引言

在現代工業(yè)生產(chǎn)中，用于控制水、氣、油等各種流體的閥門(mén)是不可缺少的重要設備，而電動(dòng)閥門(mén)占據著(zhù)主導地位，主要用于構成各種管道自動(dòng)化控制系統[1?2]。傳統的電動(dòng)調節閥主要由伺服放大器以及執行機構等兩部分組成。伺服放大器先將輸入信號與執行機構反饋的信號進(jìn)行比較，并放大兩者之間的偏差，進(jìn)而通過(guò)電機驅動(dòng)閥芯轉動(dòng)以改變閥門(mén)開(kāi)度，存在的缺點(diǎn)是接收和輸出的都是模擬信號，通常會(huì )出現明顯的誤差[3?4]。特別是，對于存在有害物質(zhì)以及高壓氣體的地方，一是高壓電動(dòng)調節閥非常少而且價(jià)格昂貴，二是操作人員不便于進(jìn)行操作手動(dòng)調節閥，同時(shí)，高壓手動(dòng)調節閥不能在線(xiàn)自動(dòng)精確地調節閥門(mén)開(kāi)度。因此，為了保證設備執行精度，實(shí)現安全操作，本文研究了一種針對高壓調節閥基于單片機的調節閥智能控制器，用來(lái)精確控制閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現開(kāi)度的遠程自動(dòng)在線(xiàn)控制。 1 結構設計針對適合高壓的電動(dòng)調節閥非常少且價(jià)格昂貴，并且存在著(zhù)無(wú)法在線(xiàn)自動(dòng)調節等缺點(diǎn)，本文提出了一種把高壓手動(dòng)調節閥改造成高壓電控自動(dòng)調節閥的結構，結構示意圖如圖 1所示。

具體做法是：首先，把高壓手動(dòng)調節閥的調節手柄去掉；然后，將調節軸和步進(jìn)電機轉軸對接起來(lái)，聯(lián)軸器中間套裝一個(gè)增量式旋轉編碼器。

 

步進(jìn)電機使用單片機驅動(dòng)控制。單片機接收來(lái)自增量式編碼器的脈沖信號，該脈沖信號接入單片機計數器端口，電機每轉一圈，編碼器發(fā)出 512個(gè)脈沖。電機正轉時(shí)，編碼器 A 相超前 B 相 90°，單片機正向累計脈沖； 反之，編碼器 B相超前 A 相 90°，單片機反向累計脈沖。

式中：N 為閥門(mén)開(kāi)度從最小開(kāi)度調節（0%）到最大開(kāi)度

（100%）需轉動(dòng)的圈數；n為單片機采集的脈沖個(gè)數。由 式（1）可知，單片機通過(guò)脈沖個(gè)數即可計算出閥門(mén)的當前開(kāi)度并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。用戶(hù)可根據實(shí)際需要進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度的調節，即通過(guò)上位單片機的人機接口輸入調節閥的目標開(kāi)度，上位單片機將目標開(kāi)度傳送給下位單片機，然后下位單片機計算當前開(kāi)度與目標開(kāi)度的差值，進(jìn)而控制步進(jìn)電機正向增大，或者反向減小調節閥門(mén)開(kāi)度，以達到改變介質(zhì)通過(guò)管道流量大小而控制壓力的目的。

 

調節閥控制器需要達到如下性能要求：

 1）能夠接收編碼器輸出的脈沖信號，為了提高控制精度，進(jìn)行四細分和辨向。

2）單片機處理分析接收到的脈沖信號，根據相應的算法計算開(kāi)度，并向外輸出寬度一定的信號完成調節閥開(kāi)度的控制。 

3）運用人機鍵盤(pán)，對閥門(mén)的目標開(kāi)度等相關(guān)參數進(jìn)行設定以及調節等。

4）驅動(dòng)液晶屏顯示，從而確保能夠顯示出調節閥目標開(kāi)度、當前開(kāi)度，以及自診斷過(guò)程中的相關(guān)參數。 

5）具備斷電保存、電流檢測、電源電壓監測、看門(mén)狗、防振蕩保護等功能。 

 

2 系統硬件設計

高壓調節閥控制系統原理框圖如圖 2 所示。從圖 2中能夠發(fā)現，該控制系統涵蓋很多模塊，分別是最小系統電路、解碼電路、電源、E2PROM、模擬量輸出電路、驅動(dòng)電路、LCD 顯示、D/A 轉換和 A/D 轉換等板塊。下面將詳細地分模塊逐一闡述。

 2.1 主控芯片與最小系統

控制系統核心是微控制器，控制器在宏晶科技公司系列單片機中進(jìn)行篩選，最終確定系統上位機和下位機采用型號為 STC12C5A60S2 單片機，上位機和下位機使用串口通信。此芯片是一款高速、低功耗、超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統 8051， 但速度快 8~12倍。內部集成了 MAX810專(zhuān)用復位電路、 2 路 PWM、8 路高速 10 位 A/D 轉換，性能可靠易上手，完全符合本系統的設計要求。

 

MCU 的主要任務(wù)包括： 

1）上位機首先利用矩陣鍵盤(pán)輸入目標開(kāi)度，并將該目標開(kāi)度值發(fā)送給下位機。 

2）下位機接收到目標開(kāi)度值，計算閥門(mén)目標開(kāi)度與當前開(kāi)度兩者之間的差值，然后根據該差值通過(guò)驅動(dòng)步進(jìn)電機實(shí)現調節閥的開(kāi)度控制。 

3）編碼器輸出的脈沖通過(guò)硬件解碼電路進(jìn)行辨向和細分，脈沖個(gè)數由下位機進(jìn)行實(shí)時(shí)采集計數。若電機正轉，則脈沖個(gè)數增大；若電機反轉，則脈沖個(gè)數減小。

4）下位機最后將脈沖個(gè)數實(shí)時(shí)地發(fā)送給上位機，上位機根據式（1）換算成當前開(kāi)度并在液晶屏上顯示。

5）基于定位器原理進(jìn)行閥門(mén)自診斷。 2.2 解碼電路設計系統采用 74HC 系列數字邏輯器件構建硬件解碼電路，如圖 3所示。

74HC14 片內共有 6 路施密特觸發(fā)反相器，74HC86為 2 輸入端四異或門(mén)。不同型號的編碼器其旋轉一圈發(fā)出的脈沖個(gè)數 n 也有所不同，但其信號時(shí)序都相同。旋轉增量式編碼器出來(lái)的信號一般為 A 相、B 相兩路方波信號和 Z 信號，采用 TTL 電平。A 相脈沖在前，B 相脈沖在后，兩路脈沖相差 90°，每轉一圈發(fā)出一個(gè) Z脈沖，可作為參考機械零位。這里，順時(shí)針旋轉為正轉，A 相超前B 相為 90°；逆時(shí)針旋轉為反轉，B相超前 A相為 90°。經(jīng)過(guò)該電路進(jìn)行解碼后，可直接細分輸出 2 倍脈沖信號OUT和辨向信號 DIR，并可以直接與單片機相連接。

 

編碼器出來(lái)的信號 AB 經(jīng)過(guò) 74HC14 的第一二個(gè)反相器，其波形為相位差為 90°的方波信號。74HC86第一個(gè)異或門(mén)輸出為 1CP 信號，CP 信號為 D 觸發(fā)器提供了 CLOCK。74HC86輸入為 A 和-A，當 VCC 為 4.5 V 時(shí)，輸入信號高于 3.15 V 被認為高電平，低于 1.35 V 時(shí)被認為低電平，加之任何方波信號波形上升下降時(shí)間不可能為 0，因此，當信號下降到小于 1.35 V 而未上升到 3.15 V 時(shí)，其異或門(mén)輸出就為低電平。同理，第四個(gè)異或門(mén)的輸入 B 和-B信號產(chǎn)生的CP信號與之相同。1D輸入為信號， 而RESET和SET又接的是高電平，同時(shí)，有了CP信號，即可得到 1Q 和 2Q 信號，然后再經(jīng)過(guò)異或門(mén)就可以得到最終的OUT信號，如圖4所示，實(shí)現了對輸入信號的2倍頻。

鑒向由第二片 74HC74 完成，其輸入 1D 為 74HC86的第三個(gè)異或門(mén)的輸出，即為信號 -B 和 -A 信號經(jīng)過(guò)異或運算，其 RESET 和 SET 都接高電平，通過(guò)時(shí)序圖即可得到 OUT 信號。當反轉時(shí)，1D 信號不變，CP 信號相位會(huì )向后移動(dòng)半個(gè)周期，輸出恒為低電平，從而實(shí)現了方向信號的判別。 

 

2.3 驅動(dòng)電路

閥門(mén)開(kāi)度選用步進(jìn)電機進(jìn)行驅動(dòng)，電機線(xiàn)圈由四相組成，即 A,B,C,D 四相，驅動(dòng)方式為兩相激磁方式[5]。電機驅動(dòng)模塊電路如圖 5所示。

 

電機使用 12 V 工作電壓，最大電流為 0.26 A，需要額外的驅動(dòng)電路實(shí)現 PWM 控制。電機驅動(dòng)模塊采用STC15F104 將輸入的 PWM 波形轉換成 4 路方波輸出，方波進(jìn)步通過(guò) ULN2003 大電流復合晶體管驅動(dòng)，通過(guò)P3.0~P3.7 控制各線(xiàn)圈的接通與切斷。電機采用四相雙四拍工作方式，通電換相的正序為 AB?BC?CD?DA；反序為 AD?DC?CB?BA。如果 P3 口輸出的控制信號中，0 代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用 4個(gè)控制字來(lái)對應這 4個(gè)通電狀態(tài)，雙四拍工作方式的控制字見(jiàn)表 1。

2.4 上位機控制

上位機控制器采用 STC12C5A60S2 單片機作為控制器，其原理電路如圖 6所示。

STC12C5A60S2 每 個(gè) I/O 口 驅 動(dòng) 能 力 均 可 達 到20 mA，因此，可用它直接驅動(dòng)液晶顯示器或者矩陣鍵盤(pán)而不用接上拉排阻，同時(shí)可以使用獨立的串口波特率發(fā)生器，這樣給設計帶來(lái)了很大方便。上位機最小系統如圖6所示。U1為L(cháng)CD12864液晶顯示器接口，P1為4 × 4矩陣鍵盤(pán)接口，晶振電路亦采用 11.059 2 MHz 晶振， P3.0 和 P3.1 接串口電路。限于篇幅原因，串口通信、液晶顯示和矩陣鍵盤(pán)不再一一贅述。

 

本次系統設計得到的高壓調節閥控制器 PCB 印刷電路板如圖 7 所示。系統電路板上分別為模擬電路部分和數字電路部分，外接 LCD 顯示屏和人機鍵盤(pán)。實(shí)驗儀器主要有萬(wàn)能表、直流電源、示波器、仿真器等。

 

3 系統軟件設計

3.1 閥門(mén)開(kāi)度調節

系統軟件開(kāi)發(fā)平臺為 KEIL，以 C 語(yǔ)言編程。軟件主要完成系統的初始化設置[6]、控制、通信、顯示等功能。系統中，上位機發(fā)送控制碼，下位機根據控制碼執行相應控制動(dòng)作，并實(shí)時(shí)向上位機發(fā)送其工作狀態(tài)以供顯示。上電后，首先上下位機進(jìn)行握手通信，然后建立連接后方可進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制，其系統軟件流程圖如圖 8 所示。當單片機通過(guò)串口發(fā)送數據時(shí)，只需要將要發(fā)送的內容直接賦給緩沖寄存器 SBUF 就可以了，當單片機通過(guò)串口接收數據時(shí)，只需要緩沖寄存器 SBUF 中的內容直接讀出即可。

控制方式和數據顯示都是由上位機來(lái)完成指令發(fā)送和數據接收的。當下位機接收到命令指令后，經(jīng)過(guò)判斷來(lái)執行相應的動(dòng)作，其中，主要指令有：手動(dòng)正傳、手動(dòng)反轉、自動(dòng)運行、清零和停止運行。下位機在主函數中一直進(jìn)行掃描判斷，完成相應的動(dòng)作執行。

 

上位機發(fā)送手動(dòng)指令時(shí)，下位機工作在手動(dòng)調節模式，而當檢測到按鍵松開(kāi)時(shí)，上位機停止發(fā)送手動(dòng)指令，以實(shí)現閥門(mén)開(kāi)度的點(diǎn)動(dòng)控制。上位機發(fā)送自動(dòng)指令時(shí)，下位機將工作在自動(dòng)調節模式，上位機使用矩陣鍵盤(pán)輸入閥門(mén)的目標開(kāi)度，并將該目標開(kāi)度發(fā)送給下位機。下位機將該目標開(kāi)度值轉換為目標脈沖個(gè)數，然后根據當前脈沖個(gè)數和目標脈沖個(gè)數的差值控制電機轉動(dòng)方向，即目標脈沖個(gè)數大于當前脈沖個(gè)數，步進(jìn)電機正向轉動(dòng)，當前脈沖個(gè)數增計數，閥門(mén)開(kāi)度增加；反之，目標脈沖個(gè)數小于當前脈沖個(gè)數，步進(jìn)電機反向轉動(dòng)，當前脈沖個(gè)數減計數，閥門(mén)開(kāi)度減??；當前脈沖個(gè)數等于目標脈沖個(gè)數時(shí)，即閥門(mén)已由當前開(kāi)度調節至目標開(kāi)度，電機停止調節，下位機停止計數。系統具備正反轉互鎖和延伸切換保護功能，同時(shí)，下位機的當前脈沖數轉換為當前開(kāi)度在上位機上進(jìn)行顯示。 

 

3.2 模糊 PID 算法

控制器使用 PWM 驅動(dòng)步進(jìn)電機，由于使用了硬件PWM 發(fā)生器，單位時(shí)間內 PWM 波的個(gè)數難以計算。另 外，考慮到位置偏差大時(shí)，控制要求快速跟蹤，而偏差較小時(shí)，則要求提高控制精度，因此需要采用 PID 算法。

PID 控制程序流程圖如圖9所示，如果被控量遠未接近給定值，僅剛開(kāi)始向給定值變化時(shí)，由于比例和積分反向，將會(huì )減慢控制過(guò)程。為了加快開(kāi)始的動(dòng)態(tài)過(guò)程，可以設定一個(gè)偏差范圍 v，當偏差| e ( t ) | < β時(shí)，即被控量接近給定值時(shí)，就按正常規律調節，而當| e ( t ) | ≥ β時(shí)，則不管比例作用為正或為負，都使它向有利于接近給定值的方向調整，即取其值為| e ( t ) - e ( t - 1 ) |，其符號與積分項一致。根據PWM相關(guān)寄存的使用方法，直接設置相應的寄存器，PWM 模塊將會(huì )產(chǎn)生頻率和占空比可調的 PWM波。當PWM模塊一旦運行后，如果不使用軟件方法去關(guān)閉，它將一直輸出相應參數的 PWM 方波，與其他程序的運行沒(méi)有關(guān)系，從而實(shí)現增量式模糊 PID 算法的實(shí)現。

 

系統利用模糊 PID 算法，通過(guò) PID 的輸出控制 PWM的頻率，可加快控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程，以滿(mǎn)足偏差大時(shí)的快速性要求和偏差小時(shí)的精確性控制，從而達到調節電機速度和防止開(kāi)度調節慣性產(chǎn)生振蕩的目的[7?10]。此外，系統還具備編碼器故障或急停保護、掉電保持等功能。

 

4 結 語(yǔ)

本文研制成功的高壓調節閥控制器，整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單直觀(guān)，能巧妙且低成本地解決高壓閥調節問(wèn)題。系統可以對調節閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行準確控制，同時(shí)能夠實(shí)時(shí)地在線(xiàn)對調節閥進(jìn)行監控。本遠程調節閥控制器適用于工業(yè)生產(chǎn)、生活需要對流體流量實(shí)現自動(dòng)化精確控制的過(guò)程環(huán)節中，也可適用于工業(yè)生產(chǎn)諸如石化行業(yè)中的煉油裝置和合成氨裝置等有毒有害流體的遠程精確控制過(guò)程中。