智能型閥門電動執行機構控制器的設計
祝榮榮，張士文，殳國華
（上海交通大學電工與電子技術中心，上海200240）
摘 要：介紹了一種閥門電動執行機構的智能控制器。該控制器采用MOTOROLA公司的8位微處理器作為控制單元，用電力電子器件作為電機驅動單元，完成了一個集自動控制、手動調節、狀態檢測等功能于一體的智能系統。該系統適用于各類工 業控制閥。
關鍵詞：閥門電動執行機構；智能控制器；MC68HC908SR12
The design of an intelligent controller for use with electric valveactuators
ZHU Rongrong,ZHANG Shiwen;SHU Guohua
(Electrical & ElectroNIc Techonlogy Center of Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)
Abstract：An intelligent controller is designe d for use with electric valveactuators.The controller uses the 8bit MCU as a control unit and the power electronics as a motordrive unit.The system is pro vided with the integrated function of automatic and manual control and can also detect the state of the valve.The system is applicable to many kinds of industri al valve.
Key words：electric valveactuator;intelligent controller;MC68H C908SR12
0引言
水、汽、油等流體與工業發展有著密切聯系，而流體在工業上的應用離不開管網系統，有管網必然有閥門。隨著工業自動化的發展，傳統的手工機械調節方式在許多場合已不再適用。要實現管網系統的工業自動化管理，更是離不開電動閥門這個管網系統中的執行機構。在某些應用場合，對閥門的控制不僅僅是簡單的開關控制，還涉及到開度控制以及流量等各種關 系控制，這對閥門電動執行機構控制器的智能性提出了更高的要求。文中應用微處理器設計了一種閥門控制系統實現了閥門執行機構控制的智能化。
1系統工作原理和功能
閥門的控制量為閥門開度，在應用場合往往會根據實際需要將閥門開或關，或者開到一定程度，甚至動態的以某種規律開關。在傳統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，經常出現明顯的誤差［3］。同時，簡單的模擬量控制提供的信息極為有限，不利于系統的調試和檢修。筆者設計的智能型控制系統采用數字化的方法來控制電動執行機構運行。其智能控制器系統構成如圖1所示。
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，接收統一的標準直流信號（如4～20 mA的電流信號），經信號處理及A/D轉換送至微處理器，微處理機將處理后的數據送至顯示單元顯示調節結果，運算處理后產生的控制信號驅動交流電機。此外，系統帶通訊功能，可以接收上位機的指令，進行遠程數字控制。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現場手動控制。
主要功能描述：
（1）一體化結構設計，直接接收4～20 mA/4～12 mA/12～20 mA/0～5 V/1～5 V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，并可根據用戶設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。斷路故障時可使執行機構或開、或關、或保特、或在0～100%之間預置的任意值；
（4）數字顯示，顯示控制信號值、閥位值、故障類別；
（5）RS485遠程通訊功能，通過通訊協議在上位機進行編程組態，對過程量、開關量作數據或圖形處理。
(6)閥門行程自整定，輸入輸出模擬信號自校準。
2系統硬件組成
智能控制器根據智能化、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實現。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8 MHz，有512字節的片內RAM、12K字節的片內FLASH存儲器，14路10位A/D，及SCI、I2C、SPI等通訊接口［1，4］。
系統應用SR12內部的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進行通訊存儲設置值，利用SCI接口通過M AX485與上位機進行數據交換，充分利用了該芯片的內部資源，節約了成本。
2.1信號輸入部分
利用SR12內部A/D轉換，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器，可選擇PWM輸入時鐘以產生各種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作為繼電器開關量輸出的控制信號。
2.3輸入輸出隔離
系統在工業現場使用時，涉及到各種儀表、傳感器及執行機構，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，如圖2所示。
圖2中，左側有CPU系統的數字地，右側有外部系統的地。同時，外部系統的電源與內部系統的電源完全隔離。
2.4通訊部分
為了完成工業現場遠程控制和組網的需要，系統支持 RS485通訊方式。電平轉換芯片采用MAX485。實際工作時，可以與上位機進行遠程通訊，進行運行方式設定并監控運行狀態。
2.5電機驅動部分
電機的驅動采用電力電子開關雙向可控硅BTA16。雙向可控硅具有開關速度快、壽命長、無火花和拉弧現象等特點［2］，保證執行機構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驅動，如圖3所示，圖中ZL為電機負載。
在設計中，MOC3020的二極管前向電流為15 mA,MOC3021和MOC3023分別為8 mA和3 mA，所以可以由MC68HC908SR12的I/O口采用灌電流方式直接驅動。在實際工作時RC吸收回路的實際參數需要根據電機參數（ZL）的不同確定。
需要注意的是，MOC302X的耐壓是400 V，如果電機需要工作在380 V下或者電機的反電勢比較大時，要選用MOC308X系列。
3軟件設計
控制器的軟件主要是由主程序、人機界面處理程序及自動調試、故障處理、A /D轉換和數據處理、手動操作故障處理等子程序組成。主程序流程如圖4所示。
在執行過程中，判斷各種故障狀態，發現故障，立即報警顯示，同時輸出一組繼電器開關量信號給用戶，并切斷電機電源。
系統采用4個鍵復用的方法實現對系統的控制及參數設定。4個鍵的定義分別為F（Function)、U（Up)、D（Dowm)、S（Shift)。F為功能鍵，按此鍵進入設置菜單，多次按F鍵后可退出 菜單。U、D鍵分別代表增加和減小當前數值或進行參數選擇，在手動操作中代表向上或向下指令。S為切換鍵，可以改變當前輸入焦點，配合U、D鍵，可以很方便的實現任意數字的輸 入。
在電機控制算法上采用PID調節，避免了超調、振蕩的發生，同時可選直接比例控制和比例+步進控制等控制方式，使系統能適用不同類型的電機。
系統的軟件設計使得可隨時調整閥門兩端位置，只要調整好限位開關后作一次自整定（F、S鍵同時按下10 s）即可，極大地方便了用戶。系統還提供RS485通訊協議，用戶可以通過上 位機編程控制閥門，使閥門聯網通訊及計算機控制更加方便。
4結束語
該系統的各個主要功能模塊集中在單片微處理器中，降低了系統的成本，提高了可靠性，減小了體積，可直接安裝于執行器內部而無需改動原機械機構，這不僅方便了現有執行機構的生產，也有利于原有舊設備的改造。同時，系統的硬件設計充分考慮了工業現場的環境情況，采取了完善的抗干擾措施和故障保護措施，使系統能適用于工業現場的環境。
該系統已實際投產，目前在各種工業環境下運行良好。