新型智能閥門控制器的研究

唐鵬輝 張云貴 王麗娜

(中國鋼研冶金自動化研究設(shè)計院混合流程工業(yè)自動化系統(tǒng)及裝備技術(shù)國家重點實驗室，北京 100071)

0 引言

電力載波通信是指將信號加載到工頻上，將電力線作為信息傳輸媒介的一種通信方式。電力載波通信的最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，可節(jié)約大量成本。采用電力線通信具有實現(xiàn)成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率高、永遠在線、通信范圍廣等優(yōu)點［1-2］。

電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)［3］。雙向可控硅為無觸點式開關(guān)，無火花、壽命長、體積小、無噪聲。其控制回路為弱電控制，耗電小且更新方便;具有良好的開關(guān)特性，操作者只需接觸安全的低壓直流電源。

隨著時代的進步，如何進一步提高人防工程等控制系統(tǒng)的智能化，如何在降低成本的同時簡化系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維護過程，已成為一個至關(guān)重要的問題［4-5］。與此同時，在傳統(tǒng)的接觸器正反控制電路中，接觸器存在主觸頭拉弧和火花問題，容易造成主回路相間的短路，造成電動機斷相運行而破壞電機，更為嚴(yán)重的是引起火災(zāi)。

為有效解決以上兩個問題，本文設(shè)計了一款新型閥門控制器。本控制器將主要應(yīng)用在人防工程中。

1 控制器的組成及工作原理

1.1 硬件設(shè)計

控制器主要由通信部分和用戶電路兩部分組成。通信部分主要由神經(jīng)元芯片PL3120核心板、電源和耦合電路等組成，負責(zé)電力載波通信、檢測數(shù)據(jù)處理和控制輸出。用戶電路部分主要由閥門正反轉(zhuǎn)控制電路、電流檢測電路、數(shù)字量狀態(tài)采集電路和狀態(tài)輸出電路等組成，負責(zé)執(zhí)行通信板的控制命令、采集控制器本身和控制負載的運行狀態(tài)、提供報警顯示和故障處理等功能?？刂破饔布娐房驁D如圖1所示。

圖1 控制器硬件電路框圖Fig.1 Hardware circuit of the controller

1.1.1 電力載波芯片PL3120核心板

電力載波芯片PL3120核心板由PL3120芯片、晶振和電阻電容等器件組成。PL3120采用ANSI/EIA 709.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過LonWorks網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)點對點之間的通信，主要應(yīng)用于電力載波領(lǐng)域。PL3120芯片輸入時鐘頻率可設(shè)置為 10 MHz，工作于 C波段，通信速度為5.4 kbit/s［6］。PL3120芯片具有以下特點:①采用窄帶BPSK電力線信號調(diào)制;②雙載波頻率通信方式;③通過前向糾錯算法(FEC)加循環(huán)冗余校驗，克服數(shù)據(jù)包錯誤問題;④具有1 Ω輸出阻抗，能實現(xiàn)低阻抗電路高電平信號傳輸，同時保持極其微弱的輸出信號失真;⑤能適應(yīng)全球范圍內(nèi)多種通信標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 電源部分

控制器需要直流電壓VA和直流電壓VDD5兩個直流電壓。本設(shè)計中采用兩級電源轉(zhuǎn)換，由交流220 V轉(zhuǎn)換到直流電壓VA，然后由VA轉(zhuǎn)換成直流電壓VDD5。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路Fig.2 Circuit of power supply

220V交流電壓通過變壓器T1轉(zhuǎn)換成低壓交流電壓，整流橋D1將低壓交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。C1為儲能電容，C2、C3為濾波電容;穩(wěn)壓芯片LM317T將整流橋輸出的不穩(wěn)定直流電源轉(zhuǎn)換成VA輸出，VA=1.25(1+R2/R1)+ⅠR2;D2、D3為保護二極管，防止電壓反向破壞穩(wěn)壓芯片。電源變換芯片78L05將VA電壓轉(zhuǎn)換成VDD5電壓;C12、C13為濾波電容，C14作為旁路電容，起穩(wěn)定電源電壓的作用。

1.1.3 耦合電路

耦合電路的目的是從電力線上提取載波信號，并將其送入放大電路，然后將輸出信號耦合到電力線上。耦合電路設(shè)計是否合理將直接關(guān)系到電力載波效率［7-8］。耦合電路設(shè)計必須做到輸出阻抗盡可能小，這樣信號才不會被輸出阻抗消耗;同時輸入阻抗必須足夠大，以保證信號基本不會被線路阻抗分掉［9］。耦合電路設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 耦合電路Fig.3 Coupling circuit

圖3中，T1為通信耦合變壓器，它將電力網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部電路隔離。同時，它也是耦合電路輸入阻抗的一部分，起到提高輸入阻抗、減少信號由于分壓而導(dǎo)致?lián)p失等作用。TXOUT、RXIN為PL3120上的發(fā)送接收管腳，發(fā)送信號經(jīng)T1通過C3發(fā)送出去。D5、D6兩個二極管起鉗壓作用，以抑制電路浪涌電壓，C2的作用是防止TXOUT的直流偏置電壓加載到RXIN管腳上。

1.1.4 電機正反轉(zhuǎn)控制電路

對閥門正反轉(zhuǎn)的控制主要通過換相來實現(xiàn)。正反控制電路如圖4所示。

當(dāng)PL3120收到手動或遠程開關(guān)命令，命令經(jīng)過處理后，PL3120芯片通過I/O口DIO1(DIO2)控制三極管T1(T2)的通斷，驅(qū)動光耦MOC3063的發(fā)光二極管，并間接驅(qū)動雙向可控硅通斷，以達到控制閥門的正反轉(zhuǎn)和停止操作。

圖4 正反控制電路Fig.4 Bi-directional control circuit

1.1.5 電流檢測電路

電流檢測電路的原理為:電機供電線穿過精密電流互感器T63的初級端，在T63次級端產(chǎn)生感應(yīng)電流;經(jīng)整流和電容儲能等轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號輸入到ADC芯片的Vin3端，ADC芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入3120控制器。電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路Fig.5 Current detection circuit

1.2 軟件設(shè)計

控制器軟件的作用主要是配合硬件實現(xiàn)各個功能?？刂破骺梢酝ㄟ^數(shù)字開關(guān)量輸入選擇工作模式。工作模式分為遠程自動模式和手動模式兩種。在遠程自動模式下，控制器通過電力載波方式與上位機通信，接收上位機命令，但不接收物理開關(guān)輸入;在手動模式下，控制器接收手動物理開關(guān)輸入。此時控制器只向上位機報告運行狀態(tài)，但不接受上位機控制。其工作過程如下。

當(dāng)控制器接收到控制命令時，先進行數(shù)據(jù)處理。處理結(jié)果通過I/O口向外輸出控制信號，并通過檢測負載狀態(tài)等信息來判斷控制目的是否實現(xiàn)。若達到控制目的，軟件將不斷檢測運行狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)將運行狀態(tài)上傳給上位機;如果沒有達到控制目的，將作為故障進行相應(yīng)處理，并上傳相應(yīng)故障信息。

2 現(xiàn)場測試

為驗證本次設(shè)計控制器的實用性和可靠性，在石景山區(qū)人防工程指揮所進行了現(xiàn)場測試。測試分為通信質(zhì)量測試和功能測試。

2.1 通信質(zhì)量測試

現(xiàn)場測試主要是在不同條件下，通過Lonscaner軟件測試新型閥門控制器的通信可靠性和適應(yīng)性。測試數(shù)據(jù)主要有:平均帶寬利用率、最高帶寬利用率、通信平均錯誤率、平均通信數(shù)據(jù)包率、最大包數(shù)率、正確數(shù)據(jù)包總數(shù)、正確數(shù)據(jù)包比例、詢問數(shù)據(jù)包比例和應(yīng)答數(shù)據(jù)包比例［10］?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Tab.1 Field test data

通過以上現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可知，在有一定干擾的環(huán)境下，通信數(shù)據(jù)包的正確率仍能達到99.89%以上，帶寬占用率低于80%，詢問包與應(yīng)答包的比例差小于3%。

2.2 功能測試

測試現(xiàn)場中的功能測試項目包括:手動開閥控制、手動關(guān)閥控制、上位機遠程開閥控制、上位機遠程關(guān)閥控制、電流檢測、報警輸出、故障處理、開到位檢測、關(guān)到位檢測、手動故障清除和遠程故障清除等。

通過功能測試可知，控制器和負載的各項狀態(tài)檢測、狀態(tài)顯示及輸出控制實時準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

通信的智能閥門控制器［11-15］，在人防電力環(huán)境下的通信穩(wěn)定可靠，達到了良好的通信指標(biāo);該裝置在功能上滿足所要求的閥門控制功能，滿足人防應(yīng)用的智能監(jiān)控要求;能夠達到降低成本的目的;能有效避免交流接觸器存在主觸頭拉弧和火花的問題，實現(xiàn)了最初的設(shè)計目標(biāo)。

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