按照下面的原则进行：先设计大的子系统如接口、从硬件设备的数据采集、数据处理等，然后把大的系统设计进行细化，把较大的子系统分成更小的子系统，更小的子系统15阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计

52、 再细分，如此下去，直到每个模块都减小到一个可处理的子系统为止。在考虑系统模块化的同时，软件的设计还必须注意代码重用，尽量减少模块之间的耦合。嵌入式系统有复杂和简单之分，多任务软件一般需要操作系统加以支撑和管理，开发语言通常使用语言，板级支持包的开发通常使用汇编语言；由于阀门控制器的软件系统完成的功能并不复杂，可以不使用嵌入式操作系统，直接在裸机上开发，使用的开发工具可以是汇编语言和语言。应用程序是一个无限循环，巡回地执行多个事件，完成相应的操作。这一部分软件称为后台（任务级），通常在主程序main()中被调用。中断服务程序处理异步事件，这一部分可以看成是前台（中断级）。强实时性的关键操作一定

53、要用中断来实现。阀门控制器的软件功能实现部分主要是通过前端和后端控制器的主芯片来完成的，前端控制器主芯片主要完成的是根据外部操作信号和装置状态反馈信号来实现对电动执行机构的开、关、停等基本功能；后端控制器主芯片主要完成的是收集处理外部信号输入，如本地操作员磁控旋钮、远控信号等，并将这些信号传送给前端控制器主芯片，同时从前端控制器处读取装置运行状态，通过液晶显示屏显示等人机交互功能。下面按照人机交互部分和电机控制部分来介绍一下控制器的软件设计。2.3.2 人机交互部分软件设计人机交互部分主要完成以下功能：1）接收用户的操作意图；2）确认用户的操作意图；3）处理用户的意图；4）将用户意图传达给电机

54、控制部分；5）处理电机控制部分反馈回来的信息；6）将反馈信息告诉用户。总言之，人机交互部分最重要的目的是要架起操作者与控制器间信息交换的桥梁，应该包含有信息输入、信息处理及信息显示三个部分，如图3所示。如何将这三个部分整合起来完成人机交互的主要功能，如何能更方便用户的操作，如何更好的引导用户操作，如何实现无手册操作，这是人机交互部分软件考虑的重16阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计点，因此需要这部分有一个结构清晰、连贯、易懂的操作菜单。图2-3人机交互部分基本功能模块（1）中文结构化菜单本系统采用的信息显示端是128*64的点阵式液晶显示模块（LCD），它能

55、显示文字、字母、图形等，最多可显示4行每行8个汉字。在每屏显示内容有限的情况下，更需要有一个合理的菜单结构来完成所有的功能。本人机交互界面中文菜单采用树状结构，按功能分类归纳为四个主菜单选项，每个子菜单又采用顺序的结构。主菜单界面及子菜单分支图如下图所示：图2-4 结构菜单主菜单及各分支17阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计如图，主菜单界面上，菜单项按行显示在LCD屏幕上，一个中文菜单项显示一行，整个菜单纵向排列，根据功能、重要性等对内容进行分类，主菜单下有子菜单子菜单中各功能也可以根据控制的需要进行不同的组合。主菜单有四个子菜单分支选项，这些分支选项滚动闪

56、烁，等待操作人员选择。子菜单分支中，根据所实现的功能的性质不同，采用不同的页面跳转方式，一些必须设置的功能，采用了顺序跳转的方式；对于一些可选择设置的功能，增加了提示页面，根据操作者的选择进行相应的页面跳转。其中行程设定分支、控制方式分支、参数查询分支为顺序跳转分支，参数设定分支采用选择性跳转分支。不论是顺序的页面跳转还是有选择的页面跳转，都可以返回到上一个已设定的功能参数设置页面，且每个分支最后都有一个已设功能参数列表，让操作人员再次确认已设定参数的正确性和完整性，若有误或有遗漏，可直接返回分支页面重新设定，从而保证功能参数的可靠性。（2）按键操作电动装置能识别两种按键信号：a)使电动执行装

57、置响应红外遥控器发送的指令以实现远距离操控电动执行装置的功能，6个指令分别是：开阀、关阀、确定、取消、停止、设定。b)通过操控磁控开关实现电动执行装置的非接触式操作，包括：停止、设定、远控、现场、确定、取消按键处理软件的功能是根据输入到单片机的高低信号，进行相应处理以实现对红外按键和磁控旋钮动作的响应。这里主要介绍对磁控旋钮信号的处理。磁控的功能分别是：设定、停止、现场、远控、确定、取消。单片机对外部信号的处理方式有中断和查询两种，中断处理能实时响应外部时间，但中断处理时间不能过长；查询处理是指每隔一定时间查询需要响应的I/O口电平的方式，这种方式不会影响正在执行的程序，但需要设置合理的查询间

58、隔时间，适用于会反复发生的事件。设定、停止、现场、远控采用的是中断处理方式，确认、取消采用的是查询处理方式。确认、取消按钮配合结构式菜单，即可完成整个操作过程，两键式操作大致流程图如下：18阀门控制器中现场总线技术的研究与应用 第2章 阀门控制器系统的总体设计图2-5 两键式确认、取消操作中文结构化菜单和跳转灵活的两键式操作为操作者与控制器之间提供了一个很简单很方便的交流平台，实现了控制器的智能化操作。2.3.3 电机控制部分软件设计智能阀门控制器的电机控制部分主要完成对电机的逻辑控制，根据后端人机交互部分传送的信号和装置反馈信号采集、处理，输出驱动信号去驱动电机驱动模块实现电机的开、关、停控制，从而实现对阀门开