工作原理和功能
閥門的控制量為閥門開度，在應(yīng)用場合往往會根據(jù)實際需要將閥門開或關(guān)，或者開到一定程度，甚至動態(tài)的以某種規(guī)律開關(guān)。在傳統(tǒng)的模擬控制方式中用時間、電流的大小來表示閥門的開啟角度。由于影響時間、電流(電壓)等參數(shù)的因素很多，因此顯示的開啟角度與閥門的實際位置不易達到同步，經(jīng)常出現(xiàn)明顯的誤差。同時，簡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)計的智能型控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的方法來控制電動執(zhí)行機構(gòu)運行。
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)一的標準直流信號(如4～20mA的電流信號)，經(jīng)信號處理及A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器，微處理機將處理后的數(shù)據(jù)送至顯示單元顯示調(diào)節(jié)結(jié)果，運算處理后產(chǎn)生的控制信號驅(qū)動交流電機。此外，系統(tǒng)帶通訊功能，可以接收上位機的指令，進行遠程數(shù)字控制。同時也可以在智能控制器本地的人機界面上通過菜單和按鈕實現(xiàn)現(xiàn)場手動控制。
主要功能描述：
(1)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，直接接收4～20mA/4～12mA/12～20mA/0～5V/1～5V等控制信號，輸出隔離的4～20mA閥位反饋信號；
(2)具有仿真運行功能，并可根據(jù)用戶設(shè)定的流量特性曲線運行；
(3)控制信號斷路故障判斷、報警及保護功能。斷路故障時可使執(zhí)行機構(gòu)或開、或關(guān)、或保特、或在0～100%之間預置的任意值；
(4)數(shù)字顯示，顯示控制信號值、閥位值、故障類別；
(5)RS485遠程通訊功能，通過通訊協(xié)議在上位機進行編程組態(tài)，對過程量、開關(guān)量作數(shù)據(jù)或圖形處理。
(6)閥門行程自整定，輸入輸出模擬信號自校準。
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、成本低等原則，控制核心采用8位微處理器MC68HC908SR12(SR12)，電機控制的主電路采用電力電子技術(shù)實現(xiàn)。
SR12具有速度快、功能強和價格低等特點。其最高工作頻率可達8MHz，有512字節(jié)的片內(nèi)RAM、12K字節(jié)的片內(nèi)FLASH存儲器，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進行閥門位置信號及輸入控制信號的采集，利用PWM輸出經(jīng)過濾波后的位置信號，利用I2C總線與外部存儲器AT24C08進行通訊存儲設(shè)置值，利用SCI接口通過MAX485與上位機進行數(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信號輸入部分
利用SR12內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號和閥門位置反饋的模擬信號進行量化。采用REF02作為A/D的基準電壓，其溫度漂移系數(shù)為3PPM/℃。
2.2信號輸出部分
SR12有3通道8位高速PWM，每個通道有獨立的計數(shù)器，可選擇PWM輸入時鐘以產(chǎn)生各種PWM頻率，并有自動相位控制。利用其中一路PWM作為模擬量輸出信號，其余兩路作為電機控制信號。同時選擇I/O口PTB6作為繼電器開關(guān)量輸出的控制信號。
2.3輸入輸出隔離
系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場使用時，涉及到各種儀表、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)，會由于各種原因引入信號干擾以及各種危險的強電壓信號。為了保證系統(tǒng)的安全，保證檢測的正確性和運行的可靠性，采用光耦LOC210對輸入輸出信號進行隔離。
2.4通訊部分
為了完成工業(yè)現(xiàn)場遠程控制和組網(wǎng)的需要，系統(tǒng)支持RS485通訊方式。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX485。實際工作時，可以與上位機進行遠程通訊，進行運行方式設(shè)定并監(jiān)控運行狀態(tài)。
2.5電機驅(qū)動部分
電機的驅(qū)動采用電力電子開關(guān)雙向可控硅BTA16。雙向可控硅具有開關(guān)速度快、壽命長、無火花和拉弧現(xiàn)象等特點［2］，保證執(zhí)行機構(gòu)在高溫條件下的長期可靠運行，同時有助于對電機的保護。主電路與CPU之間采用光耦MOC302X驅(qū)動，如圖3所示，圖中ZL為電機負載。
在設(shè)計中，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。在實際工作時RC吸收回路的實際參數(shù)需要根據(jù)電機參數(shù)(ZL)的不同確定。
需要注意的是，MOC302X的耐壓是400V，如果電機需要工作在380V下或者電機的反電勢比較大時，要選用MOC308X系列。
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