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基于DeviceNet的气动阀门定位器设计

2014/5/31    来源:万方数据    作者:储昭碧  冯小英      
关键字:气动阀  定位器  DeviceNet  
本文提出一种基于DeviceNet的气动阀门定位器,设计了网络接口电路、阀位检测与控制电路图.给出了定位器的对象模型、软件层次结构和自动标定方法,指出硬件和软件设计的关键问题,具有实用性的指导意义。

1 引言

    目前自动控制系统正从DCS向FCS过渡,这就要求包括调节阀在内的执行元件必须具有现场总线网络通信功能。在多种现场总线标准中,基于控制局域网(CAN)总线接口标准的设备网(DeviceNet)具有接口简单、抗干扰性能强、开放性好等多种优点,我国把它作为国家标准GB/T18858.322002发布,于2003204201开始实施。调节阀是自动控制系统中常用的执行元件,特别是气动阀门具有响应快、抗干扰能力强的优点,在生产实际中广泛应用。设计基于DeviceNet的气动阀门定位器,具有很好的实用价值。

    图1是气动阀门的工作原理,阀门定位器从DeviceNet总线上接收当前阀门位置的给定值,从阀门行程反馈信号得到前阀门位置的反馈值,根据控制算法计算出4~20mA控制信号送入I/P变换器,I/P的输出被送到气动放大器组件。该组件也同样与气源相连,将从I/P转换器来的小气动信号放大成为单作用执行机构所用的单个较大的气动输出信号。在双作用执行机构应用中,放大器接收来自I/P转换器的气动信号,并提供两个气动输出信号。送给执行机构的放大器输出压力的变化引起阀位移动。仪表的行程经反馈连杆驱动电位计指示阀位的位置的行程开关的状态。

阀门定位器工作原理

图1 阀门定位器工作原理

    电位计电气上与阀门定位器连接,以提供用于控制算法的行程反馈信号。开关位置检测阀位全开和全关阀门定位器的硬件主要包括阀位检测、开关状态输入、DeviceNet网络接口、操作按键以及状态指示等电路。软件主要包括DeviceNet服务程序、PID控制算法程序、按键检测与状态显示程序。

2 硬件设计

    阀门定位器的硬件设计主要包括与DeviceNet相关的电路以及与阀位检测控制相关的电路两大部分。前者必须依据DeviceNet规范,尽量采用规范推荐的电路。它主要包括电源转换、通信接口、状态指示、设置开关几个部分。其中设置开关用于设置DeviceNet的节点地址—MAC D,以及网络数据传输速率两个网络基本参数。MAC D范围等于0~63,要用6位拨码开关,数据传输速率有125、250与500kbps三种,需用2位拨码开关。其余三个电路如图2所示。选用Microchip公司的PIC18F系列单片机中内置10位A/D和CAN控制器接口的CPU。

电源转换、隔离通信接口、状态指示电路

图2 电源转换、隔离通信接口、状态指示电路

  规范中详细规定了网络状态以及模块状态的指示内容和显示方法。依据规范,图2中用红/绿双色LED灯MNS的颜色、闪烁、保持等不同的状态来综合显示网络以及模块当前的状态。另一个双色指示灯IO用来表示阀位的状态,对此规范中没有明确说明。我们定义如表1所示。

  为增强控制器可靠性采用两片高速光耦6N137作为隔离栅,把网络总线与本控制器从电气上隔离开来。使用DC/DC电源变换器U14从DeviceNet电源线上获得一路非隔离+5V电源OUT1给CAN通信收发器MCP2551供电,另一路隔离电源VCC提供其它电路所需电源。要注意总线供电电压的有效范围是11~25V。肖特基二极管D1防止把电源线V+错接到V2端子上时产生损坏,晶体管Q1防止当V2没有接线导致损坏。Q1与电阻R1、R2还能防止地线断路。

    阀位检测与控制电路如图3,虚线框内的部分是阀门内部器件。阀位反馈采用滑动电位器RV来获得,开到位与关到位的行程开关状态经光耦TLP521-2输入到CPU中。其中的R11、R8分别用来防止电源VCC、V+短路。VREF+与VREF-分别是CPU内置A/D的参考电源的正极性端子和负极性端子,在数值上分别对应A/D转换结果的满刻度值和零值,对应阀位的开度最大与最小的位置。AN0连接到CPU内部A/D的模拟信号输入端,它与VREF-之间的电压线性地反映了阀门开度的大小。

阀位检测与控制电路

图3 阀位检测与控制电路

    阀位控制采用10bit电流输出型D/A转换器MAX5550把数字控制信号转换为4~20mA的电流信号,经由OUTA引脚送入电气转换器,再返回到地线GND引脚,调节气压而改变阀门位置。

责任编辑:陈浩
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