新型智能閥門控制器的研究

唐鵬輝 張云貴 王麗娜

(中國鋼研冶金自動化研究設計院混合流程工業自動化系統及裝備技術國家重點實驗室，北京 100071)

0 引言

電力載波通信是指將信號加載到工頻上，將電力線作為信息傳輸媒介的一種通信方式。電力載波通信的最大特點是不需要重新架設網絡，可節約大量成本。采用電力線通信具有實現成本低、數據傳輸速率高、永遠在線、通信范圍廣等優點［1-2］。

電力電子技術就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術［3］。雙向可控硅為無觸點式開關，無火花、壽命長、體積小、無噪聲。其控制回路為弱電控制，耗電小且更新方便;具有良好的開關特性，操作者只需接觸安全的低壓直流電源。

隨著時代的進步，如何進一步提高人防工程等控制系統的智能化，如何在降低成本的同時簡化系統的設計、安裝、調試和維護過程，已成為一個至關重要的問題［4-5］。與此同時，在傳統的接觸器正反控制電路中，接觸器存在主觸頭拉弧和火花問題，容易造成主回路相間的短路，造成電動機斷相運行而破壞電機，更為嚴重的是引起火災。

為有效解決以上兩個問題，本文設計了一款新型閥門控制器。本控制器將主要應用在人防工程中。

1 控制器的組成及工作原理

1.1 硬件設計

控制器主要由通信部分和用戶電路兩部分組成。通信部分主要由神經元芯片PL3120核心板、電源和耦合電路等組成，負責電力載波通信、檢測數據處理和控制輸出。用戶電路部分主要由閥門正反轉控制電路、電流檢測電路、數字量狀態采集電路和狀態輸出電路等組成，負責執行通信板的控制命令、采集控制器本身和控制負載的運行狀態、提供報警顯示和故障處理等功能。控制器硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 控制器硬件電路框圖Fig.1 Hardware circuit of the controller

1.1.1 電力載波芯片PL3120核心板

電力載波芯片PL3120核心板由PL3120芯片、晶振和電阻電容等器件組成。PL3120采用ANSI/EIA 709.1協議標準，通過LonWorks網絡實現點對點之間的通信，主要應用于電力載波領域。PL3120芯片輸入時鐘頻率可設置為 10 MHz，工作于 C波段，通信速度為5.4 kbit/s［6］。PL3120芯片具有以下特點:①采用窄帶BPSK電力線信號調制;②雙載波頻率通信方式;③通過前向糾錯算法(FEC)加循環冗余校驗，克服數據包錯誤問題;④具有1 Ω輸出阻抗，能實現低阻抗電路高電平信號傳輸，同時保持極其微弱的輸出信號失真;⑤能適應全球范圍內多種通信標準。

1.1.2 電源部分

控制器需要直流電壓VA和直流電壓VDD5兩個直流電壓。本設計中采用兩級電源轉換，由交流220 V轉換到直流電壓VA，然后由VA轉換成直流電壓VDD5。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路Fig.2 Circuit of power supply

220V交流電壓通過變壓器T1轉換成低壓交流電壓，整流橋D1將低壓交流電壓轉換成直流電壓。C1為儲能電容，C2、C3為濾波電容;穩壓芯片LM317T將整流橋輸出的不穩定直流電源轉換成VA輸出，VA=1.25(1+R2/R1)+ⅠR2;D2、D3為保護二極管，防止電壓反向破壞穩壓芯片。電源變換芯片78L05將VA電壓轉換成VDD5電壓;C12、C13為濾波電容，C14作為旁路電容，起穩定電源電壓的作用。

1.1.3 耦合電路

耦合電路的目的是從電力線上提取載波信號，并將其送入放大電路，然后將輸出信號耦合到電力線上。耦合電路設計是否合理將直接關系到電力載波效率［7-8］。耦合電路設計必須做到輸出阻抗盡可能小，這樣信號才不會被輸出阻抗消耗;同時輸入阻抗必須足夠大，以保證信號基本不會被線路阻抗分掉［9］。耦合電路設計原理如圖3所示。

圖3 耦合電路Fig.3 Coupling circuit

圖3中，T1為通信耦合變壓器，它將電力網絡與內部電路隔離。同時，它也是耦合電路輸入阻抗的一部分，起到提高輸入阻抗、減少信號由于分壓而導致損失等作用。TXOUT、RXIN為PL3120上的發送接收管腳，發送信號經T1通過C3發送出去。D5、D6兩個二極管起鉗壓作用，以抑制電路浪涌電壓，C2的作用是防止TXOUT的直流偏置電壓加載到RXIN管腳上。

1.1.4 電機正反轉控制電路

對閥門正反轉的控制主要通過換相來實現。正反控制電路如圖4所示。

當PL3120收到手動或遠程開關命令，命令經過處理后，PL3120芯片通過I/O口DIO1(DIO2)控制三極管T1(T2)的通斷，驅動光耦MOC3063的發光二極管，并間接驅動雙向可控硅通斷，以達到控制閥門的正反轉和停止操作。

圖4 正反控制電路Fig.4 Bi-directional control circuit

1.1.5 電流檢測電路

電流檢測電路的原理為:電機供電線穿過精密電流互感器T63的初級端，在T63次級端產生感應電流;經整流和電容儲能等轉換成電壓信號，電壓信號輸入到ADC芯片的Vin3端，ADC芯片將模擬信號轉換成數字信號后輸入3120控制器。電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路Fig.5 Current detection circuit

1.2 軟件設計

控制器軟件的作用主要是配合硬件實現各個功能。控制器可以通過數字開關量輸入選擇工作模式。工作模式分為遠程自動模式和手動模式兩種。在遠程自動模式下，控制器通過電力載波方式與上位機通信，接收上位機命令，但不接收物理開關輸入;在手動模式下，控制器接收手動物理開關輸入。此時控制器只向上位機報告運行狀態，但不接受上位機控制。其工作過程如下。

當控制器接收到控制命令時，先進行數據處理。處理結果通過I/O口向外輸出控制信號，并通過檢測負載狀態等信息來判斷控制目的是否實現。若達到控制目的，軟件將不斷檢測運行狀態，并通過網絡將運行狀態上傳給上位機;如果沒有達到控制目的，將作為故障進行相應處理，并上傳相應故障信息。

2 現場測試

為驗證本次設計控制器的實用性和可靠性，在石景山區人防工程指揮所進行了現場測試。測試分為通信質量測試和功能測試。

2.1 通信質量測試

現場測試主要是在不同條件下，通過Lonscaner軟件測試新型閥門控制器的通信可靠性和適應性。測試數據主要有:平均帶寬利用率、最高帶寬利用率、通信平均錯誤率、平均通信數據包率、最大包數率、正確數據包總數、正確數據包比例、詢問數據包比例和應答數據包比例［10］。現場測試數據如表1所示。

表1 現場測試數據Tab.1 Field test data

通過以上現場測試數據可知，在有一定干擾的環境下，通信數據包的正確率仍能達到99.89%以上，帶寬占用率低于80%，詢問包與應答包的比例差小于3%。

2.2 功能測試

測試現場中的功能測試項目包括:手動開閥控制、手動關閥控制、上位機遠程開閥控制、上位機遠程關閥控制、電流檢測、報警輸出、故障處理、開到位檢測、關到位檢測、手動故障清除和遠程故障清除等。

通過功能測試可知，控制器和負載的各項狀態檢測、狀態顯示及輸出控制實時準確。

3 結束語

通信的智能閥門控制器［11-15］，在人防電力環境下的通信穩定可靠，達到了良好的通信指標;該裝置在功能上滿足所要求的閥門控制功能，滿足人防應用的智能監控要求;能夠達到降低成本的目的;能有效避免交流接觸器存在主觸頭拉弧和火花的問題，實現了最初的設計目標。

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