一种新型矿用部分回转电动阀门控制器设计.pdf

第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 8 Au g．2 0 1 6 ．__◆ ◆ 。 经 验交流 【 ◆ ◆ ．⋯ ◆J’ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 8 0 0 7 4 0 3 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 1 8 汪学明． 一种新型矿用部分回转电动阀门控制器设计E J - I ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 8 7 4 7 6 ． 一 种新型矿用部分回转电动阀门控制器设计 汪学 明 。 1 ． 中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股 份有 限公 司 ， 江 苏 常州2 1 3 0 1 5 摘要 为 了提 高电动 阀 门控制 器的智 能化水 平 ， 设 计 了一种新 型矿 用部 分 回转 电动 阀 门控 制 器 。该控 制 器采 用 绝对数 字编码技 术 实现 高精度 阀门位置检 测 ， 采 用电流检 测 实现 高可靠 的 电动机 过 力矩保 护功 能 ， 与 传统 的矿 用 阀门控制 器相 比 ， 接 口和控 制 方式更加 灵 活 ， 智 能化程 度 更 高。 关键 词 阀 门控制 器 ；部分 回转 ； 位 置检 测 ；绝 对数 字编码技 术 中 图分 类号 T D6 7 9 文献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 8 0 3 1 0 0 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 1 0 0 8 ． 0 1 8 ． h t ml De s i g n o f a n e w mi n e u s e d pa r t t ur n e l e c t r i c v a l v e c o n t r o l l e r W ANG Xu e mi ng ’ 1 ． CC TEG C h a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ， Lt d． ，C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5，Ch i n a Abs t r a c t I n o r de r t o i m p r ov e i nt e l l i ge n t l e v e l of e l e c t r i c va l v e c o nt r o l l e r ．a ne w mi ne us e d pa r t t u r n e l e c t r i c v a l v e c o nt r o l l e r wa s d e s i gn e d．The c o n t r ol l e r us e s a bs o l ut e di gi t a l e nc o d i ng t e c h no l og y t o a c hi e ve h i gh p r e c i s i on v a l v e p os i t i on de t e c t i on， a n d u s e s c u r r e nt de t e c t i o n t o a c hi e v e hi g hl y r e l i a bl e f u nc t i o n o f o v e r t or q u e p r o t e c t i o n o f mot o r ．Co m p a r e d t o c o nv e n t i o n a l m i n e - u s e d v a l v e c o nt r o l l e r ．t he i nt e r f a c e a nd c o nt r o l mo de o f t he n e w c o n t r ol l e r a r e mor e f l e xi b l e a nd i n t e l l i g e n t 1 e v e l i S hi g he r ． Ke y wo r d s v a l v e c o n t r o l l e r ；p a r t t u r n；p o s i t i o n d e t e c t i o n；a b s o l u t e d i g i t a l e n c o d i n g t e c h n o l o g y 0 引言 矿用 部分 回转 阀 门电动装 置广 泛应用 于矿 井水 泵 自动化 、 矿井水处理系统等 ， 其可配套球 阀、 蝶 阀 使用 。电动阀门是矿用现代控制系统中尤为重要的 调节执行机构[ 1 ] ， 阀门控制器是 电动阀门的电动执 行机构， 随着井下少人化和无人化的发展 ， 对电动阀 门控制器的智能化也提出了更高要求。本文介绍了 一 种新型矿用部分回转电动阀门控制器的硬件和软 件设计 ， 提 高 了阀门电动装 置 的数字 化与智 能化 水平 。 1 总体设计 矿用部 分 回转 电动 阀门控制 器是矿 用 阀 门电动 装置中的核心控制部分 ， 主要作用是阀门位置检测 、 过力矩保护 、 开度显示、 信号输入与输 出、 数字通信 和电动机驱动等 。矿用 阀门电动装置包括阀门控制 器、 机械传动机构、 直流电动机和手动控制装置等， 如 图 1所示 。 2硬 件设 计 矿用部 分 回转 电动 阀门控制 器硬 件 电路主要 由 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 3 2 1 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 6 2 2 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 中煤科工集 团常州研究院所研项 目 1 5 S Y0 0 2 0 1 。 作者简介 汪学明 1 9 8 3 一 ， 男 ， 安徽太湖人 ， 工程师 ， 主要从事煤矿监测、 监控产 品的研发工作 ， E ma i l w a n g 8 3 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 8期 汪学 明 一种 新 型矿 用部 分 回转 电动 阀 门控 制 器设计 7 5 图 1 矿用阀 门电动装置 总体框 图 电源 电路 、 微 处理 器 及 外 围 电路 、 红 外 遥 控 电路 、 看 门狗与数 据 存储 电路 、 电动机 驱动 电路 、 开 度显 示 电 路 、 R S 4 8 5数字总线通信 电路 、 阀门位置检测电路和 输 入输 出接 口电路 等组成 ， 如 图 2所示 。 看门狗与数据 存储电路 l 调 试口 红外遥控 电路 直流电动机驱动电路} 直流永磁电动机 I I C 微 装 [ U A R T 0 因 显示电路 I R S 4 8 5 数字总线 通信 电路 阀门位 置 检测电路 幽 图 2 矿用部分 回转 电动 阀门控制器硬件结构 2 ． 1核 心 处 理 器 选 型 微处理器模块选择 C 8 0 5 1 F 3 1 0单片机 ， 其具有 与 8 0 5 1 兼容的高速 C I P 一 5 1内核_ 3 ] ， 与 MC S 一 5 1指 令集完全兼容， 片内集成 了数据采集 和控制系统 中 常用的模拟 、 数字外设及其他功能部件， 内置 1 6 k B F L AS H程序存储器 可用于非 易失性数据存储 、 2 k B内部 R AM， 具有片内调试电路 ， 通过调试接 口 可以进行非侵人式、 全速在线系统调试 。 2 ． 2 电 源 电 路 控 制 器 电 源 电 路 如 图 3所 示 。输 入 电 源 为 AC 1 2 7 V， 采用 AC ／ D C隔离 电源模块将交流 1 2 7 V 转 换为 DC 2 4 V 电压 ， 再 通 过 K7 8 0 5将 D C 2 4 V 转 换为 D C 5 V， 通过 L M1 1 1 7 3 ． 3稳压芯片将DC 5 V 图 3 控制器 电源 电路 转换为 DC 3 ． 3 V， D C ／ D C电源模 块 B 0 5 0 5 一 w1给 RS 4 8 5电路部分提供 隔离 的直流 5 V电源。 2 ． 3 阀 门 位 置检 测 电路 阀门位置检测采用单圈式绝对型旋转位置编码 器[ 4 ] ， 因其每一个位置绝对 唯一 、 抗干扰 、 无需掉 电 记忆 ， 已经越来越广泛地应用于各种工业 系统 中的 角度 、 长度测量 和定位控制。旋转单圈绝对式 编码 器在 转动 中测 量码 盘各 道刻 线 ， 以获取 唯 一 的编码 ， 当转动超过 3 6 0 。 时， 编码又 回到原点。采用绝对编 码器的阀门定位可靠性、 准确度更 高。本文设计 的 阀门控制器选用 1 2位单圈绝对位置编码器， 通信采 用 S P I数 字 总线 ， 由 于 C 8 0 5 1 F 3 1 0单 片 机 采 用 3 ． 3 V供电， 而绝对位置编码器采用 5 V 电源供 电， 所以设计时单片机 I ／ O 口配置为开漏方式， 通过外 部上拉电阻实现 电平 转换。阀门位置检测 电路 如 图 4所示 。 SV 图 4 阀门位 置检 测电路 2 ． 4直 流 电动机 驱动 电路 直流 电动 机 驱 动 电 路 选 用 工 作 电源 为 DC 2 4 V、 额定 转 速为 2 8 0 0 r ／ rai n的直 流 永磁 电动 机 ， 为实现阀体开闭功能 ， 电动机驱动部分要求具有正 转与反转控制功能 ， 并 通过过流检测保护电路实现 电动 机过 载保 护功 能 。直流 电动机 驱 动 电 路如 图 5 所 示 ， 其 中 D I R1实 现 电动 机 开关 控 制 ， DI R2实 现 电动机正转和反转控制 ， VB H 实现过流保护检测。 图 5 直流电动机驱动电路 2 ． 5 输 入 与 输 出接 口 电 路 阀 门控制 器 具 有 2路远 程 开 关量 输 入 接 口， 分 别为阀门开和阀门关控制， 该 2路接 口采用无源节 点输入设计 ， 兼容高低电平式控制方式 。电路 中通 7 6 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 过隔离光耦 T L P 5 2 1 1将 阀门控制信号转换为单 片机可识别 的高低电平信号 ， 实现阀门开关控制信 号的输入检测。阀门控制器具有 2 路无源节点输 出 接 口， 输出部分采用 MOS继 电器 AQW2 1 4作为节 点输出驱动芯片， 当阀门打 开时， 第 1路继 电器闭 合， 当阀门关闭时， 第 2路继电器闭合 。阀门控制器 输入 、 输出接 口电路分别如图 6 、 图 7所示 。 V 图 6阀门控 制器输入接 口电路 图 7 阀 门控制器输出接 口电路 2 ． 6 R 4 8 5数 字总 线通信 电路 阀门控 制 器 含 有 1路 R S 4 8 5数 字 总 线 通 信 电 路 ， 如图 8所示 。该电路采用光耦 实现电气隔离和 电平转换， 通过 R S 4 8 5总线实现阀门的远程打开和 关 闭控 制 ， 还 可实 时读 取 当前 阀门的开 度值 等参 数 。 守1 0 5VB A T 2 k n nl k ． Q L P 5 2 1 1 1 5 V B A 一 _ 1 i 4 8 5 T X D L E D Gl l I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． _J MAX4 8 5 图 8 RS 4 8 5 数字总线通信 电路 3软件设 计 阀门控 制 器上 电后首 先 进 行初 始 化 ， 包 括 系统 时钟初始化、 输人／ 输出初始化 、 串口初始化 、 S P I 总 线初 始化 和 R S 4 8 5总线初 始化 、 红 外 遥控 器 接 收功 能初始化等。接着从单片机内部 F L AS H存储器中 读出已存储的配置信息 ， 如阀门绝对位置标校参数 、 通信地址 、 控制方式等参数。准备工作完成后 ， 在数 码管上依次显示产 品型号、 软件版本号和通信地址 等参数 ， 最后显示实时 阀门开度状态或开度值 。单 片机根据 输 入 接 口或 RS 4 8 5总线 实 时 接 收 到 的 各 输入控制信号， 将控制信号输 出至阀门驱动电路 ， 通 过 电动 机实 现 阀体 的打 开和关 闭。 电动 阀门控制 器 主要程序流程如图 9所示 。 系统各模块初始化 从 F L A S H中读 出 配置参数 三 二 输入端 口检测／ R S 4 8 5数据监测 ／ 阀 门开关＼ ＼ ／ ‘ Y 阀门状态信号输 出、数码管显示 图 9 电动阀门控制器 主要程序 流程 4 结语 新型矿用部 分 回转 电动 阀 门控 制 器采用 智 能 化 设计， 实现了电动阀门的开度数字式显示功能及非侵 入式免开盖红外遥控参数配置； 采用绝对数字编码技 术取代传统的微动开关实现高精度的阀门位置检测， 采用电流检测实现高可靠的电动机过力矩保护功能， 具有 R S 4 8 5 数字总线通信接 口， 可实现电动阀门的远 程控制 ； 与传统的矿用阀门控制器相 比， 接 口和控制 方式更加灵活 ， 智能化程度更高， 操作更简单。 参 考文献 [ 1 ] 谢有 祥． 电动 阀门的智能 化及其发 展现 状[ J 1 ． 电子技 术与软件工程 ， 2 0 1 4 1 1 2 5 1 ． [ 2 1 黄明亚 ， 项美根 ， 王 庆宪． 智 能型 阀门电动 装置 相关标 准规定的分析与研究[ J 1 ． 阀门 ， 2 0 1 4 3 2 7 2 9 ． [ 3 1 杨小凤． 矿用 防爆无轨胶 轮车数 据采集 装置设 计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 2 1 0 2 1 0 4 ． [ 4 1 汤 占峰 ， 余 于仿 ， 徐丹 ， 等． 基于行 星齿 轮传 动和绝对 编 码器 的阀 门 电动 装 置设 计 [ J ] ． 机 电工程 技 术 ， 2 0 1 2 ， 41 4 6 2 65 ． 对 测 一 ● 鼗工 z f 卜 ～