揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠 朱樂堯

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠 朱樂堯

介紹了基于C8051F340單片機(jī)的智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計原理，提出了一個集自動控制、故障自診斷與報警、人機(jī)對話等功能于一體的智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

C8051F340；智能型；電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展，智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用，智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能齊全，給工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)行和維護(hù)帶來了極大的便利。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)無人機(jī)交互接口，調(diào)試操作較為繁瑣，尤其在遇到故障時，無法迅速排查故障或需要查找故障代碼，行程控制單元由于采用機(jī)械式行程計數(shù)器，行程測量精度不高，而且在行程標(biāo)定時需要開蓋操作，給安裝調(diào)試工作帶來不便。另外，傳統(tǒng)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率驅(qū)動控制信號在復(fù)雜的工況環(huán)境下易受干擾，極端情況下導(dǎo)致功率驅(qū)動元器件誤觸發(fā)，從而影響生產(chǎn)運(yùn)行的安全。

為解決傳統(tǒng)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的不足，本文提出了基于C8051F340的智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，智能型控制系統(tǒng)通過采用友好的人機(jī)交互界面，具備故障自診斷與報警功能，使調(diào)試操作與故障排查更簡單方便，在硬件上，通過采用功率驅(qū)動控制信號互鎖電路，實現(xiàn)硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號同時有效導(dǎo)致控制回路紊亂，提高了智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性，行程位置控制省去了復(fù)雜的機(jī)械行程，采用無接觸式磁旋轉(zhuǎn)絕對編碼器，優(yōu)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了行程分辨率精度，分辨率可達(dá)到0.08790。通過對硬件電路和軟件程序的優(yōu)化控制，C8051F340單片機(jī)的合理利用，實現(xiàn)了閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的智能化、合理化和高可靠性的要求。

2.控制系統(tǒng)的設(shè)計原理

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用C8051F340作為主控制單元，C8051F340是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型單片機(jī)，具有Silicon Labs專利CIP-51微控制器內(nèi)核，具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個16位計數(shù)器/定時器，2個具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART，1個增強(qiáng)型SPI端口，1個SMBUS端口，40個I/O引腳，具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），4352字節(jié)的內(nèi)部RAM，128字節(jié)特殊功能寄存器等。C8051F340片上豐富的硬件資源，使其適宜應(yīng)用于智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用非侵入式結(jié)構(gòu)設(shè)計，該控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作方式為磁感應(yīng)操作，在就地狀態(tài)下，可以通過操作面板按鈕或手持式紅外遙控器控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開、關(guān)、停操作及參數(shù)設(shè)置、瀏覽等操作，在遠(yuǎn)程狀態(tài)下，可通過開關(guān)量信號或4～20mA電流信號實現(xiàn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開、關(guān)、停等操作，具有強(qiáng)大的故障自診斷功能和故障報警功能，并記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。智能型控制系統(tǒng)由電源模塊、功率驅(qū)動模塊、人機(jī)界面模塊、行程檢測模塊、開關(guān)量信號輸入輸出模塊、模擬量信號輸入輸出模塊組成，采用C8051F340作為主控制芯片，通過對各硬件模塊的輸入輸出操作，實現(xiàn)對閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各項控制功能，其系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖1所示。

3.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件電路由電源板、主控板、操作面板三部分組成，主控板與操作面板通過UART口串行通信，實現(xiàn)人機(jī)對話，主控板接收外部指令控制功率驅(qū)動模塊，操作電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉，并及時輸出開關(guān)量反饋信號或模擬量反饋信號。

3.1 電源模塊

電源板為主控板提供兩路直流電壓信號，一路為+24V(1±1%)，一路為+5V(1±1%)，+24V電壓信號作為6路開關(guān)量和模擬量輸入輸出信號及功率驅(qū)動模塊電路電源，+5V電壓信號作為主控板C8051F340單片機(jī)及其他相關(guān)硬件電路電源，如下圖所示，圖2為電源板+24V電壓輸出電路，圖3為電源板+5V電壓輸出電路。

3.2 功率驅(qū)動硬件電路

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

圖2 +24V電源輸出電路

圖3 +5V電源輸出電路

圖4 功率驅(qū)動信號控制電路

圖5 編碼器硬件電路

圖6 模擬量反饋信號輸出電路

圖7 開關(guān)量信號輸入電路

圖8 主程序流程框圖

如上圖4所示，功率驅(qū)動信號控制電路實現(xiàn)硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號同時有效導(dǎo)致控制回路紊亂，利用C8051F340單片機(jī)三路IO口作為功率驅(qū)動電路觸發(fā)信號，一路IO口作為觸發(fā)信號輸出端電源控制信號，另兩路作為觸發(fā)控制信號，進(jìn)一步提高了觸發(fā)信號可靠性，IO口配置為推挽方式，低電平有效。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)現(xiàn)場使用過程中，由于現(xiàn)場運(yùn)行的其他設(shè)備，包括各種儀表、傳感器及變頻器，會由于各種原因引入信號干擾以及各種危險的強(qiáng)電壓信號，為了保證電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的安全性與可靠性，采用光耦TLP521-4對觸發(fā)信號進(jìn)行信號隔離，避免觸發(fā)信號干擾，保證電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 行程檢測硬件電路

行程檢測電路采用無接觸式磁旋轉(zhuǎn)編碼器，可以準(zhǔn)確測量整個3600范圍內(nèi)的角度，其分辨率可以達(dá)到0.08790。編碼器通過輸入齒輪，與閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程傳動部件嚙合，使之具有高精度位置檢測功能。編碼器具有內(nèi)部穩(wěn)壓器，在主控板+3.3V電源電壓下工作，主控板通過串口操作，以串行比特流的形式讀出行程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)閥位數(shù)據(jù)的讀取。

3.4 模擬量信號硬件電路

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)4-20mA模擬量輸出信號采用C8051F340單片機(jī)的PWM輸出功能，C8051F340具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），在智能型控制系統(tǒng)里將PCA配置為16位脈寬調(diào)制器方式，在該方式下，16位捕捉/比較模塊定義PWM信號低電平時間的PCA時鐘數(shù)，配置PCA相關(guān)寄存器，可以輸出占空比可變的PWM波。如下圖6所示，PWM輸出電路采用光耦N101進(jìn)行信號隔離，在不影響光耦N101開關(guān)速率的條件下，PWM波頻率設(shè)置為200Hz。智能型控制系統(tǒng)采集行程檢測信號，計算當(dāng)前閥位值，然后輸出不同頻率的PWM波，在光耦輸出端，通過RC積分電路將PWM波轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過恒流源硬件電路，輸出4-20mA電流信號，實現(xiàn)閥位模擬量信號反饋功能。

3.5 開關(guān)量信號輸入硬件電路

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程狀態(tài)時，通過開關(guān)量信號輸入硬件電路，接收開、關(guān)、停指令信號，控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相關(guān)動作。為避免外部信號干擾，通過光耦N109、N110、N111進(jìn)行信號隔離，隔離后的開關(guān)量信號接入C8051F340單片機(jī)IO口，IO口配置為弱上拉、開漏方式，在軟件控制方式中采用“去抖”處理方式，能準(zhǔn)確、及時采集開關(guān)量輸入信號，有效避免誤操作，提高電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。為防止由于外部接線錯誤而導(dǎo)致硬件電路損壞，在圖7硬件電路中，采用二極管VD111，有效避免接線錯誤帶來的影響。

4.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下，主程序通過調(diào)用就地運(yùn)行、遠(yuǎn)程運(yùn)行、故障診斷與報警、參數(shù)設(shè)置、開關(guān)量信號輸入輸出、模擬量信號輸入輸出、人機(jī)界面顯示程序、數(shù)據(jù)處理等子程序，完成對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各項操作功能。主程序判斷操作面板切換旋鈕狀態(tài)，確定電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于就地或者遠(yuǎn)程等工作狀態(tài)，在就地或遠(yuǎn)程狀態(tài)下，主程序調(diào)用鍵盤掃描、遠(yuǎn)程開關(guān)量信號輸入掃描子函數(shù)，判斷電機(jī)運(yùn)行操作指令是否動作，根據(jù)指令完成相應(yīng)動作，通過調(diào)用故障診斷子函數(shù)，判斷故障原因并報警，同時，若該故障影響電機(jī)運(yùn)行，則當(dāng)故障產(chǎn)生時，則電機(jī)不能運(yùn)行操作，若電機(jī)正處于運(yùn)行狀態(tài)，則立即觸發(fā)電機(jī)停止指令，使電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，若故障信號消除，則自動解除電機(jī)禁止操作狀態(tài)。主函數(shù)調(diào)用行程檢測子函數(shù)，計算當(dāng)前閥位，通過人機(jī)界面實時顯示閥位值，并調(diào)用模擬量反饋信號子函數(shù)，將當(dāng)前閥位值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)4-20mA電流信號，主程序增加了信號標(biāo)定子函數(shù)，通過4-20mA信號標(biāo)定，模擬量反饋信號誤差不超過1%。智能型控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，滿足了智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項性能指標(biāo)。智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主程序流程框圖如圖8所示。

5.運(yùn)行效果

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)通過合理設(shè)計，運(yùn)行可靠性大大提升，通過了EMC電磁兼容實驗二級實驗要求，在基本性能試驗中，行程重復(fù)偏差小于0.70，行程定位精確，控制精度高，控制系統(tǒng)通過采用人機(jī)交互界面和紅外遙控功能，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場安裝運(yùn)行過程中，調(diào)試簡單方便，故障率低，維修方便，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計要求。

6.結(jié)語

智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用C8051F340單片機(jī)的強(qiáng)大外設(shè)功能，通過硬件、軟件相結(jié)合，完善了智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項性能指標(biāo)，而且降低了系統(tǒng)設(shè)計的硬件成本，同時，智能型控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境情況，為滿足EMC電磁抗干擾要求，采取了完善的抗干擾措施，使智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)適用于各種工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的智能化、高可靠性的要求，值得在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上應(yīng)用和推廣。

[1]潘琢金.C8051F340全速USB FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[M].2006.

[2]馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

國家自然科學(xué)基金（60874075）；江蘇省教育廳自然科學(xué)基金（07KJB520139）。

朱樂堯（1962—），江蘇揚(yáng)州人，高級工程師，現(xiàn)供職于揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠，從事電站自動化設(shè)備研究。