一种新型调节阀控制系统的设计

1、一种新型调节阀控制系统的设计刘春雨 韩伟实 曾和荣哈尔滨工程大学 摘要：设计了一种新型调节阀的控制系统。简述了该控制系统的组成及工作原理，并对该系统的硬件及软件进行了设计。该系统具有成本低、控制精度高、抗干扰性强等优点，可以使该种调节阀能方便地实现智能和远程控制。关键词：控制系统 调节阀 设计Design for Control System of a New Adjusting ValveLiu Chunyu Han Weishi Zeng HerongAbstract：Control system of a new adjusting valve is designed. Composin

2、g elements and working principle of the control system are presented, hardware and software of the system are designed. The control system, which easily realizes intelligent and long-range control for the new adjusting valve, has advantage of low cost, control accuracy high, interference rejection s

3、trong.Keywords：control system adjusting valve design1 引言目前，调节阀门大多采用通用的气动、电动的驱动方式，驱动机构复杂、功率消耗大、自动控制困难。随着大型成套设备的发展，系统参数提高，管道内输送的流量增加，对调节阀门的控制提出了新的要求。本文提供的新型调节阀门因采用独特的节流管伺服调控和自能源驱动措施，从而完全改变了普通阀门的驱动方式。因此可用简单、小型的控制机构替代目前普遍应用在调节阀上的复杂、大型的阀门驱动装置。在工业自动控制领域中，利用单片机技术来实现自动控制非常普遍1，本文设计的控制系统就是基于89C51为中心的单片机控制系统。在

4、本系统中，利用单片机的串行通讯接口，实现了单片机和计算机的通讯。通过这样的设计处理，使得本调节阀能方便地实现智能和远程控制。2 控制系统的组成及工作原理根据系统的控制要求并结合现场的工艺要求，控制系统既要符合现场工艺要求、工作可靠、操作方便，又要有最小的开发支出。由于本调节阀自身的低驱动力矩和良好的密封性能，本方案决定选用ATMEL公司的MCS-51单片机为中央控制器，增加必要的扩展，形成控制系统，如图1所示。图1 控制系统框图系统工作时，首先由传感器检测出阀杆的当前位置即位移值，经A/D转换后，将数字量送入单片机中，单片机再经过转换后实时把当前位移值显示出来。这时，可以根据显示结果而输入控制

5、量，然后单片机依据输入值而做出相应的反应。阀杆的位移值到达上限值或下限值时，则报警并使指示灯亮，此时，手动操作员应调整位移量而使阀门的开口度达到正常的工作状态，单片机依据该位移量的大小发出控制指令，控制其相应的执行机构，从而完成阀门开口度的调整。3 控制系统硬件设计3.1 执行电机的选择作为控制系统的执行元件，对执行电机的要求如下：1）满足负载运动的要求，即提供足够的力矩和功率，使负载达到要求的运动性能；2）能很快地正反转，能快速起动和停止，保证系统的快速运动；3）有较宽的调速范围；4）电机本身的功率消耗小，体积小，重量轻。因此，我们选用步进电动机作为执行机构。步进电动机是将一种数字式脉冲信号

6、转换机械角位移(线位移)的机电元件 2。它的机械位移与输入的数字脉冲信号有严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电动机前进一步。作为近代数字控制系统的最佳选择，它是一种比较理想的执行元件。根据本系统负载、步距角等要求选择步进电动机75BF003。表1 75BF003型步进电动机参数额定电压/V静态电流/A步距角/（°）最大静态转矩/N· m相数3041.50.8833.2 主机芯片及接口的选择通讯接口电路如图2所示。主机芯片为MCS-51系列的8751芯片，两片74LS373用作地址锁存，一片2864A用作程序存储器EEPROM，一片74LS138译码器产生三位数码管的位驱

7、动信号，A/D转换器用0809芯片，一片74LS02芯片产生ADC0809的读、写片选信号，一片7414产生ADC0809转换结束的中断信号。图2 通讯接口电路框图在单片机测控系统中，数据通讯主要采用异步串行通讯方式。而在设计通讯接口时，必须根据需要选择标准接口。对于本系统而言，采用EIA RS-232C标准接口，EIA RS-232C是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，用来实现单片机和计算机之间的数据通讯3。构成RS-232C标准接口的硬件有多种，如MAX232、INS8250、INTEL8251A及Z80-SIO等通讯接口芯片，通过编程可使其满足RS-232C通讯接口的要求，对于本系

8、统来说，选用MAX232来实现串行口通讯。MAX232的主要作用是实现TTL电平和232电平之间的转换。3.3 数据采集系统设计本系统中的传感器选用德国的巴鲁夫线位移传感器，它可以把位置信号转换成电流信号来求得阀杆的位移量。数据采集电路由ADC0809、74LS02、74LS373和8751的P0口而构成，它能同时采集8路模拟信号，而本系统只使用两路。在这里是将ADC0809作为一个外部扩展的并行I/O口，直接由8751的P20和脉冲进行启动，因而其端口地址为7FF8H，模拟量输入通道选择端A、B、C分别与8751的P0.0、P0.1及P0.2直接相连，CLK由8751的ALE提供。3.4 L

9、ED动态显示电路设计LED动态显示原理图如图3所示。由于本系统属于多位LED显示，为了简化硬件电路，将所有位的段选线相应地并联在一起，由一个或两个8位I/O控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个3位I/O口。图3 LED动态显示原理图4 控制系统软件设计4.1 单片机软件设计本控制系统是以单片机为中心的控制系统，单片机结合一定的外围电路完成系统数据采集、输出控制信号、串行通讯以及实时显示等功能，它是一个完整的智能控制元件。图4为主程序流程图，此图表明了整个过程的控制思想。由步进电动机的工作

10、原理可知，步进电动机是在一定顺序的电脉冲控制下运转的。在本系统中，三相步进电动机的通电方式为三相六拍通电方式。步进电动机要正常运转，必须正确地分配各相控制脉冲，使各相绕组按规定的顺序轮流通电。控制脉冲的分配可以由硬件来完成，也可由软件来完成，在本系统中采用软件方式来完成。因为用软件完成控制脉冲的分配具有灵活方便、适应性广等特点，此外还可以省去硬件开销。在本系统中，我们用P1.3，P1.5，P1.6 3位分别输出控制脉冲，根据P1.3，P1.5，P1.6口输出控制信号的状态，即可实现对步进电动机的正反转控制。图4 主程序流程图4.2 RS-232模块通讯设计本系统的上位机通讯主要是利用Visua

11、l C+来完成的。首先，根据单片机和RS-232的通讯协议，即选择串行口、波特率选择、打开串口和关闭串口，设计了串口设置对话框；其次，根据上位机和单片机之间的通讯要求，即上位机能接收单片机实时上传的阀杆当前位置以及上位机能发出控制信号给单片机，设计了串口操作对话框。图5 串口通讯对话框5 结论本文针对一种新型调节阀，设计出了以89C51单片机为中心的控制系统，其特点主要表现如下。1）由于本控制系统选用步进电动机作为执行机构，使得本控制系统的体积和重量都大大减小，从而极大地降低了控制系统的成本和系统工作时的噪音。2）在本系统中，利用单片机的串行通讯接口，实现了单片机和计算机的通讯，使得本调节阀能方便地实现远程控制。3）整个系统采用闭环控制，在需要时也可以实现开环控制，利用一个位移传感器实时检测出阀杆的当前位置，从而反馈给单片机以指导控制程序发出正确的控制指令。特别是本系统使用脉冲控制(PWM)，这样可以达到较好的控制精度并且提高了系统的抗干扰能力。对于本控制系统，由于采用步进电动机作恒速控制，而步进电动机在高频工作、瞬间开启和瞬间关闭时，可能会产生失步和超调，这样会对控制带来