智能电动阀门控制器的设计与实现

智能电动阀门控制器的设计与实现

方武

浙江欧意阀门有限公司 浙江温州 325102

摘要：随着科技的进步和社会的发展，自动化控制技术在工业领域中的应用越来越广泛。在自动化控制中，电动阀门是重要的组成部分。与其他控制系统相比，电动阀门具有成本低、可靠性高、维护方便等优点，在石油化工、电力和冶金等行业中得到了广泛应用。目前，电动阀门控制系统普遍采用单片微机作为控制器和测量仪表的核心。随着微电子技术及嵌入式系统等高新技术的不断发展和广泛应用，传统的单片微机系统由于受计算机资源及成本的限制，已无法满足人们对控制精度、实时性、灵活性、可靠性等方面越来越高的要求。因此，电动阀门的智能控制成为自动化领域一个重要研究方向。

关键词：智能，电动阀门；控制器

智能电动阀门控制器的设计，可以在现场各种恶劣环境下，通过控制驱动电机的转速，改变阀门的开度，实现对电动阀门的自动控制，提高了控制系统的可靠性和准确性。同时，在智能电动阀门控制系统中加入了监控软件，实现了对电机转速、电流、温度等参数的监控及故障报警。该智能电动阀门控制器采用模块化设计结构，功能由现场用户根据自身需要选择；具有控制参数在线修改功能，可以通过人机界面实现对阀门开度、电流、温度等参数的设置。智能电动阀门控制器与其他电动阀门控制器相比，具有良好的可靠性和稳定性，适合在各种恶劣环境下使用。

一、控制系统总体设计

系统总体主要包括以下几个部分：

（一）控制器硬件设计，包括 CPU、存储器、A/D转换器、数据输入输出通道、电机驱动模块等。其中， CPU选用 Intel公司的C8051F020型单片机，主要完成控制和数据采集功能；存储器选用16×16的AT24C64型 Flash存储器，主要用于存储数据和程序；A/D转换器选用美国 ADI公司的ADC0809型；数据输入输出通道选择RS232或RS485方式。系统采用模块化结构设计，具体芯片选型由现场应用环境决定[1]。

（二）控制软件设计，包括程序设计和底层驱动程序的编写。其中，程序设计包括控制模块程序设计、用户接口程序设计、数据采集和处理程序设计、人机界面程序设计及通信程序设计等；底层驱动程序包括数据采集模块驱动程序设计和电机驱动程序设计。

（三）软件抗干扰措施。针对系统中存在的电磁干扰、噪声干扰以及温度干扰等，采用滤波算法和硬件抗干扰措施来提高系统的稳定性和可靠性。

二、控制器的硬件设计

电动阀门控制器主要由信号采集和处理电路、电动阀门控制电路、显示与报警电路、 CAN总线通信电路等部分组成，系统的功能可以概括为以下几个方面：

1.电动阀门控制器通过信号采集及处理电路将电动阀门的实际工况参数，如流量、温度、压力、电流等信号采集模块进入 CAN总线通信模块，发送给显示与报警模块，最后将信号参数通过液晶显示屏实时显示出来[2]。

2.电动阀门控制器通过 CAN总线通信模块将所采集到的电动阀门的实际工况参数数据传输给控制系统主站。

3.控制系统主站通过串口向控制器发送上位机的控制指令，将其发送给电动阀门控制器的 CAN总线通信模块。

4.电动阀门控制器通过 CAN总线通信模块与上位机进行通信，实现数据的远程传输。通信内容包括：用户登录信息、当前工况参数、用户操作信息以及其他需要远程传输的信息等[3]。

三、电磁阀控制电路

电磁阀控制电路实现了对电磁阀的开度信号和电流信号的采集。其中，电磁阀的开度信号由微控制器TMS320F2812产生，电流信号由HCN1和HCN2两路检测电路组成。为了实现对电磁阀的开、关信号的采集，设计了如下电路。

（1）在P0口和L1口之间增加了一个LM358比较器，用于采集P0口和L1口的电压。该比较器内部带有一个限幅电路，当检测到P0口电压为负值时，将R19引脚的低电平（VREF）置低，使LM358处于禁止状态；当检测到L1口电压为正值时，将R19引脚的高电平（VREF）置高，使LM358处于禁止状态。

（2）在L2、L3两个通道之间增加了一个比较器，用于对P0口和L1口的电压进行比较，如果低于额定电压时，将L2、L3的低电平（VREF）置高，使P0口和L1口处于禁止状态。

（3）在TMS320F2812内部增加了一个A/D转换电路。为了能够方便地从控制电路中读取电磁阀的状态参数，设计了如下转换电路。A/D转换电路由24V电源供电，该电源采用DC-DC升压电路产生的 DC电压来驱动A/D转换器。为了使A/D转换器能够正确工作，还需要设置一个时钟。该时钟为5 MHz。

（4）在控制器内部增加了一个定时器模块。该定时器模块在P0、L1、L2三个通道之间提供了一个独立的输入输出通道，用于定时采集控制电路中各个电路的状态信息。

四、系统软件实现

系统软件是以C语言为基础设计的。它充分利用了C语言中数据类型丰富、数据结构简单，运算速度快和高效率的特点，利用 VisualC++6.0提供的 MFC功能模块来实现，主要由主程序和子程序组成。

主程序包括系统初始化、数据采集、通信、控制命令下达以及显示和打印等模块，完成相应的任务。子程序包括启动模块、数据采集模块、控制命令下达模块、数据处理模块和显示与打印模块。控制命令下达模块包括 MFC调用和发送命令两个子程序。数据处理模块主要完成对各种状态的处理和转换工作。

主程序完成各子程序的初始化，接收各个中断请求，并根据中断优先级进行处理。在控制命令下达后，首先由主程序判断是否发出控制命令，若发出则检查命令的合法性，若不合法则通知子程序进行处理。当系统检测到故障时，自动停止该子程序进行故障检测；若系统无故障，则继续执行该子程序。

MFC类是由C语言实现的一种通用C语言类。它采用结构化方法进行编程，具有良好的多任务操作系统和并行运算能力，还可实现多任务的同步运行。MFC中的定时器和中断管理都可以通过 MFC提供的函数来实现。

结语

电动阀门控制器的设计是一个非常复杂的过程，在实际中存在很多困难。通过对阀门电动控制的深入研究，总结了阀门电动控制存在的问题和不足，并提出了相应的解决方案。在分析阀门电动控制方法的基础上，提出了基于模糊 PID算法和单片机技术相结合的智能控制器。该控制器采用模糊 PID算法进行阀位的闭环控制，能够有效地提高阀位控制精度，减少超调量。单片机作为整个系统的核心，负责参数计算和人机交互，通过检测和控制阀门驱动电路中的继电器来控制阀门开关，避免了电机烧毁事故的发生。

参考文献

[1]杨辉， 通用型阀门控制器研究与应用. 陕西省，陕西煤业化工集团有限责任公司，2016-08-19.

[2]王飞，陈伟.新型矿用电动阀门自动控制智能系统设计[J].煤矿机械，2014,35(07):162-164.

[3]刘德旺,吴高仰.智能阀门控制器的嵌入式设计与开发[J].煤炭技术,2014,33(03):139-141..