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    單片機(jī)技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的逐步應(yīng)用和發(fā)展

    2018-02-23 15:30:16邵杰
    科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2018年6期
    關(guān)鍵詞:發(fā)展方向單片機(jī)應(yīng)用

    邵杰

    摘 要:近二十年來,隨著電氣控制和微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展,閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣控制技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段,由原來以機(jī)械部件和簡單電氣元件為主的普通型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu),向應(yīng)用了單片機(jī)技術(shù)的非侵入式電氣控制系統(tǒng)為主導(dǎo)地位的智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)展,并逐步發(fā)展形成智慧型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這個轉(zhuǎn)變過程中,單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。文章著重介紹了二十年來閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的研發(fā)過程中,單片機(jī)技術(shù)的逐步應(yīng)用、迅速發(fā)展和未來方向。

    關(guān)鍵詞:單片機(jī);閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu);應(yīng)用;發(fā)展方向

    中圖分類號:TH134 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2018)06-0053-04

    Abstract: In the past twenty years, with the development of electrical control and microprocessor technology, the electric control technology of electric actuator of valve has entered a rapid development stage. By the mechanical components and simple electrical components based on the common type of electric actuator, to the application of single-chip microcomputer technology of non-invasive electrical control system as the dominant position of the intelligent electric actuator. And gradually develop into intelligent electric actuator. In this process of transformation, the application of single-chip technology plays a key role. This paper focuses on the application, rapid development and future direction of single-chip microcomputer technology in the research and development of electric valve actuator control system in the past twenty years.

    Keywords: single chip microcomputer; valve electric actuator; application; development direction

    引言

    閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)控制過程中一般用來驅(qū)動閥門,是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移的機(jī)電一體化設(shè)備,它以電能為動力接收來自控制系統(tǒng)的控制信號(開關(guān)量、模擬量和總線信號),驅(qū)動閥門打開、關(guān)閉或者運(yùn)行到某一位置,可以用于工業(yè)現(xiàn)場的各種閥門(調(diào)節(jié)閥、閘閥、球閥、截止閥等)的開、關(guān)和定位控制,廣泛應(yīng)用于火電、化工、鋼鐵和環(huán)保等行業(yè)。

    單片機(jī)(Micro Control Unit,MCU),是一種將中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、輸入輸出口I/O等硬件集成在一塊芯片上的可編程器件。通過相應(yīng)的軟件編程后,能完成原來用非常復(fù)雜的模擬、數(shù)字電路才能實(shí)現(xiàn)的功能。

    上世紀(jì)90年代之前,閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)以機(jī)械部件為主,后來隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展,尤其是單片機(jī)技術(shù)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用越來越多,執(zhí)行機(jī)構(gòu)逐步發(fā)展成具備非侵入式設(shè)計的智能型,并最終向具備更強(qiáng)功能的智慧型發(fā)展。單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,在執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的升級換代中,起著不可或缺的作用。

    單片機(jī)技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用,可以把它分為以下3個階段:

    早期應(yīng)用階段:20世紀(jì)90年代,隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展、普及和應(yīng)用,微處理器技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)自動化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中。在設(shè)計自動化儀表時,研發(fā)人員打破原有的設(shè)計思維,由傳統(tǒng)模擬電子線路設(shè)計轉(zhuǎn)向以單片機(jī)為核心的控制器的設(shè)計,從而簡化了電路、提高了儀表可靠性和穩(wěn)定性、降低了成本、加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度,解決了許多傳統(tǒng)儀表存在的問題。其中,調(diào)節(jié)型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是這個階段的典型代表。

    高速發(fā)展階段:從90年代后期到2010年,隨著SOC(System On Chip)平臺的出現(xiàn),MCU技術(shù)迅速發(fā)展,運(yùn)行速度更快、集成度更高的增強(qiáng)型8位單片機(jī)層出不窮,為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)革命奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ),使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電氣控制系統(tǒng)方面有重大突破。在國外領(lǐng)先企業(yè)的引領(lǐng)下,出現(xiàn)了一些具有液晶顯示、紅外遙控、絕對編碼和現(xiàn)場總線等多種最新控制技術(shù)的非侵入式智能型產(chǎn)品。

    全面創(chuàng)新階段:2010年以后,隨著智能傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和CPU技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,出現(xiàn)了面向單片機(jī)市場的32位ARM處理器,如CM3。此時,閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入向智慧型發(fā)展的全面創(chuàng)新階段,智能感知、智慧決策、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)已經(jīng)成為主要發(fā)展方向。智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)逐步成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)的未來發(fā)展方向。

    1 閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

    閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體上來說,由3個部分構(gòu)成,分別為:

    電動機(jī):如圖1中部分11所示。將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移,為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動力。

    機(jī)械傳動部分:如圖1中部分1、2、3、5、6、7、8、9、10所示。通過減速傳動,將電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)速低扭矩,轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的低轉(zhuǎn)速高扭矩,并通過機(jī)械接口和閥門連接來驅(qū)動閥門開關(guān)運(yùn)行。

    電氣控制系統(tǒng):如圖1中部分4所示??刂葡到y(tǒng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部分,通過接收現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的運(yùn)行指令,根據(jù)采集的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自身狀態(tài),通過邏輯運(yùn)算后,驅(qū)動電機(jī)并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信號輸出。

    2 單片機(jī)技術(shù)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的早期應(yīng)用階段

    早期的閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制原理比較簡單,主要通過機(jī)械式的行程控制器和力矩控制器來實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)限位控制和過扭矩保護(hù),通過控制箱來實(shí)現(xiàn)開、關(guān)運(yùn)行控制。根據(jù)控制方式不同可以將其分為開關(guān)型和調(diào)節(jié)型兩種。開關(guān)型主要接收控制系統(tǒng)的開關(guān)量信號,一般情況下運(yùn)行在全開和全關(guān)位置;調(diào)節(jié)型主要接收控制系統(tǒng)的模擬量信號,可以根據(jù)模擬量連續(xù)定位,驅(qū)動閥門到任意位置。

    調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)本質(zhì)上來說屬于DDZ-III型儀表,采用4~20mA的模擬量來控制閥門開度,根據(jù)模擬量信號連續(xù)定位。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是采用伺服放大器,將控制系統(tǒng)給出的模擬量信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身的閥位信號進(jìn)行運(yùn)算比較,當(dāng)兩者差值大于死區(qū)時,控制電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)向減小差值的方向運(yùn)行。然而伺服放大器多為模擬電路,存在調(diào)試?yán)щy、零漂、溫漂和抗干擾能力差等固有缺陷,此外,元器件多,體積大,成本高,故障點(diǎn)多,需要有更好的方案來解決。

    當(dāng)時單片機(jī)技術(shù)還沒有廣泛的應(yīng)用,選型的范圍也很窄,主要有Intel的8031、8051系列;摩托羅拉的6800系列;microchip的PIC系列;Atmel的AT89C52、AT89C2051等。其中由于AT89C2051,具有內(nèi)置EEPROM,易編程調(diào)試,資料較多,成本低,I/O端口的數(shù)量能滿足初期的調(diào)節(jié)型控制系統(tǒng)的設(shè)計要求,所以選用它和一些外圍器件構(gòu)成了調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)主要由:AT 89C2051、線性電源、AD轉(zhuǎn)換芯片TLC0834、復(fù)位芯片IMP813L和雙路閥位變送器BS-2等組成,硬件系統(tǒng)框圖,如圖2所示。

    軟件當(dāng)時只能通過匯編語言編寫,編程和修改難度都比較大。由ASM51編譯生成HEX文件后,通過專用編程器燒寫。圖3為采用AT89C2051的軟件流程圖和匯編語言程序片段。

    雖然單片機(jī)技術(shù)的早期應(yīng)用,現(xiàn)在看起來過于原始和簡單,但是當(dāng)時執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計者改變了原來的設(shè)計思維和框架,由傳統(tǒng)的模擬電子線路設(shè)計向以單片機(jī)為核心、加獨(dú)立外設(shè)芯片的控制器的設(shè)計轉(zhuǎn)變。因?yàn)槠涫窃缙诋a(chǎn)品,存在程序存儲器容量小、沒有片內(nèi)非易失性數(shù)據(jù)存儲器、指令和時序復(fù)雜、沒有集成外設(shè)、I/O端口較少,抗干擾能力較差等問題,這些都增加了設(shè)計人員的困難。

    3 應(yīng)用的高速發(fā)展階段

    到九十年代中期,8051系列單片機(jī)主要由Silicon Labs、Atmel、Philips等公司生產(chǎn),在保持與8051單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上對其性能和功能進(jìn)行了大幅提升。如:改進(jìn)指令的時序特性提高運(yùn)行速度、增加集成外設(shè)提高系統(tǒng)集成度、放寬電源電壓的動態(tài)范圍、增強(qiáng)抗干擾能力等方面。后來,Analog Devices、Silicon Labs和Atmel分別推出了ADUC812、C8051F和AVR系列混合信號單片機(jī),提出了SOC(System On Chip)平臺的概念,擁有這類平臺的單片機(jī)也被稱為增強(qiáng)型8位MCU。此類MCU都具有高速流水線(RISC)指令結(jié)構(gòu),具有與8051兼容的內(nèi)核,并且具有大量的I/O接口、多路獨(dú)立的內(nèi)置A/D和D/A通道、非易失性數(shù)據(jù)存儲器EEPROM、內(nèi)部R/C振蕩器等。將一個硬件系統(tǒng)功能集成于一個芯片上,給研發(fā)人員提供了極大的便利,也使得系統(tǒng)集成度更高。

    與此同時,這個階段的閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu),在一些國外品牌的引領(lǐng)下,引入了很多最新的控制技術(shù)。如:非侵入式設(shè)計、免開箱調(diào)試、用絕對編碼式行程控制器取代機(jī)械式行程控制器、推拉式扭矩傳感器、無線遙控和現(xiàn)場總線等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入了智能型非侵入式的應(yīng)用階段。但是,這些控制技術(shù)在一定程度上對MCU的I/O數(shù)量,集成外設(shè)的種類、運(yùn)行速度都提出了更高的要求,原來傳統(tǒng)的單片機(jī)無法滿足要求,而具有SOC概念的MCU顯然非常符合新的設(shè)計要求。

    經(jīng)過對比本文選用Silicon Labs公司的C8051F系列中的C8051F020和Atmel公司AVR系列中的ATmega64這兩款MCU,分別應(yīng)用于本文提出的SND和SND3系列智能型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。兩款MCU都具有超過50個的I/O端口和多種模擬數(shù)字外設(shè);均采用RSIC結(jié)構(gòu)的精簡指令集和流水線技術(shù)使程序運(yùn)行速度大大加快;都具有64K以上的FLASH和若干非易失性存儲器,能滿足程序存儲和數(shù)據(jù)存儲的要求。其中ATmega64還有低功耗和寬電壓的特性,可以提升系統(tǒng)的EMC性能。圖4為增強(qiáng)型8位MCU硬件系統(tǒng)框圖,由圖可見,一塊芯片就可以完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計,無需增加外設(shè),簡化了硬件系統(tǒng)的設(shè)計,提高了可靠性。

    軟件部分,都是通過C語言編寫。C8051F020通過Keil uVision2軟件編寫、編譯后,用Silicon專用編程器燒寫入單片機(jī);ATmega64通過ICCAVR編寫、編譯后,用AVR Studio 4.0 通過專用編程器燒寫入單片機(jī)。圖5為ATmega64的軟件流程圖和部分C語言程序。

    在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入這一階段后,控制系統(tǒng)對現(xiàn)場總線的應(yīng)用要求也越來越多,以Profibus-DP、Modbus-RTU、CANBUS等總線類型為主。在搭建SOC平臺的基礎(chǔ)上,這些現(xiàn)場總線只要通過UART端口、協(xié)議芯片和總線接口芯片就能方便的設(shè)計各種總線接口。例如Profibus-DP總線,只要通過DP總線協(xié)議芯片SPC3和RS485驅(qū)動芯片ADM2486,就可以實(shí)現(xiàn)總線從站硬件系統(tǒng)的構(gòu)建。然后,根據(jù)相關(guān)資料編寫軟件程序就可以與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接。

    然而在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)高速發(fā)展階段到了后期,SOC平臺在低功耗(電池應(yīng)用)、存儲空間、實(shí)時時鐘、網(wǎng)絡(luò)和通信(以太網(wǎng)接口)等功能方面,逐步顯現(xiàn)不足,需要開發(fā)新的更高性能的處理器來解決存在的問題。

    4 應(yīng)用的全面創(chuàng)新階段

    2010年以后,許多高端用戶對智能型執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了新的要求,如:

    在沒有交流電源外部供電的情況下,要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠在液晶屏上顯示閥位。

    要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有數(shù)據(jù)記錄功能,便于系統(tǒng)快速進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障判斷。

    要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為現(xiàn)場設(shè)備能采集閥門和管道的一些診斷數(shù)據(jù)和過程參數(shù)。

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部要檢測溫度、電壓和振動等環(huán)境參數(shù)。

    與此同時,互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越多,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以通過這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集分析等功能。

    然而,執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計行業(yè)也提出有關(guān)智慧型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念,內(nèi)容包括:

    深度感知:感知管道及閥門的工作狀態(tài)(振動、轉(zhuǎn)矩)。

    智慧決策:能現(xiàn)場編程、通過記錄數(shù)據(jù)和故障診斷來決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行為。

    精確執(zhí)行:高速運(yùn)行、高精度定位、高精度的轉(zhuǎn)矩檢測技術(shù)。

    簡易精致:執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加趨于緊湊、小型化、性能更強(qiáng)、操控更加人性化。

    鑒于行業(yè)和技術(shù)發(fā)展的背景,原來的控制系統(tǒng)在運(yùn)行速度、存儲空間、功耗,和外設(shè)的種類等方面,已經(jīng)很難滿足新的要求。因此,應(yīng)用ARM平臺控制系統(tǒng)的智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)逐步發(fā)展形成。

    智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng),采用基于ARM的32位處理器:CortexTM-M3 CPU(STM32F205/207)。其32位的指令系統(tǒng)具備32位的數(shù)據(jù)處理能力,相比于任何8位MCU來說,大大提高了控制系統(tǒng)的性能,包括提升運(yùn)行速度、增強(qiáng)處理能力、增加存儲容量、加大可擴(kuò)展性、大幅降低功耗等。

    STM32F205/207微處理器具有高性能的ARM 32位的RISC內(nèi)核,工作頻率最高達(dá)120MHz;內(nèi)部含有高速存儲器(最高可達(dá)1MByte的閃存、128KByte的SRAM和4K備用SRAM);豐富的增強(qiáng)I/O端口,其具有聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)、3條AHB總線和一個32位的multi-AHB總線矩陣、3個12位的ADC和2個DAC(用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位設(shè)定和反饋)、1個低功耗的RTC(用于運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄)、12個通用的16位計時器(其中有2個用于電機(jī)控制的PWM定時器)、2個通用的32位計時器、1個真正的隨機(jī)數(shù)生成器RNG(用于生成序列號);新增加的高級外設(shè)包括1個SDIO和1個FSMC接口(用于擴(kuò)展執(zhí)行機(jī)構(gòu)的存儲空間)、1個USB OTG接口(使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的歷史記錄數(shù)據(jù)可以直接下載)、4個USART接口和2個UART接口(用于擴(kuò)展各種現(xiàn)場總線);其他標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)還包括:3個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口和2個CAN接口等等,資源非常豐富。此外,芯片還具有專門的電池引腳用于RTC供電,在STM32F207上還具有以太網(wǎng)和相機(jī)接口,與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接,可以擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)等功能。芯片的工作溫度范圍為-40°C至+105°C,能滿足絕大部分工業(yè)現(xiàn)場的要求;工作電壓范圍為2.0V至3.6V,最低功耗只有不到3uA,能大幅延長內(nèi)置鋰電池的使用時間。

    基于ARM的32位處理器在內(nèi)核、指令系統(tǒng)、存儲器容量和可擴(kuò)展性、外設(shè)的種類和數(shù)量、功耗、工作溫度范圍上都非常適合智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的使用。圖6為基于ARM的硬件系統(tǒng)框圖。

    由圖6可見,在保留增強(qiáng)型8位MCU優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,ARM處理器還為執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加了很多新技術(shù)和新功能,如:低功耗電池應(yīng)用技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感器集成技術(shù)、云技術(shù)和數(shù)據(jù)記錄存儲功能等。

    在全新的應(yīng)用階段,一些處于行業(yè)領(lǐng)先地位的進(jìn)口品牌,如德國和英國的一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造商在其新系列的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中使用了一片或者多片STM32F系列的處理器,從而增加了許多新的功能,進(jìn)一步提升了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能,開創(chuàng)了智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的概念。國內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造商也陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品,閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)將在32位ARM技術(shù)的帶領(lǐng)下,進(jìn)入一個全新的階段。

    5 結(jié)束語

    本文介紹了單片機(jī)技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中從無到有的逐步應(yīng)用過程,從早期的初步應(yīng)用階段,到后來的高速發(fā)展階段,及到現(xiàn)在的全面創(chuàng)新階段。在整個過程中,執(zhí)行機(jī)構(gòu)也經(jīng)歷了從普通調(diào)節(jié)型、發(fā)展到智能型、最后到智慧型的升級換代過程;單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對推動閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)技術(shù)水平的提高起著至關(guān)重要的作用。閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)自動化系統(tǒng)的最末端,是工業(yè)過程控制中不可或缺的部分,其技術(shù)的進(jìn)步,有助于提高我國工業(yè)自動化的整體水平。

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    [5]許明瑤.基于TMS320F28335的開關(guān)磁阻調(diào)速型閥門電動執(zhí)行機(jī)械控制系統(tǒng)研究[D].江蘇大學(xué),2013.

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