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：介绍了一种閥門电动执行机构的智能控制器。该控制器采用MOTOROLA公司的8位微处理器作为控制单元，用电力电子器件作为电机驱动单元，完成了一个集自动控制、手动调节、状态检测等功能于一体的智能系统。该系统适用于各类工 业控制阀。
关键词：閥門电动执行机构；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、油等流体与工业发展有着密切联系，而流体在工业上的应用离不开管网系统，有管网必然有閥門。随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节方式在许多场合已不再适用。要实现管网系统的工业自动化管理，更是离不开电动閥門这个管网系统中的执行机构。在某些应用场合，对閥門的控制不仅仅是简单的开关控制，还涉及到开度控制以及流量等各种关 系控制，这对閥門电动执行机构控制器的智能性提出了更高的要求。文中应用微处理器设计了一种閥門控制系统实现了閥門执行机构控制的智能化。
1系統工作原理和功能
閥門的控制量为閥門开度，在应用场合往往会根据实际需要将閥門开或关，或者开到一定程度，甚至动态的以某种规律开关。在传统的模拟控制方式中用时间、电流的大小来表示閥門的开启角度。由于影响时间、电流（电压）等参数的因素很多，因此顯示的开启角度与閥門的实际位置不易达到同步，经常出现明显的误差［3］。同时，简单的模拟量控制提供的信息极为有限，不利于系统的调试和检修。笔者设计的智能型控制系统采用数字化的方法来控制电动执行机构运行。其智能控制器系统构成如图1所示。
采用MOTOROLA公司单片微处理器和外围芯片组成智能化的位置控制单元，接收统一的标准直流信号（如4～20 mA的电流信号），经信号处理及A/D转换送至微处理器，微处理机将处理后的数据送至顯示单元顯示调节结果，运算处理后产生的控制信号驱动交流电机。此外，系统带通讯功能，可以接收上位机的指令，进行远程数字控制。同时也可以在智能控制器本地的人机界面上通过菜单和按钮实现现场手动控制。
主要功能描述：
（1）一体化结构设计，直接接收4～20 mA/4～12 mA/12～20 mA/0～5 V/1～5 V等控制信号，输出隔离的4～20mA阀位反馈信号；
（2）具有仿真運行功能，並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）数字顯示，顯示控制信号值、阀位值、故障类别；
（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，输入输出模拟信号自校准。
2系統硬件組成
智能控制器根据智能化、可靠性高、抗干扰能力强、成本低等原则，控制核心采用8位微处理器MC68HC908SR12（SR12），电机控制的主电路采用电力电子技术实现。SR12具有速度快、功能强和价格低等特点。其最高工作频率可达8 MHz，有512字节的片内RAM、12K字节的片内FLASH存储器，14路10位A/D，及SCI、I2C、SPI等通讯接口［1，4］。
系统应用SR12内部的A/D进行閥門位置信号及输入控制信号的采集，利用PWM输出经过滤波后的位置信号，利用I2C总线与外部存储器AT24C08进行通讯存储设置值，利用SCI接口通过M AX485与上位机进行数据交换，充分利用了该芯片的内部资源，节约了成本。
2.1信號輸入部分
利用SR12内部A/D转换，将输入的模拟信号和閥門位置反馈的模拟信号进行量化。采用REF02作为A/D的基准电压，其溫度漂移系数为3PPM/℃。
2.2信號輸出部分
SR12有3通道8位高速PWM，每个通道有独立的计数器，可选择PWM输入时钟以产生各种PWM 频率，并有自动相位控制。利用其中一路PWM作为模拟量输出信号，其余两路作为电 机控制信号。同时选择I/O口PTB6作为继电器开关量输出的控制信号。
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幹擾以及各種危險的強電壓信號。爲了保證系統的安全，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
为了完成工业现场远程控制和组网的需要，系统支持 RS485通讯方式。电平转换芯片采用MAX485。实际工作时，可以与上位机进行远程通讯，进行运行方式设定并监控运行状态。
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矽BTA16。雙向可控矽具有開關速度快、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爲電機負載。
在设计中，MOC3020的二极管前向电流为15 mA,MOC3021和MOC3023分别为8 mA和3 mA，所以可以由MC68HC908SR12的I/O口采用灌电流方式直接驱动。在实际工作时RC吸收回路的实际参数需要根据电机参数（ZL）的不同确定。
需要注意的是，MOC302X的耐压是400 V，如果电机需要工作在380 V下或者电机的反电势比较大时，要选用MOC308X系列。
3軟件設計
控制器的软件主要是由主程序、人机界面处理程序及自动调试、故障处理、A /D转换和数据处理、手动操作故障处理等子程序组成。主程序流程如图4所示。
在执行过程中，判断各种故障状态，发现故障，立即报警顯示，同时输出一组继电器开关量信号给用户，并切断电机电源。
系统采用4个键复用的方法实现对系统的控制及参数设定。4个键的定义分别为F（Function)、U（Up)、D（Dowm)、S（Shift)。F为功能键，按此键进入设置菜单，多次按F键后可退出 菜单。U、D键分别代表增加和减小当前数值或进行参数选择，在手动操作中代表向上或向下指令。S为切换键，可以改变当前输入焦点，配合U、D键，可以很方便的实现任意数字的输 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。
系统的软件设计使得可随时调整閥門两端位置，只要调整好限位开关后作一次自整定（F、S键同时按下10 s）即可，极大地方便了用户。系统还提供RS485通讯协议，用户可以通过上 位机编程控制閥門，使閥門联网通讯及计算机控制更加方便。
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産，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，采取了完善的抗幹擾措施和故障保護措施，使系統能適用于工業現場的環境。
該系統已實際投産，目前在各種工業環境下運行良好。