現場總線與無線控制的閥門電動裝置的設計

2013-05-15 項美根黃山良業閥門有限公司

　　介紹了一種現場總線與無線控制的閥門電動裝置的性能特點、圖示說明、測試方式，以及通過信號輸入電路和控制信號輸出電路連接并由計算機控制輸出的工作過程。

1、概述

　　目前管網系統的監測技術發展比較快，大部分管網系統都建設了SCADA 系統，極大地提高了對管網的監測效率。但是就閥門的控制而言，大部分地區尤其是中小型城市，都還處于人工操作的階段。因此不能有效的對管網實施調度，當發生突發性事件( 如爆管、泄漏等) 時，由于不能及時關閉閥門而造成更大的損失。因而很有必要對閥門的控制系統提出一套行之有效的方案來。隨著工業自動化和嵌入式技術的發展，傳統的手工機械調節的方式在許多場合已不再實用。

　　利用網絡實現遠程監控已為人們廣泛接受，嵌入式網絡監控技術正是在這種條件下逐步發展成熟的。用戶使用web 瀏覽器通過以太網遠程訪問內置web 服務器的現場設備，不但可以對其工作狀態進行遠程監控，而且還可以向被監控設備發送控制指令，實現實時控制。要實現管網系統的工業自動化管理，就離不開自動閥門這個管網系統中的執行機構。這對閥門電動執行機構控制器的智能性提出了更高的要求。同時，在一些特定的場合需要多個閥門聯動控制，來達到整個系統的控制要求。如果是在有毒、易爆或易燃介質的生產現場，人工現場控制就極為危險，因而遠距離控制在這類應用場合就更為必要。

　　由于目前工業通信協議沒有統一的標準，存在多種協議，針對這個問題，筆者提出一種可以多種線和無線控制的閥門電動裝置，使其具備更靈活的組網方式，并且可以用于不方便布線的場合，其目的是通過現場總線或無線對閥門進行開關以及開度的遠程控制。

2、設備的構成

　　裝置由底板、主板和擴展板組成; 底板包括電源模塊、控制信號輸出單元、溫度傳感器、蜂鳴器;主板包括微控制器以及和微控制器相連的調試接口、復位單元、時鐘單元、液晶顯示接口、模擬信號輸入接口以及無線接口; 擴展板包括開關量信號輸入接口、現場總線通訊接口以及地址設置模塊。

　　具體的技術措施還包括：

　　底板中電源模塊提供了4 組電源供系統使用，分別是12V、5V、5V、3. 3V; 溫度傳感器采用了DS1820 單總線數字溫度計; 控制信號輸出單元輸出信號用于直接控制閥門專用電機;主板中微控制器采用的是ATmega128，與其相連的有調試接口、復位單元和時鐘電路無源晶振18M，另外還配置有液晶顯示接口、模擬信號輸入接口和無線接口，可以根據需要外接液晶模塊、無線模塊。

　　擴展板由現場總線通訊接口、地址設置模塊和開關量信號輸入接口組成，其中現場總線接口可以外接總線模塊，支持的總線模塊包括Modbus、CAN 總線和Profibus-DP; 開關量信號輸入接口獲取外部的開關量信號并將其送往微控制器進行處理。開關量信號有: 開閥信號、關閥信號、停止信號、閥門開到位信號、閥門關到位信號、開閥轉矩過載信號和關閥轉矩過載信號; 地址設置模塊由撥碼開關構成，用于設置閥門電動裝置的地址。

3、功能模塊與測試方式

　　控制器的電路原理如圖1 所示。

控制器的電路原理圖

圖1 主板電路原理

　　控制器由底板、主板和擴展板構成; 底板由溫度傳感器、蜂鳴器、電源模塊和控制信號輸出單元構成; 主板由微控制器以及與微控制器相連的調試接口、復位單元、時鐘單元、液晶顯示接口、模擬信號輸入接口和無線接口構成，根據需要可以外接液晶模塊、閥位傳感器和無線模塊; 擴展板由開關量信號輸入接口、現場總線通訊接口和地址設置模塊構成，其中和現場總線通訊接口的總線模塊有Modbus、CAN 總線以及Profibus-DP; 與開關量信號輸入接口相連的開關量信號有: 開閥信號、關閥信號、停止信號、閥門開到位信號、閥門關到位信號、開閥轉矩過載信號、關閥轉矩過載信號。

　　底板的電路原理圖，由溫度傳感器、電源、電源指示燈、電源接口、繼電器控制電路組成; 其中電源由市電220V 提供，經過AC-DC 模塊轉變為穩定的12V 電壓，12V 電壓經過LM7805 提供一組5V 電壓，另外由IB1205 得到另外一組完全隔離的5V 電壓，該隔離5V 電源經過ASM1117 后得到3.3V 電壓; 電源指示燈用于指示系統的電源狀態; 繼電器控制電路采用了光耦6N137 進行信號隔離，然后由ULN2003 對信號進行放大后對繼電器進行控制; 蜂鳴器由一個三極管來控制。

　　如圖1，微控制器采用的是ATmega128，與微控制器相連的有復位電路、時鐘電路，無線接口、液晶接口、JTAG 調試接口以及AD 轉換電路。擴展板的電路原理包括開關量信號輸入接口，撥碼開關、Modbus 接口、CAN 總線/Profibus - DP 接口; 其中開關量信號由繼電器的開啟和閉合來提供，并通過光耦TIL1117 隔離后提供給微控制器。Modbus 的電路原理包括RS232 電路和485 接口，這兩種接口均可以用于Modbus 的通訊; 其中RS232 電路由MAX232 及外圍電容來實現; 485 接口由光耦6N137 和485 控制芯片SN65LBC184 來實現其功能。CAN 總線模塊由CAN 總線的協議芯片SJA1000 和總線控制芯片PCA82C250 以及光耦6N137 來實現其功能。Profibus-Dp 的電路原理如Profibus-DP 模塊由協議芯片SPC3 和總線控制芯片ADM2486 以及有源晶振48MHz 來實現其功能。