现场总线与无线控制的阀门电动装置的设计

2013-05-15 项美根黄山良业阀门有限公司

　　介绍了一种现场总线与无线控制的阀门电动装置的性能特点、图示说明、测试方式，以及通过信号输入电路和控制信号输出电路连接并由计算机控制输出的工作过程。

1、概述

　　目前管网系统的监测技术发展比较快，大部分管网系统都建设了SCADA 系统，极大地提高了对管网的监测效率。但是就阀门的控制而言，大部分地区尤其是中小型城市，都还处于人工操作的阶段。因此不能有效的对管网实施调度，当发生突发性事件( 如爆管、泄漏等) 时，由于不能及时关闭阀门而造成更大的损失。因而很有必要对阀门的控制系统提出一套行之有效的方案来。随着工业自动化和嵌入式技术的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合已不再实用。

　　利用网络实现远程监控已为人们广泛接受，嵌入式网络监控技术正是在这种条件下逐步发展成熟的。用户使用web 浏览器通过以太网远程访问内置web 服务器的现场设备，不但可以对其工作状态进行远程监控，而且还可以向被监控设备发送控制指令，实现实时控制。要实现管网系统的工业自动化管理，就离不开自动阀门这个管网系统中的执行机构。这对阀门电动执行机构控制器的智能性提出了更高的要求。同时，在一些特定的场合需要多个阀门联动控制，来达到整个系统的控制要求。如果是在有毒、易爆或易燃介质的生产现场，人工现场控制就极为危险，因而远距离控制在这类应用场合就更为必要。

　　由于目前工业通信协议没有统一的标准，存在多种协议，针对这个问题，笔者提出一种可以多种线和无线控制的阀门电动装置，使其具备更灵活的组网方式，并且可以用于不方便布线的场合，其目的是通过现场总线或无线对阀门进行开关以及开度的远程控制。

2、设备的构成

　　装置由底板、主板和扩展板组成; 底板包括电源模块、控制信号输出单元、温度传感器、蜂鸣器;主板包括微控制器以及和微控制器相连的调试接口、复位单元、时钟单元、液晶显示接口、模拟信号输入接口以及无线接口; 扩展板包括开关量信号输入接口、现场总线通讯接口以及地址设置模块。

　　具体的技术措施还包括：

　　底板中电源模块提供了4 组电源供系统使用，分别是12V、5V、5V、3. 3V; 温度传感器采用了DS1820 单总线数字温度计; 控制信号输出单元输出信号用于直接控制阀门专用电机;主板中微控制器采用的是ATmega128，与其相连的有调试接口、复位单元和时钟电路无源晶振18M，另外还配置有液晶显示接口、模拟信号输入接口和无线接口，可以根据需要外接液晶模块、无线模块。

　　扩展板由现场总线通讯接口、地址设置模块和开关量信号输入接口组成，其中现场总线接口可以外接总线模块，支持的总线模块包括Modbus、CAN 总线和Profibus-DP; 开关量信号输入接口获取外部的开关量信号并将其送往微控制器进行处理。开关量信号有: 开阀信号、关阀信号、停止信号、阀门开到位信号、阀门关到位信号、开阀转矩过载信号和关阀转矩过载信号; 地址设置模块由拨码开关构成，用于设置阀门电动装置的地址。

3、功能模块与测试方式

　　控制器的电路原理如图1 所示。

控制器的电路原理图

图1 主板电路原理

　　控制器由底板、主板和扩展板构成; 底板由温度传感器、蜂鸣器、电源模块和控制信号输出单元构成; 主板由微控制器以及与微控制器相连的调试接口、复位单元、时钟单元、液晶显示接口、模拟信号输入接口和无线接口构成，根据需要可以外接液晶模块、阀位传感器和无线模块; 扩展板由开关量信号输入接口、现场总线通讯接口和地址设置模块构成，其中和现场总线通讯接口的总线模块有Modbus、CAN 总线以及Profibus-DP; 与开关量信号输入接口相连的开关量信号有: 开阀信号、关阀信号、停止信号、阀门开到位信号、阀门关到位信号、开阀转矩过载信号、关阀转矩过载信号。

　　底板的电路原理图，由温度传感器、电源、电源指示灯、电源接口、继电器控制电路组成; 其中电源由市电220V 提供，经过AC-DC 模块转变为稳定的12V 电压，12V 电压经过LM7805 提供一组5V 电压，另外由IB1205 得到另外一组完全隔离的5V 电压，该隔离5V 电源经过ASM1117 后得到3.3V 电压; 电源指示灯用于指示系统的电源状态; 继电器控制电路采用了光耦6N137 进行信号隔离，然后由ULN2003 对信号进行放大后对继电器进行控制; 蜂鸣器由一个三极管来控制。

　　如图1，微控制器采用的是ATmega128，与微控制器相连的有复位电路、时钟电路，无线接口、液晶接口、JTAG 调试接口以及AD 转换电路。扩展板的电路原理包括开关量信号输入接口，拨码开关、Modbus 接口、CAN 总线/Profibus - DP 接口; 其中开关量信号由继电器的开启和闭合来提供，并通过光耦TIL1117 隔离后提供给微控制器。Modbus 的电路原理包括RS232 电路和485 接口，这两种接口均可以用于Modbus 的通讯; 其中RS232 电路由MAX232 及外围电容来实现; 485 接口由光耦6N137 和485 控制芯片SN65LBC184 来实现其功能。CAN 总线模块由CAN 总线的协议芯片SJA1000 和总线控制芯片PCA82C250 以及光耦6N137 来实现其功能。Profibus-Dp 的电路原理如Profibus-DP 模块由协议芯片SPC3 和总线控制芯片ADM2486 以及有源晶振48MHz 来实现其功能。