智能阀门控制器的嵌入式设计与开发

薛桂娥

embedded design and development of intelligent valve controller

摘要：近年来阀门电动装置逐渐取代机械执行机构,成为一个不可或缺的执行单元在工业控制系统中.本文首先对阀门电动装置的研究的现状及趋势做了详细的介绍，结合一些功能要求对智能电动执行机构进行研究，对执行器的各个部分进行了设计和开发。该系统低功耗、耐高温、能长时间稳定运行在高温和恶劣的井下环境。

关键词：电动阀门；执行机构；智能；井下环境

Abstract:Valve electric device in recent years gradually replace mechanical actuators, become a indispensable execution units in the industrial control system. This paper firstly studies the status quo and trend of valve electric device is introduced in detail, combined with some functional requirement of intelligent electric actuator is studied, various parts of the actuator for the design and development. Low power consumption, high temperature resistant, the system can run stably for a long time at high temperatures and harsh downhole environment.

keywords:electric valves; Enforcement agencies; Intelligent; The underground environment

引言

阀是石油、化工、各种低温工程、海洋等国民经济各部门不可缺少的控制设备,在发电厂、污水处理、石油和其他工业现场,很多阀门被广泛的应用如：截止阀,闸阀,蝶阀等。控制阀门电动装置,有时被称为阀驱动控制器和阀电动执行机构等等,电动执行机构与传统的机械传动装置相比，具有反应速度快、效率高、良好的调速性能，它作为一种重要的设备控制和驱动阀。远程控制、自动控制、集中控制要想应用在阀的控制上,阀电动执行机构是必不可少的。

近年来,在智能仪器仪表的领域重点发展的技术是数据通信、智能现场设备和开放系统。电动执行机构的实用阶段是控制系统的双向、全数字化、多站通信的发展、现场总线等。智能电动执行机构在近年来发展迅速。然而,我们对国内外的产品进行分析,我们国内的电动执行机构产品存在很多问题,控制精度较低、结构不合理、稳定性差等等,使得产品跟不上社会的步伐。国外的产品虽好，但是价格就非常的贵，售后的服务也不是很好。所以开发一套符合我们使用习惯的新型智能电动阀门执行机构的产品是十分有意义的。

1.总体设计方案

智能电动执行机构是集机、电、仪为一体的机电一体化系统,系统较为复杂,设计必须首先,根据系统的特点要求完成總体设计,总体设计原则是“简单实用,操作方便,安全可靠,先进技术”,这一主题的原则的优点在国内外同类产品的基础上争取一个突破和创新,智能电动执行机构的设计工作原理框图如图1所示。

图1 工作原理图阀门电动执行机构

智能电动执行机构是一个常规的仪器，它具有控制、检测等功能，系统由控制、通信、显示、保护等构成、我们把它分为两个部分：执行部分和控制部分；执行部分主要是电动机、传感器、各种部分等组成。控制部分主要由PLC、马达、接触器等组成；通过图1可以看出，智能阀门控制是闭环控制，控制电机的运行主要由反馈信号和设置信号，控制精度较高。

2.系统硬件设计

2.1 设计原则

（1）模块化的原则

模块化的设计，基本设计思想是系统自上向下设计，把系统分为各个子系统，分别进行设计。这样进行设计，方便检查缺陷和简化设计工作。模块化设计系统为未来设计带来极大的便利,良好的模块设计可以使系统变成各个模块的组合。

（2）标准化的原则

标准化包括两个方面：自定义标准和法定的标准，标准化的设计可以为今后的设计工作带来极大的便利。

（3）复用的原则

在硬件的设计中，尽量采用模块化的设计，在以后的设计中可以使用，尽量减少错误。一般来说，要更新一个系统，其实就是改变其核心硬件的设计，就可以更新产品。系统的前期采用模块化的设计，可以使产品的后续开发节省时间和成本。

2.2 电机的驱动设计

交流接触器的使用有很多优点，如寿命长、宽电压等。采用LC1-D18施耐德公司的产品用于电机控制

其控制原理图如图2所示:正转,正转按钮SBF关闭接触器KMF 电动关闭,然后电动机M正转;同理,逆转,SBR反向按钮关闭,换向接触器KMR电动关闭,

所以电机M反转。为了防止KMF和KMR导通的同时,在电源电路、串联电路中KMR KMF联锁控制。

图 2可逆交流接触器控制原理图

2.3 微控制器与PLC之间的通信

我们使用得PLC提供了RS485接口与外部设备通信,因此可以使用RS485通信方式完成单片机与PLC之间的通信。

ˎ̥ATmega128A自带的接口用于同步异步串行通信,由于单片机的输出是TTL电平，所以要进行转化，应用MAX485芯片进行转换，如图3所示。

图3 PLC与微控制器之间的通信原理图

3.系统抗干扰设计

有三种干扰主要进入信号产生干扰，电磁感应、电源线、传输通道。一般来说，通过电磁感应强度的干扰信号的电路系统远远少于其他两路对电路的干扰, 对电磁感应使用良好的接地和屏蔽，师徒切断从电源线和信道的干扰。

3.1印制电路板的抗干扰措施

在实践中,原理图设计正确，但是电路板设计不好也会降低电子产品的可靠性。例如,如果PCB接地阻抗较高,公共阻抗耦合干扰在组件之间形成,如果两线平行于PCB附近,会形成信号延迟,形成反射噪声在输电线路终端,因此,我们设计电路板的时候要将不利的影响降低到最小，使一些干扰得到抑制

本文设计的智能电动执行机构控制系统,主要抗干扰措施:

(1)选择低功耗、小电流的组件,从而降低了板线的电磁干扰和产生的热量；

(2)在焊接元件的过程当中，找有经验的人指导，避免在焊接的过程当中对元器件造成损坏；

(3)单独的数字模拟地面和单独电源端地。为了防止地面所引起的电流变化的不稳定,导致电子设备对信号电平和噪声性能不能很好的滤除,我们选择线宽度大于3毫米;

(4)使用粗短的电源线和接地线,并尽量使它们靠近,其走向和信号传输方向相同；

(5)原件表面和焊接表面印刷电路板组件引线应垂直,为了减少寄生电容。

3.2接地技术

在智能电动执行控制系统中接地是一个重要的问题，接地的问题处理是否合理，将影响系统的安全运行。主要包括两个方面：（1）接地位置，防止部分串扰控制系统;(2)地面刚性,使接地点良好接地,以防止接地线下降。

地线种类很多,大致有以下几种：

(1)数字地,也被称为逻辑。它是一个微型控制系统在数字电路的零电位;

(2)模拟地，模拟电路的一部分,它是潜在的放大器,采样/保持器和A / D转换,输入信号是零电位;

(3)信号接地,传感器的零点;

(4)功率地,指的是大电流驱动点的零电位,也被称为负载;

3.3去耦电容的配置

在数字电路当中，电路状态的转换，可以产生一个峰值电流对电路进行干扰。直流电源负载的变化也会产品干扰。想去除干扰解决的办法就添加去耦电容，在绘制电路板的时候添加去耦电容。具体方法是：

(1)电源输入端接10 - 100uf(包括电解电容器);

(2)配置了0.01 uF陶瓷电容器在每个集成电路的芯片旁;

(3)对ROM、RAM、存储设备和抗噪声能力弱,切断电流变化大时,电源线和芯片之间直接地线和直接接入去耦电容器；

3.4采用光电隔离技术

控制单元直接和输入输出通道连接，干扰信号比较容易管理不论是数字信号还是模拟信号。通过隔离消除干扰，光电耦合器可以有效地消除脉冲噪声和干扰,只有接触系统信号测量和控制系统,但不是电接触,以便输入和输出通道信噪比大大提高了。这是因为:

（1）光电耦合器的输入阻抗和源内阻相比很小，干扰源于高内部输入阻抗串联。当有干扰的时候，输入阻抗的分压小。对光电耦合器的干扰很小。光敏三极管工作在一定的工作光强度。电压值很高，也不能使二极管发亮。被抑制，有用的信号通过光电耦合器；

（2）分布电容和绝缘电阻很大，输入电路的干擾很难通过光电耦合器。因此，有用的信息通过，有效的抑制干扰信号；

（3）光电耦合器工作在密封的环境，外界很难干扰；

3.5 电磁兼容性的问题

电磁兼容是一种能力,它可以工作在电磁环境,没有干扰的环境。所以电磁兼容产品必须具备两个条件1.系统具有较强的抗干扰能力；2.系统本身不能成为干扰源；设计的电路注意下面几点：

（1）消除不均匀地面电位;参考潜在的硬件电路,理想情况下,电路板上的每个潜在点电位是相同的,但事实上并非如此。消除措施包括增加大地面积和降低接地系统的负载电容组件,降低PCB布线的电源和接地电感器,选用接地引线和电源插脚距离短形式的封装等。

（2）接地散热器；它有冷却效果,屏蔽效果,解耦效果；

（3）时钟源的电源滤波方法,必须放置在处理器时钟振荡器的附近,并且尽可能接近处理器时钟输入插脚。

4.结论

经过不断对智能电动执行机构进行研究,通过不断学习和创新,大量的调查和研究工作。初步完成智能阀门控制器的设计,最终目标应用智能阀门控制器在工业的领域。发展过程必然接受检验在实践中,不断发现不足之处,提出了新的要求,逐步向工业化的道路前进;

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