智能型電動執行機構控制系統設計

揚州電力設備修造廠 朱樂堯

智能型電動執行機構控制系統設計

揚州電力設備修造廠 朱樂堯

介紹了基于C8051F340單片機的智能型電動執行機構控制系統的設計原理，提出了一個集自動控制、故障自診斷與報警、人機對話等功能于一體的智能型電動執行機構控制系統的設計方案。

C8051F340；智能型；電動執行機構

1.引言

隨著現代工業過程控制系統的發展，智能型電動執行機構已得到廣泛應用，智能型電動執行機構功能齊全，給工業生產現場的運行和維護帶來了極大的便利。傳統的電動執行機構無人機交互接口，調試操作較為繁瑣，尤其在遇到故障時，無法迅速排查故障或需要查找故障代碼，行程控制單元由于采用機械式行程計數器，行程測量精度不高，而且在行程標定時需要開蓋操作，給安裝調試工作帶來不便。另外，傳統電動執行機構的功率驅動控制信號在復雜的工況環境下易受干擾，極端情況下導致功率驅動元器件誤觸發，從而影響生產運行的安全。

為解決傳統電動執行機構在工業生產現場的不足，本文提出了基于C8051F340的智能型電動執行機構控制系統的設計方法，智能型控制系統通過采用友好的人機交互界面，具備故障自診斷與報警功能，使調試操作與故障排查更簡單方便，在硬件上，通過采用功率驅動控制信號互鎖電路，實現硬件互鎖功能，避免觸發信號同時有效導致控制回路紊亂，提高了智能型電動執行機構的可靠性，行程位置控制省去了復雜的機械行程，采用無接觸式磁旋轉絕對編碼器，優化了機械結構，提高了行程分辨率精度，分辨率可達到0.08790。通過對硬件電路和軟件程序的優化控制，C8051F340單片機的合理利用，實現了閥門電動執行機構控制系統的智能化、合理化和高可靠性的要求。

2.控制系統的設計原理

智能型電動執行機構控制系統采用C8051F340作為主控制單元，C8051F340是完全集成的混合信號片上系統型單片機，具有Silicon Labs專利CIP-51微控制器內核，具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數器/定時器，2個具有擴展波特率配置的全雙工UART，1個增強型SPI端口，1個SMBUS端口，40個I/O引腳，具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列（PCA），4352字節的內部RAM，128字節特殊功能寄存器等。C8051F340片上豐富的硬件資源，使其適宜應用于智能型電動執行機構控制系統。智能型電動執行機構控制系統采用非侵入式結構設計，該控制系統技術先進，結構簡單，可靠性高，操作方式為磁感應操作，在就地狀態下，可以通過操作面板按鈕或手持式紅外遙控器控制電動執行機構的開、關、停操作及參數設置、瀏覽等操作，在遠程狀態下，可通過開關量信號或4～20mA電流信號實現電動執行機構的開、關、停等操作，具有強大的故障自診斷功能和故障報警功能，并記錄設備運行狀態。智能型控制系統由電源模塊、功率驅動模塊、人機界面模塊、行程檢測模塊、開關量信號輸入輸出模塊、模擬量信號輸入輸出模塊組成，采用C8051F340作為主控制芯片，通過對各硬件模塊的輸入輸出操作，實現對閥門電動執行機構的各項控制功能，其系統設計原理框圖如圖1所示。

3.控制系統的硬件設計

智能型電動執行機構控制系統硬件電路由電源板、主控板、操作面板三部分組成，主控板與操作面板通過UART口串行通信，實現人機對話，主控板接收外部指令控制功率驅動模塊，操作電機正反轉運行，實現閥門的開啟和關閉，并及時輸出開關量反饋信號或模擬量反饋信號。

3.1 電源模塊

電源板為主控板提供兩路直流電壓信號，一路為+24V(1±1%)，一路為+5V(1±1%)，+24V電壓信號作為6路開關量和模擬量輸入輸出信號及功率驅動模塊電路電源，+5V電壓信號作為主控板C8051F340單片機及其他相關硬件電路電源，如下圖所示，圖2為電源板+24V電壓輸出電路，圖3為電源板+5V電壓輸出電路。

3.2 功率驅動硬件電路

圖1 控制系統原理框圖

圖2 +24V電源輸出電路

圖3 +5V電源輸出電路

圖4 功率驅動信號控制電路

圖5 編碼器硬件電路

圖6 模擬量反饋信號輸出電路

圖7 開關量信號輸入電路

圖8 主程序流程框圖

如上圖4所示，功率驅動信號控制電路實現硬件互鎖功能，避免觸發信號同時有效導致控制回路紊亂，利用C8051F340單片機三路IO口作為功率驅動電路觸發信號，一路IO口作為觸發信號輸出端電源控制信號，另兩路作為觸發控制信號，進一步提高了觸發信號可靠性，IO口配置為推挽方式，低電平有效。電動執行機構在工業現場使用過程中，由于現場運行的其他設備，包括各種儀表、傳感器及變頻器，會由于各種原因引入信號干擾以及各種危險的強電壓信號，為了保證電動執行機構控制系統的安全性與可靠性，采用光耦TLP521-4對觸發信號進行信號隔離，避免觸發信號干擾，保證電動執行機構可靠、穩定運行。

3.3 行程檢測硬件電路

行程檢測電路采用無接觸式磁旋轉編碼器，可以準確測量整個3600范圍內的角度，其分辨率可以達到0.08790。編碼器通過輸入齒輪，與閥門電動執行機構的行程傳動部件嚙合，使之具有高精度位置檢測功能。編碼器具有內部穩壓器，在主控板+3.3V電源電壓下工作，主控板通過串口操作，以串行比特流的形式讀出行程數據，實現閥位數據的讀取。

3.4 模擬量信號硬件電路

智能型電動執行機構控制系統4-20mA模擬量輸出信號采用C8051F340單片機的PWM輸出功能，C8051F340具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列（PCA），在智能型控制系統里將PCA配置為16位脈寬調制器方式，在該方式下，16位捕捉/比較模塊定義PWM信號低電平時間的PCA時鐘數，配置PCA相關寄存器，可以輸出占空比可變的PWM波。如下圖6所示，PWM輸出電路采用光耦N101進行信號隔離，在不影響光耦N101開關速率的條件下，PWM波頻率設置為200Hz。智能型控制系統采集行程檢測信號，計算當前閥位值，然后輸出不同頻率的PWM波，在光耦輸出端，通過RC積分電路將PWM波轉換成電壓信號，通過恒流源硬件電路，輸出4-20mA電流信號，實現閥位模擬量信號反饋功能。

3.5 開關量信號輸入硬件電路

智能型電動執行機構控制系統在遠程狀態時，通過開關量信號輸入硬件電路，接收開、關、停指令信號，控制電動執行機構完成相關動作。為避免外部信號干擾，通過光耦N109、N110、N111進行信號隔離，隔離后的開關量信號接入C8051F340單片機IO口，IO口配置為弱上拉、開漏方式，在軟件控制方式中采用“去抖”處理方式，能準確、及時采集開關量輸入信號，有效避免誤操作，提高電動執行機構運行的可靠性。為防止由于外部接線錯誤而導致硬件電路損壞，在圖7硬件電路中，采用二極管VD111，有效避免接線錯誤帶來的影響。

4.控制系統的軟件設計

智能型電動執行機構控制系統在運行狀態下，主程序通過調用就地運行、遠程運行、故障診斷與報警、參數設置、開關量信號輸入輸出、模擬量信號輸入輸出、人機界面顯示程序、數據處理等子程序，完成對電動執行機構的各項操作功能。主程序判斷操作面板切換旋鈕狀態，確定電動執行機構處于就地或者遠程等工作狀態，在就地或遠程狀態下，主程序調用鍵盤掃描、遠程開關量信號輸入掃描子函數，判斷電機運行操作指令是否動作，根據指令完成相應動作，通過調用故障診斷子函數，判斷故障原因并報警，同時，若該故障影響電機運行，則當故障產生時，則電機不能運行操作，若電機正處于運行狀態，則立即觸發電機停止指令，使電機處于停止狀態，若故障信號消除，則自動解除電機禁止操作狀態。主函數調用行程檢測子函數，計算當前閥位，通過人機界面實時顯示閥位值，并調用模擬量反饋信號子函數，將當前閥位值轉換為相應4-20mA電流信號，主程序增加了信號標定子函數，通過4-20mA信號標定，模擬量反饋信號誤差不超過1%。智能型控制系統的軟件設計，滿足了智能型電動執行機構各項性能指標。智能型電動執行機構控制系統主程序流程框圖如圖8所示。

5.運行效果

智能型電動執行機構控制系統通過合理設計，運行可靠性大大提升，通過了EMC電磁兼容實驗二級實驗要求，在基本性能試驗中，行程重復偏差小于0.70，行程定位精確，控制精度高，控制系統通過采用人機交互界面和紅外遙控功能，在工業生產現場安裝運行過程中，調試簡單方便，故障率低，維修方便，達到了系統設計要求。

6.結語

智能型電動執行機構控制系統采用C8051F340單片機的強大外設功能，通過硬件、軟件相結合，完善了智能型電動執行機構各項性能指標，而且降低了系統設計的硬件成本，同時，智能型控制系統的硬件設計考慮到工業現場的環境情況，為滿足EMC電磁抗干擾要求，采取了完善的抗干擾措施，使智能型電動執行機構控制系統適用于各種工業現場環境，達到了系統設計的智能化、高可靠性的要求，值得在閥門電動執行機構上應用和推廣。

[1]潘琢金.C8051F340全速USB FLASH微控制器數據手冊[M].2006.

[2]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

國家自然科學基金（60874075）；江蘇省教育廳自然科學基金（07KJB520139）。

朱樂堯（1962—），江蘇揚州人，高級工程師，現供職于揚州電力設備修造廠，從事電站自動化設備研究。