0 引言

 

    普通電動(dòng)閥門(mén)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(mén)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(mén),，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的最終部件,，它是電動(dòng)閥門(mén)中的核心部分。近年來(lái),，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電動(dòng)閥門(mén)的廠商通過(guò)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(xiàn)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(mén)越來(lái)越難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需要,，國(guó)外各大公司紛紛推出現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品，但價(jià)格高昂,。因此,，提高我國(guó)電動(dòng)閥門(mén)的自動(dòng)化水平，對(duì)國(guó)內(nèi)的電動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品加以改造,，推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)是應(yīng)用在制造或過(guò)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(xiàn)。它也被稱(chēng)為開(kāi)放式,、數(shù)字化,、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的種類(lèi)很多,，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)就有13種之多,，其中CAN總線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)發(fā)手段和低廉的開(kāi)發(fā)成本,，使其成為國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),。本文研究的基于CAN總線(xiàn)的閥門(mén)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(mén)中,，同工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一同構(gòu)成的閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),。

1 閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

     通用型閥門(mén)對(duì)控制精度要求不高，操作也較簡(jiǎn)單,，僅有開(kāi),、關(guān)、停三種狀態(tài),。通常情況下,，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)閥門(mén)上控制器的操作來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，閥門(mén)的開(kāi)度通過(guò)閥門(mén)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(mén)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(kāi)蓋檢查,，給維護(hù)帶來(lái)不便。

    本文提出的遠(yuǎn)程閥門(mén)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(guò)上位機(jī)對(duì)閥門(mén)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(mén)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(mén)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(xiàn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)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(xiàn)接口,，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)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(mén)開(kāi)度值控制閥門(mén)的開(kāi)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(mén)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接,，二者分工明確，構(gòu)成真正的全分布現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(mén)中,，與閥門(mén)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(xiàn)，CAN總線(xiàn)協(xié)議簡(jiǎn)單,，僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,，用戶(hù)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(xiàn),，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,?？偩€(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),，有關(guān)CAN總線(xiàn)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(mén)控制系統(tǒng)中采用CAN總線(xiàn)是因?yàn)殚y門(mén)控制功能邏輯簡(jiǎn)單,、信息量小,，并結(jié)合CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸速度、開(kāi)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(kāi)發(fā)周期。上位機(jī)軟件采用VB610來(lái)設(shè)計(jì),，便于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)狀態(tài)的監(jiān)控以及提供用戶(hù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)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(mén)控制單元采用一問(wèn)一答的方式進(jìn)行信息交換，上位機(jī)對(duì)每臺(tái)閥門(mén)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(mén)較多，僅能簡(jiǎn)單地示出每個(gè)閥門(mén)的基本運(yùn)行狀態(tài)（啟動(dòng),、停止,、故障）和開(kāi)度,，如果要查看某個(gè)閥門(mén)的詳細(xì)運(yùn)行信息，可以通過(guò)點(diǎn)擊界面上的閥門(mén)圖標(biāo)切換到該閥門(mén)的單臺(tái)監(jiān)測(cè)界面,，這時(shí)除了可以給出閥門(mén)當(dāng)前的開(kāi)度,、開(kāi)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(guò)熱等報(bào)警、故障信息,。圖3給出了這一過(guò)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(mén)的遠(yuǎn)程控制功能,，這種工作模式下，用戶(hù)將要求的閥門(mén)開(kāi)度通過(guò)CAN總線(xiàn)下傳給相應(yīng)閥門(mén)中的下位機(jī),，由下位機(jī)控制閥門(mén)的啟動(dòng)和停止,，并將整個(gè)過(guò)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(mén)有聯(lián)動(dòng)要求,，也可以通過(guò)上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

      閥門(mén)的動(dòng)作是由嵌入到閥門(mén)中的下位機(jī)控制的,，下位機(jī)在接收到指定開(kāi)度的命令后將分析此時(shí)閥門(mén)的運(yùn)行情況和各種狀態(tài),，如果此時(shí)閥門(mén)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(kāi)或關(guān)）,，待閥門(mén)開(kāi)度到達(dá)指定開(kāi)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(shuō)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(xiàn)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(xiàn)通信模塊。它們之間的關(guān)系如圖4所示,。