智能閥門定位器設(shè)計(jì)

摘要[摘要]:智能閥門定位器具有高靈敏度、高可靠性以及內(nèi)設(shè)整定參數(shù)可選擇性，使有死區(qū)的閥門動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到很大的改善，并使閥門行程精確和穩(wěn)定地操作。智能閥門定位器從二十世紀(jì)中期產(chǎn)生至今，經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段。目前智能式閥門定位器是國(guó)內(nèi)外研究和使用的重點(diǎn)。本文主要針對(duì)智能式閥門定位器的硬件部分進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，并對(duì)定位器的硬件控制系統(tǒng)的組成情況以及主要的模塊特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。首先根據(jù)目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)智能閥門定位器的研究，通過深入分析典型智能閥門定位器的結(jié)構(gòu)，工作原理及其實(shí)現(xiàn)的功能，制定出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。其次主要從宏觀上設(shè)計(jì)出定位器的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，其次對(duì)該定位器做出軟件設(shè)計(jì)的規(guī)劃，包括主程序的設(shè)計(jì)、反饋信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)處理模塊程序的設(shè)計(jì)、輸入信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)處理模塊程序的設(shè)計(jì)以及測(cè)試模塊程序的設(shè)計(jì)等。最后對(duì)定位器硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。主要包括電源電路設(shè)計(jì)、信號(hào)采樣模塊的設(shè)計(jì)、人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)以及串口通訊模塊的設(shè)計(jì)，并采用了功能強(qiáng)大的電路電子仿真軟件Proteus對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了搭建實(shí)驗(yàn)。最終率先完成了定位器硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：閥門定位器；Proteus;電路設(shè)計(jì)1.1背景及研究意義智能控制是一門新興的理論和技術(shù)，它是傳統(tǒng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，主要用來介紹那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制、其中包括智能機(jī)器人系統(tǒng)，復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)等。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍。智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，已提出許多方法，如專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、分層遞階控制、擬人智能控制和基因控制等。其目的是提高其研究重點(diǎn)集中在智能控制元件、系統(tǒng)的智能控制方法和智能控制器的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)方面。面對(duì)現(xiàn)代化工業(yè)的特點(diǎn)和要求，一個(gè)理想的智能控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下一些的功能特(1)學(xué)習(xí)功能。系統(tǒng)具有自行改善自身性能的能力，即在經(jīng)歷某種變化后，系統(tǒng)性(2)適應(yīng)功能。系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特性變化、環(huán)境變化和運(yùn)動(dòng)條件變(3)組織功能。對(duì)于復(fù)雜的任務(wù)和分散的傳感信息具有自行組織和協(xié)調(diào)功能。該組織功能還表現(xiàn)為系統(tǒng)具有相應(yīng)的主動(dòng)性和靈活性，并滿足多目標(biāo)和高性能指標(biāo)要求。(4)魯棒性。系統(tǒng)性能應(yīng)對(duì)環(huán)境干擾和不確定性等諸因素不敏感。(5)容錯(cuò)性。系統(tǒng)對(duì)各類故障具有屏蔽和自修復(fù)的功能。(6)實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性是智能控制的生命，系統(tǒng)應(yīng)具有相當(dāng)?shù)脑诰€實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力。智能控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)推理。我們之所以在定位器中提出智能控制的概念，這說明我們之前的定位器是不具備智能的特點(diǎn)，這給逐步發(fā)達(dá)的工業(yè)領(lǐng)域帶來了極大的不便，面對(duì)一些人工無法完成，計(jì)算龐大而艱澀的難題，對(duì)于傳統(tǒng)的以力平衡為原理的閥門就顯得有些力不從心了，面對(duì)這樣的局面智能閥門的出現(xiàn)可以說是解決人們無能為力的問題，開拓了工業(yè)控制領(lǐng)域的新局面，給工業(yè)自動(dòng)化帶來了新的深刻變革，代表了氣動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展方向。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1)定位精度高(2)自調(diào)整功能(3)多流量特性的選擇(4)低功耗(5)數(shù)字通訊功能1.3論文的主要研究?jī)?nèi)容(2)控制主板的硬件電路的設(shè)計(jì)；(3)軟件規(guī)劃設(shè)計(jì)。第2章智能閥門定位器系統(tǒng)制閥利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)(智能預(yù)估診斷),嵌入式數(shù)字解決方案2.1智能閥門定位器的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)2.1.1智能閥門定位器的結(jié)構(gòu)組成的常規(guī)模式，如圖2.1所示的方框圖[1]。(1)電源單元驅(qū)動(dòng)氣壓數(shù)字輸入輸入組件輔助輸入組件外部系統(tǒng)輸出輸出儀表數(shù)字輸出人員(2)人機(jī)接口(3)輔助輸入組件(4)通信接口部分智能閥門定位器沒有通信接口，只能使用人機(jī)接口進(jìn)行組態(tài)和讀取數(shù)據(jù)。通信接口進(jìn)一步增強(qiáng)了閥門定位器的智能化，使之與外部系統(tǒng)連接在一起，成為現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)并通過總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸(控制設(shè)定、組態(tài)和過程監(jiān)視)。(5)數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元以在板微處理器為特征，軟件及硬件可提供多種功能，不同產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理單元會(huì)有較大差異，可被實(shí)現(xiàn)的功能有：控制運(yùn)算功能、組態(tài)配置、校準(zhǔn)、整定、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和識(shí)別、外部過程控制功能、自診斷、趨勢(shì)記錄和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、以及部分功能(如組態(tài)、趨勢(shì)記錄)可分布到臨時(shí)連接或長(zhǎng)久連接在數(shù)據(jù)通信接口上的外部設(shè)備。(6)外部功能通過數(shù)據(jù)通信接口和現(xiàn)場(chǎng)總線，智能閥門定位器可與手持式現(xiàn)場(chǎng)通信器、PC機(jī)和過程控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，這些外部設(shè)備也具備智能閥門定位器的一部分功能，設(shè)備集成以及強(qiáng)大的系統(tǒng)能力可助推智能閥門定位器的互操作性和可用性。以智能閥門定位器產(chǎn)品SEPP4000為例，說明智能閥門定位器的內(nèi)部構(gòu)成及工作原理。定位器接受來自調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，通常4-20mA的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成閥位設(shè)定信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角實(shí)際位移通過連接裝置轉(zhuǎn)換為角位移，由位置轉(zhuǎn)換器測(cè)得，作為閥位反饋信號(hào)。微處理器根據(jù)閥位設(shè)定信號(hào)與實(shí)際閥位反饋信號(hào)偏差大小，進(jìn)行閉環(huán)控制。檢測(cè)到偏差后，根據(jù)偏差的大小和方向輸出PWM至壓電閥，控制薄膜氣室的進(jìn)氣量和排氣量。當(dāng)偏差很大時(shí)，定位器輸出連續(xù)信號(hào)；當(dāng)偏差不大時(shí)，輸出脈沖信號(hào)，偏差越小，脈寬越?。划?dāng)偏差調(diào)節(jié)至閥門調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)，則不輸出控制指令，使壓電閥處理保持狀態(tài)。通過控制壓電閥，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥氣室的進(jìn)氣或排氣，通過氣室氣壓調(diào)節(jié)閥桿的動(dòng)作。閉環(huán)控制原理圖如圖2.2所示。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器閥門定位器I/P轉(zhuǎn)換單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位位置傳感器圖2.2智能閥門定位器閉環(huán)控制原理控制信號(hào)檢測(cè)單元將閥位設(shè)定信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央控制單元所能接受的數(shù)字信號(hào)，包括氣源排氣壓電閥進(jìn)氣圖2.3閥門定位器控制系統(tǒng)圖大小相等方向相反，驅(qū)動(dòng)力的大小與氣源壓力和氣缸(活塞)有效及平衡壓力有關(guān)。2.2控制主板的設(shè)計(jì)控制主板是接受來自調(diào)節(jié)器或上位機(jī)的輸出信號(hào)(電流信號(hào)或數(shù)字信號(hào)),經(jīng)過處理后，以電流信號(hào)的形式可通過模擬位置反饋處理器)、信號(hào)采集模塊(電流信號(hào)檢測(cè)單元和A/D采樣單元)、壓電閥驅(qū)動(dòng)模塊、閥位反饋檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊(按鍵與液晶顯示)等?？刂浦靼寰哂?-20mA的電流接口、位器迅速達(dá)到比較好的工作狀態(tài)。組態(tài)調(diào)整方式主要完成定位其大部分參數(shù)的更改和保作為控制信號(hào)，而外部采用24V電源供電。(1)高電平時(shí)間需要維持35ms以上，才能觀察到進(jìn)氣狀態(tài)下閥桿的動(dòng)作，低電平需2.2.2位置傳感器表2.1導(dǎo)電材料精密度旋轉(zhuǎn)電位器序號(hào)名稱參數(shù)大小1有效電氣角2阻抗值3功率4線性度5阻抗溫度系數(shù)6溫度范圍A/D采樣值與閥位的關(guān)系如圖2.4所示。A/DPV_LPVPV_H圖2.4A/D采樣與閥位關(guān)系第3章智能閥門定位器軟件規(guī)劃3.4測(cè)試模塊程序設(shè)計(jì)3.5系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)第4章智能閥門定位器的硬件設(shè)計(jì)顯示模塊及A/D轉(zhuǎn)換器工作電壓為5V,調(diào)理電路中的運(yùn)放所需電源電壓為+15或-15V所以電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表4.1所示。表4.1各模塊所需的供電電壓控制電路模塊供電電壓(V)I/V轉(zhuǎn)換單元5液晶5按鍵5的是DC/DC為金升陽電源模塊7805,該電源可提供的功率是6W,電壓的精度為2%,轉(zhuǎn)換效率為85%,具有短路保護(hù)功能，24V轉(zhuǎn)成5V電路原理圖如圖4.1所示?？?口64.1.25VDC轉(zhuǎn)3.3VDC電路核心板需要提供3.3V電源，且電流消耗為90mA,故采用TL783,線性穩(wěn)壓芯片，該芯電源設(shè)計(jì)電路原理如圖4.2所示。3V324V轉(zhuǎn)+15V電路原理圖如圖4.3所示。V圖4.324V轉(zhuǎn)+15V電路原理圖4.2信號(hào)采樣模塊轉(zhuǎn)換芯片AT89C51[6]。查看：279次圖4.4AT89C51引腳圖用外部振蕩器時(shí)，信號(hào)接入(19)腳，(18)(2)復(fù)位與復(fù)位電路才為0000H,即指向ROM的0000H單元。此外，專用寄存器SFR中的SP為07H,即指向片樣任務(wù)，使A/D采樣穩(wěn)定可靠。A/D采樣的程序流程圖如圖4.6所示。NNY讀取12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，先讀取低8位，再讀取高4位結(jié)束4.3人機(jī)交互模塊人機(jī)交互模塊包括液晶顯示和按鍵，按鍵用于工作模式的切換、組態(tài)參數(shù)的設(shè)定和修改等，液晶顯示用于實(shí)時(shí)顯示閥門定位器的工作狀態(tài)，方便用戶觀察和調(diào)試。在閥門定位器中，液晶用于顯示閥門定位器工作狀態(tài)信息，便于用戶觀察。液晶是一種介于固體和液體之間的特殊物質(zhì)，它是一種有機(jī)化合物，常態(tài)下呈液態(tài)，但是它的分子排列卻和固體晶體一樣非常規(guī)則。因此取名液晶，它的另一個(gè)特殊性質(zhì)在于，如果給液晶施加一個(gè)電場(chǎng)，會(huì)改變它的分子排列，這時(shí)如果給它配合偏振光片，它就具有陰止光線通過的作用(在不施加電場(chǎng)時(shí)，光線可以順利透過)。液晶顯示器的高壓板電路：液晶顯示器本身我們給它加了驅(qū)動(dòng)電路，但它并不發(fā)光，我們看到的液晶顯示器發(fā)出來的光是它內(nèi)部燈管發(fā)出的，燈管的特性類似于家用的日光燈，它工作需要高壓。也就是要和它配合的高壓電路，這部分電路通常稱為高壓背光電路?；蚪懈邏罕彻怛?qū)動(dòng)電路，液晶顯示器所消耗的電能基本全是它消耗了。在閥門定位器的開發(fā)研究階段，基于現(xiàn)實(shí)條件的限制，我們采用LCD1602液晶。液晶顯示電路原理圖如圖4.71602液晶可以顯示2行，每行16個(gè)字符，通過編程可以顯示數(shù)據(jù)和字結(jié)束4.3.2按鍵99圖4.9按鍵電路顯示圖圖4.10所示。否4.4串口通訊模塊是按