CN102023582B

CN102023582B - 多种控制方式的阀用电动执行机构及其控制方法

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Publication number: CN102023582B
Application number: CN 201010117350
Authority: CN
Inventors: 张永亮; 李岩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: CN102023582A

Abstract

一种多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法，在由微控制器、微控制器输出接口连接的电动执行部分、微控制器控制接口连接的控制部分组成的多种控制方式的阀用电动执行机构中，微控制器设多个控制接口，分别连接控制部分的开关量控制部分、模拟量控制部分、有线网络控制部分及新增的双向无线射频控制部分。双向无线射频控制部分由射频收发模块、CPU、A/D转换器组成；其收发按通讯协议约定，进行无线射频及网络控制。本发明方法及多种控制方式的阀用电动执行机构属于自动控制领域，主要与多位多功能阀配套，也可驱动其它电动执行机构。使阀用电动执行机构实现多种网络控制方式，包括无线射频及网络控制；进一步满足工业控制网络化、信息化的需求。

Description

多种控制方式的阀用电动执行机构及其控制方法

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，特别是一种主要与多位多功能阀配套用、也可驱动其他角位移机构定位用的多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法，以及采用这种控制方法的多种控制方式的阀用电动执行机构。

背景技术

中国专利公报公布的与网络控制电动执行机构相关专利举例如下：①“能实现以太网通信…的电动执行机构”(专利号：02110525.1)：用MCU和以太网通信控制。②“现场总线阀门控制器”(专利号：200520134573.X)：用MCU和485总线接口控制。③“新型智能电动执行器”(专利号：200820300386.8)：用MCU和Modbus现场总线控制及红外线遥控。④“一种基于CAN open协议的CAN总线智能电动装置”(专利号：200920129529.8)：用MCU和CAN总线控制。上述专利虽使用MCU控制，也实现一定网络控制，但控制功能少，未实现无线射频及网络控制。在复杂环境不便于布线的地方，将限制电动执行机构的应用。在多位多通球阀的应用上，目前的电动执行机构不能满足要求。

发明内容

为了克服现有阀用电动执行机构网络控制功能少、不能满足工业控制网络化和信息化需求的不足，本发明提供一种多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法，用多种方式实现网络控制，进一步满足工业控制网络化和信息化的需求；并提供一种该控制方法用的多种控制方式的阀用电动执行机构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法，是在由微控制器、微控制器输出接口连接的电动执行部分、微控制器控制接口连接的控制部分等组成的多种控制方式的阀用电动执行机构中，其电动执行部分用伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分、电动机、电机保护部分、位置检测机构、光电隔离电路、与被驱动部分联接的机械减速传动机构等构成；其微控制器设多个控制接口，这些接口分别连接控制部分的开关量控制部分、模拟量控制部分、有线网络控制部分以及新增的双向无线射频控制部分。双向无线射频控制部分与微控制器的无线射频控制接口连接；该控制部分由射频收发模块、CPU、A/D转换器等组成。该控制部分的接收与发射按通讯协议约定，进行无线射频及网络控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案还可以是：

多种控制方式的阀用电动执行机构由微控制器、微控制器输出接口连接的电动执行部分、微控制器控制接口分别连接的各控制部分等组成。各控制部分有：开关量控制部分、模拟量控制部分、有线网络控制部分、新增的双向无线射频控制部分。双向无线射频控制部分与微控制器的无线射频控制接口连接；该控制部分由射频收发模块、CPU、A/D转换器等组成；其接收和发射按无线射频网络通讯协议约定，进行无线射频及其网络控制。电动执行部分由伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分、电动机、电机保护部分、位置检测机构、光电隔离电路、与被驱动部分联接的机械减速传动机构等组成。

本发明的有益效果是：

①使阀用电动执行机构实现多种网络控制方式，包括无线射频及网络控制，进一步满足工业控制网络化、信息化的需求。提高阀用电动执行机构应用的灵活性和适用范围。

②增加电机制动电路可保证该电动执行机构控制精度、稳定性和实时性。

附图说明

图1是多种控制方式的阀用电动执行机构组成的方框图。

图2是多种控制方式的阀用电动执行机构的无线单片机部分的电路图。

图3是多种控制方式的阀用电动执行机构电动执行和控制部分的电路图。

图中：U_1A-具有无线射频收发功能的MCU即nF CPU、JP₁-nFCPU的所有输入输出接口、U₂-EEPROM、U₃和U₄-光电耦合器简称光耦、U₅-三端稳压器、U₆和U₇-光电耦合器、U₈-电机控制器、U₉～U₁₂-光电耦合器、U₁₆-RS485电平转换器、U₁₇-地址锁存器、U₁₈-存储器、U₁₉-LAN控制器、J₁-电源插头、S₁-AC/DC转换器、S₂-DC/DC转换器、RF-无线射频接线端、L₁-集成运放、L₂-集成运放、MG₁-电动机或电机、dmq-电位器、DB9-九针插座、RJ-45-水晶头、JP₂-双排针、Input-输入端。注：无U₁₃～U₁₅；微控制器MCU即单片机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在图1中示出本发明多种控制方式的阀用电动执行机构的组成及控制方式。

一.本发明多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法：

1.在由微控制器、微控制器输出接口连接的电动执行部分、微控制器控制接口连接的控制部分等组成的多种控制方式的阀用电动执行机构中，使微控制器设多个控制接口，这些接口分别连接开关量控制部分、模拟量控制部分、有线网络控制部分，以及新增的双向无线射频控制部分。双向无线射频控制部分与微控制器的无线射频控制接口连接；该部分由射频收发模块、CPU、A/D转换器等组成。双向无线射频控制部分的接收与发射按通讯协议约定，进行无线射频及网络控制。其电动执行部分由伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分、电动机、电机保护部分、位置检测机构、光电隔离电路、与被驱动部分联接的机械减速传动机构等组成。

2.多种控制方式的阀用电动执行机构的被驱动部分采用多位多功能球阀该球阀的电动调节与电动通断控制相结合，通过不同的编程控制方式或控制接口来改变。

3.多种控制方式的阀用电动执行机构的双向无线射频控制部分与微控制器，采用集成为一体的无线单片机。

4.多种控制方式的阀用电动执行机构采用多个一同使用时，它们的双向无线射频控制部分，按专用通讯协议约定接收和发射，使各个阀用电动执行机构，组成无线射频通讯网络及其控制系统。

二.本发明多种控制方式的阀用电动执行机构的构成：

1.多种控制方式的阀用电动执行机构主要由微控制器、电动执行部分、多个不同控制方式的控制部分组成。

①微控制器：即MCU；本例的MCU与双向无线射频控制部分集成为一体，即无线单片机μF MCU。也可采用MCU与双向无线射频控制部分分体的形式。MCU外接控制接口和输出接口使用光耦隔离，以保护MCU和提高抗干扰能力。

②控制部分：有开关量控制部分、模拟量控制部分、有线网络控制部分、双向无线射频控制部分；它们分别与MCU相应的输入接口即控制接口对应连接。除了μF MCU的双向无线射频控制部分从模块内部与MCU的无线射频控制接口直接连接外，其它控制部分均通过光电隔离电路与MCU控制接口连接。

双向无线射频控制部分是组成无线网络的物理部分，具有无线信号的收发功能；由无线单片机内的CPU、无线收发模块、A/D转换器等组成。无线射频网络控制按通讯协议约定。当多个阀用电动执行机构一同使用时，按专用通讯协议约定，以通讯方式组成无线射频网络控制系统进行控制。有线网络控制部分包括由RS485接口电路组成的工业总线接口、由LAN接口电路组成的工业以太网接口。开关量控制部分，经过光电隔离电路向微控制器相应控制接口，输入开关量控制信号，通过开关量控制电动执行机构的动作。模拟量控制部分通过向微控制器相应控制接口输入模拟量控制信号，以模拟量大小控制电动执行机构的动作程度。各种控制方式可以以多种方式组合或单独用一种。

③电动执行部分：由伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分、电动机、电机保护部分、电机制动部分、位置检测机构、光电隔离电路、与被驱动部分联接的机械减速驱动机构等组成。MCU的控制接口经光电隔离电路，通过伺服放大驱动前置电路、驱动电路控制电动执行部分的电动机。电动机的保护部分，有温度保护和过流、过压等保护。电机制动部分，使用直流电机，制动时使电机的电源端短路。如果使用交流电机，制动时用为电机电源端注入直流的直流电路。位置检测机构，包括位置检测传感器件，输出反映执行的位置和工作状态的模拟量和开关量，将执行机构的位置信号返回到CPU以便精确地定位。机械减速传动机构，与被驱动部分的执行机构传动联接。被驱动部分为多位多功能球阀，或者是其它电动阀门，也可以是被驱动产生角位移的其它电动执行机构。

在图2中示出多种控制方式的阀用电动执行机构的CPU和双向射频控制部分的电路原理。

模块U1A是带有射频收发功能的MCU，型号：nF95e；也可以选用通用的MCU和无线收发模块组合。JP₁是nF95e的所有输出输入接口；端口P₀₀～P₀₇(即P_0.0～P_0.7)是双向I/O口，模拟量输入口为AIN₀～AIN₃；其余有：基准电平输出端AREF，串行输入端MOSI，串行输出端MISO，时钟端SCK，片选控制端EECSN，和天线接口ANT₁、ANT₂。天线外接元件：电感L₁～L₃，电容C₃、C₄、C₁₂、C₁₃、C₁₅、C₁₆，根据收发频率进行选择。芯片U₂是三线串行电改写EEPROM，片选端CS经JP₁的EECSN端接CPU的片选控制端EECNS，串行输出端SO、串行输入端SI、时钟端SCK分别接CPU的串行输入端MISO、串行输出端MOSI、时钟端SCK。主振电路由晶振JT₂，电阻R₁，电容C₁、C₂接CPU的XC₁、XC₂端构成。射频输入输出端RF in/out的阻抗为50ohm。电阻R₂、R₅，电容C₅～C₁₀是模块U_1A的外围元件；电阻R₃、R₄，电容C₁₁是芯片U₂的外围元件。

图2的电路主要实现无线网络通讯和电动执行机构的动作控制，以及其他通讯方式的数据交换和控制。

在图3中示出多种控制方式的阀用电动执行机构的电动执行部分、有线网络控制部分、电源部分的电路原理。

图3中的JP₁即图2中的JP₁；各端口定义由CPU的程序来控制，是来自CPU的外接线接口。其他元件为电机控制器U₈：LMD18200，RS485电平转换器U₁₆：MAX485，LAN控制器U₁₉：RTI8019AS。光电耦合器U₃、U₄、U₆、U₇、U₉～U₁₂构成CPU的各输入信号控制接口和输出接口的光电隔离电路。

1.电动执行机构的电源部分：交流电源由电源插头J₁输入，经AC/DC转换器S₁，电容C₅滤波，由AC 127V转换为DC+12V输出，供电机控制器U₈；后经电阻R₁₁、R₁₀限流，稳压管D₄、D₅稳压，三端稳压器U₅稳压，电容C₁、C₂滤波，输出+5V，供给RS485电平转换器U₁₆、LAN控制器U₁₉，以及其他和CPU不直接相连的元件；再经DC/DC转换器S₂：B0505隔离后输出+5V，供给与CPU直接连接的电路，又经二极管D₁、D₂、D₃降压，稳压管D₆稳压，输出+3V，即电源端V_CC的电压，供给CPU。

2.电动执行部分：由伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分、电动机、电机制动部分、电机保护部分、位置检测机构、光电隔离电路等组成。

①伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分：由三极管Q₄、光耦U₃、电机控制器U₈等组成。电机的控制：输出输入接口JP₁的电机控制端P_2.7输出不同宽度的脉冲，经三极管Q₄、光耦U₃，接电机控制器U₈的PWM端，控制电机MG₁(即A)的转速，MG₁的转速与P_2.7输出的脉冲宽度有关。JP₁的电机转向控制端P_2.6控制电机MG₁的运转方向，P_2.6端经三极管Q₅、光耦U₄接电机控制器U₈的DIR端，输出高电平时电机MG₁正转，输出低电平时电机反转。

②电机制动部分：本例使用直流电机MG₁，制动时使P_2.7端的脉冲宽度为0，电机控制器U₈驱动端的引脚2和10相当于短路，电机MG₁处于制动状态。

③电机保护部分：由集成运放L₂、L₁和CPU等组成。电机控制器U₈的引脚8是负载输出端，其电位反应电机MG₁的负载状态，输出的信号经集成运放L₂放大、光耦U₆、U₇隔离、集成运放L₁放大后，经引线端AI₁、JP₁的AI₁端，输出到CPU的AIN₁端，用来保护电机MG₁。其它保护电路略。

④位置检测机构：由安装在电动执行机构的轴出端的电位器dwq和CPU等组成。电位器dwq的滑动臂随输出轴转动，用来检测电动执行机构的转动角度；接电位器dwq滑动臂的AI₀端，经JP₁的AI₀端与CPU的AIN₀端连接，反馈和监视阀用电动执行机构的运行。电动执行部分的其余外围元件有：电阻R₃～R₆、R₉、R₁₂～R₁₈，电容C₆～C₉。

3.有线网络控制部分：包括RS485接口电路(工业总线接口)、LAN接口电路(工业以太网接口)两个串行通讯接口电路。

①RS485接口用电平转换器U₁₆：MAX485来实现，由JP₁的端口P_2.2、P_2.3输出的TTL电平的串行通讯信号，经光耦U₁₁、U₁₂隔离后输入到MAX485的引脚DI、DE，经MAX485转换后由A和B端输出到九芯D型插座DB9的7、8端，与485工业总线连接。由485工业总线输入的串行信号，经MAX485转换后由引脚R0输入，经光耦U₁₀隔离后输送到JP₁的端口P_2.1。外围元件有：电阻R₂₁～R₃₁、稳压管D₆、D₇。

②LAN接口(局域网接口)用RTI80198AS来实现。CPU的P₀₀～P₀₇接LAN控制器U₁₉的数据端SD₀～SD₇进行数据交换，同时经地址锁存器U₁₇：74HC573锁存地址到LAN控制器的地址端SA₀～SA₄，读写控制端WD和RD，计时复位T0和中断IN₀接到CPU相应的端口。LAN控制器U₁₉的网络端RD、LD、TPIN+、TPIN-，经LAN接口通过水晶接头RJ45连接到LAN网络即工业以太网上。外围元件有：存储器U18、晶振、电容C₁₀和C₁₁、电阻R₃₂。

在本实例中，由于CPU的引脚定义在各种控制方式下不一样，RS485网络和LAN网络不能同时使用。有线网络控制部分除了485接口芯片、LAN接口芯片，还可以采用其它串行通讯有线网络接口，如：CAN接口芯片等。

4.输入端Input表示开关量控制部分或模拟量控制部分的控制信号输入端，通过双排针JP₂接光耦U₉输入侧，光耦U₉输出端接CPU的P₂口的P_2.0端。R₂₀、R₁₉为输入侧限流电阻、输出侧负载电阻。开关量控制部分、模拟量控制部分与常规控制相同，在此从略。

Claims

1.一种多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法，在包括微控制器、微控制器输出接口连接的电动执行部分、微控制器控制接口连接的控制部分的多种控制方式的阀用电动执行机构中，电动执行部分由伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分、电动机、电机保护部分、位置检测机构、光电隔离电路、与被驱动部分联接的机械减速传动机构组成；微控制器设多个控制接口，这些接口分别连接控制部分的开关量控制部分、模拟量控制部分、有线网络控制部分；其特征在于：所说的微控制器设的控制接口中有无线射频控制接口，该控制接口与双向无线射频控制部分连接；双向无线射频控制部分包括射频收发模块、CPU、A/D转换器；双向无线射频控制部分的接收与发射按通讯协议约定，进行无线射频及网络控制。

2.根据权利要求1所述的多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法，其特征在于：所说的被驱动部分采用多位多功能球阀；该球阀的电动调节与电动通断控制相结合，通过不同的编程控制方式或控制接口来改变。

3.根据权利要求1所述的多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法，其特征在于：所说的双向无线射频控制部分与微控制器，采用集成为一体的无线单片机。

4.根据权利要求1或3所述的多种控制方式的阀用电动执行机构控制方法，其特征在于：所说的具有多种控制方式的阀用电动执行机构为多个一同使用，它们的双向无线射频控制部分，按专用通讯协议约定接收和发射，使各阀用电动执行机构组成无线射频通讯网络及控制系统。

5.根据权利要求1所述的多种控制方式的阀用电动执行机构的控制方法所专用的多种控制方式的阀用电动执行机构，包括微控制器、微控制器输出接口连接的电动执行部分、微控制器控制接口分别连接的开关量控制部分和模拟量控制部分及有线网络控制部分；电动执行部分包括伺服放大前置电路、伺服放大驱动部分、电动机、电机保护部分、位置检测机构、光电隔离电路、与被驱动部分联接的机械减速传动机构；其特征在于：所说的微控制器设有无线射频控制接口，该控制接口与双向无线射频控制部分连接；双向无线射频控制部分包括射频收发模块、CPU、A/D转换器；双向无线射频控制部分的接收和发射遵守无线射频网络通讯协议。

6.根据权利要求5所述的多种控制方式的阀用电动执行机构，其特征在于：所说的被驱动部分是多位多功能球阀。

7.根据权利要求5所述的多种控制方式的阀用电动执行机构，其特征在于：所说的双向无线射频控制部分与微控制器集成一体，即无线单片机。

8.根据权利要求5或7所述的多种控制方式的阀用电动执行机构，其特征在于：多个一同使用的多种控制方式的阀用电动执行机构，它们的双向无线射频控制部分有专用通讯协议约定，组成无线射频网络通讯及控制系统。

9.根据权利要求5所述的多种控制方式的阀用电动执行机构，其特征在于：所说的有线网络控制部分包括485接口电路、LAN接口电路。

10.根据权利要求5所述的多种控制方式的阀用电动执行机构，其特征在于：所说的电动执行部分中设有电机制动部分；电动机为交流电机时，电机制动部分是制动时为电动机电源端注入直流的直流电路；电动机为直流电机时，电机制动部分是制动时使电动机电源两端短路的电路。