工作原理和功能
閥門的控制量為閥門開(kāi)度，在應(yīng)用場(chǎng)合往往會(huì)根據(jù)實(shí)際需要將閥門開(kāi)或關(guān)，或者開(kāi)到一定程度，甚至動(dòng)態(tài)的以某種規(guī)律開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。
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(guò)菜單和按鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。
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(kāi)、或關(guān)、或保特、或在0～100%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(guò)通訊協(xié)議在上位機(jī)進(jìn)行編程組態(tài)，對(duì)過(guò)程量、開(kāi)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)。
系統(tǒng)硬件組成
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位微處理器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)。其最高工作頻率可達(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(guò)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(guò)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(kāi)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通訊部分
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(kāi)關(guān)雙向可控硅BTA16。雙向可控硅具有開(kāi)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)在高溫條件下的長(zhǎng)期可靠運(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。
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