《1 引言》

1 引言

阀门定位系统由智能控制器和执行机构两部分组成。智能控制器是指嵌入微处理器并与现场总线连接的控制阀门开关的控制部分, 它与执行机构一起不仅具有执行器的功能, 而且还具有控制、运算和通信等功能, 同时可以实现网络化管理。它接收来自调节器的模拟信号或上位机的数字信号, 并将其转换为电动执行器相应的角位移或直线位移输出, 带动阀门动作, 以实现对各种过程参数的自动控制。所设计的执行机构是由单相异步电动机及其带动的阀门组成。

《2 控制器基本构成及硬件原理》

2 控制器基本构成及硬件原理

控制器由Philips公司的LPC2129及其外围电路组成, 硬件结构示意图如图1所示, 控制器的基本功能主要分为以下几部分:模拟量输入电路, 包括零/满位调整, 位置反馈信号和控制信号等的输入, 能够实时采集阀门的状态信息和控制信息;互锁及晶闸管驱动电路, 可以驱动电机运行以及防止电机的同时正反转;CAN总线通信接口电路, 可以通过CAN总线保持与控制中心的通信;人机接口电路, 包括LCD显示模块、红外通用接口模块和键盘, 可以实时显示阀门的开度以及系统工作状况和故障, 红外线遥控方便了系统的调试以及在环境恶劣的情况下工作, 键盘电路可以使控制器接收本机的控制信号;数字量输入电路, 包括电动机的温度、电流、功率等的过程量检测。控制器能够根据采集的数字量和模拟量以及CAN总线的控制信息, 经过运算和比较, 用带智能积分的自学习模糊控制算法使阀门能够做到较精确定位。

《图1》

图1 控制器结构示意图 Fig.1 Structure of controller

图1 控制器结构示意图 Fig.1 Structure of controller  

《2.1 核心控制器LPC2129》

2.1 核心控制器LPC2129

LPC 2129[1]是带有CAN接口嵌入式RISC微控制器, 是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32 b ARM7TDMI-S CPU, 并带有256 kB嵌入的高速Flash存储器和16 kB的静态存储器 (SRAM) 。其中128 b宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 b代码能够在最大时钟速率下运行。它可以通过片内boot装载程序实现在系统编程 (ISP) 和在应用编程 (IAP) 。它的嵌入式跟踪宏单元 (ETM) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪, 而且嵌入式ICE可实现断点和观察点的设定。它有非常小的64脚封装, 有多个32 b定时器, 4路10 b A/D转换器, 2路先进的CAN通道, PWM通道, 多达9个外部中断, 46个GPIO以及内置了宽范围的串行通信接口 (1个IIC接口, 2个SPI接口和2个UART接口) , 它能耗极低, 有空闲和掉电2种低功耗模式, 以上特点使它很适合用于工业控制和总线系统。该芯片加上少量的外围电路, 就可组成完整的阀门控制器, 电路结构非常简单, 而且运行基于特定应用的嵌入式实时操作系统进行合理的任务调度, 可以满足工业现场对实时性和可靠性的要求。

《2.2 互锁及晶闸管驱动电路》

2.2 互锁及晶闸管驱动电路

阀门定位系统的执行器部分是由单向异步电动机及其带动的阀门组成。控制器的输出量是一个开关量, 通过LPC 2129的通用I/O口P33 (正转) 和P34 (反转) 输出, 控制电动机的正反转, 为了防止电机同时正反转 (防止2个开关量同时有效) , 在硬件电路中设计了互锁电路;同时为了保证交流电源和控制电路的安全隔离和防止干扰, 设计了通过光耦隔离电路与晶闸管连接, 如图2所示。D3和D4分别为正转和反转指示灯, 晶闸管两端并联的阻容吸收网络可以防止晶闸管被主电路中的瞬变干扰信号击穿, 输出信号通过光耦 (MOC 3041) 与晶闸管 (BTA 41-600B) 相连。其工作原理如下:当P33为1而P34为0时, 由真值表可以看出Q2导通, 光耦1的2管脚为低电压, 于是1管脚和2管脚之间有电流通过, D3灯亮, 同时导致右边的4和6管脚中有电流通过, 晶闸管1的2和3管脚之间有压差, 使得晶闸管1导通, 这时正转的信号线为火线, 与公共端 (零线) 构成回路, 驱动电动机正转。反转原理与正转同。

互锁电路利用非门和与门保证了只有当两个输出信号不一致时才有控制输出, 而且保证了只有一个信号有效, 其真值表如表1所示。

《2.3 模拟量输入电路以及智能校准》

2.3 模拟量输入电路以及智能校准

LPC 2129内部集成4路10 b A/D转换器, 位

《图2》

图2 互锁及晶闸管驱动电路 Fig.2 Mutual lock and IGBT driver

图2 互锁及晶闸管驱动电路 Fig.2 Mutual lock and IGBT driver  

表1 输出真值表 Table 1 Logic of output

《表1》

P330011
P340101
Q2基极0010
Q3基极0100
光耦1OFFOFFONOFF
光耦2OFFONOFFOFF
晶闸管1OFFOFFONOFF
晶闸管2OFFONOFFOFF
D3灭灭亮灭
D4灭亮灭灭

置反馈信号由AD0进入, 全开和全关的反馈值通过2个开关按键K1和K2输入到AD1和AD2口, 给定信号由AD3口进入, 如图3所示。LPC 2129的A/D口可以转换的电压范围为0~3.3 V, 所以工业控制标准给定信号DC 4~20 mA需要经过串接150 Ω电阻的分压后使其输入电压为0.6~3 V, 稳压管D1, …, D4可以把A/D口的电压限制在0~3.3 V, 避免损坏器件。位置反馈电位器的电阻为1 kΩ, 为使反馈电压在限制在3.3 V内, 在电位器两端分别串接125 Ω和250 Ω电阻, 使得电位器的阻值发生变化时, 滑动端的电压在0.6~3 V之间变化。

《图3》

图3 模拟量输入电路 Fig.3 Analog input

图3 模拟量输入电路 Fig.3 Analog input  

零位、满度调整方法 对阀位开度和阀位输出电流进行“调零”和“调满”校准时, 先将阀门的反馈调到实际零位 (阀门全关) , 此时的阀位反馈值Um与4 mA (零位电流, 对应的电压为0.6 V) 对应, 再将执行机构的反馈调到实际满度位置 (阀门全开) , 此时的阀位反馈值Uh与20 mA (满度电流, 对应的电压为3 V) 对应。调整完毕后, 每一位置的折算后反馈值Uout由以下公式计算:

Uout=0.6+(3-0.6)Ui-UmUh-Um(V)

其中Ui为位置反馈的实际电压值。经过计算的反馈值Uout与给定值通过ARM控制器比较、计算和处理并且进行相应的控制输出, 使得阀门能够很好地定位在给定的信号上。

《2.4 人机接口模块》

2.4 人机接口模块

人机接口模块包括LCD显示模块, 红外通用接口模块和键盘。LCD显示模块可以实时显示阀门的运行状况、故障、报警以及控制模式等。

为了调试方便以及适合在环境恶劣的情况下使用, 设计了通用的红外线接口, 它能够支持红外遥控和数据通信。

键盘电路包括现场控制需要的6个按键, 分别为调零、调满、确定、取消、前进和后退。可以根据LCD上的显示内容进行相应的命令和操作。

《2.5 总线通信接口[2,3]》

2.5 总线通信接口[2,3]

由于LPC 2129本身带有CAN总线的接口功能, 大大方便了设计, 通过CAN总线收发器82C250可以连至CAN总线, 见图4。另外为了增加执行器的通用性, 设计中可选用RS-485接口。

82C250是LPC 2129的CAN控制器接口与CAN总线的接口器件, 其通信介质为阻抗120 Ω双绞线, 器件可以提供对CAN总线的差动发送/接收能力。引脚8与地之间的电阻为斜率电阻, 它的取值决定了系统处于高速工作方式还是斜率控制

《图4》

图4 CAN总线通信接口设计 Fig.4 Design of CAN bus interface

图4 CAN总线通信接口设计 Fig.4 Design of CAN bus interface  

方式, 把该引脚直接与地相连, 系统将处于高速工作方式;而在波特率较低、总线较短时, 一般采用斜率控制方式。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力, LPC 2129通过高速光耦6N137与82C250相连, 这样很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离, 设计时要注意光耦电路的2个电源VCC和VDD一定要完全隔离, 否则采用光耦也就失去了意义。

《3 系统软件设计》

3 系统软件设计

软件设计分成主程序和子程序以及中断程序三部分。为了便于编写、调试、修改和增删, 系统采用模块化的C程序设计[4,5] 方法, 主程序具备初始化、系统自检、错误处理、条件判断和各子程序调用的功能, 主程序流程图如图5所示。

《图5》

图5 主程序流程图 Fig.5 Flow chart of main program

图5 主程序流程图 Fig.5 Flow chart of main program  

其中通信子程序分为3大部分:当需要CAN总线通信时, 转入CAN总线通信程序, 包括接收和发送数据信息、命令信息和控制信息等具体任务。在进行红外线调试时, 进入红外通信程序, 接收来自遥控器的命令并进行相应的操作。还包括可选用的RS-485通信程序, 增加了系统的通用性。

控制输出子程序的任务是通过带智能积分的自学习模糊控制算法对过程变量进行计算和处理并进行可靠的输出。位置控制要求快速、准确和无超调的响应特性, 而且具有较强的鲁棒性和自适应能力。由于系统存在着某些不确定的因素 (系统参数的时变, 对象特性的非线性等) , 电动机的惯性参数大小的变化以及负载转矩的时变等原因, 控制算法采用了带智能积分的自学习模糊控制器[6], 实现对单相异步电动机的较为精确控制。设计的控制输出是控制晶闸管的通断, 是一个开关量, 利用模糊控制可以很方便的实现。设计了一个二维模糊控制器, 输入变量选用误差信号E和误差的变化ΔE, 在模糊控制器中加入了自修正因子α 和智能积分算法。α 的选择如下:

αE=(α1-α2)|E|/Ν+α1 (0≤α1≤α2)‚

当偏差大时, 提高响应速度是主要目标, 给予偏差较大的加权, 以尽快消除偏差, 此时不加入积分;当偏差较小时, 为了避免系统的超调和稳态误差, 对偏差变化的影响给予较大的加权, 此时分为2种情况:

当ek·Δek>0或 Δek=0而且ek≠0时, 需对偏差进行积分;

当ek·Δek<0或ek=0时不进行积分。

这种智能积分既保留了积分作用和消除余差的优点, 又抑制了积分作用对动态过程的不利影响。

CAN总线协议 (包括CAN2.0A和CAN2.0B两部分) , 只规定了物理层和数据链路层2个底层协议, 用户可以根据具体应用自定义应用层部分, 也可以采用几种已成为标准的高层协议, 比如CANopen, Devicenet, CAL, CAN kingdom, SDS等。其中CANopen, Devicenet两种应用较多, 设计中采用了CANopen协议。

CANopen[7] 通信对象可以通过服务和协议来描述。分类如下:实时数据的传输通过“过程数据对象” (PDO) 协议来完成;通过“服务数据对象” (SDO) , 可以实现对对象字典的读写操作;“特殊功能对象”协议提供了特定应用的网络同步, 时间戳和应急报文传输;网络管理 (NMT) 协议提供了网络初始化、错误控制和设备状态控制服务。

CANopen通信程序采用对事件状态轮询和CAN中断相结合来实现。电动执行器要传送的阀门实际开度和故障报警时的数据等, 通过“过程数据对象” (PDO) 协议来完成。在控制中心向电动执行器发出请求数据即远程帧时, 阀门控制器将现场采集的数据打包发送给上位机。故障报警数据采用应急报文传输。

《4 结论》

4 结论

该设计在天津市的合作单位协助下, 已初步完成了精度和死区以及基本功能的测试, 实验结果达到预期要求。在测试的过程中按照ZBJ160002-87《阀门电动装置技术条件》和JB/T8219-199《工业过程量和控制系统用电动执行机构》对机械性能和基本误差等做了测试, 控制对象选为NEUMAX执行机构带动阀门的运转系统。首先转换控制方式为本机状态, 让阀门运行在全关状态, 按下零点键;然后让阀门全开, 按下满点键, 完成零满度调整。然后转换为自动状态, 调节输入信号4~20 mA以4 mA为步长递增, 然后按相反方向递减。经过检验, 该阀门系统具有较高的精度和定位性能。基于ARM核的LPC 2129为控制核心的阀门定位系统, 具有以下特点:采用32位的ARM控制器, 功能齐全, 电路简单, 运算速度快;带自调整因子和智能积分的自学习模糊控制器的设计, 提高了系统的控制精度和自适应能力;可以通过CAN总线与上位机通信, 实现了远程控制和管理;设计了系统保护和智能化的自诊断功能, 可以快速识别故障原因, 而且当控制信号、通信或其他方面出现故障时, 系统自动采取保护措施。