摘　要：介紹了一種閥門(mén)電動(dòng)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(dòng)單元，完成了一個(gè)集自動(dòng)控制、手動(dòng)調節、狀態(tài)檢測等功能于一體的智能系統。該系統適用于各類(lèi)工業(yè)控制閥。

　　關(guān)鍵詞：閥門(mén)電動(dòng)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

　�。‥lectrical & 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 motor�瞕rive 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

　　引言

　　水、汽、油等流體與工業(yè)發(fā)展有著(zhù)密切聯(lián)系，而流體在工業(yè)上的應用離不開(kāi)管網(wǎng)系統，有管網(wǎng)必然有閥門(mén)。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，傳統的手工機械調節方式在許多場(chǎng)合已不再適用。要實(shí)現管網(wǎng)系統的工業(yè)自動(dòng)化管理，更是離不開(kāi)電動(dòng)閥門(mén)這個(gè)管網(wǎng)系統中的執行機構。在某些應用場(chǎng)合，對閥門(mén)的控制不僅僅是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，還涉及到開(kāi)度控制以及流量等各種關(guān) 系控制，這對閥門(mén)電動(dòng)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(mén)控制系統實(shí)現了閥門(mén)執行機構控制的智能化。��

　　1、系統工作原理和功能

　　閥門(mén)的控制量為閥門(mén)開(kāi)度，在應用場(chǎng)合往往會(huì )根據實(shí)際需要將閥門(mén)開(kāi)或關(guān)，或者開(kāi)到一定程度，甚至動(dòng)態(tài)的以某種規律開(kāi)關(guān)。在傳統的模擬控制方式中用時(shí)間、電流的大小來(lái)表示閥門(mén)的開(kāi)啟角度。由于影響時(shí)間、電流（電壓）等參數的因素很多，因此顯示的開(kāi)啟角度與閥門(mén)的實(shí)際位置不易達到同步，經(jīng)常出現明顯的誤差［3］。同時(shí)，簡(jiǎn)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(lái)控制電動(dòng)執行機構運行。

　　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，接收統一的標準直流信號（如4～20 mA的電流信號），經(jīng)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(chǎn)生的控制信號驅動(dòng)交流電機。此外，系統帶通訊功能，可以接收上位機的指令，進(jìn)行遠程數字控制。同時(shí)也可以在智能控制器本地的人機界面上通過(guò)菜單和按鈕實(shí)現現場(chǎng)手動(dòng)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(hù)設定的流量特性曲線(xiàn)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(shí)可使執行機構或開(kāi)、或關(guān)、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(lèi)別；

　�。�5）RS485遠程通訊功能，通過(guò)通訊協(xié)議在上位機進(jìn)行編程組態(tài)，對過(guò)程量、開(kāi)關(guān)量作數據或圖形處理。

　�。�6）閥門(mén)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(shù)實(shí)現。SR12具有速度快、功能強和價(jià)格低等特點(diǎn)。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(jìn)行閥門(mén)位置信號及輸入控制信號的采集，利用PWM輸出經(jīng)過(guò)濾波后的位置信號，利用I2C總線(xiàn)與外部存儲器AT24C08進(jìn)行通訊存儲設置值，利用SCI接口通過(guò)M AX485與上位機進(jìn)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(mén)位置反饋的模擬信號進(jìn)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(gè)通道有獨立的計數器，可選擇PWM輸入時(shí)鐘以產(chǎn)生各種PWM 頻率，并有自動(dòng)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(shí)選擇I/O口PTB6作為繼電器開(kāi)關(guān)量輸出的控制信號。��

　　2.3輸入輸出隔離系統在工業(yè)現場(chǎng)使用時(shí)，涉及到各種儀表、傳感器及執行機構，會(huì )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(jìn)行隔離

　　2.4通訊部分為了完成工業(yè)現場(chǎng)遠程控制和組網(wǎng)的需要，系統支持 RS485通訊方式。電平轉換芯片采用MAX485.實(shí)際工作時(shí)，可以與上位機進(jìn)行遠程通訊，進(jìn)行運行方式設定并監控運行狀態(tài)。

　　2.5電機驅動(dòng)部分電機的驅動(dòng)采用電力電子開(kāi)關(guān)雙向可控硅BTA16.雙向可控硅具有開(kāi)關(guān)速度快、壽命長(cháng)、無(wú)火花和拉弧現象等特點(diǎn)［2］，保證執行機構在高溫條件下的長(cháng)期可靠運行，同時(shí)有助于對電機的保護。主電路與CPU之間采用光耦MOC302X驅動(dòng)，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(dòng)。在實(shí)際工作時(shí)RC吸收回路的實(shí)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(shí)，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(dòng)調試、故障處理、A /D轉換和數據處理、手動(dòng)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(guò)程中，判斷各種故障狀態(tài)，發(fā)現故障，立即報警顯示，同時(shí)輸出一組繼電器開(kāi)關(guān)量信號給用戶(hù)，并切斷電機電源。

　　系統采用4個(gè)鍵復用的方法實(shí)現對系統的控制及參數設定。4個(gè)鍵的定義分別為F（Function）、U（Up）、D（Dowm）、S（Shift）。F為功能鍵，按此鍵進(jìn)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(jìn)行參數選擇，在手動(dòng)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(diǎn)，配合U、D鍵，可以很方便的實(shí)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(fā)生，同時(shí)可選直接比例控制和比例+步進(jìn)控制等控制方式，使系統能適用不同類(lèi)型的電機。

　　系統的軟件設計使得可隨時(shí)調整閥門(mén)兩端位置，只要調整好限位開(kāi)關(guān)后作一次自整定（F、S鍵同時(shí)按下10 s）即可，極大地方便了用戶(hù)。系統還提供RS485通訊協(xié)議，用戶(hù)可以通過(guò)上 位機編程控制閥門(mén)，使閥門(mén)聯(lián)網(wǎng)通訊及計算機控制更加方便。

　　4、結束語(yǔ)

　　該系統的各個(gè)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(wú)需改動(dòng)原機械機構，這不僅方便了現有執行機構的生產(chǎn)，也有利于原有舊設備的改造。同時(shí)，系統的硬件設計充分考慮了工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)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(yè)現場(chǎng)的環(huán)境。

　　該系統已實(shí)際投產(chǎn)，目前在各種工業(yè)環(huán)境下運行良好。