CN104597827A - 支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电动执行机构控制技术领域，涉及一种支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统，包括主控微控制单元以及与主控微控制单元连接的驱动电路、信号处理电路和电子力矩检测电路，其特征在于：还包括辅助微控制单元，人机显示界面、位置发送器、Modbus环路冗余通信卡、电源模块和低功耗处理电路分别与辅助微控制单元连接；所述主控微控制单元和辅助微控制单元之间通过RS-232连接。本发明兼容原有开关量和4-20mA模拟量通信功能；智能电动执行机构可以对模拟量控制信号和Modbus环路冗余控制信号进行任意组合；环路冗余控制是DCS系统成熟的控制技术，提高了智能电动执行机构的高可靠性。
Description
技术领域
本发明属于智能电动执行机构控制技术领域，特别涉及一种支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统。
背景技术
电动执行机构是自动化领域三大主要仪表之一，随着制造业竞争的加剧，制造商更加追求生产设备的可靠性，在石油、化工、冶金、轻工、食品、建材、环保等行业自动化的某些系统中，要求控制装置有极高的可靠性，尤其是那些控制关键性生产工序的设备，往往需要采用冗余配置。冗余控制使得系统在运行时不受局部单一故障的影响，可实现在线维护；同时，故障部件离线修理时也不影响系统正常运行，从而可达到提高系统可靠性和降低失效率的目的。合理的冗余设计将大大提高系统的可靠性，有效避免由于控制系统出现故障而引起的停产或设备损坏造成的经济损失。因此研发既可以使用4-20mA的模拟技术，也可以使用现场总线通信技术的支持环路冗余控制的智能电动执行机构具有很大的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有智能电动执行机构无法实现环路冗余控制及高可靠性的问题，提出一种支持环路控制的智能电动控制执行系统及其控制方法。
本发明的技术方案为：一种支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统，包括主控微控制单元以及与主控微控制单元连接的驱动电路、信号处理电路和电子力矩检测电路，其特征在于：还包括辅助微控制单元，人机显示界面、位置发送器、Modbus环路冗余通信卡、电源模块和低功耗处理电路分别与辅助微控制单元连接；所述主控微控制单元和辅助微控制单元之间通过RS-232连接。
以上所述辅助微控制单元选用PIC18F87K90，带两个增强型 USART串行通信模块，可接一块Modbus环路冗余通信卡。
以上所述Modbus环路冗余通信卡的微控制单元选用PIC18F25K22，带两个增强型 USART串行通信模块，且支持中继功能。
以上所述支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统的控制方法，其特征在于：开关量和4-20mA模拟量输入信号经过所述信号处理电路处理后送所述主控微控制单元，所述电子力矩检测电路输出信号送所述主控微控制单元，所述辅助微控制单元接收所述位置发送器送来的位置检测信号处理后送所述主控微控制单元，来自信号处理电路的信号与来自位置发送器的模拟信号经过主控微控制单元进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到所述驱动电路，所述驱动电路输出控制三相电机运动，所述位置发送器检测三相电机的运动信号再反馈回所述辅助微控制单元，形成闭环控制；所述人机界面设定参数输出到所述辅助微控制单元，辅助微控制单元输出状态值给人机界面显示；所述辅助微控制单元通过所述Modbus环路冗余通信卡与环路控制器主控站通讯。
本发明的有益效果在于：(1)兼容原有开关量和4-20mA模拟量通信功能；(2)智能电动执行机构也可实现Modbus环路冗余控制，且支持中继功能，可以对模拟量控制信号和Modbus环路冗余控制信号进行任意组合；(3)环路冗余控制是DCS系统成熟的控制技术，提高了智能电动执行机构的高可靠性，从而进一步提高了支持环路冗余控制系统的可用性。
附图说明
图1为本发明支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统原理框图；
图2为本发明支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统通信框图；
图3为本发明典型的环路冗余控制系统示意图；
图4为本发明环路故障连接转换示意图；
图5为本发明Modbus环路冗余卡从站初始化过程图。
具体实施方式
图1是支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统原理框图。支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统，包括主控微控制单元8以及与主控微控制单元8连接的驱动电路3、信号处理电路10和电子力矩检测电路12，其特征在于：还包括辅助微控制单元9，人机显示界面2、位置发送器4、Modbus环路冗余通信卡6、电源模块7和低功耗处理电路11分别与辅助微控制单元9连接；所述主控微控制单元8和辅助微控制单元9之间通过RS-232连接交换数据。整个控制分两个微控制单元来实现，主控微控制单元8负责系统的控制和保护部分，辅助微控制单元9负责显示、操作、计数和低功耗控制。辅助微控制单元9与环路冗余通信卡6之间用RS-232来交换数据。驱动电路3还包括固态继电器及其组成的控制电路；电源模块7为主控微处理器8和辅助微处理器9提供电源。
开关量和4-20mA模拟量输入信号经过信号处理电路10处理后送主控微控制单元8，电子力矩检测电路12输出信号送主控微控制单元8，辅助微控制单元9接收位置发送器送来的位置检测信号处理后送主控微控制单元8，来自信号处理电路10的信号与来自位置发送器4的模拟信号经过主控微控制单元8进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动电路3，驱动电路3输出控制三相电机5运动，三相电机5的行程同时通过位置发送器4反馈到辅助微控制单元9形成闭环控制。同时，Modbus环路冗余通信卡与环路控制器主控站通讯，外界信号还可通过Modbus环路冗余通信卡6处理后送入辅助微控制单元9。人机界面2设定参数输出辅助微控制单元9，该辅助微控制单元9输出状态值给人机界面2显示。
本发明通过设置Modbus环路冗余通信卡6、主控微控制单元8，辅助微控制单元9，4-20mA模拟量输入信号经过信号处理电路10送主控微控制单元8与来自辅助微控制单元9接收的位置发送器4送来的位置检测信号经过主控微控制单元8处理，进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动电路3，实现智能电动执行机构的定位并带动电机5运动，电机5的行程同时通过位置发送器4反馈到辅助微控制单元9形成闭环控制；同时，Modbus环路冗余通信卡6通过处于工作状态的环路冗余通信接口接收来自环路控制器主控站的数据，转发给智能电动执行机构本体上辅助微控制单元9进行处理,处理的结果经过处于工作状态的环路冗余通信接口发送给环路控制器主控站（通信框图如图2所示）。本发明中，远程控制源设置为Modbus环路冗余通信时，主要变量，控制信息，其他过程参数、设备组态、校准和组态信息都由智能电动执行机构本体上辅助微控制单元9通过环路冗余通信卡６收发。
本发明的主控微控制单元8内部集成8通道12位ADC转换器、2通道电压型12位DAC转换器、高达62KB片内FLASH/EEROM存储器、4KB片内FLASH/EERAM存储器以及2KB片内数据XRAM存储器可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。
本发明的辅助微控制单元9可选用PIC18F87K90。PIC18F87K90具有一系列串行通信外设，其中包括两个增强型 USART串行通信模块，可接一块Modbus环路冗余通信卡；24 路 12 位 A/D 转换器；LP 看门狗定时器 （WDT）；带 LCD 驱动器；高达128KB的 FLASH存储器、4KB的RAM存储器可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。
本发明的环路冗余通信卡6的微控制单元可选用 PIC18F25K22，其中包括两个增强型EUSART串行通信模块，该串行通信模块可进行标准的RS-232通信，且支持中继功能；10 位 A/D转换器；LP 看门狗定时器（WDT）；32KB 的 FLASH 存储器、1.5KB 的RAM存储器和 256Byte 的数据 EPPROM 存储器。
环路冗余通信系统采用双线电缆依次连接每一个现场控制单元，从主控站发出信号并返回，用一根双芯电缆形成一个双线环路。每个现场设备均具备两个方向上冗余的通讯通道。使用双通道通讯可以保护整个系统在一个通道通讯故障时，防止整个系统出现崩溃。数据传送使用普遍接受的Modbus RTU通讯协议，同时，产品支持中继功能，即现场安装时无需额外的中继器。
典型的环路冗余控制系统如图3所示，正常工作时，端口A和端口B都即可以作为发送器也可作为接收器。端口A作为发送器时，端口B即为接收器，此时，从主控站发出的Modbus请求数据帧，从端口A的“出”到端口B的“入”，再从端口B的“出”到端口A的“入”。同理，端口B作为发送器时，端口A即为接收器，此时，从主控站发出的Modbus请求数据帧，从端口B的“出”到端口A的“入”，再从端口A的“出”到端口B的“入”。
通常，电缆采用双线环路的连接方式，这样任何一个回路损坏或发生短路、断路等故障时都不会影响另一回路的正常通信。如果出现现场线路或现场模块故障，系统可以将故障旁路或隔离，同时可以保持系统所有其它部分的正常控制。例如，从主站发起的信号如果没有到达位于故障后面的现场单元，我们可选用冗余回路中的另一路经来完成其它现场单元信号的通信工作，如图4所示。
本发明的控制系统在正常上电时，Modbus环路冗余通信卡和4-20mA模拟量输入卡分别进行初始化，如果控制方式为远程Modbus通信，环路控制器主控站与环路冗余通信接口中的Modbus环路冗余通信卡交换数据前，主站必须定义从站参数并组态此从站， 即完成对从站（环路冗余通信卡）上电初始化过程。从站（环路冗余通信卡）初始化过程如图５所示: 环路控制器主站首先检查环路冗余通信接口的Modbus环路冗余通信卡（从站）是否在总线上，如果该环路冗余通信卡处于工作状态，则主站通过请求从站诊断数据来检查环路冗余通信卡准备情况，当处于工作状态环路冗余通信卡报告它已准备好时，主站将从站参数数据和组态数据发送给该Modbus环路冗余通信卡，主站再请求从站的诊断数据以确信该环路冗余通信卡是否准备就绪。完成参数化和组态数据对比后，主站开始与处于工作状态的环路冗余通信卡循环交换用户数据。
处于工作状态的环路冗余通信卡在正常通信时，会启动内部看门狗WDT对通信过程监视，一旦WDT溢出，表示该环路冗余通信卡通讯出现故障。WDT 超时会强制器件复位，系统会重启。
本发明在智能电动执行机构开关量和4-20mA模拟量通信功能的基础上增加了环路冗余通信控制，支持冗余的Modbus通信，且支持中继功能，可以对模拟量控制信号和环路冗余控制信号进行任意组合，典型设置为：控制部分通过传统模拟量实现，信息反馈及故障诊断等通过环路冗余控制信号实现。同原有现场总线型智能电动执行机构一样，本发明可以通过红外遥控器设定全部的参数，如控制方式、输出报警开关组态、触点设置等，也可通过现场总线进行远程监控和设置。此外，环路冗余控制技术是DCS系统成熟的控制技术，便于设计具有高可靠性的环路冗余控制系统。
Claims (4)
1.一种支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统，包括主控微控制单元以及与主控微控制单元连接的驱动电路、信号处理电路和电子力矩检测电路，其特征在于：还包括辅助微控制单元，人机显示界面、位置发送器、Modbus环路冗余通信卡、电源模块和低功耗处理电路分别与辅助微控制单元连接；所述主控微控制单元和辅助微控制单元之间通过RS-232连接。
2.根据权利要求1所述支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统，其特征在于：所述辅助微控制单元选用PIC18F87K90，带两个增强型 USART串行通信模块，可接一块Modbus环路冗余通信卡。
3.根据权利要求2所述支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统，其特征在于：所述Modbus环路冗余通信卡的微控制单元选用PIC18F25K22，带两个增强型 USART串行通信模块，且支持中继功能。
4.根据权利要求1所述支持环路冗余控制的智能电动控制执行系统的控制方法，其特征在于：开关量和4-20mA模拟量输入信号经过所述信号处理电路处理后送所述主控微控制单元，所述电子力矩检测电路输出信号送所述主控微控制单元，所述辅助微控制单元接收所述位置发送器送来的位置检测信号处理后送所述主控微控制单元，来自信号处理电路的信号与来自位置发送器的模拟信号经过主控微控制单元进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到所述驱动电路，所述驱动电路输出控制三相电机运动，所述位置发送器检测三相电机的运动信号再反馈回所述辅助微控制单元，形成闭环控制；所述人机界面设定参数输出到所述辅助微控制单元，辅助微控制单元输出状态值给人机界面显示；所述辅助微控制单元通过所述Modbus环路冗余通信卡与环路控制器主控站通讯。
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