智能阀门定位器设计

摘要[摘要]:智能阀门定位器具有高灵敏度、高可靠性以及内设整定参数可选择性，使有死区的阀门动态响应得到很大的改善，并使阀门行程精确和稳定地操作。智能阀门定位器从二十世纪中期产生至今，经历了几个不同的发展阶段。目前智能式阀门定位器是国内外研究和使用的重点。本文主要针对智能式阀门定位器的硬件部分进行研究设计，并对定位器的硬件控制系统的组成情况以及主要的模块特性进行了系统的分析研究。首先根据目前国内、外对智能阀门定位器的研究，通过深入分析典型智能阀门定位器的结构，工作原理及其实现的功能，制定出系统的设计方案。其次主要从宏观上设计出定位器的结构组成及工作原理，其次对该定位器做出软件设计的规划，包括主程序的设计、反馈信号采样和数据处理模块程序的设计、输入信号采样和数据处理模块程序的设计以及测试模块程序的设计等。最后对定位器硬件系统进行了详细设计。主要包括电源电路设计、信号采样模块的设计、人机交互模块的设计以及串口通讯模块的设计，并采用了功能强大的电路电子仿真软件Proteus对系统进行了搭建实验。最终率先完成了定位器硬件系统整体设计要求。关键词：阀门定位器；Proteus;电路设计1.1背景及研究意义智能控制是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来介绍那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制、其中包括智能机器人系统，复杂工业过程控制系统、航空航天控制系统、交通运输系统等。近十几年来，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃。智能控制技术发展迅速，已提出许多方法，如专家控制、模糊控制、神经网络控制、分层递阶控制、拟人智能控制和基因控制等。其目的是提高其研究重点集中在智能控制元件、系统的智能控制方法和智能控制器的实时实现方面。面对现代化工业的特点和要求，一个理想的智能控制系统应具备以下一些的功能特(1)学习功能。系统具有自行改善自身性能的能力，即在经历某种变化后，系统性(2)适应功能。系统应具有适应受控对象动力学特性变化、环境变化和运动条件变(3)组织功能。对于复杂的任务和分散的传感信息具有自行组织和协调功能。该组织功能还表现为系统具有相应的主动性和灵活性，并满足多目标和高性能指标要求。(4)鲁棒性。系统性能应对环境干扰和不确定性等诸因素不敏感。(5)容错性。系统对各类故障具有屏蔽和自修复的功能。(6)实时性。实时性是智能控制的生命，系统应具有相当的在线实时响应的能力。智能控制系统需要实时监控、实时处理、实时学习和实时动态推理。我们之所以在定位器中提出智能控制的概念，这说明我们之前的定位器是不具备智能的特点，这给逐步发达的工业领域带来了极大的不便，面对一些人工无法完成，计算庞大而艰涩的难题，对于传统的以力平衡为原理的阀门就显得有些力不从心了，面对这样的局面智能阀门的出现可以说是解决人们无能为力的问题，开拓了工业控制领域的新局面，给工业自动化带来了新的深刻变革，代表了气动执行器的发展方向。1.2国内外研究现状(1)定位精度高(2)自调整功能(3)多流量特性的选择(4)低功耗(5)数字通讯功能1.3论文的主要研究内容(2)控制主板的硬件电路的设计；(3)软件规划设计。第2章智能阀门定位器系统制阀利用计算机技术、通信技术和人工智能技术(智能预估诊断),嵌入式数字解决方案2.1智能阀门定位器的结构原理及设计2.1.1智能阀门定位器的结构组成的常规模式，如图2.1所示的方框图[1]。(1)电源单元驱动气压数字输入输入组件辅助输入组件外部系统输出输出仪表数字输出人员(2)人机接口(3)辅助输入组件(4)通信接口部分智能阀门定位器没有通信接口，只能使用人机接口进行组态和读取数据。通信接口进一步增强了阀门定位器的智能化，使之与外部系统连接在一起，成为现场总线的一个节点并通过总线网络实现数据传输(控制设定、组态和过程监视)。(5)数据处理单元数据处理单元以在板微处理器为特征，软件及硬件可提供多种功能，不同产品的数据处理单元会有较大差异，可被实现的功能有：控制运算功能、组态配置、校准、整定、状态监测和识别、外部过程控制功能、自诊断、趋势记录和数据存储、以及部分功能(如组态、趋势记录)可分布到临时连接或长久连接在数据通信接口上的外部设备。(6)外部功能通过数据通信接口和现场总线，智能阀门定位器可与手持式现场通信器、PC机和过程控制系统进行双向通信，这些外部设备也具备智能阀门定位器的一部分功能，设备集成以及强大的系统能力可助推智能阀门定位器的互操作性和可用性。以智能阀门定位器产品SEPP4000为例，说明智能阀门定位器的内部构成及工作原理。定位器接受来自调节器的输出信号，通常4-20mA的电流信号，转换成阀位设定信号，执行机构的直线或转角实际位移通过连接装置转换为角位移，由位置转换器测得，作为阀位反馈信号。微处理器根据阀位设定信号与实际阀位反馈信号偏差大小，进行闭环控制。检测到偏差后，根据偏差的大小和方向输出PWM至压电阀，控制薄膜气室的进气量和排气量。当偏差很大时，定位器输出连续信号；当偏差不大时，输出脉冲信号，偏差越小，脉宽越小；当偏差调节至阀门调节精度范围内，则不输出控制指令，使压电阀处理保持状态。通过控制压电阀，实现调节阀气室的进气或排气，通过气室气压调节阀杆的动作。闭环控制原理图如图2.2所示。调节器调节器阀门定位器I/P转换单元执行机构阀位位置传感器图2.2智能阀门定位器闭环控制原理控制信号检测单元将阀位设定信号转换成中央控制单元所能接受的数字信号，包括气源排气压电阀进气图2.3阀门定位器控制系统图大小相等方向相反，驱动力的大小与气源压力和气缸(活塞)有效及平衡压力有关。2.2控制主板的设计控制主板是接受来自调节器或上位机的输出信号(电流信号或数字信号),经过处理后，以电流信号的形式可通过模拟位置反馈处理器)、信号采集模块(电流信号检测单元和A/D采样单元)、压电阀驱动模块、阀位反馈检测模块、人机交互模块(按键与液晶显示)等。控制主板具有4-20mA的电流接口、位器迅速达到比较好的工作状态。组态调整方式主要完成定位其大部分参数的更改和保作为控制信号，而外部采用24V电源供电。(1)高电平时间需要维持35ms以上，才能观察到进气状态下阀杆的动作，低电平需2.2.2位置传感器表2.1导电材料精密度旋转电位器序号名称参数大小1有效电气角2阻抗值3功率4线性度5阻抗温度系数6温度范围A/D采样值与阀位的关系如图2.4所示。A/DPV_LPVPV_H图2.4A/D采样与阀位关系第3章智能阀门定位器软件规划3.4测试模块程序设计3.5系统程序设计第4章智能阀门定位器的硬件设计显示模块及A/D转换器工作电压为5V,调理电路中的运放所需电源电压为+15或-15V所以电压进行统计如表4.1所示。表4.1各模块所需的供电电压控制电路模块供电电压(V)I/V转换单元5液晶5按键5的是DC/DC为金升阳电源模块7805,该电源可提供的功率是6W,电压的精度为2%,转换效率为85%,具有短路保护功能，24V转成5V电路原理图如图4.1所示。口6口64.1.25VDC转3.3VDC电路核心板需要提供3.3V电源，且电流消耗为90mA,故采用TL783,线性稳压芯片，该芯电源设计电路原理如图4.2所示。3V324V转+15V电路原理图如图4.3所示。V图4.324V转+15V电路原理图4.2信号采样模块转换芯片AT89C51[6]。查看：279次图4.4AT89C51引脚图用外部振荡器时，信号接入(19)脚，(18)(2)复位与复位电路才为0000H,即指向ROM的0000H单元。此外，专用寄存器SFR中的SP为07H,即指向片样任务，使A/D采样稳定可靠。A/D采样的程序流程图如图4.6所示。NNY读取12位转换结果，先读取低8位，再读取高4位结束4.3人机交互模块人机交互模块包括液晶显示和按键，按键用于工作模式的切换、组态参数的设定和修改等，液晶显示用于实时显示阀门定位器的工作状态，方便用户观察和调试。在阀门定位器中，液晶用于显示阀门定位器工作状态信息，便于用户观察。液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则。因此取名液晶，它的另一个特殊性质在于，如果给液晶施加一个电场，会改变它的分子排列，这时如果给它配合偏振光片，它就具有阴止光线通过的作用(在不施加电场时，光线可以顺利透过)。液晶显示器的高压板电路：液晶显示器本身我们给它加了驱动电路，但它并不发光，我们看到的液晶显示器发出来的光是它内部灯管发出的，灯管的特性类似于家用的日光灯，它工作需要高压。也就是要和它配合的高压电路，这部分电路通常称为高压背光电路。或叫高压背光驱动电路，液晶显示器所消耗的电能基本全是它消耗了。在阀门定位器的开发研究阶段，基于现实条件的限制，我们采用LCD1602液晶。液晶显示电路原理图如图4.71602液晶可以显示2行，每行16个字符，通过编程可以显示数据和字结束4.3.2按键99图4.9按键电路显示图图4.10所示。否4.4串口通讯模块是按