薛桂娥

embedded design and development of intelligent valve controller

摘要：近年來閥門電動(dòng)裝置逐漸取代機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu),成為一個(gè)不可或缺的執(zhí)行單元在工業(yè)控制系統(tǒng)中.本文首先對閥門電動(dòng)裝置的研究的現(xiàn)狀及趨勢做了詳細(xì)的介紹，結(jié)合一些功能要求對智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，對執(zhí)行器的各個(gè)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開發(fā)。該系統(tǒng)低功耗、耐高溫、能長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行在高溫和惡劣的井下環(huán)境。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)閥門；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；智能；井下環(huán)境

Abstract:Valve electric device in recent years gradually replace mechanical actuators, become a indispensable execution units in the industrial control system. This paper firstly studies the status quo and trend of valve electric device is introduced in detail, combined with some functional requirement of intelligent electric actuator is studied, various parts of the actuator for the design and development. Low power consumption, high temperature resistant, the system can run stably for a long time at high temperatures and harsh downhole environment.

keywords:electric valves; Enforcement agencies; Intelligent; The underground environment

引言

閥是石油、化工、各種低溫工程、海洋等國民經(jīng)濟(jì)各部門不可缺少的控制設(shè)備,在發(fā)電廠、污水處理、石油和其他工業(yè)現(xiàn)場,很多閥門被廣泛的應(yīng)用如：截止閥,閘閥,蝶閥等?？刂崎y門電動(dòng)裝置,有時(shí)被稱為閥驅(qū)動(dòng)控制器和閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等等,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置相比，具有反應(yīng)速度快、效率高、良好的調(diào)速性能，它作為一種重要的設(shè)備控制和驅(qū)動(dòng)閥。遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制、集中控制要想應(yīng)用在閥的控制上,閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是必不可少的。

近年來,在智能儀器儀表的領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)是數(shù)據(jù)通信、智能現(xiàn)場設(shè)備和開放系統(tǒng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)用階段是控制系統(tǒng)的雙向、全數(shù)字化、多站通信的發(fā)展、現(xiàn)場總線等。智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在近年來發(fā)展迅速。然而,我們對國內(nèi)外的產(chǎn)品進(jìn)行分析,我們國內(nèi)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品存在很多問題,控制精度較低、結(jié)構(gòu)不合理、穩(wěn)定性差等等,使得產(chǎn)品跟不上社會的步伐。國外的產(chǎn)品雖好，但是價(jià)格就非常的貴，售后的服務(wù)也不是很好。所以開發(fā)一套符合我們使用習(xí)慣的新型智能電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品是十分有意義的。

1.總體設(shè)計(jì)方案

智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是集機(jī)、電、儀為一體的機(jī)電一體化系統(tǒng),系統(tǒng)較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)必須首先,根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)要求完成總體設(shè)計(jì),總體設(shè)計(jì)原則是“簡單實(shí)用,操作方便,安全可靠,先進(jìn)技術(shù)”,這一主題的原則的優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上爭取一個(gè)突破和創(chuàng)新,智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理圖閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)常規(guī)的儀器，它具有控制、檢測等功能，系統(tǒng)由控制、通信、顯示、保護(hù)等構(gòu)成、我們把它分為兩個(gè)部分：執(zhí)行部分和控制部分；執(zhí)行部分主要是電動(dòng)機(jī)、傳感器、各種部分等組成?？刂撇糠种饕蒔LC、馬達(dá)、接觸器等組成；通過圖1可以看出，智能閥門控制是閉環(huán)控制，控制電機(jī)的運(yùn)行主要由反饋信號和設(shè)置信號，控制精度較高。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）模塊化的原則

模塊化的設(shè)計(jì)，基本設(shè)計(jì)思想是系統(tǒng)自上向下設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)分為各個(gè)子系統(tǒng)，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便檢查缺陷和簡化設(shè)計(jì)工作。模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為未來設(shè)計(jì)帶來極大的便利,良好的模塊設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)變成各個(gè)模塊的組合。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化的原則

標(biāo)準(zhǔn)化包括兩個(gè)方面：自定義標(biāo)準(zhǔn)和法定的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)可以為今后的設(shè)計(jì)工作帶來極大的便利。

（3）復(fù)用的原則

在硬件的設(shè)計(jì)中，盡量采用模塊化的設(shè)計(jì)，在以后的設(shè)計(jì)中可以使用，盡量減少錯(cuò)誤。一般來說，要更新一個(gè)系統(tǒng)，其實(shí)就是改變其核心硬件的設(shè)計(jì)，就可以更新產(chǎn)品。系統(tǒng)的前期采用模塊化的設(shè)計(jì)，可以使產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)節(jié)省時(shí)間和成本。

2.2 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

交流接觸器的使用有很多優(yōu)點(diǎn)，如壽命長、寬電壓等。采用LC1-D18施耐德公司的產(chǎn)品用于電機(jī)控制

其控制原理圖如圖2所示:正轉(zhuǎn),正轉(zhuǎn)按鈕SBF關(guān)閉接觸器KMF 電動(dòng)關(guān)閉,然后電動(dòng)機(jī)M正轉(zhuǎn);同理,逆轉(zhuǎn),SBR反向按鈕關(guān)閉,換向接觸器KMR電動(dòng)關(guān)閉,

所以電機(jī)M反轉(zhuǎn)。為了防止KMF和KMR導(dǎo)通的同時(shí),在電源電路、串聯(lián)電路中KMR KMF聯(lián)鎖控制。

圖 2可逆交流接觸器控制原理圖

2.3 微控制器與PLC之間的通信

我們使用得PLC提供了RS485接口與外部設(shè)備通信,因此可以使用RS485通信方式完成單片機(jī)與PLC之間的通信。

??ATmega128A自帶的接口用于同步異步串行通信,由于單片機(jī)的輸出是TTL電平，所以要進(jìn)行轉(zhuǎn)化，應(yīng)用MAX485芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

圖3 PLC與微控制器之間的通信原理圖

3.系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

有三種干擾主要進(jìn)入信號產(chǎn)生干擾，電磁感應(yīng)、電源線、傳輸通道。一般來說，通過電磁感應(yīng)強(qiáng)度的干擾信號的電路系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他兩路對電路的干擾, 對電磁感應(yīng)使用良好的接地和屏蔽，師徒切斷從電源線和信道的干擾。

3.1印制電路板的抗干擾措施

在實(shí)踐中,原理圖設(shè)計(jì)正確，但是電路板設(shè)計(jì)不好也會降低電子產(chǎn)品的可靠性。例如,如果PCB接地阻抗較高,公共阻抗耦合干擾在組件之間形成,如果兩線平行于PCB附近,會形成信號延遲,形成反射噪聲在輸電線路終端,因此,我們設(shè)計(jì)電路板的時(shí)候要將不利的影響降低到最小，使一些干擾得到抑制

本文設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng),主要抗干擾措施:

(1)選擇低功耗、小電流的組件,從而降低了板線的電磁干擾和產(chǎn)生的熱量；

(2)在焊接元件的過程當(dāng)中，找有經(jīng)驗(yàn)的人指導(dǎo)，避免在焊接的過程當(dāng)中對元器件造成損壞；

(3)單獨(dú)的數(shù)字模擬地面和單獨(dú)電源端地。為了防止地面所引起的電流變化的不穩(wěn)定,導(dǎo)致電子設(shè)備對信號電平和噪聲性能不能很好的濾除,我們選擇線寬度大于3毫米;

(4)使用粗短的電源線和接地線,并盡量使它們靠近,其走向和信號傳輸方向相同；

(5)原件表面和焊接表面印刷電路板組件引線應(yīng)垂直,為了減少寄生電容。

3.2接地技術(shù)

在智能電動(dòng)執(zhí)行控制系統(tǒng)中接地是一個(gè)重要的問題，接地的問題處理是否合理，將影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。主要包括兩個(gè)方面：（1）接地位置，防止部分串?dāng)_控制系統(tǒng);(2)地面剛性,使接地點(diǎn)良好接地,以防止接地線下降。

地線種類很多,大致有以下幾種：

(1)數(shù)字地,也被稱為邏輯。它是一個(gè)微型控制系統(tǒng)在數(shù)字電路的零電位;

(2)模擬地，模擬電路的一部分,它是潛在的放大器,采樣/保持器和A / D轉(zhuǎn)換,輸入信號是零電位;

(3)信號接地,傳感器的零點(diǎn);

(4)功率地,指的是大電流驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的零電位,也被稱為負(fù)載;

3.3去耦電容的配置

在數(shù)字電路當(dāng)中，電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以產(chǎn)生一個(gè)峰值電流對電路進(jìn)行干擾。直流電源負(fù)載的變化也會產(chǎn)品干擾。想去除干擾解決的辦法就添加去耦電容，在繪制電路板的時(shí)候添加去耦電容。具體方法是：

(1)電源輸入端接10 - 100uf(包括電解電容器);

(2)配置了0.01 uF陶瓷電容器在每個(gè)集成電路的芯片旁;

(3)對ROM、RAM、存儲設(shè)備和抗噪聲能力弱,切斷電流變化大時(shí),電源線和芯片之間直接地線和直接接入去耦電容器；

3.4采用光電隔離技術(shù)

控制單元直接和輸入輸出通道連接，干擾信號比較容易管理不論是數(shù)字信號還是模擬信號。通過隔離消除干擾，光電耦合器可以有效地消除脈沖噪聲和干擾,只有接觸系統(tǒng)信號測量和控制系統(tǒng),但不是電接觸,以便輸入和輸出通道信噪比大大提高了。這是因?yàn)?

（1）光電耦合器的輸入阻抗和源內(nèi)阻相比很小，干擾源于高內(nèi)部輸入阻抗串聯(lián)。當(dāng)有干擾的時(shí)候，輸入阻抗的分壓小。對光電耦合器的干擾很小。光敏三極管工作在一定的工作光強(qiáng)度。電壓值很高，也不能使二極管發(fā)亮。被抑制，有用的信號通過光電耦合器；

（2）分布電容和絕緣電阻很大，輸入電路的干擾很難通過光電耦合器。因此，有用的信息通過，有效的抑制干擾信號；

（3）光電耦合器工作在密封的環(huán)境，外界很難干擾；

3.5 電磁兼容性的問題

電磁兼容是一種能力,它可以工作在電磁環(huán)境,沒有干擾的環(huán)境。所以電磁兼容產(chǎn)品必須具備兩個(gè)條件1.系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；2.系統(tǒng)本身不能成為干擾源；設(shè)計(jì)的電路注意下面幾點(diǎn)：

（1）消除不均勻地面電位;參考潛在的硬件電路,理想情況下,電路板上的每個(gè)潛在點(diǎn)電位是相同的,但事實(shí)上并非如此。消除措施包括增加大地面積和降低接地系統(tǒng)的負(fù)載電容組件,降低PCB布線的電源和接地電感器,選用接地引線和電源插腳距離短形式的封裝等。

（2）接地散熱器；它有冷卻效果,屏蔽效果,解耦效果；

（3）時(shí)鐘源的電源濾波方法,必須放置在處理器時(shí)鐘振蕩器的附近,并且盡可能接近處理器時(shí)鐘輸入插腳。

4.結(jié)論

經(jīng)過不斷對智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,通過不斷學(xué)習(xí)和創(chuàng)新,大量的調(diào)查和研究工作。初步完成智能閥門控制器的設(shè)計(jì),最終目標(biāo)應(yīng)用智能閥門控制器在工業(yè)的領(lǐng)域。發(fā)展過程必然接受檢驗(yàn)在實(shí)踐中,不斷發(fā)現(xiàn)不足之處,提出了新的要求,逐步向工業(yè)化的道路前進(jìn);

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