一種新型礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器設(shè)計(jì)

汪學(xué)明

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州　213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州　213015)

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經(jīng)驗(yàn)交流

一種新型礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器設(shè)計(jì)

汪學(xué)明1,2

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州213015)

摘要：為了提高電動(dòng)閥門控制器的智能化水平，設(shè)計(jì)了一種新型礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器。該控制器采用絕對(duì)數(shù)字編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度閥門位置檢測，采用電流檢測實(shí)現(xiàn)高可靠的電動(dòng)機(jī)過力矩保護(hù)功能，與傳統(tǒng)的礦用閥門控制器相比，接口和控制方式更加靈活，智能化程度更高。

關(guān)鍵詞：閥門控制器； 部分回轉(zhuǎn)； 位置檢測； 絕對(duì)數(shù)字編碼技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1008.018.html

0　引言

礦用部分回轉(zhuǎn)閥門電動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用于礦井水泵自動(dòng)化、礦井水處理系統(tǒng)等，其可配套球閥、蝶閥使用。電動(dòng)閥門是礦用現(xiàn)代控制系統(tǒng)中尤為重要的調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]，閥門控制器是電動(dòng)閥門的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，隨著井下少人化和無人化的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)閥門控制器的智能化也提出了更高要求。本文介紹了一種新型礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)，提高了閥門電動(dòng)裝置的數(shù)字化與智能化水平[2]。

1　總體設(shè)計(jì)

礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器是礦用閥門電動(dòng)裝置中的核心控制部分，主要作用是閥門位置檢測、過力矩保護(hù)、開度顯示、信號(hào)輸入與輸出、數(shù)字通信和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。礦用閥門電動(dòng)裝置包括閥門控制器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、直流電動(dòng)機(jī)和手動(dòng)控制裝置等，如圖1所示。

2　硬件設(shè)計(jì)

礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器硬件電路主要由電源電路、微處理器及外圍電路、紅外遙控電路、看門狗與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、開度顯示電路、RS485數(shù)字總線通信電路、閥門位置檢測電路和輸入輸出接口電路等組成，如圖2所示。

圖1　礦用閥門電動(dòng)裝置總體框圖

圖2　礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器硬件結(jié)構(gòu)

2.1核心處理器選型

微處理器模塊選擇C8051F310單片機(jī)，其具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核[3]，與 MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，內(nèi)置16 kB FLASH程序存儲(chǔ)器(可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ))、2 kB內(nèi)部RAM，具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過調(diào)試接口可以進(jìn)行非侵入式、全速在線系統(tǒng)調(diào)試。

2.2電源電路

控制器電源電路如圖3所示。輸入電源為AC127 V，采用AC/DC隔離電源模塊將交流127 V轉(zhuǎn)換為DC24 V電壓，再通過K7805將DC24 V轉(zhuǎn)換為DC5 V，通過LM1117-3.3穩(wěn)壓芯片將DC5 V轉(zhuǎn)換為DC3.3 V，DC/DC電源模塊B0505-W1給RS485電路部分提供隔離的直流5 V電源。

圖3　控制器電源電路

2.3閥門位置檢測電路

閥門位置檢測采用單圈式絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)位置編碼器[4]，因其每一個(gè)位置絕對(duì)唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)式編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)中測量碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過360°時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)。采用絕對(duì)編碼器的閥門定位可靠性、準(zhǔn)確度更高。本文設(shè)計(jì)的閥門控制器選用12位單圈絕對(duì)位置編碼器，通信采用SPI數(shù)字總線，由于C8051F310單片機(jī)采用3.3 V供電，而絕對(duì)位置編碼器采用5 V電源供電，所以設(shè)計(jì)時(shí)單片機(jī)I/O口配置為開漏方式，通過外部上拉電阻實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。閥門位置檢測電路如圖4所示。

圖4　閥門位置檢測電路

2.4直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用工作電源為DC24 V、額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min的直流永磁電動(dòng)機(jī)，為實(shí)現(xiàn)閥體開閉功能，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分要求具有正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制功能，并通過過流檢測保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)功能。直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，其中DIR1實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)開關(guān)控制，DIR2實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，VBH實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)檢測。

2.5輸入與輸出接口電路

閥門控制器具有2路遠(yuǎn)程開關(guān)量輸入接口，分別為閥門開和閥門關(guān)控制，該2路接口采用無源節(jié)點(diǎn)輸入設(shè)計(jì)，兼容高低電平式控制方式。電路中通過隔離光耦TLP521-1將閥門控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的高低電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)控制信號(hào)的輸入檢測。閥門控制器具有2路無源節(jié)點(diǎn)輸出接口，輸出部分采用MOS繼電器AQW214作為節(jié)點(diǎn)輸出驅(qū)動(dòng)芯片，當(dāng)閥門打開時(shí)，第1路繼電器閉合，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，第2路繼電器閉合。閥門控制器輸入、輸出接口電路分別如圖6、圖7所示。

圖6　閥門控制器輸入接口電路

圖7　閥門控制器輸出接口電路

2.6RS485數(shù)字總線通信電路

閥門控制器含有1路RS485數(shù)字總線通信電路，如圖8所示。該電路采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換，通過RS485總線實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉控制，還可實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前閥門的開度值等參數(shù)。

圖8　RS485數(shù)字總線通信電路

3　軟件設(shè)計(jì)

閥門控制器上電后首先進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、輸入/輸出初始化、串口初始化、SPI總線初始化和RS485總線初始化、紅外遙控器接收功能初始化等。接著從單片機(jī)內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器中讀出已存儲(chǔ)的配置信息，如閥門絕對(duì)位置標(biāo)校參數(shù)、通信地址、控制方式等參數(shù)。準(zhǔn)備工作完成后，在數(shù)碼管上依次顯示產(chǎn)品型號(hào)、軟件版本號(hào)和通信地址等參數(shù)，最后顯示實(shí)時(shí)閥門開度狀態(tài)或開度值。單片機(jī)根據(jù)輸入接口或RS485總線實(shí)時(shí)接收到的各輸入控制信號(hào)，將控制信號(hào)輸出至閥門驅(qū)動(dòng)電路，通過電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)閥體的打開和關(guān)閉。電動(dòng)閥門控制器主要程序流程如圖9所示。

圖9　電動(dòng)閥門控制器主要程序流程

4　結(jié)語

新型礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器采用智能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)閥門的開度數(shù)字式顯示功能及非侵入式免開蓋紅外遙控參數(shù)配置；采用絕對(duì)數(shù)字編碼技術(shù)取代傳統(tǒng)的微動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)高精度的閥門位置檢測，采用電流檢測實(shí)現(xiàn)高可靠的電動(dòng)機(jī)過力矩保護(hù)功能，具有RS485數(shù)字總線通信接口，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥門的遠(yuǎn)程控制；與傳統(tǒng)的礦用閥門控制器相比，接口和控制方式更加靈活，智能化程度更高，操作更簡單。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝有祥.電動(dòng)閥門的智能化及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(11):251.

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[4]湯占峰,余于仿,徐丹,等.基于行星齒輪傳動(dòng)和絕對(duì)編碼器的閥門電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2012,41(4):62-65.

文章編號(hào)：1671-251X(2016)08-0074-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.018

收稿日期：2016-03-21；修回日期：2016-06-22；責(zé)任編輯：胡嫻。

基金項(xiàng)目：中煤科工集團(tuán)常州研究院所研項(xiàng)目(15SY002-01)。

作者簡介：汪學(xué)明(1983-)，男，安徽太湖人，工程師，主要從事煤礦監(jiān)測、監(jiān)控產(chǎn)品的研發(fā)工作，E-mail:wang83@126.com。

中圖分類號(hào)：TD679

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-08-03 10:08

Design of a new mine-used part-turn electric valve controller

WANG Xueming1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;2.Tiandi(Changzhou) Automation Co.,Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract:In order to improve intelligent level of electric valve controller, a new mine-used part-turn electric valve controller was designed. The controller uses absolute digital encoding technology to achieve high precision valve position detection, and uses current detection to achieve highly reliable function of over-torque protection of motor. Compared to conventional mine-used valve controller, the interface and control mode of the new controller are more flexible and intelligent level is higher.

Key words:valve controller; part-turn; position detection; absolute digital encoding technology

汪學(xué)明.一種新型礦用部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門控制器設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(8)：74-76.