閥門電液驅(qū)動(dòng)及其總線控制系統(tǒng)研究

潘方冬

（海洋石油工程股份有限公司運(yùn)營中心， 天津 300461）

在某些特殊場所（如潛器）應(yīng)用的閥門，人們對(duì)其驅(qū)動(dòng)裝置提出了體積小、重量輕、可靠性高、便于集成控制與監(jiān)測(cè)等要求。閥門電驅(qū)動(dòng)裝置沖擊大、噪音大；閥門液壓驅(qū)動(dòng)裝置需要建立液壓站，占用空間大。電液驅(qū)動(dòng)則避免了以上缺點(diǎn)，具有智能性高、體積小，便于集成控制及監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[1]。對(duì)于閥門的集成控制與監(jiān)測(cè)，常規(guī)的控制系統(tǒng)占用空間大，通訊不便，而總線控制系統(tǒng)占用空間小，控制、監(jiān)測(cè)方便，可靠性高。結(jié)合以上分析，設(shè)計(jì)了一種閥門電液驅(qū)動(dòng)裝置，并對(duì)其總線控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

本文設(shè)計(jì)的閥門電液驅(qū)動(dòng)裝置分為液壓部分和控制部分，總線控制分為總線接口電路和上位機(jī)，總線接口電路又分為總線主站和總線從站?？偩€接口電路把10個(gè)閥門組成通訊網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)負(fù)責(zé)控制閥門并監(jiān)測(cè)閥門狀態(tài)。閥門電液驅(qū)動(dòng)及其總線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 閥門電液驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

課題要求閥門電液驅(qū)動(dòng)裝置體積小、重量輕、集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)、本地及遠(yuǎn)程控制，要求可以任意角度安裝。

1.1 液壓部分的設(shè)計(jì)

圖1 閥門電液驅(qū)動(dòng)及其總線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本課題液壓部分可以設(shè)計(jì)為開式液壓系統(tǒng)和閉式液壓系統(tǒng)兩種形式，開式液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥控制閥門的開關(guān)，換向時(shí)存在沖擊，并且系統(tǒng)體積較大。閉式液壓系統(tǒng)通過液壓泵的不同轉(zhuǎn)向來控制閥門的開關(guān)，開關(guān)動(dòng)作平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)簡單，集成度高，所以本文的液壓部分選擇閉式液壓系統(tǒng)。根據(jù)課題要求設(shè)計(jì)的閉式液壓系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 閥門閉式液壓系統(tǒng)

1.2 控制部分的設(shè)計(jì)

根據(jù)課題要求，結(jié)合閥門閉式液壓系統(tǒng)的方案，并考慮到實(shí)際工況，可對(duì)控制部分的設(shè)計(jì)提出以下要求：為了減小體積，提高智能性，采用單片機(jī)技術(shù)來搭建控制系統(tǒng)；為了提高可靠性，應(yīng)采用微電子技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行全面的保護(hù)；要求可以實(shí)時(shí)顯示閥門開度及閥桿受力；因?yàn)橐c總線實(shí)現(xiàn)通訊，因此該控制部分要能夠與總線進(jìn)行通訊，總線選擇可靠性高的CAN總線。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)的閥門電液驅(qū)動(dòng)電子控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 閥門電液驅(qū)動(dòng)電子控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

主控采用STC89C52RC單片機(jī)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制采用可靠性高的SAR三相固態(tài)繼電器，電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制硬件接口電路采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的方案，如圖4所示，為了提高可靠性，進(jìn)出口采用光耦6N137進(jìn)行信號(hào)隔離，繼電器K1并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管IN4148，防止三極管被燒毀。

圖4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制硬件接口電路

電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩體現(xiàn)了閥門的關(guān)閥力，堵轉(zhuǎn)扭矩與電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流成比例關(guān)系，所以可以通過測(cè)量電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流來計(jì)算出閥門的關(guān)閥力，電流（電壓）采集電路采用電流（電壓）穿心式互感器，其體積小，可以嵌入電路板中。電流（電壓）采集電路如圖5所示，電阻Rf0來調(diào)節(jié)輸出電壓，電容C0一方面提高了交流信號(hào)的放大能力，另一方面可以補(bǔ)償信號(hào)的相位移。電機(jī)保護(hù)芯片采用DF785M厚膜電路，其體積小，可檢測(cè)電機(jī)缺相、三相不平衡，并可實(shí)現(xiàn)相序自動(dòng)調(diào)整。

圖5 電流（電壓）采集電路

主控電路板的實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 主控電路板實(shí)物圖

2 總線接口電路設(shè)計(jì)

本文采用CAN總線技術(shù)，其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，智能性好[2]?？偩€接口電路硬件上由CAN總線主站電路板和CAN總線從站電路板組成。因?yàn)榕渲肅AN接口的工控機(jī)較少，且價(jià)格高，而帶有RS232串口的工控機(jī)普遍存在，因此，CAN總線主站電路板采用RS232轉(zhuǎn)CAN技術(shù)。總線接口電路結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 總線接口電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 CAN主站電路板設(shè)計(jì)

CAN控制器采用SJA1000、CAN收發(fā)器采用PCA82C250，為提高通訊可靠性，在SJA1000和PCA82C250之間加上光電耦合器6N137進(jìn)行了光電隔離。CAN主站電路總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 CAN主站電路總體結(jié)構(gòu)

本文的微處理器選用STC89C52RC單片機(jī)，微處理器及其最小系統(tǒng)如圖9所示。CAN總線控制器采用SJA1000芯片，其接線圖如圖10所示。CAN總線收發(fā)器采用PCA82C250芯片，其接線圖如圖11所示，為了提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，在CAN-H和CAN-L之間增加120Ω的電阻，防止信號(hào)在信號(hào)線末端形成反射。

圖9 微處理器及其最小系統(tǒng)

圖10 CAN控制器SJA1000的外部接線圖

CAN總線主站電路板實(shí)物圖如圖12所示。

圖11 CAN收發(fā)器PCA82C250的外部接線圖

圖12 CAN總線主站電路板實(shí)物圖

2.2 C AN從站電路板設(shè)計(jì)

CAN從站電路板與CAN主站電路板結(jié)構(gòu)相似，因?yàn)槠洳恍枰c上位機(jī)進(jìn)行通訊，所以省去了RS232串口通訊部分，為了方便增加系統(tǒng)可靠性，從站電路板同主控電路板一樣設(shè)置了電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件接口電路，電路結(jié)構(gòu)相同，這里不再贅述。CAN總線從站電路板總體結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示，CAN總線從站電路板實(shí)物圖如圖14所示。

圖13 CAN總線從站電路板總體結(jié)構(gòu)框圖

圖14 CAN總線從站電路板實(shí)物圖

3 總線控制人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

本文上位機(jī)選擇觸屏式工控機(jī)U P CV312-D525，編程采用可靠性高的VC++語言。

課題要求上位機(jī)能夠?qū)?0個(gè)閥門進(jìn)行控制及監(jiān)測(cè)，結(jié)合其功能，可得出總線控制人機(jī)交互的主要內(nèi)容，如圖15所示。

圖15 總線控制人機(jī)交互主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

其可以分為四個(gè)模塊：CAN端口選擇模塊、通海閥控制模塊、系統(tǒng)整體監(jiān)測(cè)模塊、通海閥狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，用VC++編制界面如圖16所示。

圖16 總線控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

將上位機(jī)界面程序下載到工控機(jī)中，對(duì)閥門控制系統(tǒng)進(jìn)行總體硬件連接，連接圖如圖17所示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，一切正常，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、現(xiàn)場電動(dòng)和CAN總線遠(yuǎn)程三種控制方式。

圖17 閥門控制系統(tǒng)總體硬件連接圖

4 結(jié)束語

本文成功地研制出一種閥門電液驅(qū)動(dòng)裝置及其總線控制系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文的技術(shù)策略正確，使閥門能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)、現(xiàn)場電動(dòng)和CAN總線遠(yuǎn)程三種控制方式，且具有體積小、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)。