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单片机技术在阀门电动执行机构中的逐步应用和发展

    近二十年来,随着电气控制和微处理器技术的不断发展,阀门电动执行机构的电气控制技术进入了快速发展阶段,由原来以机械部件和简单电气元件为主的普通型电动执行机构,向应用了单片机技术的非侵入式电气控制系统为主导地位的智能型电动执行机构发展,并逐步发展形成智慧型电动执行机构。在这个转变过程中,单片机技术的应用起到了关键性的作用。文章着重介绍了二十年来阀门电动执行机构控制系统的研发过程中,单片机技术的逐步应用、迅速发展和未来方向。

    阀门电动执行机构在工业控制过程中一般用来驱动阀门,是将电能转化为机械位移的机电一体化设备,它以电能为动力接收来自控制系统的控制信号(开关量、模拟量和总线信号),驱动阀门打开、关闭或者运行到某一位置,可以用于工业现场的各种阀门(调节阀闸阀球阀截止阀等)的开、关和定位控制,广泛应用于火电、化工、钢铁和环保等行业。 


  单片机(Micro Control Unit,MCU),是一种将中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、输入输出口I/O等硬件集成在一块芯片上的可编程器件。通过相应的软件编程后,能完成原来用非常复杂的模拟、数字电路才能实现的功能。 


  上世纪90年代之前,阀门电动执行机构以机械部件为主,后来随着电气控制技术的发展,尤其是单片机技术在执行机构中的应用越来越多,执行机构逐步发展成具备非侵入式设计的智能型,并最终向具备更强功能的智慧型发展。单片机技术的应用,在执行机构产品的升级换代中,起着不可或缺的作用。 
  单片机技术在阀门电动执行机构中的应用,可以把它分为以下3个阶段: 


  早期应用阶段:20世纪90年代,随着单片机技术的不断发展、普及和应用,微处理器技术开始应用于工业自动化产品生产过程中。在设计自动化仪表时,研发人员打破原有的设计思维,由传统模拟电子线路设计转向以单片机为核心的控制器的设计,从而简化了电路、提高了仪表可靠性和稳定性、降低了成本、加快了产品的更新换代速度,解决了许多传统仪表存在的问题。其中,调节型阀门电动执行机构就是这个阶段的典型代表。 
  高速发展阶段:从90年代后期到2010年,随着SOC(System On Chip)平台的出现,MCU技术迅速发展,运行速度更快、集成度更高的增强型8位单片机层出不穷,为执行机构的技术革命奠定了坚实的基础,使执行机构在电气控制系统方面有重大突破。在国外领先企业的引领下,出现了一些具有液晶显示、红外遥控、绝对编码和现场总线等多种最新控制技术的非侵入式智能型产品。 


  全面创新阶段:2010年以后,随着智能传感器技术、物联网技术和CPU技术的进一步发展,出现了面向单片机市场的32位ARM处理器,如CM3。此时,阀门电动执行机构已经进入向智慧型发展的全面创新阶段,智能感知、智慧决策、大数据、物联网、云技术已经成为主要发展方向。智慧型阀门电动执行机构已经逐步成为执行机构行业的未来发展方向。 


  1 阀门电动执行机构的构成 


  阀门电动执行机构总体上来说,由3个部分构成,分别为: 


  电动机:如图1中部分11所示。将电能转化为机械位移,为执行机构提供动力。 


  机械传动部分:如图1中部分1、2、3、5、6、7、8、9、10所示。通过减速传动,将电机转动产生的高转速低扭矩,转化为執行机构输出的低转速高扭矩,并通过机械接口和阀门连接来驱动阀门开关运行。   电气控制系统:如图1中部分4所示。控制系统是执行机构的核心部分,通过接收现场和远程的运行指令,根据采集的执行机构的自身状态,通过逻辑运算后,驱动电机并将执行机构状态信号输出。 


  2 单片机技术在执行机构中的早期应用阶段 


  早期的阀门电动执行机构控制原理比较简单,主要通过机械式的行程控制器和力矩控制器来实现阀门的开关限位控制和过扭矩保护,通过控制箱来实现开、关运行控制。根据控制方式不同可以将其分为开关型和调节型两种。开关型主要接收控制系统的开关量信号,一般情况下运行在全开和全关位置;调节型主要接收控制系统的模拟量信号,可以根据模拟量连续定位,驱动阀门到任意位置。

 
  调节型电动执行机构本质上来说属于DDZ-III型仪表,采用4~20mA的模拟量来
控制阀门开度,根据模拟量信号连续定位。传统的设计方法是采用伺服放大器,将控制系统给出的模拟量信号和执行机构本身的阀位信号进行运算比较,当两者差值大于死区时,控制电机驱动执行机构向减小差值的方向运行。然而伺服放大器多为模拟电路,存在调试困难、零漂、温漂和抗干扰能力差等固有缺陷,此外,元器件多,体积大,成本高,故障点多,需要有更好的方案来解决。 


  当时单片机技术还没有广泛的应用,选型的范围也很窄,主要有Intel的8031、8051系列;摩托罗拉的6800系列;microchip的PIC系列;Atmel的AT89C52、AT89C2051等。其中由于AT89C2051,具有内置EEPROM,易编程调试,资料较多,成本低,I/O端口的数量能满足初期的调节型控制系统的设计要求,所以选用它和一些外围器件构成了调节型电动执行机构的控制系统。控制系统主要由:AT 89C2051、线性电源、AD转换芯片TLC0834、复位芯片IMP813L和双路阀位变送器BS-2等组成,硬件系统框图,如图2所示。 


  软件当时只能通过汇编语言编写,编程和修改难度都比较大。由ASM51编译生成HEX文件后,通过专用编程器烧写。图3为采用AT89C2051的软件流程图和汇编语言程序片段。 


  虽然单片机技术的早期应用,现在看起来过于原始和简单,但是当时执行机构设计者改变了原来的设计思维和框架,由传统的模拟电子线路设计向以单片机为核心、加独立外设芯片的控制器的设计转变。因为其是早期产品,存在程序存储器容量小、没有片内非易失性数据存储器、指令和时序复杂、没有集成外设、I/O端口较少,抗干扰能力较差等问题,这些都增加了设计人员的困难。 


  3 应用的高速发展阶段 


  到九十年代中期,8051系列单片机主要由Silicon Labs、Atmel、Philips等公司生产,在保持与8051单片机兼容的基础上对其性能和功能进行了大幅提升。如:改进指令的时序特性提高运行速度、增加集成外设提高系统集成度、放宽电源电压的动态范围、增强抗干扰能力等方面。后来,Analog Devices、Silicon Labs和Atmel分别推出了ADUC812、C8051F和AVR系列混合信号单片机,提出了SOC(System On Chip)平台的概念,拥有这类平台的单片机也被称为增强型8位MCU。此类MCU都具有高速流水线(RISC)指令结构,具有与8051兼容的内核,并且具有大量的I/O接口、多路独立的内置A/D和D/A通道、非易失性数据存储器EEPROM、内部R/C振荡器等。将一个硬件系统功能集成于一个芯片上,给研发人员提供了极大的便利,也使得系统集成度更高。 


  与此同时,这个阶段的阀门电动执行机构,在一些国外品牌的引领下,引入了很多最新的控制技术。如:非侵入式设计、免开箱调试、用绝对编码式行程控制器取代机械式行程控制器、推拉式扭矩传感器、无线遥控和现场总线等。执行机构进入了智能型非侵入式的应用阶段。但是,这些控制技术在一定程度上对MCU的I/O数量,集成外设的种类、运行速度都提出了更高的要求,原来传统的单片机无法满足要求,而具有SOC概念的MCU显然非常符合新的设计要求。 


  经过对比本文选用Silicon Labs公司的C8051F系列中的C8051F020和Atmel公司AVR系列中的ATmega64这两款MCU,分别应用于本文提出的SND和SND3系列智能型阀门电动执行机构。两款MCU都具有超过50个的I/O端口和多种模拟数字外设;均采用RSIC结构的精简指令集和流水线技术使程序运行速度大大加快;都具有64K以上的FLASH和若干非易失性存储器,能满足程序存储和数据存储的要求。其中ATmega64还有低功耗和宽电压的特性,可以提升系统的EMC性能。图4为增强型8位MCU硬件系统框图,由图可见,一块芯片就可以完成执行机构控制系统的设计,无需增加外设,简化了硬件系统的设计,提高了可靠性。 


  软件部分,都是通过C语言编写。C8051F020通过Keil uVision2软件编写、编译后,用Silicon专用编程器烧写入单片机;ATmega64通过ICCAVR编写、编译后,用AVR Studio 4.0 通过专用编程器烧写入单片机。图5为ATmega64的软件流程图和部分C语言程序。 


  在阀门电动执行机构进入这一阶段后,控制系统对现场总线的应用要求也越来越多,以Profibus-DP、Modbus-RTU、CANBUS等总线类型为主。在搭建SOC平台的基础上,这些现场总线只要通过UART端口、协议芯片和总线接口芯片就能方便的设计各种总线接口。例如Profibus-DP总线,只要通过DP总线协议芯片SPC3和RS485驱动芯片ADM2486,就可以实现总线从站硬件系统的构建。然后,根据相关资料编写软件程序就可以与现场总线网络连接。

 
  然而在阀门电动执行机构高速发展阶段到了后期,SOC平台在低功耗(电池应用)、存储空间、实时时钟、网络和通信(以太网接口)等功能方面,逐步顯现不足,需要开发新的更高性能的处理器来解决存在的问题。   

4 应用的全面创新阶段 


  2010年以后,许多高端用户对智能型执行机构提出了新的要求,如: 


  在没有交流电源外部供电的情况下,要求执行机构能够在液晶屏上显示阀位。 


  要求执行机构具有数据记录功能,便于系统快速进行数据分析和故障判断。

 
  要求执行机构作为现场设备能采集阀门和管道的一些诊断数据和过程参数。

 
  执行机构内部要检测温度、电压和振动等环境参数。 


  与此同时,互联网、物联网、云技术在工业产品中的应用越来越多,执行机构可以通过这些技术实现远程控制和远程数据采集分析等功能。 


  然而,执行机构设计行业也提出有关智慧型电动执行机构概念,内容包括: 


  深度感知:感知管道及阀门的工作状态(振动、转矩)。 


  智慧决策:能现场编程、通过记录数据和故障诊断来决定执行机构的行为。 


  精确执行:高速运行、高精度定位、高精度的转矩检测技术。 


  简易精致:执行机构结构更加趋于紧凑、小型化、性能更强、操控更加人性化。 


  鉴于行业和技术发展的背景,原来的控制系统在运行速度、存储空间、功耗,和外设的种类等方面,已经很难满足新的要求。因此,应用ARM平台控制系统的智慧型阀门电动执行机构逐步发展形成。 


  智慧型阀门电动执行机构的电气控制系统,采用基于ARM的32位处理器:CortexTM-M3 CPU(STM32F205/207)。其32位的指令系统具备32位的数据处理能力,相比于任何8位MCU来说,大大提高了控制系统的性能,包括提升运行速度、增强处理能力、增加存储容量、加大可扩展性、大幅降低功耗等。 


  STM32F205/207微处理器具有高性能的ARM 32位的RISC内核,工作频率最高达120MHz;内部含有高速存储器(最高可达1MByte的闪存、128KByte的SRAM和4K备用SRAM);丰富的增强I/O端口,其具有联接到两条APB总线的外设、3条AHB总线和一个32位的multi-AHB总线矩阵、3个12位的ADC和2个DAC(用于执行机构的阀位设定和反馈)、1个低功耗的RTC(用于运行数据记录)、12个通用的16位计时器(其中有2个用于电机控制的PWM定时器)、2个通用的32位计时器、1个真正的随机数生成器RNG(用于生成序列号);新增加的高级外设包括1个SDIO和1个FSMC接口(用于扩展执行机构的存储空间)、1个USB OTG接口(使执行机构的历史记录数据可以直接下载)、4个USART接口和2个UART接口(用于扩展各种现场总线);其他标准外设还包括:3个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口和2个CAN接口等等,资源非常丰富。此外,芯片还具有专门的电池引脚用于RTC供电,在STM32F207上还具有以太网和相机接口,与TCP/IP网络连接,可以扩展物联网、互联网和云技术等功能。芯片的工作温度范围为-40°C至+105°C,能满足绝大部分工业现场的要求;工作电压范围为2.0V至3.6V,最低功耗只有不到3uA,能大幅延长内置锂电池的使用时间。 


  基于ARM的32位处理器在内核、指令系统、存储器容量和可扩展性、外设的种类和数量、功耗、工作温度范围上都非常适合智慧型阀门电动执行机构工业现场设备的使用。图6为基于ARM的硬件系统框图。

 
  由图6可见,在保留增强型8位MCU优点的基础上,ARM处理器还为执行机构增加了很多新技术和新功能,如:低功耗电池应用技术、无线数据传输技术、传感器集成技术、云技术和数据记录存储功能等。 


  在全新的应用阶段,一些处于行业领先地位的进口品牌,如德国和英国的一些执行机构制造商在其新系列的电动执行机构中使用了一片或者多片STM32F系列的处理器,从而增加了许多新的功能,进一步提升了执行机构的性能,开创了智慧型阀门电动执行机构的概念。国内执行机构制造商也陆续推出相关产品,阀门电动执行机构将在32位ARM技术的带领下,进入一个全新的阶段。 


  5 结束语


  本文介绍了单片机技术在阀门电动执行机构中从无到有的逐步应用过程,从早期的初步应用阶段,到后来的高速发展阶段,及到现在的全面创新阶段。在整个过程中,执行机构也经历了从普通调节型、发展到智能型、最后到智慧型的升级换代过程;单片机技术的发展和应用对推动阀门电动执行机构产品的更新换代和执行机构行业技术水平的提高起着至关重要的作用。阀门电动执行机构是工业自动化系统的最末端,是工业过程控制中不可或缺的部分,其技术的进步,有助于提高我国工业自动化的整体水平。 

 

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