一种新型调节阀控制系统的设计.doc

1、一种新型调节阀控制系统的设计摘要：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 ValveAbstract：Control system of a new adjusting valve is designed. Composing elements and working principle of the control syst

2、em 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 strong.Keywords：control system adjusting valve design

3、1 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

4、 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

5、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

6、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

7、一 种 数 字 式 脉 冲 信 号 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30 4 1.5 0.88 33.2 主机芯片及

8、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 。

9、 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 统 来 说 ， 选 用 MAX232 来 实 现串 行 口

10、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WR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、P 0.1

11、及 P0.2 直接相连，CLK 由 8751 的 ALE 提供。3.4 LED 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

12、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，P 1.5，P 1.6 3 位分别输出控制脉冲，根据 P1.3，P 1.5，P 1.6 口输出控制

13、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 Visual 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

14、 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，这样会对控制带来系统误差。针对这个问题，可以采用变速控制来消除，从而进一步提高控制精度。参考文献1 曹承志.微型计算机控制新技术M.北京：机械工业出版社, 2001：172 刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系统M.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，1997：2542643 李华，孙晓明.MCS-51 系列单片机实用接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社.1993：500505