一種新型礦用部分回轉電動閥門控制器設計

汪學明

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

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經驗交流

一種新型礦用部分回轉電動閥門控制器設計

汪學明1,2

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

摘要：為了提高電動閥門控制器的智能化水平，設計了一種新型礦用部分回轉電動閥門控制器。該控制器采用絕對數字編碼技術實現高精度閥門位置檢測，采用電流檢測實現高可靠的電動機過力矩保護功能，與傳統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。

關鍵詞：閥門控制器； 部分回轉； 位置檢測； 絕對數字編碼技術

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1008.018.html

0　引言

礦用部分回轉閥門電動裝置廣泛應用于礦井水泵自動化、礦井水處理系統等，其可配套球閥、蝶閥使用。電動閥門是礦用現代控制系統中尤為重要的調節執行機構[1]，閥門控制器是電動閥門的電動執行機構，隨著井下少人化和無人化的發展，對電動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電動閥門控制器的硬件和軟件設計，提高了閥門電動裝置的數字化與智能化水平[2]。

1　總體設計

礦用部分回轉電動閥門控制器是礦用閥門電動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、開度顯示、信號輸入與輸出、數字通信和電動機驅動等。礦用閥門電動裝置包括閥門控制器、機械傳動機構、直流電動機和手動控制裝置等，如圖1所示。

2　硬件設計

礦用部分回轉電動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、看門狗與數據存儲電路、電動機驅動電路、開度顯示電路、RS485數字總線通信電路、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　礦用閥門電動裝置總體框圖

圖2　礦用部分回轉電動閥門控制器硬件結構

2.1核心處理器選型

微處理器模塊選擇C8051F310單片機，其具有與8051兼容的高速CIP-51內核[3]，與 MCS-51指令集完全兼容，片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件，內置16 kB FLASH程序存儲器(可用于非易失性數據存儲)、2 kB內部RAM，具有片內調試電路，通過調試接口可以進行非侵入式、全速在線系統調試。

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轉換為DC24 V電壓，再通過K7805將DC24 V轉換為DC5 V，通過LM1117-3.3穩壓芯片將DC5 V轉換為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型旋轉位置編碼器[4]，因其每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經越來越廣泛地應用于各種工業系統中的角度、長度測量和定位控制。旋轉單圈絕對式編碼器在轉動中測量碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360°時，編碼又回到原點。采用絕對編碼器的閥門定位可靠性、準確度更高。本文設計的閥門控制器選用12位單圈絕對位置編碼器，通信采用SPI數字總線，由于C8051F310單片機采用3.3 V供電，而絕對位置編碼器采用5 V電源供電，所以設計時單片機I/O口配置為開漏方式，通過外部上拉電阻實現電平轉換。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直流電動機驅動電路

直流電動機驅動電路選用工作電源為DC24 V、額定轉速為2 800 r/min的直流永磁電動機，為實現閥體開閉功能，電動機驅動部分要求具有正轉與反轉控制功能，并通過過流檢測保護電路實現電動機過載保護功能。直流電動機驅動電路如圖5所示，其中DIR1實現電動機開關控制，DIR2實現電動機正轉和反轉控制，VBH實現過流保護檢測。

2.5輸入與輸出接口電路

閥門控制器具有2路遠程開關量輸入接口，分別為閥門開和閥門關控制，該2路接口采用無源節點輸入設計，兼容高低電平式控制方式。電路中通過隔離光耦TLP521-1將閥門控制信號轉換為單片機可識別的高低電平信號，實現閥門開關控制信號的輸入檢測。閥門控制器具有2路無源節點輸出接口，輸出部分采用MOS繼電器AQW214作為節點輸出驅動芯片，當閥門打開時，第1路繼電器閉合，當閥門關閉時，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數字總線通信電路

閥門控制器含有1路RS485數字總線通信電路，如圖8所示。該電路采用光耦實現電氣隔離和電平轉換，通過RS485總線實現閥門的遠程打開和關閉控制，還可實時讀取當前閥門的開度值等參數。

圖8　RS485數字總線通信電路

3　軟件設計

閥門控制器上電后首先進行初始化，包括系統時鐘初始化、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。接著從單片機內部FLASH存儲器中讀出已存儲的配置信息，如閥門絕對位置標校參數、通信地址、控制方式等參數。準備工作完成后，在數碼管上依次顯示產品型號、軟件版本號和通信地址等參數，最后顯示實時閥門開度狀態或開度值。單片機根據輸入接口或RS485總線實時接收到的各輸入控制信號，將控制信號輸出至閥門驅動電路，通過電動機實現閥體的打開和關閉。電動閥門控制器主要程序流程如圖9所示。

圖9　電動閥門控制器主要程序流程

4　結語

新型礦用部分回轉電動閥門控制器采用智能化設計，實現了電動閥門的開度數字式顯示功能及非侵入式免開蓋紅外遙控參數配置；采用絕對數字編碼技術取代傳統的微動開關實現高精度的閥門位置檢測，采用電流檢測實現高可靠的電動機過力矩保護功能，具有RS485數字總線通信接口，可實現電動閥門的遠程控制；與傳統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：

[1]謝有祥.電動閥門的智能化及其發展現狀[J].電子技術與軟件工程,2014(11):251.

[2]黃明亞,項美根,王慶憲.智能型閥門電動裝置相關標準規定的分析與研究[J].閥門,2014(3):27-29.

[3]楊小鳳.礦用防爆無軌膠輪車數據采集裝置設計[J].工礦自動化,2014,40(2):102-104.

[4]湯占峰,余于仿,徐丹,等.基于行星齒輪傳動和絕對編碼器的閥門電動裝置設計[J].機電工程技術,2012,41(4):62-65.

文章編號：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；責任編輯：胡嫻。

基金項目：中煤科工集團常州研究院所研項目(15SY002-01)。

作者簡介：汪學明(1983-)，男，安徽太湖人，工程師，主要從事煤礦監測、監控產品的研發工作，E-mail:wang83@126.com。

中圖分類號：TD679

文獻標志碼：A網絡出版時間：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

汪學明.一種新型礦用部分回轉電動閥門控制器設計[J].工礦自動化，2016,42(8)：74-76.