調節閥控制系統的設計

控制系統    時間:2014-03-12 17:23:22
調節閥控制系統的設計簡介
1 概述 目前,調節閥大多採用通用的氣動或電動驅動方式,驅動機構複雜、功率消耗大、……
調節閥控制系統的設計正文

1 概述
  目前,調節閥大多採用通用的氣動或電動驅動方式,驅動機構複雜、功率消耗大、自動控制困難。隨著大型成套設備的發展,系統參數提高,管道內輸送的流量增加,對調節閥門的控制提出了新的要求。本文介紹的新型調節閥門因採用獨特的節流管伺服調控和自能源驅動措施,改變了普通閥門的驅動方式。因此可用簡單、小型的控制機構替代應用在調節閥上的複雜大型的閥門驅動裝置。
   2 系統的組成及工作原理
   控制系統是基於89C51為中心的單片機控制系統。在本系統中,利用單片機的串列通訊介面,實現了單片機和計算機的通訊。通過這樣的設計處理,使得本調節閥能方便地實現智能和遠程控制。
   控制系統既要符合現場工藝要求,工作可靠,操作方便,又要有較小的成本支出。由於新型調節閥自身的低驅動力矩和良好的密封性能,選用了MCS-51單片機為中央控制器,增加必要的擴展,形成控制系統(圖1)。

系統工作時,首先由感測器檢測出閥桿的當前位置即位移值,經A/D轉換后,將數字量送入單片機中,單片機再經過轉換后實時把當前位移值顯示出來。這時,可以根據顯示結果而輸入控制量,然後單片機依據輸入值而做出相應的反應。閥桿的位移值到達上限值或下限值時,則報警並使指示燈亮,此時,手動操作員應調整位移量而使閥門的開口度達到正常的工作狀態,單片機依據該位移量的大小發出控制指令,控制其相應的執行機構,從而完成閥門開口度的調整。

3 硬體設計
  3.1 執行電機
  執行電機是控制系統的重要元件之一,對其性能有嚴格的要求。①提供足夠的力矩和功率,使負載達到要求的運動性能。②能快速起動和停止,保證系統的快速運動。③有較寬的調速範圍。④電機的功率消耗小,體積小,質量輕。經過分析比較,選用步進電動機作為執行機構。步進電動機是將一種數字式脈衝信號轉換為機械角位移(線位移)的機電元件。它的機械位移與輸入的數字脈衝信號有嚴格的對應關係,即一個脈衝信號可使步進電動機前進一步。作為近代數字控制系統的最佳選擇,它是一種比較理想的執行元件。
  根據系統負載和步距角等要求,選擇75BF003步進電動機(表1)。

3.2 主機晶元及介面
  主機晶元為MCS-51系列的8751晶元,兩片74LS373用作地址鎖存,一片2864A用作程序存儲器EEPROM,一片74LS138解碼器產生三位數碼管的位驅動信號,A/D轉換器用0809晶元,一片74LS02晶元產生ADC0809的讀、寫片選信號,一片7414產生ADC0809轉換結束的中斷信號。
  在設計通訊介面時,採用EIARS-232C標準介面,選用MAX232實現串列口通訊,以實現TTL電平和232電平之間的轉換(圖2)。

3.3 數據採集系統
  系統中的感測器選用線位移感測器,它可以把位置信號轉換成電流信號求得閥桿的位移量。數據採集電路由ADC0809、74LS02、74LS373和8751的P0口構成,它能同時採集八路模擬信號,而本系統只使用兩路。在這裡是將ADC0809作為一個外部擴展的并行I/O口,直接由8751的P2.0和WR脈衝進行啟動,因而其埠地址為7FF8H,模擬量輸入通道選擇端A、B、C分別與8751的P0.0、P0.1及P0.2直接相連,CLK由8751的ALE提供。
  3.4 LED動態顯示電路設計
  由於本系統屬於多位LED顯示,為了簡化硬體電路,將所有位的段選線相應地並聯在一起,由一個或兩個8位I/O控制,形成段選線的多路復用。而各位的共陽極或共陰極分別由相應的I/O口控制,實現各位的分時選通。其中段選線佔用一個8位I/O口,而位選線佔用一個3位I/O口(圖3)。

4 控制系統軟體
  控制系統是以單片機為中心的控制系統,單片機結合一定的外圍電路完成系統數據採集、輸出控制信號、串列通訊以及實時顯示等功能,它是一個完整的智能控制元件。圖4為主程序流程。

   由步進電動機的工作原理可知,步進電動機是在一定順序的電脈衝控制下運轉的。在本系統中,三相步進電動機的通電方式為三相六拍通電方式。步進電動機要正常運轉,必須正確地區性分配各相控制脈衝,使各相繞組按規定的順序輪流通電。在本系統中採用軟體方式控制脈衝的分配。因為用軟體完成控制脈衝的分配具有靈活、方便、適應性廣和減少硬體使用量的特點。在系統中,用P1.3、P1.5和P1.6三位分別輸出控制脈衝,根據P1.3、P1.5和P1.6口輸出控制信號的狀態,即可實現對步進電動機的正反轉控制。
  5 結語
  針對一種新型調節閥設計的以89C51單片機為中心的控制系統,具有體積小,質量輕,成本低和雜訊弱的特點。遠程控制方便,整個系統採用閉環控制,在需要時也可以實現開環控制,利用一個位移感測器實時檢測出閥桿的當前位置,從而反饋給單片機以指導控制程序發出正確的控制指令。特別是本系統使用脈衝控制(PWM),這樣可以達到較好的控制精度並且提高了系統的抗干擾能力。對於步進電動機在高頻工作、瞬間開啟和瞬間關閉時,可能會產生失步和超調,給控制系統造成誤差的問題,可以採用變速控制來消除,從而進一步提高控制精度。

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