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单片机技术在阀门电动执行机构中的逐步应用和发展
2018-10-17 08:13 中国泵阀制造网 作者:佚名 点击:4252
【中国泵阀制造网 行业论文】阀门电动执行机构在工业控制过程中一般用来驱动阀门,是将电能转化为机械位移的机电一体化设备,它以电能为动力接收来自控制系统的控制信号(开关量、模拟量和总线信号),驱动阀门打开’关闭或者运行到某一位置,可以用于工业现场的各种阀门(调节阀、闸阀、球阀、截止阀等)的开’关和定位控制,广泛应用于火电、化工、钢铁和环保等行业。

邵 杰

(常州电站辅机股份有限公司,江苏 常州213000)

摘 要:近二十年来,随着电气控制和微处理器技术的不断发展,阀门电动执行机构的电气控制技术进入了快速发展阶段,由原来以机械部件和简单电气元件为主的普通型电动执行机构,向应用了单片机技术的非侵入式电气控制系统为主导地位的智能型电动执行机构发展,并逐步发展形成智慧型电动执行机构。在这个转变过程中,单片机技术的应用起到了关键性的作用。文章着重介绍了二十年来阀门电动执行机构控制系统的研发过程中,单片机技术的逐步应用’迅速发展和未来方向。

关键词:单片机;阀门电动执行机构;应用;发展方向

引言

阀门电动执行机构在工业控制过程中一般用来驱动阀门,是将电能转化为机械位移的机电一体化设备,它以电能为动力接收来自控制系统的控制信号(开关量、模拟量和总线信号),驱动阀门打开’关闭或者运行到某一位置,可以用于工业现场的各种阀门(调节阀闸阀球阀截止阀等)的开’关和定位控制,广泛应用于火电、化工、钢铁和环保等行业。

单片机(Micro Control Unit MCU),是一种将中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、输入输出口I/0等硬件集成在一块芯片上的可编程器件。通过相应的软件编程后,能完成原来用非常复杂的模拟、数字电路才能实现的功能。

上世纪90年代之前,阀门电动执行机构以机械部件为主,后来随着电气控制技术的发展,尤其是单片机技术在执行机构中的应用越来越多,执行机构逐步发展成具备非侵入式设计的智能型,并最终向具备更强功能的智慧型发展。单片机技术的应用,在执行机构产品的升级换代中,起着不可或缺的作用。

单片机技术在阀门电动执行机构中的应用,可以把它分为以下3个阶段:

早期应用阶段:20世纪90年代,随着单片机技术的不断发展、普及和应用,微处理器技术开始应用于工业自动化产品生产过程中。在设计自动化仪表时,研发人员打破原有的设计思维,由传统模拟电子线路设计转向以单片机为核心的控制器的设计,从而简化了电路、提高了仪表可靠性和稳定性、降低了成本、加快了产品的更新换代速度,解决了许多传统仪表存在的问题。其中,调节型阀门电动执行机构就是这个阶段的典型代表。

高速发展阶段:从90年代后期到2010年,随着SOCCSystem On Chip)平台的出现,MCU技术迅速发展,运行速度更快、集成度更高的增强型8位单片机层出不穷,为执行机构的技术革命奠定了坚实的基础,使执行机构在电气控制系统方而有重大突破。在国外领先企业的引领下,出现了一些具有液晶显示、红外遥控、绝对编码和现场总线等多种最新控制技术的非侵入式智能型产品。

全而创新阶段:2010年以后,随着智能传感器技术、物联网技术和CPU技术的进一步发展,出现了而向单片机市场的32位ARM处理器,如CM3。此时,阀门电动执行机构已经进入向智慧型发展的全而创新阶段,智能感知、智慧决策、大数据、物联网、云技术已经成为主要发展方向。智慧型阀门电动执行机构已经逐步成为执行机构行业的未来发展方向。

1 阀门电动执行机构的构成

阀门电动执行机构总体上来说,由3个部分构成,分别为:

电动机:如图1中部分11所示。将电能转化为机械位移,为执行机构提供动力。

机械传动部分:如图1中部分1,2,3,5,6,7,8,9,10所示。通过减速传动,将电机转动产生的高转速低扭矩,转化为执行机构输出的低转速高扭矩,并通过机械接口和阀门连接来驱动阀门开关运行。

电气控制系统:如图1中部分4所示。控制系统是执行机构的核心部分,通过接收现场和远程的运行指令,根据采集的执行机构的自身状态,通过逻辑运算后,驱动电机并将执行机构状态信号输出。

单片机 阀门 电动执行机构 调节阀 闸阀 球阀 截止阀

图1 阀门电动执行机构构成示意图

2 单片机技术在执行机构中的早期应用阶段

早期的阀门电动执行机构控制原理比较简单,主要通过机械式的行程控制器和力矩控制器来实现阀门的开关限位控制和过扭矩保护,通过控制箱来实现开、关运行控制。根据控制方式不同可以将其分为开关型和调节型两种。开关型主要接收控制系统的开关量信号,一般情况下运行在全开和全关位置;调节型主要接收控制系统的模拟量信号,可以根据模拟量连续定位,驱动阀门到任意位置。

调节型电动执行机构本质上来说属于DDZ-III型仪表,采用4}20mA的模拟量来控制阀门开度,根据模拟量信号连续定位。传统的设计方法是采用伺服放大器,将控制系统给出的模拟量信号和执行机构本身的阀位信号进行运算比较,当两者差值大于死区时,控制电机驱动执行机构向减小差值的方向运行。然而伺服放大器多为模拟电路,存在调试困难、零漂、温漂和抗干扰能力差等固有缺陷,此外,元器件多,体积大,成本高,故障点多,需要有更好的方案来解决。

当时单片机技术还没有广泛的应用,选型的范围也很窄,主要有Intel的8031,8051系列;摩托罗拉的6800系列;microchil)的PIC系列;Atmel的AT89C52,AT89C2051等。其中由于AT89C2051,具有内置EEPROM,易编程调试,资料较多,成本低,I/0端口的数量能满足初期的调节型控制系统的设计要求,所以选用它和一些外围器件构成了调节型电动执行机构的控制系统。控制系统主要由:AT89C2051、线性电源、AD转换芯片TLC0834、复位芯片IMP813L和双路阀位变送器BS-2等组成,硬件系统框图,如图2所示。

软件当时只能通过汇编语言编写,编程和修改难度都比较大。由ASM51编译生成HEX文件后,通过专用编程器烧写。图3为采用AT89C2051的软件流程图和汇编语言程序片段。

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图2 AT89C2051硬件系统框图

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图3 软件流程图及程序片段

虽然单片机技术的早期应用,现在看起来过于原始和简单,但是当时执行机构设计者改变了原来的设计思维和框架,由传统的模拟电子线路设计向以单片机为核心、加独立外设芯片的控制器的设计转变。因为其是早期产品,存在程序存储器容量小、没有片内非易失性数据存储器、指令和时序复杂、没有集成外设、I/0端口较少,抗干扰能力较差等问题,这些都增加了设计人员的困难。

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(来源:中国泵阀第一网)

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