智能阀门控制器的硬件设计~信息工程毕业设计

1、智能阀门控制器的硬件设计信息工程毕业设计 毕业设计智能阀门控制器的硬件设计调节型阀门控制器硬件设计摘 要 在现代工业自动化控制中,工业过程控制的质量很大程度上取决于过程控制仪表性能的上下。气动调节阀是工业过程控制的重要调节机构,本文研究的调节型阀门控制器是气动调节阀的核心附件,它能够显著改善阀门的动态特性,提高阀门的响应速度、定位精度以及控制灵活性。 本文先对国内外智能阀门控制器进行了比照和分析,然后详细阐述了智能阀门控制器的总体及硬件设计。论文主要解决了基于MSP430单片机的阀门硬件控制、电源相序的检测、电机保护等关键问题。并且由基于MSP430的单片机系统实现对整个系统的数字化、智能化控

2、制,提高了控制精度。针对当前国内阀门电动装置主要为机械式开关控制的现状,本着在现有机械结构上改动最小的原那么,利用传感器和电子电路替换传统的机械控制结构。并且开发了集执行机构、驱动单元、调节控制单元、现场显示仪表等为一体的机电一体化智能电动执行器。 本文设计并实现智能阀门控制器,对提高国内阀门控制的自动化水平和智能阀门电动装置生产水平,参与国际竞争具有重要的现实意义。 关键词:调节型阀门控制器;系统硬件;电路设计 The Hardware Design of Adjustable Valve Controller ABSTRACT In modern industrial automation

3、 control, the quality of industrial process control depends to a great extent on the performance level of process control instrumentation. Pneumatic control valve is an important governor motion of industrial process control, and the adjustable valve controller studied in this paper is the main atta

4、chment of pneumatic control valve, it can significantly improve the dynamic characteristics of valves, improve the control speed, precision and flexibility of valves. This paper analyzes the research situation and future development of the adjustable Valve Controller home and abroad and also carries

5、 on the contrast and the analysis to them and finds the solution of some key problems, such as hardware designs of the intelligent valve controller based on MSP430 single chip processor, phase sequence test of power source, motor protection and so on. Then in the view of the situation that the major

6、 current domestic electric valve actuator is controlled by the mechanical type switch, the design of hardware of the adjustable valve controller was elaborated in detail: based on the principles such as modifying the smallest in the existing mechanism, replacing tradition machinery control structure

7、 by the sensor and the electronic circuit, situation of the overall system being digitally and intellectually controlled by the programmable MCU system to improve the control accuracy. This electro mechanics integrates actuator, drive unit, adjusting control unit and field display meter This paper d

8、esign and implement the intelligent valve controller which has great practical significance for raising the level of the automation of the domestic valve control and the level of the production of the intelligent electric valve actuator, and for participating international competition. Key Words :Ad

9、justable valve controller;Hardware system;Circuit design 目 录第一章 绪 论11.1调节型阀门执行器的开展及现状11.1.1国内阀门执行器的开展及现状11.1.2国外阀门执行器的开展及现状21.2 本课题的目的及内容41.2.1 课题的背景及意义41.2.2 课题研究的主要内容5第二章 调节型电动执行器控制阀门的总体设计62.1普通阀门电动装置的结构与功能特点62.2调节型阀门控制器总体设计方案72.2.1调节型阀门控制器设计要求72.2.2调节型阀门控制器功能分析82.2.3调节型阀门控制器根本原理8第三章 调节型阀门控制器中央处理单

10、元123.1单片机的选择123.2 MSP430F135IPM的根底时钟173.3 MSP430F135IPM的定时器183.3.1看门狗定时器183.3.2 16位定时器A193.3.3 16位定时器B223.4 MSP430F135IPM的各端口233.5 MSP430F135IPM的模数转换243.6 FLASH存储器24第四章 调节型阀门控制器外围电路设计及抗干扰264.1 外围接口电路设计264.1.1 三相电鉴相电路及接口设计264.1.2 开关量控制接口设计294.1.3 继电器驱动电路设计304.1.4 显示接口设计314.1.5 电源电路设计364.1.6 远程模拟控制设计3

11、94.1.7 电流工作及保护电路设计424.1.8 开度检测模块设计444.2 控制器系统硬件抗干扰措施44第五章 结论与展望47参考文献48致谢50第一章 绪论1.1 调节型阀门执行器的开展及现状 执行器是工业自动化系统中的执行单元,也是自动化系统中最重要的组成局部之一,电动执行器一般是以电动机作为动力源的阀门电动装置,其作用是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其它调节装置。 近年来,我国电动阀门研制行业坚持技术进步,加快新产品开发,涌现出一批各具特色的高新技术产品。如北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压 机电公司的低噪声比例溢流阀拥有专利、 宁波华液公司的电液比例压力

12、流量阀 已申请专利,均为机电一体化的高新技术产品,并己投入批量生产,取得了较 好的经济效益。目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是:主要技术指 标正在向国际 90 年代初水平看齐,工作死区小于 0.8 级,回差和根本误差都小 于 1 级。使用方便,具有自诊断、自调整和 PID 调节功能。 目前国内工业现场使用的阀门执行器大多是以模拟仪表为主,其硬件电路复杂。随着工业现代化的开展,我国电力、冶金、矿山、石化等行业对阀门执行器的可靠性、稳定性、适应性和精度等方面提出的要求越来越高,而在这些重点行业上,国内执行器厂家纷纷引进国外技术,有的是全套进口执行器件,国内组装,生产技术国产化;有的是进口

13、主要器件和壳体,国内组装;也有的进口原装执行器。可见,国内比拟先进的执行器以引进为主。在调节型阀门电动装置领域与国外相比国内的开展要滞后,其产品的可靠性、工艺的完善性等均比国外落后、低于国际水平。目前使用的阀门电动装置绝大局部仍然是六七十年代设计的产品,其突出特点是体积庞大,采用传统的模拟控制,控制精度低,抗干扰性差,不容易实现网络化控制,其主要作用也只是代替人力去操纵那些大口径的阀门。 随着国外调节型阀门电动装置对国内市场的影响,国内阀门电动装置厂商和相关机构开始把更多的精力投入到调节型阀门电动装置产品上。国内较为领先的调节型阀门电动装置生产厂家,如奥托克、瑞基等新兴生产厂家,其技术水平紧随

14、国外同行业产品。鞍山阀门厂引进了日本的相关技术,所生产的系列电动执行器具有相当好的性能和控制精度;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。引进型电动执行机构品种规格齐全、精度高、结构紧凑、体积小、重量轻,具有各种保护功能、适用性强、性能稳定、平安可靠;安装、调试、操作、维修方便;可直接与各类蝶阀、控制阀和带控制的截止阀、闸阀等阀门配套。 国内一些科研院所也通过与企业合作等形式在调节型阀门电动装置方面做了一些探索,如上海工业自动化仪器仪表研究所开发了新型调节型电动执行器,使用方便,具有自诊断、自调整和PI调节功能,但目前仅是个

15、别使用,没有形成产品;北京航空航天大学机械工程及自动化学院现场总线及工业测控技术研究室与天津百利二通机械合作于2002年成功开发了“基于现场总线的阀门控制系统,首次将现场总线CAN(Controller Area Network,控制器局域网)总线应用于国内通用型阀门电动装置。另外,上海交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学、大连理工大学、重庆大学等高校也都对阀门电动装置的调节型化控制器进行了相关的研究,并取得一定的成果。 通过上述分析可以说调节型阀门电动装置今后几年在国内将进入开展成熟阶段,而且随着工业自动化的进步、控制技术的开展及受数字技术和微处理技术的影响,人们对工业过程控制的终端?执行器提

16、出了新的要求,以及调节型阀门电动装置与传统的普通阀门电动装置相比的突出优势,可以推测在未来几年时间调节型阀门电动装置将会在很大层面上取代普通阀门电动装置。因此,进行调节型阀门电动装置控制器的研究开发,提升国内产品的技术水平,以参与国际竞争势在必行。 自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一台电动执行机构以来,国际上电动执行器技术水平开展迅速。20世纪80年代起,国外相继推出了符合各种现场总线标准的调节型执行器,在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛开展,目前国外己开发出新一代调节型化电动执行机构产品,电子计算机技术、微机控制技术己在阀门设计中得到广泛应用。这些调节型化

17、电动执行器功能强大、简单可靠、技术先进。国际著名的电动执行器公司英国的ROTORK(罗托克)生产的IQ系列调节型化电动执行器,不但具有调节型通信、调节型控制、支持多种现场总线的功能,而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中,防水防暴,终身可靠,调试及故障排除简单。德国Hartmann&Braum公司新一代产品调节型电动执行器MOE700实现了调节型式电子一体化,变频变速定位,监控等功能。代表着该领域的世界先进水平的公司还有美国的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等几家国外著名的公司。JORDAN公司的调节型电动执行器突出特点是动作频率高,其动作频率是200

18、04000/h,而国内的电动执行器动作频率在2000/h以下,一般动作频率到达1200/h就是很高的了。 调节型电动执行器集微机技术和执行器技术于一体,以调节型放大器取代传统的磁放大器,是一种新型的终端控制单元,是工业控制与自动化系统当前和今后开展动向之一。国际上电动执行器向五个方向开展:调节型性,现场总线调节型性,轻巧实用性,重型,平安复位性。 目前调节型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,并呈现出全方位调节型化,“全方位表达在阀门电动装置与仪表执行机构这两类产品概念的统一,即其产品已经将上述两类产品性能集于一身。其突出特点在于: 1、机械结构的精简可靠,电子

19、电路高度集成化、模块化。把整个控制回路装在一个现场仪表(阀门电动装置)之中,同时可在不使用专用的工具移去任何封盖的前提下进行系统设置,而是通过安置在控制仪表板上的LCD(Liquid Crystal Display)和本地控制开关来完成。这样使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大大简化,且减少因信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响,提高了可靠性。此外,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,OTORK公司生产的Q300系列电动装置就带有防水保护和双层密封外壳,工作温度度在

20、-30+70之间。从这些可以折射出国外阀门电动装置生产厂商的规模生产能力,以及其技术、工艺的成熟和完善。 2、功能的完备,主要表达在其一机多用途,完全具备阀门电动装置、仪表执行器的所有功能。计算机控制功能。除了能精确确定阀门全行程的两个极限位置外,还可按给定值自动进行过程调节,控制流量和压力等过程变量,通过微处理器和PID或调节型控制算法编程实现。例如VALTEK公司的Starpac调节型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。平安保护功能,具有高度的自身保护和系统保护功能。如自动调整三相电源的相序而保证电机正确起

21、动,防止因相序接错导致电机反转而损坏电动装置和阀门,此外还能在阀门卡死的情况下防止阀门因过转矩而损坏。ROTORK公司生产的IQ型调节型化阀门电动装置具有上述两种功能,它装有相同步器(自动相序调整装置),可确保IQ的三相电动机始终具有正确的相序电源,其次如果阀门卡死,当启动信号发出715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,调节型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免发生事故。 调节型诊断功能,在阀门电动装置上装有一些附加的传感器或检测电路,专门用于故障检测,微处理器在运行中连续对整个系统

22、进行检测,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告知用户。 3、业现场总线技术、无线通讯技术的工业产品化应用。调节型阀门电动装置利用数字通讯手段与主控制室相连,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。 1.2 本课题的目的及内容1.2.1 课题的背景及意义 本课题是一智能型智能电动阀执行机构,是开发电动阀智能控制器以取代原来的PLC,增加多单片机接口,可以降低本钱、增强企业产品的竞争力。 智能阀门控制器为控制系统的核心,是将送油调节阀、溢流阀、电磁回油阀等融为一体的,具有高精度调节、压力上限保护、加荷卸荷换向

23、、快速送回油等多种控制功能的机电一体化组合体。智能阀门控制器接收传感器和定位探头等的信号后,通过阀门控制电机组件对阀门进行控制调节,实现对整个抗压试验过程的智能化自动控制。同时进行力值采集和强度的计算、显示和数据的打印、保存,可以查询所保存的历史数据。 随着国内工业自动化水平的日益提高,对技术密集的要求亦越来越高,迫切需要新一代的调节型电动执行器来代替目前使用的产品,以提高自动化程度和生产效率。因此开发适合我国国情、性能先进、功能完善、符合我国使用标准和使用标准习惯的调节型电动执行器,以满足国内广阔用户的需求,有着重要的现实意义。 很荣幸地能够借着毕业设计的时机来研究调节型发阀门执行器,同时借

24、此时机也实现了理论与实践的相结合。在通过对调节型电动执行器技术的大量调研,充分看到了它的前景和趋势。本着对此技术的浓厚兴趣,通过大量的实验,进行调节型阀门电动执行器的开发和设计。本课题所研究的基于MSP430单片机的调节型电动执行器有很好的市场前景。主要具有如下的现实意义和实际价值: 1、系统提出模块化的设计思想:采用MSP430单片机作为阀门控制系统主控CPU,具有低本钱、低功耗和高性能的处理能力,对电机的数字化控制非常有用。同时几种先进的外设被集成到芯片内部,形成真正的单芯片控制器。外设集成度高、程序存储空间更大、A/D转换速度更快等特点,是电机数字化控制的升级产品。 2、利用固态继电器控

25、制电机的可逆运转的技术设计调节型电动执行器,非常适用于频繁启动、易燃易爆、潮湿等环境恶劣的场合与自控、远控设备中。 3、实现了自动化仪表技术从模拟技术向数字技术的转变,自动化系统从封闭式系统向开放式系统的转变。 4、将控制、显示等功能下载到执行器中,更好的实现了其调节型化并简化了上层系统. 5、大大的缩短了我国电动执行机构与国外同类产品的差距。 6、为国民经济各部门提供新的自动化装备,从而带来更高的效益。 7、振兴我国仪表工业。当前世界上有名的仪表公司的产品进入我国,市场竞争剧烈,只有保持技术上和国外同步,促进仪表产品结构的调整,才能立于不败之地。1.2.2 课题研究的主要内容 本课题是在充分

26、了解国内外调节型阀门电动执行机构技术现状和开展趋势的根底上,认真研究了其优点和缺乏之处,并结合国内用户的需求及应用环境而提出的。在国内现有的同类产品根底上,将单片机技术、电子技术、传感器技术应用在电动执行器中,开发了集执行机构、驱动单元、调节控制单元、现场显示仪表等为一体的机、电、仪一体化的调节型执行器。以MSP430单片机为中心对阀门电动执行装置进行控制。通过开关式控制机构在行程到位、过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触点来断开电机电源的方式。由电机来带动阀门的开闭及整个过程。 本课题由故障检测和开度控制两局部组成,故障检测包括相序检测及自动调整环节、断相检测环节、电

27、机过热检测环节及极限位置检测等,开度控制包括控制电机正反转环节和开度显示环节等,主要功能包括本地控制和远程控制两个方面,本地控制使用旋钮控制电动执行器开度,远程控制使用4-20mA标准信号控制执行器开度,输出需要显示电机开度,同时使用指示灯显示电机状态。 通过传感器实现行程和转矩控制机构实时采集行程和转矩信息并以电信号的形式传至MSP430单片机并分析处理,MSP430单片机根据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示,并通过电机驱动模块控制电机的正转、反转和停止;状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反、是否缺相、电机温度过热等状态实时监控,异常时向MSP430单片机发出相应的故障信号,

28、MSP430单片机及时做出故障处理(如通过电机驱动模块使电机停止等),并通过开度指示模块显示故障报警信息。 第二章 调节型电动执行器控制阀门的总体设计 本章分析了国内普通阀门电动装置对阀门位置控制(简称行程控制)和阀门转矩控制(简称转矩控制)机械开关式控制机构的结构以及普通阀门电动装置控制器的功能特点,针对调节型非侵入的要求从总体设计上提出了调节型阀门控制器系统的解决方案。引入微机控制技术、传感器技术和电子技术,分别利用绝对值光电编码器和测力传感器替代行程控制机构及转矩控制机构实现对行程和转矩信号的连续采集,并提交单片机系统构成的调节型中央处理单元分析处理,同时也通过各种处理电路丰富和完善了故

29、障检测和报警功能及远程开关控制和状态联动功能,提供了人性化的LCD汉字显示界面,并使结构上到达了操作时非侵入的要求,使得该调节型阀门控制器实现了对信息采集的数字化,控制处理的精确化,人机交互的人性化、调节型化以及操作设置的平安化。 普通阀门电动装置对于行程和转矩的控制均由机械开关式行程和转矩控制机构实现。如图2.1所示,包括机械开关式行程控制机构、可调式开度指示器和机械开关式蝶簧组及转矩控制机构,用以控制阀门的开启、关闭及阀门位置的开度指示和开关阀门过程中的转矩保护。 1.电机 2.3.齿轮 4.蜗杆 5.蜗轮 6.输出轴 7.8.伞齿轮 9.行程控制机构 10.中间齿轮 图2.1 普通阀门电

30、动装置结构示意图Fig. 2.1 Structure of ordinary valve 机械开关式行程控制机构: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,那么凸轮将被转动90°,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的控制,为了控制较多圈数(多回转)的阀门,可调整凸轮转180°或270°再迫使微动开关动作。同时其指针式阀门开度指示由可调式开度指示器实现,其由减速齿轮组、调节齿轮、阀门开度表盘、凸

31、轮、微动开关及电位器组成。在现场调试时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,指示阀门的开度值,指示角度与阀门开度值同步。 机械开关式转矩控制机构:由曲柄、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力转矩后,蜗杆除旋转外,还产生轴向位移,带动曲柄旋转,同时使碰块也产生一定角位移,从而压迫凸轮,使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到预定值时,那么支板上抬到直至微动开关动作,切断电源,电机停转,实现对电动装置输出转矩的控制。 通过以上描述可见,机械开关式行程和转矩控制机构存在着安装设置调整繁琐、控制精度不高,

32、不易实现阀门开度的电子式数字显示,转矩只能针对某个具体值进行控制,无法实现连续的采集和控制等弊端。 另外,普通型阀门电动装置是靠三相异步电机通过传动机构来带动阀门的启停,电机靠交流接触器控制,除电气控制回路外,还有各种保护电路,例如熔断器、热继电器、过转矩保护等。这种阀门电动装置控制回路简单,可靠性较好,但所提供的故障信息较少,使用维护不便,也无法实现联动功能。 调节型电动执行器是以单片机为核心的控制电路,要求其使用时性能稳定可靠、控制局部紧凑合理、各功能单元既相互独立又互有接口、方便维修和在线扩展等优点。具体设计要求如下: 1.完成三相异步电动机的正转、反转、停止的控制。 2.能实现对电机正

33、反转间的互锁,防止电源间的短路。 3. 能实现对三相电源进行缺相、相序检测,防止因缺相带来的电机过热。 4 .接受开关量控制:通过操作面板上开关或远程的开阀/关阀开关控制,开关闭合时,电机立即启动,开关断开时,立即停止。 5. 完成对阀门开度检测,并进行反响控制,同时实现变送4-20mA电流信号信号输出。 6. 完成对阀门力矩检测,并进行反响控制,检测阀门的行程上/下限和力矩上/下限。 7. 控制面板上有本地、停止、远程三种模式选择开关和本地模式下开、关操作旋转开关。在远程模式下,可进行模拟量和开关量控制。 8 .显示局部采用液晶背光型:默认设置下可显示阀门开度、阀门力矩、故障报警代码、操作模

34、式、电流大小。在进行参数设定时,显示各种设置参数符号。 9 .电机的过热保护采用热保护器,电机内埋入PT100热电阻,可用通过程序进行80,150内的任意温度设定,起电机保护作用。 10 .分辨率:1%;元器件选用工业级。 11. 具有较强抗干扰能力例如:电磁干扰、噪声干扰、温度影响 在充分理解和分析国外先进调节型阀门电动装置及其控制器的根底上,提出本设计中的调节型非侵入式阀门电动装置控制器应具有以下功能: 1、系统要求电机能够正转、反转和停转控制,因此系统采用了带互锁的继电器控制电机,并配合元件互锁,保证电机平安、可靠工作;在继电器进线端采用了光电耦合,实现强电与弱电的隔离,提高了系统的抗干

35、扰能力。 2、为了实现对阀门开度的检测,系统需要检测阀门的转动位置,通过4-20mA标准信号转换传输到单片机,从而对电机开度进行实时的检测,实现电机的开度控制和显示。 3、为了实现对阀门力矩的检测,系统需要检测电机的三相电流,按照相应的换算关系间接检测力矩的大小。 4、由于开度和力矩值需要变送输出,因此系统要设计开度和力矩的变送模块。 5、为了实现远程模拟量的控制,系统需要检测远程模拟量值,经过A /D转换实现电动机在对应控制信号位置时停止。 6、另外设置的参数要在液晶屏上显示,系统还需要设计显示模块。 7、为了使系统在掉电后能够长时间工作,系统还需要选用一款低功耗单片机来检测和记录开度,其他

36、电路都保持掉电状态。 8、针对电机内部温度过热的现象,系统设计了温度检侧模块来实时检测电机的温度值。 根据前面对普通阀门电动装置的结构、功能特点及调节型阀门控制器的功能要求的分析,本着对现有普通阀门电动装置结构上改动最小即可实现调节型化的原那么,针对直接开关位置控制方式,开发实用的、符合我国国情的调节型非侵入式阀门电动装置控制器,用于驱动和控制多回转阀门装置,提出的总体设计方案如下: 本设计将微机控制技术、传感器技术和电子技术引入到阀门的控制系统中,改变了普通阀门电动装置中通过开关式控制机构(包括行程、转矩和故障检测机构)在行程到位、过转矩或故障发生时直接切断该机构在电气控制回路中的对应常闭触

37、点来断开电机电源的方式。如图2.2所示,在调节型阀门控制器中,以调节型中央处理单元为核心实现对单台阀门的控制,电机带动机械传动机构使电动装置运行,通过传感器实现的行程和转矩控制机构实时采集行程和转矩信息并以电信号的形式传至中央处理单元分析处理,中央处理单元根据处理结果实时刷新开度指示模块的开度显示,并通过电机驱动模块控制电机的正转、反转和停止;状态检测模块在系统上电后即对电机电源的相序正反、是否缺相、电机温度过热等状态实时监控,异常时向中央处理单元发出相应的故障信号,中央处理单元及时做出故障处理(如通过电机驱动模块使电机停止等),并通过开度指示模块显示故障报警信息;中央处理单元通过非侵入现场开

38、关机构接受控制者对控制器的设置及操作信息,并通过控制其它模块做出相应的动作;远程功能模块通过与中央处理单元交互实现对系统的远程控制和状态采集。以下分别对各个模块的设计方案和选型进行具体阐述。 图2.2 调节型阀门控制器总体框图Fig. 2.2 Intelligent valve controller general diagram1、中央处理单元 如前所述,中央处理单元是调节型阀门控制器的标志与核心,支配系统各个功能模块协调地工作,检测各种工作状态信息和行程、转矩信息,处理后通过开度指示模块实时更新,接收用户输入的控制指令信息,控制电机动作,并根据状态异常情况发出各种报警信息。因此,该模块利用

39、可编程的单片机系统实现。2、行程控制机构 为了实现中央处理单元对阀门开启位置的连续电信号采集,本设计采用金属膜精密电位器与阀门同轴作为行程控制机构。当阀门关到位时对应电阻值最小,当阀门开到位时对应电阻值最大。在阀门的极限位置装有行程开关,防止电机在阀门到位时堵转,也防止在开/关初始位处易出现的开关不严的现象。3、转矩控制机构 目前用于阀门电动装置转矩控制的方式有:通过检测电机电流折算输出转矩;通过测力传感器计算输出转矩;通过绝对值编码器检测变形计算输出转矩。结合当前阀门电动装置的特点,考虑到以电机电流方式控制转矩,会受到温度、电压等多种因素干扰,不易实现。 因此,本系统采用了极限位置转矩控制方

40、式,即当开度到达满度时,通过位置开关强行停止转矩。当开度未到达满度时,通过电机的启动、停止来控制转矩的运行。4、开度指示模块 如前所述,传统的普通型阀门电动装置都是通过指针式开度指示机构来指示当前的阀门开度,阀门位置受视角因素以及人为因素的影响,本设计中使用液晶屏显示开度,直接接受中央控制单元发出的控制信号,通过液晶驱动模块的驱动,实现精度更高的数字化显示,同时还能提供应用户更加人性化的界面,除了开度显示外,用户可以通过该界面对调节型阀门控制器的工作方式和远程状态输出等进行设置,同时也可清楚地了解电动装置当前的工作状态,如是否有报警信号等。另外,本设计选用122×32点阵液晶,可显示

41、两行每行7个半汉字,符合国内用户的使用习惯。5、电机驱动模块 阀门电动装置主要是通过电机驱动阀门的正反向运转。对于三相异步电机,要实现其可逆运转,只需改变三相主回路上任意两相电源的相序即可。也就是要改变电动机的接线位置,用两台交流接触器交替地给电动机送入L1、L2、L3相序电源和L3、L2、L1相序电源,电动机就可以实现逆向运转。如图2.3所示,本电路由熔断器Fu,正转交流接触器触点KO、反转交流接触器触点KC和电动机M构成主回路。KO合闸后送入电动机接线柱U、V、W的电源相序为L1、L2、L3,电动机正转;KC合闸,送入电动机接线柱U、V、W的电源相序为L3、L2、L1,电动机反转。图2.3

42、 调节型阀门控制器电机驱动模块Fig. 2.3 Intelligent valve motor drive controller module 在电气控制回路中,接入两个12V线圈的小型继电器J1和J2的触点,并且实现硬件上的互锁结构,如图2.3所示。J1、J2分别控制交流接触器KO、KC的通断,并且J1、J2的线圈直接受中央处理单元的开关量控制信号控制。中央处理单元通过鉴相电路判断送入电动机接线柱U、V、W的电源相序是否是正序,是的话按照上一段的描述,那么J1闭合控制电机正转,J2闭合控制电机反转;否那么J1闭合控制电机反转,J2闭合控制电机正转。因此,中央处理单元只要控制J1、J2就能实现

43、对电机的正、反转和停止控制,同时实现了自动调相功能,防止了因为接线相序错误而造成危险。 另外,该方案省去了普通阀门控制器控制回路中的急停开关、电机热继电器常闭触点等器件,而由状态检测电路对上述状态进行监控,出现异常时通知中央处理单元,中央处理单元通过J1、J2断开使电机停转即可。6、状态检测模块 该模块负责检测除行程和转矩以外的状态信息,在阀门电动装置除上述两种外的工作状态异常时提供应中央处理单元相应的故障信息以便及时处理,该模块可通过设计硬件电路实现。根据电路实现机制不同该模块可分为两局部,第一局部是检测电源缺相,控制回路熔断器熔断,电机温度过热等故障的电路,该局部均是通过调理电路间接检测3

44、80V电压的通断,并将其转换成能被中央处理单元识别的开关量信息,从而使中央处理单元在故障发生时能够进行及时的处理;另一局部那么是鉴相电路,它负责鉴别送入电动机接线柱的电源相序的正反,并以开关量的形式提供应中央处理单元,中央处理单元根据相序的情况控制电机驱动模块正确地执行开、关阀门的动作。7、远程功能模块 根据功能不同,该模块可以分成三个局部,第一,远程开关对阀门电动装置的点动控制;第二,可以指示电动装置各种工作状态的开关量输出,以便实现联动功能。这两种功能均可由继电器接入中央处理单元的输入输出接口,并通过软件编程实现。第三章 调节型阀门控制器中央处理单元 本章在前一章总体设计的根底上,针对该调

45、节型阀门控制器的硬件设计进行了详细的阐述,实现了整个控制器系统的调节型化。 调节型阀门控制器中央处理单元是调节型阀门控制器的核心单元,负责系统的所有控制活动。系统将采集的各种信号(数字信号、经A/D转换的模拟信号、开关信号)送的处理单元,再根据按用户要求设计的软件程序控制系统,从而实现了系统的数字化和调节型化。 根据系统设计要求,应选择I/O口等片上资源丰富,处理速度块,低功耗,开发简单快捷,并具有较高集成度的单片机作为中央处理器,以尽可能减小电路板的面积。因此,最好选用集成度较高的SOC(System on Chip)单片机,这类单片机将各种外围功能模块集成于片内且具有较大的数据和程序存储区

46、,从而防止了某些外围器件和存储器的扩展,这样不仅能节省电路板的空间,减少了电子元件的使用,同时又防止了复杂的电子连线,提高了系统的可靠性。本设计系统的控制核心采用了TI公司的16位高性能MSP430F135单片机,用来检测系统的输入状态,控制系统各个局部的输出。 TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,其中包括一系列器件,它们针对不同的应用而由不同的模块组成。它们具有16位RISC结构,CPU中的16个存放器和常数发生器使MSP430微控制器能到达最高的代码效率;灵活的时钟源可以使器件到达最低的功率消耗。其MSP430系列单片机有以下特点: 1 低电压、低功耗 MSP4

47、30系列单片机能够在稳定的工作在1.8V-3.6V之间,在系统时钟频率较低的情况下,其消耗电流能降低到400A以下。有多种低功耗模式,可以在不同的模式,实现超低功耗。 2 强大的处理能力 MSP430系列单片机具有16位RISC结构,简洁的内核指令系统,当工作在8MHz系统时钟下时,指令周期为125s。 3 稳定的工作性能 MSP430单片机中,内置看门狗,同时系统能够在多个时钟源之间切换,保证系统正常工作。 4 丰富的片内资源 MSP430系列内置了丰富的片内资源模块,主要包括:看门狗WDT、定时器ATimerA、定时器BTimerB、比拟器、串口0、串口1USTRA0,USTRA1,硬件乘

48、法器、模数转换ADC、根本A/D口、根本定时器等。 5 工业级产品 MSP430系列单片机都是工业级产品,具有-0°+85°的工作温度范围,并具有较强的抗干扰能力。 MSP430系列单片机具有OPT,Flash,EPROM和ROM四种类型,其中具有片内JTAG调试接口的Flash型MSP430单片机拥有十分便捷的开发环境,通过JTAG将程序下载到Flash内,上位机软件控制片内程序的运行,向JTAG接口输出片内信息供调试开发,不需要额外的仿真器和编程器,节约了开发本钱。 MSP40F135单片机是MSP430X13X系列中的一种,除了MSP430系列单片机的共同特点之外,M

49、SP430F135单片机主要特性如下: (1)低电源工作电压:1.8V3.6V。 2根本的时钟模块:高速晶体振荡器最高8MHz、低速晶体振荡器最高32768Hz、内部的DCO振荡器。 312位200kpbs的A/D转换器,自带采样保持,多种转换方式。 4具有3个捕获此较存放器的16位定时器TimerA。 5 具有7个捕获此较存放器的16位定时器TimerB。 6 多达60KB的FlashROM和2KB的RAM。 7内部带有256B的Flash存储器模块。 8JTAG引脚单独引出,不与I/O线复用。 (9)串行在系统编程。 (10)平安熔丝的程序代码保护。MSP430F135的结构框图3.1如下

50、:图3.1 MSP430F135的结构框图Fig. 3.1 MSP430F135 diagram of the structure相应引脚图如下图3.2 MSP430F135引脚图Fig. 3.2 MSP430F135 pin map表3.1 单片机引脚与本设计阀门控制功能对照表Table 3.1 SCM pin with the design of the valve control tables序号管脚序号I/O点功能112P1.0行程极限保护上限位213P1.1行程极限保护下限位314P1.2转矩极限保护上限位415P1.3转矩极限保护下限位516P1.4远程4-20mA断线后,全开处理

51、11(播码开关)全关处理00(播码开关),保位01、11617P1.5718P1.6检测过冲按钮819P1.7开阀显示灯920P2.0关阀显示灯1021P2.1故障显示灯1122P2.2电机过热保护1223P2.3本地控制开阀信号1324P2.4本地控制关阀信号1425P2.5本地控制停阀信号1526P2.6反映现场控制状态继电器1627P2.7反映远程开关控制状态继电器1728P3.0反映远程模拟控制状态继电器1829P3.1反映电机过热状态继电器1930P3.2液晶数据12031P3.3液晶数据22132P3.4液晶数据32233P3.5背板光2334P3.6本地远程切换2435P3.7电位器中间位置状态继电器2536P4.0开关阀按钮,点动或自保(高:点动; 低:自保)2637P4.1PWM输出口,调节占空比用于输出4-20m