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引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，用于控制水、氣、油等各種流體的閥門是不可缺少的重要設(shè)備，而電動(dòng)閥門占據(jù)著主導(dǎo)地位，主要用于構(gòu)成各種管道自動(dòng)化控制系統(tǒng)[1?2]。傳統(tǒng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要由伺服放大器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等兩部分組成。伺服放大器先將輸入信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋的信號(hào)進(jìn)行比較，并放大兩者之間的偏差，進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)以改變閥門開度，存在的缺點(diǎn)是接收和輸出的都是模擬信號(hào)，通常會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差[3?4]。特別是，對(duì)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥，同時(shí)，高壓手動(dòng)調(diào)節(jié)閥不能在線自動(dòng)精確地調(diào)節(jié)閥門開度。因此，為了保證設(shè)備執(zhí)行精度，實(shí)現(xiàn)安全操作，本文研究了一種針對(duì)高壓調(diào)節(jié)閥基于單片機(jī)的調(diào)節(jié)閥智能控制器，用來精確控制閥門的開度，實(shí)現(xiàn)開度的遠(yuǎn)程自動(dòng)在線控制。 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)適合高壓的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥非常少且價(jià)格昂貴，并且存在著無法在線自動(dòng)調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)，本文提出了一種把高壓手動(dòng)調(diào)節(jié)閥改造成高壓電控自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。

具體做法是：首先，把高壓手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)手柄去掉；然后，將調(diào)節(jié)軸和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸對(duì)接起來，聯(lián)軸器中間套裝一個(gè)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。

 

步進(jìn)電機(jī)使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。單片機(jī)接收來自增量式編碼器的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)接入單片機(jī)計(jì)數(shù)器端口，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，編碼器發(fā)出 512個(gè)脈沖。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器 A 相超前 B 相 90°，單片機(jī)正向累計(jì)脈沖； 反之，編碼器 B相超前 A 相 90°，單片機(jī)反向累計(jì)脈沖。

式中：N 為閥門開度從最小開度調(diào)節(jié)（0%）到最大開度

（100%）需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)；n為單片機(jī)采集的脈沖個(gè)數(shù)。由 式（1）可知，單片機(jī)通過脈沖個(gè)數(shù)即可計(jì)算出閥門的當(dāng)前開度并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行閥門開度的調(diào)節(jié)，即通過上位單片機(jī)的人機(jī)接口輸入調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)開度，上位單片機(jī)將目標(biāo)開度傳送給下位單片機(jī)，然后下位單片機(jī)計(jì)算當(dāng)前開度與目標(biāo)開度的差值，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)正向增大，或者反向減小調(diào)節(jié)閥門開度，以達(dá)到改變介質(zhì)通過管道流量大小而控制壓力的目的。

 

調(diào)節(jié)閥控制器需要達(dá)到如下性能要求：

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

2）單片機(jī)處理分析接收到的脈沖信號(hào)，根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算開度，并向外輸出寬度一定的信號(hào)完成調(diào)節(jié)閥開度的控制。 

3）運(yùn)用人機(jī)鍵盤，對(duì)閥門的目標(biāo)開度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定以及調(diào)節(jié)等。

4）驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示，從而確保能夠顯示出調(diào)節(jié)閥目標(biāo)開度、當(dāng)前開度，以及自診斷過程中的相關(guān)參數(shù)。 

5）具備斷電保存、電流檢測(cè)、電源電壓監(jiān)測(cè)、看門狗、防振蕩保護(hù)等功能。 

 

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2 所示。從圖 2中能夠發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)涵蓋很多模塊，分別是最小系統(tǒng)電路、解碼電路、電源、E2PROM、模擬量輸出電路、驅(qū)動(dòng)電路、LCD 顯示、D/A 轉(zhuǎn)換和 A/D 轉(zhuǎn)換等板塊。下面將詳細(xì)地分模塊逐一闡述。

 2.1 主控芯片與最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心是微控制器，控制器在宏晶科技公司系列單片機(jī)中進(jìn)行篩選，最終確定系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)采用型號(hào)為 STC12C5A60S2 單片機(jī)，上位機(jī)和下位機(jī)使用串口通信。此芯片是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051， 但速度快 8~12倍。內(nèi)部集成了 MAX810專用復(fù)位電路、 2 路 PWM、8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，性能可靠易上手，完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

 

MCU 的主要任務(wù)包括： 

1）上位機(jī)首先利用矩陣鍵盤輸入目標(biāo)開度，并將該目標(biāo)開度值發(fā)送給下位機(jī)。 

2）下位機(jī)接收到目標(biāo)開度值，計(jì)算閥門目標(biāo)開度與當(dāng)前開度兩者之間的差值，然后根據(jù)該差值通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的開度控制。 

3）編碼器輸出的脈沖通過硬件解碼電路進(jìn)行辨向和細(xì)分，脈沖個(gè)數(shù)由下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集計(jì)數(shù)。若電機(jī)正轉(zhuǎn)，則脈沖個(gè)數(shù)增大；若電機(jī)反轉(zhuǎn)，則脈沖個(gè)數(shù)減小。

4）下位機(jī)最后將脈沖個(gè)數(shù)實(shí)時(shí)地發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)式（1）換算成當(dāng)前開度并在液晶屏上顯示。

5）基于定位器原理進(jìn)行閥門自診斷。 2.2 解碼電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用 74HC 系列數(shù)字邏輯器件構(gòu)建硬件解碼電路，如圖 3所示。

74HC14 片內(nèi)共有 6 路施密特觸發(fā)反相器，74HC86為 2 輸入端四異或門。不同型號(hào)的編碼器其旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù) n 也有所不同，但其信號(hào)時(shí)序都相同。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器出來的信號(hào)一般為 A 相、B 相兩路方波信號(hào)和 Z 信號(hào)，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(zhuǎn)一圈發(fā)出一個(gè) Z脈沖，可作為參考機(jī)械零位。這里，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，A 相超前B 相為 90°；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)，B相超前 A相為 90°。經(jīng)過該電路進(jìn)行解碼后，可直接細(xì)分輸出 2 倍脈沖信號(hào)OUT和辨向信號(hào) DIR，并可以直接與單片機(jī)相連接。

 

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

鑒向由第二片 74HC74 完成，其輸入 1D 為 74HC86的第三個(gè)異或門的輸出，即為信號(hào) -B 和 -A 信號(hào)經(jīng)過異或運(yùn)算，其 RESET 和 SET 都接高電平，通過時(shí)序圖即可得到 OUT 信號(hào)。當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，1D 信號(hào)不變，CP 信號(hào)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(xiàn)了方向信號(hào)的判別。 

 

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

閥門開度選用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)線圈由四相組成，即 A,B,C,D 四相，驅(qū)動(dòng)方式為兩相激磁方式[5]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖 5所示。

 

電機(jī)使用 12 V 工作電壓，最大電流為 0.26 A，需要額外的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn) PWM 控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用STC15F104 將輸入的 PWM 波形轉(zhuǎn)換成 4 路方波輸出，方波進(jìn)步通過 ULN2003 大電流復(fù)合晶體管驅(qū)動(dòng)，通過P3.0~P3.7 控制各線圈的接通與切斷。電機(jī)采用四相雙四拍工作方式，通電換相的正序?yàn)?AB?BC?CD?DA；反序?yàn)?AD?DC?CB?BA。如果 P3 口輸出的控制信號(hào)中，0 代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用 4個(gè)控制字來對(duì)應(yīng)這 4個(gè)通電狀態(tài)，雙四拍工作方式的控制字見表 1。

2.4 上位機(jī)控制

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

STC12C5A60S2 每 個(gè) I/O 口 驅(qū) 動(dòng) 能 力 均 可 達(dá) 到20 mA，因此，可用它直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器或者矩陣鍵盤而不用接上拉排阻，同時(shí)可以使用獨(dú)立的串口波特率發(fā)生器，這樣給設(shè)計(jì)帶來了很大方便。上位機(jī)最小系統(tǒng)如圖6所示。U1為L(zhǎng)CD12864液晶顯示器接口，P1為4 × 4矩陣鍵盤接口，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不再一一贅述。

 

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到的高壓調(diào)節(jié)閥控制器 PCB 印刷電路板如圖 7 所示。系統(tǒng)電路板上分別為模擬電路部分和數(shù)字電路部分，外接 LCD 顯示屏和人機(jī)鍵盤。實(shí)驗(yàn)儀器主要有萬能表、直流電源、示波器、仿真器等。

 

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 閥門開度調(diào)節(jié)

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)為 KEIL，以 C 語言編程。軟件主要完成系統(tǒng)的初始化設(shè)置[6]、控制、通信、顯示等功能。系統(tǒng)中，上位機(jī)發(fā)送控制碼，下位機(jī)根據(jù)控制碼執(zhí)行相應(yīng)控制動(dòng)作，并實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送其工作狀態(tài)以供顯示。上電后，首先上下位機(jī)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(tǒng)軟件流程圖如圖 8 所示。當(dāng)單片機(jī)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只需要將要發(fā)送的內(nèi)容直接賦給緩沖寄存器 SBUF 就可以了，當(dāng)單片機(jī)通過串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，只需要緩沖寄存器 SBUF 中的內(nèi)容直接讀出即可。

控制方式和數(shù)據(jù)顯示都是由上位機(jī)來完成指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的。當(dāng)下位機(jī)接收到命令指令后，經(jīng)過判斷來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，其中，主要指令有：手動(dòng)正傳、手動(dòng)反轉(zhuǎn)、自動(dòng)運(yùn)行、清零和停止運(yùn)行。下位機(jī)在主函數(shù)中一直進(jìn)行掃描判斷，完成相應(yīng)的動(dòng)作執(zhí)行。

 

上位機(jī)發(fā)送手動(dòng)指令時(shí)，下位機(jī)工作在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，而當(dāng)檢測(cè)到按鍵松開時(shí)，上位機(jī)停止發(fā)送手動(dòng)指令，以實(shí)現(xiàn)閥門開度的點(diǎn)動(dòng)控制。上位機(jī)發(fā)送自動(dòng)指令時(shí)，下位機(jī)將工作在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，上位機(jī)使用矩陣鍵盤輸入閥門的目標(biāo)開度，并將該目標(biāo)開度發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)將該目標(biāo)開度值轉(zhuǎn)換為目標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)，然后根據(jù)當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)和目標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)的差值控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，即目標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)大于當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)增計(jì)數(shù)，閥門開度增加；反之，目標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)小于當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)減計(jì)數(shù)，閥門開度減??；當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)等于目標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，即閥門已由當(dāng)前開度調(diào)節(jié)至目標(biāo)開度，電機(jī)停止調(diào)節(jié)，下位機(jī)停止計(jì)數(shù)。系統(tǒng)具備正反轉(zhuǎn)互鎖和延伸切換保護(hù)功能，同時(shí)，下位機(jī)的當(dāng)前脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前開度在上位機(jī)上進(jìn)行顯示。 

 

3.2 模糊 PID 算法

控制器使用 PWM 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，由于使用了硬件PWM 發(fā)生器，單位時(shí)間內(nèi) PWM 波的個(gè)數(shù)難以計(jì)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(yuǎn)未接近給定值，僅剛開始向給定值變化時(shí)，由于比例和積分反向，將會(huì)減慢控制過程。為了加快開始的動(dòng)態(tài)過程，可以設(shè)定一個(gè)偏差范圍 v，當(dāng)偏差| e ( t ) | < β時(shí)，即被控量接近給定值時(shí)，就按正常規(guī)律調(diào)節(jié)，而當(dāng)| e ( t ) | ≥ β時(shí)，則不管比例作用為正或?yàn)樨?fù)，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為| e ( t ) - e ( t - 1 ) |，其符號(hào)與積分項(xiàng)一致。根據(jù)PWM相關(guān)寄存的使用方法，直接設(shè)置相應(yīng)的寄存器，PWM 模塊將會(huì)產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的 PWM波。當(dāng)PWM模塊一旦運(yùn)行后，如果不使用軟件方法去關(guān)閉，它將一直輸出相應(yīng)參數(shù)的 PWM 方波，與其他程序的運(yùn)行沒有關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)增量式模糊 PID 算法的實(shí)現(xiàn)。

 

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

 

4 結(jié) 語

本文研制成功的高壓調(diào)節(jié)閥控制器，整個(gè)過程簡(jiǎn)單直觀，能巧妙且低成本地解決高壓閥調(diào)節(jié)問題。系統(tǒng)可以對(duì)調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)地在線對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行監(jiān)控。本遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)閥控制器適用于工業(yè)生產(chǎn)、生活需要對(duì)流體流量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精確控制的過程環(huán)節(jié)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(yuǎn)程精確控制過程中。