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單片機技術在閥門電動執行機構中的逐步應用和發展

    近二十年來,隨著電氣控制和微處理器技術的不斷發展,閥門電動執行機構的電氣控制技術進入了快速發展階段,由原來以機械部件和簡單電氣元件為主的普通型電動執行機構,向應用了單片機技術的非侵入式電氣控制系統為主導地位的智能型電動執行機構發展,并逐步發展形成智慧型電動執行機構。在這個轉變過程中,單片機技術的應用起到了關鍵性的作用。文章著重介紹了二十年來閥門電動執行機構控制系統的研發過程中,單片機技術的逐步應用、迅速發展和未來方向。

    閥門電動執行機構在工業控制過程中一般用來驅動閥門,是將電能轉化為機械位移的機電一體化設備,它以電能為動力接收來自控制系統的控制信號(開關量、模擬量和總線信號),驅動閥門打開、關閉或者運行到某一位置,可以用于工業現場的各種閥門(調節閥閘閥球閥截止閥等)的開、關和定位控制,廣泛應用于火電、化工、鋼鐵和環保等行業。 


  單片機(Micro Control Unit,MCU),是一種將中央處理器CPU、數據存儲器RAM、程序存儲器ROM、輸入輸出口I/O等硬件集成在一塊芯片上的可編程器件。通過相應的軟件編程后,能完成原來用非常復雜的模擬、數字電路才能實現的功能。 


  上世紀90年代之前,閥門電動執行機構以機械部件為主,后來隨著電氣控制技術的發展,尤其是單片機技術在執行機構中的應用越來越多,執行機構逐步發展成具備非侵入式設計的智能型,并最終向具備更強功能的智慧型發展。單片機技術的應用,在執行機構產品的升級換代中,起著不可或缺的作用。 
  單片機技術在閥門電動執行機構中的應用,可以把它分為以下3個階段: 


  早期應用階段:20世紀90年代,隨著單片機技術的不斷發展、普及和應用,微處理器技術開始應用于工業自動化產品生產過程中。在設計自動化儀表時,研發人員打破原有的設計思維,由傳統模擬電子線路設計轉向以單片機為核心的控制器的設計,從而簡化了電路、提高了儀表可靠性和穩定性、降低了成本、加快了產品的更新換代速度,解決了許多傳統儀表存在的問題。其中,調節型閥門電動執行機構就是這個階段的典型代表。 
  高速發展階段:從90年代后期到2010年,隨著SOC(System On Chip)平臺的出現,MCU技術迅速發展,運行速度更快、集成度更高的增強型8位單片機層出不窮,為執行機構的技術革命奠定了堅實的基礎,使執行機構在電氣控制系統方面有重大突破。在國外領先企業的引領下,出現了一些具有液晶顯示、紅外遙控、絕對編碼和現場總線等多種最新控制技術的非侵入式智能型產品。 


  全面創新階段:2010年以后,隨著智能傳感器技術、物聯網技術和CPU技術的進一步發展,出現了面向單片機市場的32位ARM處理器,如CM3。此時,閥門電動執行機構已經進入向智慧型發展的全面創新階段,智能感知、智慧決策、大數據、物聯網、云技術已經成為主要發展方向。智慧型閥門電動執行機構已經逐步成為執行機構行業的未來發展方向。 


  1 閥門電動執行機構的構成 


  閥門電動執行機構總體上來說,由3個部分構成,分別為: 


  電動機:如圖1中部分11所示。將電能轉化為機械位移,為執行機構提供動力。 


  機械傳動部分:如圖1中部分1、2、3、5、6、7、8、9、10所示。通過減速傳動,將電機轉動產生的高轉速低扭矩,轉化為執行機構輸出的低轉速高扭矩,并通過機械接口和閥門連接來驅動閥門開關運行。   電氣控制系統:如圖1中部分4所示。控制系統是執行機構的核心部分,通過接收現場和遠程的運行指令,根據采集的執行機構的自身狀態,通過邏輯運算后,驅動電機并將執行機構狀態信號輸出。 


  2 單片機技術在執行機構中的早期應用階段 


  早期的閥門電動執行機構控制原理比較簡單,主要通過機械式的行程控制器和力矩控制器來實現閥門的開關限位控制和過扭矩保護,通過控制箱來實現開、關運行控制。根據控制方式不同可以將其分為開關型和調節型兩種。開關型主要接收控制系統的開關量信號,一般情況下運行在全開和全關位置;調節型主要接收控制系統的模擬量信號,可以根據模擬量連續定位,驅動閥門到任意位置。

 
  調節型電動執行機構本質上來說屬于DDZ-III型儀表,采用4~20mA的模擬量來
控制閥門開度,根據模擬量信號連續定位。傳統的設計方法是采用伺服放大器,將控制系統給出的模擬量信號和執行機構本身的閥位信號進行運算比較,當兩者差值大于死區時,控制電機驅動執行機構向減小差值的方向運行。然而伺服放大器多為模擬電路,存在調試困難、零漂、溫漂和抗干擾能力差等固有缺陷,此外,元器件多,體積大,成本高,故障點多,需要有更好的方案來解決。 


  當時單片機技術還沒有廣泛的應用,選型的范圍也很窄,主要有Intel的8031、8051系列;摩托羅拉的6800系列;microchip的PIC系列;Atmel的AT89C52、AT89C2051等。其中由于AT89C2051,具有內置EEPROM,易編程調試,資料較多,成本低,I/O端口的數量能滿足初期的調節型控制系統的設計要求,所以選用它和一些外圍器件構成了調節型電動執行機構的控制系統。控制系統主要由:AT 89C2051、線性電源、AD轉換芯片TLC0834、復位芯片IMP813L和雙路閥位變送器BS-2等組成,硬件系統框圖,如圖2所示。 


  軟件當時只能通過匯編語言編寫,編程和修改難度都比較大。由ASM51編譯生成HEX文件后,通過專用編程器燒寫。圖3為采用AT89C2051的軟件流程圖和匯編語言程序片段。 


  雖然單片機技術的早期應用,現在看起來過于原始和簡單,但是當時執行機構設計者改變了原來的設計思維和框架,由傳統的模擬電子線路設計向以單片機為核心、加獨立外設芯片的控制器的設計轉變。因為其是早期產品,存在程序存儲器容量小、沒有片內非易失性數據存儲器、指令和時序復雜、沒有集成外設、I/O端口較少,抗干擾能力較差等問題,這些都增加了設計人員的困難。 


  3 應用的高速發展階段 


  到九十年代中期,8051系列單片機主要由Silicon Labs、Atmel、Philips等公司生產,在保持與8051單片機兼容的基礎上對其性能和功能進行了大幅提升。如:改進指令的時序特性提高運行速度、增加集成外設提高系統集成度、放寬電源電壓的動態范圍、增強抗干擾能力等方面。后來,Analog Devices、Silicon Labs和Atmel分別推出了ADUC812、C8051F和AVR系列混合信號單片機,提出了SOC(System On Chip)平臺的概念,擁有這類平臺的單片機也被稱為增強型8位MCU。此類MCU都具有高速流水線(RISC)指令結構,具有與8051兼容的內核,并且具有大量的I/O接口、多路獨立的內置A/D和D/A通道、非易失性數據存儲器EEPROM、內部R/C振蕩器等。將一個硬件系統功能集成于一個芯片上,給研發人員提供了極大的便利,也使得系統集成度更高。 


  與此同時,這個階段的閥門電動執行機構,在一些國外品牌的引領下,引入了很多最新的控制技術。如:非侵入式設計、免開箱調試、用絕對編碼式行程控制器取代機械式行程控制器、推拉式扭矩傳感器、無線遙控和現場總線等。執行機構進入了智能型非侵入式的應用階段。但是,這些控制技術在一定程度上對MCU的I/O數量,集成外設的種類、運行速度都提出了更高的要求,原來傳統的單片機無法滿足要求,而具有SOC概念的MCU顯然非常符合新的設計要求。 


  經過對比本文選用Silicon Labs公司的C8051F系列中的C8051F020和Atmel公司AVR系列中的ATmega64這兩款MCU,分別應用于本文提出的SND和SND3系列智能型閥門電動執行機構。兩款MCU都具有超過50個的I/O端口和多種模擬數字外設;均采用RSIC結構的精簡指令集和流水線技術使程序運行速度大大加快;都具有64K以上的FLASH和若干非易失性存儲器,能滿足程序存儲和數據存儲的要求。其中ATmega64還有低功耗和寬電壓的特性,可以提升系統的EMC性能。圖4為增強型8位MCU硬件系統框圖,由圖可見,一塊芯片就可以完成執行機構控制系統的設計,無需增加外設,簡化了硬件系統的設計,提高了可靠性。 


  軟件部分,都是通過C語言編寫。C8051F020通過Keil uVision2軟件編寫、編譯后,用Silicon專用編程器燒寫入單片機;ATmega64通過ICCAVR編寫、編譯后,用AVR Studio 4.0 通過專用編程器燒寫入單片機。圖5為ATmega64的軟件流程圖和部分C語言程序。 


  在閥門電動執行機構進入這一階段后,控制系統對現場總線的應用要求也越來越多,以Profibus-DP、Modbus-RTU、CANBUS等總線類型為主。在搭建SOC平臺的基礎上,這些現場總線只要通過UART端口、協議芯片和總線接口芯片就能方便的設計各種總線接口。例如Profibus-DP總線,只要通過DP總線協議芯片SPC3和RS485驅動芯片ADM2486,就可以實現總線從站硬件系統的構建。然后,根據相關資料編寫軟件程序就可以與現場總線網絡連接。

 
  然而在閥門電動執行機構高速發展階段到了后期,SOC平臺在低功耗(電池應用)、存儲空間、實時時鐘、網絡和通信(以太網接口)等功能方面,逐步顯現不足,需要開發新的更高性能的處理器來解決存在的問題。   

4 應用的全面創新階段 


  2010年以后,許多高端用戶對智能型執行機構提出了新的要求,如: 


  在沒有交流電源外部供電的情況下,要求執行機構能夠在液晶屏上顯示閥位。 


  要求執行機構具有數據記錄功能,便于系統快速進行數據分析和故障判斷。

 
  要求執行機構作為現場設備能采集閥門和管道的一些診斷數據和過程參數。

 
  執行機構內部要檢測溫度、電壓和振動等環境參數。 


  與此同時,互聯網、物聯網、云技術在工業產品中的應用越來越多,執行機構可以通過這些技術實現遠程控制和遠程數據采集分析等功能。 


  然而,執行機構設計行業也提出有關智慧型電動執行機構概念,內容包括: 


  深度感知:感知管道及閥門的工作狀態(振動、轉矩)。 


  智慧決策:能現場編程、通過記錄數據和故障診斷來決定執行機構的行為。 


  精確執行:高速運行、高精度定位、高精度的轉矩檢測技術。 


  簡易精致:執行機構結構更加趨于緊湊、小型化、性能更強、操控更加人性化。 


  鑒于行業和技術發展的背景,原來的控制系統在運行速度、存儲空間、功耗,和外設的種類等方面,已經很難滿足新的要求。因此,應用ARM平臺控制系統的智慧型閥門電動執行機構逐步發展形成。 


  智慧型閥門電動執行機構的電氣控制系統,采用基于ARM的32位處理器:CortexTM-M3 CPU(STM32F205/207)。其32位的指令系統具備32位的數據處理能力,相比于任何8位MCU來說,大大提高了控制系統的性能,包括提升運行速度、增強處理能力、增加存儲容量、加大可擴展性、大幅降低功耗等。 


  STM32F205/207微處理器具有高性能的ARM 32位的RISC內核,工作頻率最高達120MHz;內部含有高速存儲器(最高可達1MByte的閃存、128KByte的SRAM和4K備用SRAM);豐富的增強I/O端口,其具有聯接到兩條APB總線的外設、3條AHB總線和一個32位的multi-AHB總線矩陣、3個12位的ADC和2個DAC(用于執行機構的閥位設定和反饋)、1個低功耗的RTC(用于運行數據記錄)、12個通用的16位計時器(其中有2個用于電機控制的PWM定時器)、2個通用的32位計時器、1個真正的隨機數生成器RNG(用于生成序列號);新增加的高級外設包括1個SDIO和1個FSMC接口(用于擴展執行機構的存儲空間)、1個USB OTG接口(使執行機構的歷史記錄數據可以直接下載)、4個USART接口和2個UART接口(用于擴展各種現場總線);其他標準外設還包括:3個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口和2個CAN接口等等,資源非常豐富。此外,芯片還具有專門的電池引腳用于RTC供電,在STM32F207上還具有以太網和相機接口,與TCP/IP網絡連接,可以擴展物聯網、互聯網和云技術等功能。芯片的工作溫度范圍為-40°C至+105°C,能滿足絕大部分工業現場的要求;工作電壓范圍為2.0V至3.6V,最低功耗只有不到3uA,能大幅延長內置鋰電池的使用時間。 


  基于ARM的32位處理器在內核、指令系統、存儲器容量和可擴展性、外設的種類和數量、功耗、工作溫度范圍上都非常適合智慧型閥門電動執行機構工業現場設備的使用。圖6為基于ARM的硬件系統框圖。

 
  由圖6可見,在保留增強型8位MCU優點的基礎上,ARM處理器還為執行機構增加了很多新技術和新功能,如:低功耗電池應用技術、無線數據傳輸技術、傳感器集成技術、云技術和數據記錄存儲功能等。 


  在全新的應用階段,一些處于行業領先地位的進口品牌,如德國和英國的一些執行機構制造商在其新系列的電動執行機構中使用了一片或者多片STM32F系列的處理器,從而增加了許多新的功能,進一步提升了執行機構的性能,開創了智慧型閥門電動執行機構的概念。國內執行機構制造商也陸續推出相關產品,閥門電動執行機構將在32位ARM技術的帶領下,進入一個全新的階段。 


  5 結束語


  本文介紹了單片機技術在閥門電動執行機構中從無到有的逐步應用過程,從早期的初步應用階段,到后來的高速發展階段,及到現在的全面創新階段。在整個過程中,執行機構也經歷了從普通調節型、發展到智能型、最后到智慧型的升級換代過程;單片機技術的發展和應用對推動閥門電動執行機構產品的更新換代和執行機構行業技術水平的提高起著至關重要的作用。閥門電動執行機構是工業自動化系統的最末端,是工業過程控制中不可或缺的部分,其技術的進步,有助于提高我國工業自動化的整體水平。 

 

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