普通電動(dòng)閥門是一種通用的執(zhí)行單元，它作為一種重要的執(zhí)行器件廣泛地用于工業(yè)流程控制領(lǐng)域,，具有不可替代的作用,。閥門電動(dòng)裝置是以電機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)機(jī)械減速裝置將動(dòng)力傳給閥門,，實(shí)現(xiàn)閥門開啟和關(guān)閉的最終部件,，它是電動(dòng)閥門中的核心部分。近年來,，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電動(dòng)閥門的廠商通過對(duì)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和吸收,，以及與Limitorque、Rotork等國(guó)際著名企業(yè)的合作,，已經(jīng)逐步掌握了機(jī)械傳動(dòng),、制造等一些核心技術(shù)，加之價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì),，取得了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位,。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn),，僅有現(xiàn)場(chǎng)操作以及簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制功能的電動(dòng)閥門越來越難以滿足市場(chǎng)需要,，國(guó)外各大公司紛紛推出現(xiàn)場(chǎng)總線電動(dòng)閥門產(chǎn)品，但價(jià)格高昂,。因此,，提高我國(guó)電動(dòng)閥門的自動(dòng)化水平，對(duì)國(guó)內(nèi)的電動(dòng)閥門產(chǎn)品加以改造,，推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品,，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，鞏固國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并能逐步參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于加入WTO的今天有著重要的意義,。
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在制造或過程區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式,、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線,。它也被稱為開放式,、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)為工業(yè)自動(dòng)化提供了全分布的解決方案,，提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能和自治水平，便于系統(tǒng)的安裝和維護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的種類很多,，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線就有13種之多,，其中CAN總線以其支持多主方式，卓越的短幀傳輸性能,，極高的可靠性,，非破壞性總線先級(jí)仲裁方式，Intel,、Philips,、Motorola等眾多半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商的芯片支持，以及相對(duì)簡(jiǎn)單的開發(fā)手段和低廉的開發(fā)成本,，使其成為國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)的熱點(diǎn),。本文研究的基于CAN總線的閥門控制系統(tǒng)就是將微控制器技術(shù)、CAN技術(shù)應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)通用型電動(dòng)閥門中,，同工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一同構(gòu)成的閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),。
1 閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
通用型閥門對(duì)控制精度要求不高，操作也較簡(jiǎn)單,，僅有開,、關(guān)、停三種狀態(tài),。通常情況下,，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)閥門上控制器的操作來控制閥門的開啟和關(guān)閉，閥門的開度通過閥門上的指針式儀表指示,。出于保護(hù)的需要,，控制器在電氣控制上實(shí)現(xiàn)了閥門故障狀態(tài)下的停機(jī)功能，但是對(duì)故障的診斷只能依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn),，甚至需要開蓋檢查,，給維護(hù)帶來不便。
本文提出的遠(yuǎn)程閥門控制系統(tǒng)包括上,、下位兩級(jí)控制,，除了保留原有的現(xiàn)場(chǎng)操作功能外，操作人員還可以通過上位機(jī)對(duì)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,。上位機(jī)提供操作方便的人機(jī)交互界面,，支持對(duì)系統(tǒng)中不同閥門的簡(jiǎn)單組態(tài)，并采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中各閥門的狀態(tài)信息和故障信息的管理,，便于系統(tǒng)的維護(hù),，上位機(jī)除了具有與下位機(jī)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線接口外，還應(yīng)具有以太網(wǎng)接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部的信息交互,。下位機(jī)在盡量保留原有的電動(dòng)裝置電氣結(jié)構(gòu)的前提下,，引入了微控制器技術(shù)，構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng),，既支持現(xiàn)場(chǎng)的操作,，也支持上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制，二者可以通過現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)進(jìn)行切換,。下位機(jī)控制系統(tǒng)中增加了檢測(cè)電路和現(xiàn)場(chǎng)總線接口,，實(shí)現(xiàn)了閥門運(yùn)行中大量故障信息的采集。
微控制器一方面能按現(xiàn)場(chǎng)或上位機(jī)設(shè)置的閥門開度值控制閥門的開啟和關(guān)閉,，另一方面可以響應(yīng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求,，將閥門的運(yùn)行信息上傳給上位機(jī)。上位機(jī),、下位機(jī)之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接,，二者分工明確，構(gòu)成真正的全分布現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）,。
根據(jù)以上分析,，本文采用了集中管理、分散控制的上,、下位機(jī)兩級(jí)控制的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),，如圖1所示。
上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),，除上面提到的功能外,，還設(shè)計(jì)了運(yùn)行信息統(tǒng)計(jì)打印以及系統(tǒng)報(bào)警等功能;下位機(jī)是以微控制器為核心的控制單元，并嵌入到閥門中,，與閥門的電氣控制部分一同實(shí)現(xiàn)控制功能,。系統(tǒng)通信選用的是CAN總線，CAN總線協(xié)議簡(jiǎn)單,，僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,，用戶可以自己定義應(yīng)用層，傳輸介質(zhì)可以采用屏蔽的雙絞線,，信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，傳輸時(shí)間短,，受干擾的概率低,。總線通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m,，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5Kbps,，總線上可掛接設(shè)備數(shù)最多可達(dá)110個(gè)。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),，能夠自動(dòng)脫離總線,，有關(guān)CAN總線技術(shù)的文獻(xiàn)較多，在此不作詳述,。在本文提到的遠(yuǎn)程閥門控制系統(tǒng)中采用CAN總線是因?yàn)殚y門控制功能邏輯簡(jiǎn)單,、信息量小,，并結(jié)合CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸速度、開發(fā)的難易程度,、技術(shù)支持和成本等多方面的考慮,。
2 上位機(jī)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上位機(jī)硬件選用研華工控機(jī)IPC-6718V，配以研華的雙端口CAN接口卡PCL-841,，性能穩(wěn)定,，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。上位機(jī)軟件采用VB610來設(shè)計(jì),，便于實(shí)現(xiàn)用戶需要的各種監(jiān)控功能,。
上位機(jī)軟件包括系統(tǒng)安全模塊、系統(tǒng)通信參數(shù)設(shè)定模塊,、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和閥門控制模塊等幾個(gè)部分,。圖2給出了上位機(jī)各個(gè)軟件模塊之間的關(guān)系，從圖可以看出上位機(jī)軟件不僅實(shí)現(xiàn)了閥門控制功能,，而且充分考慮了作為一個(gè)控制軟件所需要的系統(tǒng)安全以及數(shù)據(jù)庫(kù)操作,。其中，閥門控制模塊是上位機(jī)軟件的核心,。
上位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各閥門狀態(tài)的監(jiān)控以及提供用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門的遠(yuǎn)程控制操作,。上位機(jī)軟件啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化,，之后進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行模式,，如果是初次應(yīng)用，初始化后還要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行組態(tài),。在運(yùn)行模式下,，上位機(jī)與下位閥門控制單元采用一問一答的方式進(jìn)行信息交換，上位機(jī)對(duì)每臺(tái)閥門返回的各種狀態(tài)和故障信息進(jìn)行分析后刷新數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)據(jù),，并刷新主監(jiān)控界面上的相應(yīng)部分,。由于主監(jiān)控界面上的閥門較多，僅能簡(jiǎn)單地示出每個(gè)閥門的基本運(yùn)行狀態(tài)（啟動(dòng),、停止,、故障）和開度，如果要查看某個(gè)閥門的詳細(xì)運(yùn)行信息,，可以通過點(diǎn)擊界面上的閥門圖標(biāo)切換到該閥門的單臺(tái)監(jiān)測(cè)界面,，這時(shí)除了可以給出閥門當(dāng)前的開度、開關(guān)停狀態(tài)等基本信息外,，還可以示出電機(jī)缺相,、轉(zhuǎn)越限、電機(jī)過熱等報(bào)警、故障信息,。圖3給出了這一過程的軟件流程,。
為了提高遠(yuǎn)程控制時(shí)的響應(yīng)速度，上位機(jī)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中單臺(tái)閥門的遠(yuǎn)程控制功能,，這種工作模式下,，用戶將要求的閥門開度通過CAN總線下傳給相應(yīng)閥門中的下位機(jī),，由下位機(jī)控制閥門的啟動(dòng)和停止,，并將整個(gè)過程的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中,，如果系統(tǒng)中不同的閥門有聯(lián)動(dòng)要求,，也可以通過上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。
3 下位機(jī)設(shè)計(jì)
閥門的動(dòng)作是由嵌入到閥門中的下位機(jī)控制的,，下位機(jī)在接收到指定開度的命令后將分析此時(shí)閥門的運(yùn)行情況和各種狀態(tài),，如果此時(shí)閥門處于允許動(dòng)作的狀態(tài)，下位機(jī)則發(fā)出分析后的指令（開或關(guān)）,，待閥門開度到達(dá)指定開度時(shí),，執(zhí)行停機(jī)操作。下面將從硬件,、軟件兩個(gè)方面對(duì)下位機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行較詳細(xì)的說明,。
3.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)
下位機(jī)是具有“自治”功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)，在原有的電氣控制電路基礎(chǔ)上增加了故障信號(hào)的采集和對(duì)外通信的CAN總線接口,。下位機(jī)電路從結(jié)構(gòu)和功能上可以分為主控單元模塊,、電源監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集及控制接口模塊,、人機(jī)接口模塊,、總線通信模塊。它們之間的關(guān)系如圖4所示,。
主控制模塊是整個(gè)下位機(jī)的核心,，由單片機(jī)的最小系統(tǒng)構(gòu)成，協(xié)調(diào)其他四個(gè)模塊工作,，完成下位機(jī)的控制功能,。考慮到閥門的運(yùn)行信息采集點(diǎn)和故障信息采集點(diǎn)的數(shù)量和系統(tǒng)開發(fā)的難易程度,，本系統(tǒng)選擇了PHILIP公司MCS51系列單片機(jī)80C552,，它具有256字節(jié)可讀寫的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、5個(gè)8位I/O口,、1個(gè)8位輸入口,、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)配置捕捉/比較模塊的16位定時(shí)器、15個(gè)中斷源,、2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí),、8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器、2路脈沖寬度調(diào)制輸出,、2個(gè)串行口（異步串行口和I2C總線口）,，還集成了看門狗定時(shí)器。
② 電源監(jiān)測(cè)模塊
閥門在工作過程中會(huì)因?yàn)槟承┰虺霈F(xiàn)主電源回路掉電的情況,，用戶要求在這種情況下,，下位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控部分仍能短期工作，并把這種故障及時(shí)上傳到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),，以便操作人員及早發(fā)現(xiàn),、及時(shí)排除。為此,，本文在下位機(jī)控制機(jī)中設(shè)計(jì)了電源監(jiān)測(cè)模塊,，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門供電情況的監(jiān)測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)主電源與備用電源間的切換,，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示,。由于主電源回路掉電時(shí)，備用電源僅為單片機(jī)系統(tǒng)供電,，加之這時(shí)的單片機(jī)系統(tǒng)工作于節(jié)電運(yùn)行方式,，功耗較低，所以備用電源采用普通干電池或充電電池,。實(shí)驗(yàn)證明,，在主電源回路掉電的情況下，備用電源可以工作12h以上,，完全可以滿足維修的需要,。
這部分是下位機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分,，主要完成閥門各種報(bào)警信號(hào),、開度的采集，對(duì)閥門開,、關(guān),、停的控制等，其結(jié)構(gòu)如圖6所示,。在數(shù)據(jù)采集電路中,，除了采集基本的運(yùn)行狀態(tài)外，還增加了電機(jī)缺相,、轉(zhuǎn)矩越限,、電機(jī)過熱,、熔斷器損壞、行程開關(guān)到位,、緊急制動(dòng)狀態(tài)等大量的信號(hào)采集點(diǎn),，提高了下位機(jī)的監(jiān)控能力。閥門中的采集信號(hào)和控制信號(hào)多數(shù)為強(qiáng)電信號(hào),，為了使單片機(jī)系統(tǒng)免受影響,，在電路中采用了隔離設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性,。
④ 人機(jī)接口模塊
對(duì)閥門的運(yùn)行除了可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制外,，還保留了現(xiàn)場(chǎng)控制功能，這主要通過現(xiàn)場(chǎng)手操器完成,，它是下位機(jī)中的人機(jī)接口模塊,。手操器由鍵盤和數(shù)碼管顯示電路組成,。在手操器的設(shè)計(jì)中采用了I2C總線技術(shù),，鍵盤電路采用了具有I2C接口的輸入輸出擴(kuò)展芯片PCF8574，顯示電路采用了具有I2C接口的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片SAA1064,，單片機(jī)80C552本身就集成有I2C總線接口,，為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了方便。手操器的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示,。另外,，I2C總線支持帶電插拔，給手操器的使用帶來了極大的方便,，使用者可以在不妨礙閥門正常工作的情況下,，拆裝手操器。
⑤ 通信功能模塊
通信電路是下位機(jī)中的CAN總線接口部分,，是提供閥門遠(yuǎn)程控制功能的核心部分,。它由CAN控制器SJA1000、CAN驅(qū)動(dòng)器82C250以及光電隔離電路構(gòu)成,，電路結(jié)構(gòu)如圖8所示,。由于光電隔離的需要，模塊使用了DC-DC電源模塊,。為了提高通信模塊的通用性,，滿足不同使用的需要，在下位機(jī)中還設(shè)計(jì)了微動(dòng)開關(guān),，用于設(shè)置不同的通信波特率和不同閥門的地址選擇,。
3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件用C51語言編寫，程序的可讀性,、可移植性大大提高,。下位機(jī)軟件主要完成閥門的狀態(tài)和故障的采集,、閥門開度采集、執(zhí)行開關(guān)停閥門的動(dòng)作和通信功能,。由于篇幅的關(guān)系,，下面僅介紹主控制程序和CAN總線通信中斷服務(wù)程序。
① 主程序的設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件的主要工作是采集閥門的信號(hào),、控制閥門運(yùn)動(dòng)以及響應(yīng)上位機(jī)的請(qǐng)求或命令,。下位機(jī)系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主程序循環(huán)，為了準(zhǔn)確采集閥門開度和避免誤報(bào)警,，對(duì)輸入信號(hào)都進(jìn)行了簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波,，下位機(jī)對(duì)這些信號(hào)綜合分析后，根據(jù)開度要求控制閥門的開,、關(guān),、停動(dòng)作。下位機(jī)具有現(xiàn)場(chǎng)控制,、遠(yuǎn)程控制兩種控制方式,，可由現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)來區(qū)分，在這兩種控制方式下,，下位機(jī)都可以根據(jù)上位機(jī)的要求進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的上傳,。所不同的是，在現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí),，操作者在現(xiàn)場(chǎng)用手操器進(jìn)行控制,，這時(shí)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)只能監(jiān)視，不能控制,；遠(yuǎn)程控制時(shí),，下位機(jī)通過分析上位機(jī)命令來對(duì)閥門進(jìn)行控制。下位機(jī)主程序軟件流程如圖9所示,。
② CAN中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)
當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求或命令時(shí),，下位機(jī)就會(huì)進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序。在進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序后,，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù),，然后讀取SJA1000的中斷寄存器，分析是哪種中斷并置相應(yīng)的標(biāo)志位,，如果是接收中斷,，則置接收數(shù)據(jù)標(biāo)志并讀取數(shù)據(jù)，然后釋放緩存,，最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),，中斷返回。CAN中斷服務(wù)程序如圖10所示,。
由于下位機(jī)要嵌入到閥門電裝的腔體中,，電磁干擾嚴(yán)重,，在設(shè)計(jì)中采用了多種軟、硬件抗干擾設(shè)計(jì),，由于篇幅原因,，不再一一詳述。
4 結(jié)束語
本文提及的技術(shù)已經(jīng)在天津閥門公司生產(chǎn)的QT,、OOM,、SMC、ZA等系列電動(dòng)閥門中得到應(yīng)用,，使其成為具有遠(yuǎn)程控制功能和故障診斷功能的電動(dòng)閥門,。由這些閥門構(gòu)成的遠(yuǎn)程閥門控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行了近一年時(shí)間，運(yùn)行情況良好,，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,，并通過了天津市科委組織的專家鑒定。目前,，正在準(zhǔn)備產(chǎn)品的中試,，同時(shí)加緊應(yīng)用層協(xié)議的規(guī)范化，力圖盡快推出滿足DEVICENET的電動(dòng)閥門產(chǎn)品,。相信隨著這類產(chǎn)品的推向市場(chǎng),，必將推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行器的發(fā)展。