基于ADuC812微处理器的防爆阀门控制系统的研究与应用.pdf

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1、上海交通大学硕士学位论文基于ADuC812微处理器的防爆阀门控制系统的研究与应用姓名：卢巧申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：田作华;徐建平20091225上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 基于 ADuC812 微处理器防爆阀门控制系统的研究与实现 摘摘 要要 防爆阀门在石油、化工、长距离输油气管道、环保等行业中有广泛的应用。随着我国石油、化工改扩建投资项目的推进、西气东输工程的建设，对防爆阀门的需求不断增加，本论文提出了一种基于微处理器的阀门控制系统，优化了产品功能，实现产品小型化，可以替代同类型的进口产品，降低工程项目的建设成本。本论文首先比较了各种类型阀门控制系统的优

2、缺点，选择电动控制系统作为研究对象，在综合分析该系统国内外发展现状的基础上，提出了一种基于 ADuC812 微处理器的阀门控制系统，阐述了控制系统的整体设计方案。本论文的主要内容包括控制系统的硬件、软件和算法的实现，并结合工业场所爆炸性危险环境的应用特点，进行了控制系统防爆结构的设计。主要的工作和研究成果有以下三个方面：设计了阀门控制系统的硬件，采用 ADuC812 微处理器和 89C51单片机，设计了输入输出 420mA 信号与电压信号转换、供电电源、报警、电机控制、通讯及显示等。设计了阀门控制系统的软件，主要阐述了 ADuC812 微处理器的主程序及增量式 PID 算法实现的控制程序。通过

3、应用隔爆型、本质安全型等防爆技术，实现了阀门控制系统的防爆设计，并通过国家指定检测和认证机构的审核。关键词：关键词：阀门，控制系统，防爆，微处理器上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 II 页 RESEARCH ON THE EXPLOSION PROTECTED VALVE CONTROL SYSTEM BASED ON ADUC812 MICROPROCESSOR ABSTRACT Explosion protected valve is widely used in the chemical,petrochemical industries,pipeline transportatio

4、n system of oil and gas.With the increasing of investment in chemical and petrochemical industries,project to transmit the natural gas from the western area to the East China,the need of explosion protected valve is increasing.This puts forward solution to design a valve control system based on micr

5、oprocessor to optimize the performance,minimize,replace imported explosion protected valve,and finally decrease the cost of engineering project.It analyzes different types of valve control systems.After investigation on the status of valve control system in China and abroad,it decides to do research

6、 on electrical control system based on microprocessor and mainly carries out the hardware and software of this system.Considering the application requirements in hazardous industry,it brings forward an explosion protection solution to this system.This mainly is involved in following:Design the hardw

7、are of valve control system including the signal conversion between 420mA and voltage,power supply,alarm circuit,motor control etc.Design the hardware of valve control system,mainly discuss the main procedure of ADuC812 microprocessor and algorithmic realization of PID.上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 III 页 To a

8、pply the explosion protection technology of flameproof and intrinsic safety to improve the explosion protection propriety of valve control system.This has been assessed by the certification body in China.KEY WORDS：VALVE,CONTROL SYSTEM,EXPLOSION PROTECTION,MICROPROCESSOR 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性

9、声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：2009 年 12 月 25 日球阀http:/www.tuopu- 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全

10、部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：2009 年 12 月 25 日 日期：2009 年 12 月 25 日球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论绪论 阀门是管道控制系统的重要组成部分，常用来截断和调节管道中的介质流量，最终控制着各项质量及安全生产指标，在稳定生产、优化控制、维护及检修成本控制等方面都起着举足轻重的作用，在钢铁、石油、化工、食品、治金、电力、核电等行业有着广

11、泛的应用。在过程控制系统中，对工艺过程某一参数如温度、压力、流量、液位等的调节控制都离不开阀门，同时为确保被调参数维持在所要求的范围内，就要求阀门根据过程的需要或控制信号进行准确动作。在现代化的大型石油化工企业中，对工业生产过程主要采用自动化管理，因而往往要求阀门具有自动控制的功能，对阀门及其控制系统提出了更高的要求。石油化工工业使用的原材料及生产的产品均含有大量的易燃易爆的物质，这就要求参与生产过程的阀门及控制系统不仅要根据实际工艺达到一定的技术参数，而且必须具有防爆功能。阀门控制系统的主要功能是接收控制信号，计算处理后输出相应地执行指令，操纵阀门的阀杆或阀芯到达相应的位置。通常所说的调节阀

12、即是这种阀门控制系统的典型应用。国际电工委员会对调节阀的定义：“过程控制系统中由动力操纵，调节流体流量的装置，它由执行机构和阀组成，执行机构能按照控制系统发出的信号，改变阀内截流件的位置”。由此可见，调节阀由执行机构和阀体部件两部分组成，即：调节阀=执行机构+阀体部件，执行机构是调节阀的推动装置，接收来自调节器、上位机或其他仪表的 420mA 电流信号或 15V 电压的信号，进行计算处理产生相应地推力或转矩，使推杆或转轴产生相应的位移或转角，从而带动调节阀的阀芯动作；阀体部件是调节阀的调节机构，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移或转轴的转角，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的。本文主要

13、以调节阀中的执行机构为主要研究对象，通过考查和比较分析国内外发展现状及未来的发展趋势，提出一种以 ADuC812 微处理器为核心的阀门控制系统的设计方案，并结合石油、化工工业、医药、食品等爆炸性危险场所中有球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 2 页 关安全生产的需要，对以上控制系统进行防爆结构的改造，最终提出了适用于爆炸性危险环境的防爆阀门控制系统解决方案。1.1 调节阀概述调节阀概述调节阀的种类繁多，按不同的标准有不同的类别。按照调节阀驱动的动力源可以分气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀三类，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质压力为动力

14、的电液动调节阀；按照阀杆/阀芯的动作或开关方式可分为直行程调节阀和旋转类调节阀；按照调节阀的适用温度范围可以划分成常温型、中温型、高温型或低温型调节阀；按照阀体适用压力可以细分为常压型和中高压型；按照调节阀的动作可分为调节型、切断型、调节带切断型等，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调节阀等。调节阀的产品类型很多，结构也多种多样，而且还在不断更新和变化，一般来说阀体是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其他执行机构匹配。结合工业现场的应用实际及控制系统设计的特点，本文就动力源分类的方式对调节阀的特性进行分析。气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀的主要差别

15、在于所配的执行机构，气动调节阀配的是气动执行机构，电动调节阀配的是电动执行机构，液动调节阀配的是液动执行机构。调节阀的性能很大程序上取决于执行机构的类型。常用的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类，薄膜式执行机构通过弹性膜片将输入气压转变成对阀杆的推力，活塞式执行机构以气缸内的活塞输出推力，产生的推力使阀杆/芯产生移动，从而改变阀门开度。气动薄膜式执行机构原理图如图 1 所示，在薄膜上产生向下推力的同时，弹簧被压缩，对薄膜产生一个向上的反作用力。当弹簧的反作用力与气压信号在薄膜产生的推力相等时，阀杆部件停止运动。球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 3 页 图1 气动薄膜调节阀

16、 电动执行机构采用电动机来移动调节阀门，其系统组成框图如图 2 所示，用位移传感器实时检测执行阀杆的位移，以位移信号作为调节阀控制器的反馈测量信号，将控制器输出的设定信号与反馈测量信号进行比较，当两者有偏差时，改变对电动机的输出，使执行阀杆动作，从而建立起输入信号与调节阀执行阀杆位移（即调节阀开口量）一一对应的关系。通常电动执行机构的输入信号是标准的420mA 电流信号或 15V 电压信号，输出位移可以是直行程、角行程和多转式等类型。控制器电动机阀杆调节阀门位移传感器控制信号反馈信号 图2 电动执行机构组成框图 液动执行机构现在一般都应用机电一体化技术组成电液执行机构，系统组成框图如图 3 所

17、示。将输入的标准电流或电压信号转换为电动机的机械能，通过液压泵将电动机的机械能转化为液压油的压力能，最后借助液压执行元件（如液压缸）将液压油的压力能转化为机械能，驱动阀杆/轴完成直线/回转角度的运动，控制阀门的开度。球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 4 页 控制器电液比例阀液压缸调节阀门位置反馈阀杆 图3 电液执行机构组成框图 气动执行机构的结构简单、维修方便、价格低廉、抗环境污染，但是气动执行机构使用的气体具有较强的可压缩性，使得气动执行机构的抗偏离能力比较差，影响了控制的精度，不适用于要求快速响应的控制场合，从而限制了气动执行机构在要求进行精确控制的过程控制系统中的应

18、用。而采用不可压缩的高压液体作为传递动力介质的液动执行机构，具有传动平稳、快速进行启动、制动、转向的特点，同时还具有输出的力或力矩较大，容易实现功率的放大等优点，但液压机构存在着以下几方面的不足之处：油液的粘性受温度变化的影响大，不宜用于低温和高温的环境中；液压组件的加工和配合要求精度高，加工工艺困难，成本高；同时还存在阀门体积较大，使用、安装、拆卸、维修困难等缺点，不便在较小功率场合下使用，所以，液压传动阀门的使用范围也受到了限制。相比较而言，电动执行机构在工业生产中具有巨大的优势：电动执行机构动作迅速、响应快、所用电源取用方便、便于进行远距离的信号传递，越来越多地被应用到工业控制现场和民用

19、自动控制系统中。因此，本文将电动执行机构作为主要的研究考察对象加以综合分析。1.2 国内外电动执行机构发展状况国内外电动执行机构发展状况1.2.1 国内电动执行机构的发展状况 1.2.1 国内电动执行机构的发展状况 我国电动执行机构的生产始于上世纪 50 年代初，起初是仿制苏联的产品，设计开发了 DDZ-型角行程电动执行器；60 至 80 年代，通过行业统一设计和联合开发，逐步发展了 DDZ-型和 DDZ-型产品；80 年代以来，随着电力电子技术的发展，仪表行业组织了新一轮执行机构的联合开发，设计了结构简单、球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 5 页 经济实用的无触点角行程

20、和直行程电动执行机构。目前，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中得到普遍的采用，执行机构实现了智能化，但由于技术和资金原因，新开发的电动执行机构的可靠性不高，不带保护和故障报警、通信等功能，同时采用的控制方式也不够先进，调试和维护很不方便，无法在现场进行参数调整。随着数字化、智能化、网络化、微型化的仪表产品在国际上逐渐成为主流，我国电机执行机构同国外的差距进一步加大。国产的电动执行机构只能满足石油、化工、冶金、电站等行业的一般需求，不具备大型工程的配套能力。目前，尽管有一些公司和研究院所对引进产品进行消化和吸收，但在改进和创新方面仍缺乏力度，高端的电动执行机构还是依赖国外进口。1.2.2 国

21、外电动执行机构发展状况 1.2.2 国外电动执行机构发展状况 自 LIMITORQUE 公司在 1929 年制造出世界上第一台电动执行机构以来，该产品的技术水平发展迅速。20 世纪 80 年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器，在工业现场取得了较好的应用效果。通过应用电子计算机技术和微机控制技术，国外已开发出功能强大、简单可靠、技术先进的新一代智能电动执行机构，如英国 ROTORK 生产的 IQ 系列智能产品肯有智能控制、智能通信和支持多种现场总线功能；德国 HARTMANN&BRAUM 公司的MOE700 具有智能电子一体化、变频变速定位、监控等特点。此外国外著名的生产厂家还

22、有德国 SIEMENS 公司、美国的 LIMITORQUE 公司等，这些公司生产的电动执行机构功能强大，技术先进，代表着该领域的世界先进水平，总之，它们的产品主要有以下几个特点:1.2.2.1 计算机控制 通常执行机构按照外部发来的控制信号驱动阀门，通过调整阀门的开度来调节流量和压力。现在，先进的电动执行机构具有更完善的智能控制，可按给定值自动进行PID调节，从而控制流量和压力等过程变量。如VALTEK公司的Starpac智能化阀门电动装置能响应外部4-20mA模拟信号或经由RS-485通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行 PID 控制。1.2.2.2 安全措施 电动执行机构具有高度

23、的自身保护及系统保护功能，可以通过监视电源的相序以及输入控制信号的情况确保电机正确起动；在阀门卡死的情况下，控制器就球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 6 页 发出命令，切断电动机电源并发出警报，避免电动机被损坏。ROTORK 公司生产的 IQ 型智能化阀门电动装置具有上述两种功能。此外，电动执行机构还具有系统保护功能，即当某些部件出现故障或系统出现其它问题时，会自动采取应急措施以免发生事故。1.2.2.3 通讯功能 电动执行机构采用数字通讯的方法与主控制室相连，接收主控制室送出的可寻址数字信号，执行机构内微处理器根据收到的信号进行相应的控制。如美国的LIMITORQUE

24、公司的 Controlinc 系统就是采用数字通讯技术将各种设备连接成一个局部网络(LAN)。此外，电动执行机构还具有远程监测、整定和修改参数或算法的功能。例如VALTEK 公司的 Starpac 在出厂时就被配有 PC 软件，利用这些软件可以进行编程。1.2.2.4 智能诊断 电动执行机构附装一些传感器，设置各种监测功能，专门用于故障诊断，如电源相序和后备电池的电压检测。在电路方面也设定微处理器在运行中连续对整个系统进行监测，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急措施并报警，以便及时地诊断和排除故障。1.2.2.5 一体化的结构 一体化的结构即把整个控制回路装在一个现场仪表之中，使控制

25、系统的设计、安装、操作和维护等工作大为简化，且减少因信号的传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响，提高可靠性。由此可见，国外电动执行机构具有如下发展趋势：?机电一体化结构逐步取代组合式/分体式结构，可靠性更高 随着电力电子的高度集成化，通过单片机和模块的使用，实现将控制回路安装在现场的仪表中，执行机构的体积会向小型化发展，从而简化了安装和调试，同时减少信号在传输过程中受到的干扰，进而提高系统的可靠性。?智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，数字通信逐步取代模拟通信，控制精度将越来越高，功能越来越强大 球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 7 页 控制设备的智能化是发展的大趋势，

26、微处理器和单片机组成的控制单元将取代模拟电子器件组成的控制单元，实现数字化的控制系统，从而可以应用现代控制理论的先进算法由软件实现控制。因此，智能电动执行机构将得到广泛的应用。?应用现场总线技术，实现远程监控、可靠性更高。电动执行机构根据控制电信号，直接操作改变阀的位移，利用微机技术和现场通信技术扩大功能，实现双向通信、PID 调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种功能的控制。1.3 本文的主要任务和内容本文的主要任务和内容1.3.1 本文的主要任务 1.3.1 本文的主要任务 本课题的基本目标是在充分考查分析国内外阀门控制系统即电动执行机构的技术发展现状和新的发展趋势的基础上，提出一种基于

27、微处理器实现数据处理和控制功能，具备总线通信的设计方案。并结合石油、化工行业的安全生产需求，研究该系统的防爆安全解决方案。主要进行的工作:?总体方案的研究?系统硬件电路的设计?系统软件的设计?系统防爆方案的设计 1.3.2 文章内容的安排 1.3.2 文章内容的安排 第一章绪论，介绍了电动执行机构的国内外发展现状，总结未来的发展趋势，提出进行阀门控制系统设计的初步设想。第二章硬件设计，介绍了 ADuC812 微处理器，并阐述了阀门控制系统的硬件结构。第三章软件设计，介绍了阀门控制系统的主程序，并选择增量式 PID 算法实现控制，编写了相应的控制软件。第四章控制系统防爆，介绍了防爆区域的划分、电

28、气设备防爆的基本原理及关键技术，并对以上阀门控制系统进行防爆解决方案设计。球阀http:/www.tuopu- 第一章 绪论 第 8 页 第五章 结束语，总结了本论文所进行的各项目研究及取得的成果。球阀http:/www.tuopu- 第二章 控制系统的硬件设计 第 9 页 第二章 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计 控制器是阀门电动执行机构的核心部分，在比较分析了国内外电动执行机构的基础上，依据电动执行机构的发展趋势，并充分了解国内已有的产品的设计特点及技术水平，本着产品兼容性及降低设计成本的设计思路，本文提出了一种以ADUC812 微处理器为核心的电动执行机构的设计方案。2.1 主要器件

29、设计主要器件设计本控制器对 ADC、DAC 转换的精度和速度比较高，同时考虑系统接口需要和方便进行软件编程，采用性价比较高的、能使用 C 语言进行开发的 ADuC812微处理器作为控制系统的主处理器。下面简要介绍一下这个器件的功能特性。ADuC812 是全集成的高性能的 12 位数据采集系统，它在单个芯片内集成了高性能的自校准多通道 ADC，两个 12 位电压输出 DAC 以及可编程的 8 位(与805l 兼容)MCU。片内 8KB 的闪速/电接除(Flash/EE)程序存储器，640 字节的闪速/电擦除数据存储器以及 256 字节数据 SRAM，均由可编程内核控制。另外MCU 具有包括看门狗

30、定时器、电源监视器和 ADC DMA 功能，为多处理器接口和 I/O 扩展提供了 32 条可编程的 I/O 线、I2C 兼容的 SPI 和标准 UART 串行口I/O 等。MCU 内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉电工作模式，有适合于低功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内，有 3V 和 5V 两种规格电压工作器件可供选择。它有 52 条引脚，用扁平塑料四方形封装。ADuC812 数据采集系统芯片功能框图见图 4。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计 第 10 页 图4 ADuC812 功能方框图 ADuC812 微处理器是一个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数

31、据采集系统。它把 51 单片机和多通道 12 位 ADC、DAC 集成到一块，而且体积小，因而减少转换嵌入式控制系统的开发和设计成本；它具有高精度和高速度，它适用于智能传感、瞬时获取、数据采集和各种通信系统。ADuC812 丰富的片内资源、I/O 接口及其外部数据存储寻址能力，因此，可方便用于各种数据采集和测量与控制系统中。ADuC812 的管脚图如图 5 所示：图5 ADuC812 的管脚图 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计 第 11 页 2.2 系统硬件结构系统硬件结构电路由四个部分组成：基本控制单元、Profibus 通讯单元、外手抄控制单元及显示单元。基本控制单

32、元与 Profibus 通讯单元可以组成符合 Profibus 协议通讯的远程数据采集、功能设置和通讯单元；基本控制单元与外手抄控制单元及显示单元可以组成一体化本地设置的电动执行机构。如果这几个单元同时使用可以组成即可以远程设置和通讯又可以本地设置的电动执行机构。这种设计可以根据使用需求，灵活地进行选择。系统硬件结构框图如图 7 所示。ADuC812 微处理器阀位反馈输入限位报警总线通讯光电隔离模拟量输出光电隔离模拟量输入电机驱动数码管显示或LCD显示M 图6 系统硬件框图 2.2.1 基本控制单元基本控制单元 基本控制单元由 ADuC812，IMP813 看门狗定时器电路、AC/DC 电源电

33、路、输入输出隔离电路、电机驱动电路、即位报警电路等组成。2.2.2 AC/DC 电源电路电源电路 电源采用 AC/DC 稳压电源，共有三路，电源电路间均相互隔离，其中一路12V 用于 420mA 输入电流信号转换电路中线性光电隔离器前电路的供电；一上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计 第 12 页 路 24V 用于数字信号转换成 420mA 输出转换线路中线性光电隔离器前电路的供电；一路 5V 用于 ADuC812 的显示电路、控制电路和外部看门狗电路的供电。2.2.3 输入输出隔离电路输入输出隔离电路 输入输出电路主要实现了以下功能：功能一，将 420mA 输入信号通过线

34、性光电隔离放大器隔离后转换成电压信号接入 ADuC812 的 ADC0 输入端，用作A/D 转换模块的输入；功能二，将 ADuC812 的 DAC0 输出端输出的位置反馈信号经线性光电隔离放大器隔离后转换成 420mA 输出信号，用于与其他现场仪表或上位机通讯。隔离放大器由运算放大器与线性光电耦合器 HCNR200 组成（如图 7 和图 8 所示）。图7 功能一 420mA 输入信号转换线路图 图8 功能二 420mA 输出信号转换线路图 应用 HCNR200 线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路的线性度好，电路简单，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统的电气隔离问题。驱动级和缓冲级采用组合型运

35、算放大器，进一步提供了可靠的信号隔离和良好稳定的信号转换。2.2.4 驱动电机电路驱动电机电路 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计 第 13 页 驱动电机电路主要是用来控制单相交流电机的正转、反转、也就是控制阀关、阀开，电机驱动采用电力电子开关双向可控硅 BTA06，通过单片机延时触发可控硅导通实现调速。电机驱动电路与 ADuC812 微处理器之间采用光耦MOC3083 隔离，其线路图如图 10 所示。图9 驱动电机电路 双向可控硅具有开关速度快、寿命长、无火花和拉弧现象等特点，可以保证本控制系统在高温等严酷条件下长期可靠运行，同时也有助于对电机的保护。2.2.5 本地控

36、制和显示单元本地控制和显示单元 本部分由数码管显示驱动电路、LCD 显示驱动电路、本地设置按键及外手抄控制电路等组成，它的作用是本地对输入信号零点、量程、反馈信号零点、量上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计 第 14 页 程等进行设置。手抄电路图如图 10。信号反馈电路如图 11。其中数码管显示和LCD 显示可以方便地通过对 ADuC812I/O 的设置以进行有效电路选择。LCD 显示控制电路通过 89C52 单片机进行显示控制，电路如图 12。阀位报警线路如图13 所示。图10 外手抄控制电路 图11 信号反馈电路 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计

37、 第 15 页 图12 LCD 显示控制电路 图13 阀位报警控制线路 2.2.6 现场总线通讯单元现场总线通讯单元 现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多结点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，在制造业、上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计 第 16 页 流程工业等自动化系统中具有的应用非常广阔。测量控制仪表具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息

38、交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。本系统中使用 RS485 收发器进行收数据和发数据，发/收使能引脚端与ADuC812 接口如图 14 所示,其中 RXD，TXD，/WR 分别与单片机的 RXD，TXD，/WR 引脚相连，一般情况下,该引脚不能与 MCU 直接连接，为避免可能导致的相互损伤，因而通过隔离连接的方法来加以解决，即通过 DC-DC 将系统电源和RS-485 收发器的电源隔离，通过光耦将信号隔离，彻底消除共模电压的影响，线路图如图 14 所示。图14 总线通讯线路图 2.3 小结小结本阀门控制系统除了具有一般电动执行机构

39、的基本控制、数据处理、显示、集中控制功能外，还具有远程 Profibus 总线通信功能，实现与控制中心进行远程数据采集和功能设置，从而适应了工业控制系统向分散化、网络化方向发展的要求。本系统实现的功能及其主要的特点有：采用微处理器作为主控制器，将控制器设计为一体化结构，从而实现小型化；直接接收 420mA 控制信号，并输出隔离的 420mA 阀位反馈信号；上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 控制系统的硬件设计 第 17 页 数字显示控制信号值、阀位值和故障类别；Profibus 总线通讯功能，通过通讯协议实现远程读取现场数据、设置等处理。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 控制系统的软件设

40、计 第 18 页 第三章 控制系统的软件设计控制系统的软件设计 ADuC812 微处理器自主完成数据的 A/D 和 D/A 转换、通讯及电机正反转控制、超范围告警等功能。其中控制部分采用在连续生产过程中广泛采用的、技术成熟的增量型 PID 控制。3.1 系统软件系统软件系统的主程序软件框图如图 15 所示，程序刚开始先对各寄存器和 I/O 端口赋初值，然后用命令打开所有中断。时间每隔 I 秒，显示器显示出当前的阀位给定值和阀位反馈值，同时清除时间寄存器的值，以便检测下个 1 秒。如果程序检测到没到 1 秒钟，程序就会转而判断有无现场手动操作，如果有，则按照现场手动操作指令进行操作，否则继而判断

41、 A/D 转换有没有结束，如果结束，则可根据转换的给定值和反馈值来进行控制，控制模块执行完以后，就可以检测有没有上位机信号了。如果 A/D 转换还没有结束，那么程序直接转入检测接收和处理上位机信号或向上位机发出通讯信号。对上位机检测完后，程序再循环判断时间有没有到 1 秒钟，进而判断要不要刷新显示值。如此一直循环下去。在执行主程序的同时，还有外部中断服务程序，比如手动操作服务程序，用来执行手动操作命令；A/D 转换结束中断程序，用来处理 A/D 转换结束后的数据；还有超范围告警程序，用来在报警处理。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 控制系统的软件设计 第 19 页 程序开始初始化各模块和I

42、/O端口开中断1ms定时到？清时间寄存器调用显示程序有无现场手抄中断？调用控制程序N是否超范围？收发和处理通讯数据N参数设置Y告警处理YAD转换结束？YN 图15 主程序流程图 3.2PID 算法及软件实现算法及软件实现上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 控制系统的软件设计 第 20 页 针对本系统被控对象要求准确、快速地达到指定阀位，手动和自动控制切换无扰动，采用了增量式 PID 控制算法来进行控制。3.2.13.2.1 PID 算法概述 PID 算法概述 PID 控制算法常用于需要对变化的条件进行校正的闭环控制系统，PID 调节以其算法简单、可靠性高而得到广泛的应用。PID 是指根据实际

43、的测量值与设定值之间的偏差 e(t)，按比例-积分-微分的函数关系进行线性组合构成控制量 u(t)，然后用 u(t)去对对象进行控制，其控制规律为：u(t)=KPe(t)+TD (3-1)式(1)中，KP为比例常数，TI为积分常数，TI越大，积分作用越弱，TD为微分常数，TD越大，微分作用越强。由此可以看出，PID 算法包括 3 项：比例项、积分项和微分项。比例控制是根据被控制量的期望值和实测值之差（控制误差）驱动被控对象，比例环节有利于维持系统的平衡，如果系统存在控制偏差，比例环节使控制量朝着减小偏差的方向变化，从而使阀门处于预定的状态；积分控制是根据控制误差的积分去驱动被控对象，却有利于消

44、除比例调节中残余的静差；微分控制是根据控制误差的微分去驱动被控对象，可实现对偏差量的实时控制。根据系统要求，为上述 3 个控制项选择合适的比例常数KP，TI和 TD，并把它们综合起来，产生一个综合的控制作用，就构成了 PID 控制算法。比例控制的比例常数 Kp 大一点就可以使系统的控制精度高，响应速度快；积分控制可以消除稳态误差，但对静差的消除需要的时间长；微分控制可以使系统对于扰动有较快的响应，使偏差消灭在萌芽状态，这 3 项的每一项对系统的性能都会产生不同的影响，它们相互影响相互制约，使系统的性能得到相应的提高。式(1)为 PID 的模拟系统表述式，在数字控制系统中实现此规律，必须将式(1

45、)离散化处理，用矩形法计算积分，用后差分代替微分，因此式(1)中的积分项和微分项可近似表示为：=i 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 控制系统的软件设计 第 21 页 其中，P输出信号 e偏差的输入信号，是测量值 m 与给定值之差，e=r-m 因此，代入式(1)便可得到数字控制系统中离散 PID 的表述式为：=(3-2)式(2)是 PID 位置式算法，其中，采样周期 第 n 次采样时的输出 第 n 次采样的偏差值,e=r-m n采样序号 在位置式算法中，由于输出是直接的位置信号，因此误差较大。同时，由自动切向软手动是无平衡无扰动的，但由手动切向自动时，很难做到无扰动。为改善控制质量，对该算

46、法进行进一步优化。同理可得第 n-1 次采样的输出表达式=(3-3)式(2)减去式(3)，即可得到 PID 输出增量的表达式：=(3-4)式(4)为 PID 增量式算式 其中，PID 控制算式的积分系数 PID 控制算式的微分系数 增量式输出是改变的增量，可以减少动作误差，并易于实现手动/自动切换无扰动。其算法结构图如图 16 所示。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 控制系统的软件设计 第 22 页 比例控制积分控制微分控制驱动电机e(t)u(t)期望值实测值 图16 PID 算法结构图 3.2.23.2.2 控制程序 控制程序 为提高系统的反应速度，因此必须实现较快的运算速度，因此 PI

47、D 控制程序采用定点运算的方式。此外，在控制过程中，如果控制量超出阀门的最大开度，实际输出的控制量就不再是期望的计算值了，为了解决 PID 控制中出现的这种饱和效应，对 PID 算法作了两方面的修正：一是对积分项作了一个限幅值，以免因积分项过大造成系统的不稳定；二是当控制量的误差改变符号时，对积分项清零，提高了系统的稳定性。其控制流程图如图 17 所示。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 控制系统的软件设计 第 23 页 图17 控制流程图 上海交通大学工程硕士学位论文 第四章 控制系统防爆 第 24 页 第四章 控制系统防爆控制系统防爆 4.1 防爆原理和防爆技术防爆原理和防爆技术首先介绍

48、一下对设备有防爆要求的场所，即爆炸性危险场所。通常爆炸性危险场所按爆炸性物质的物态，分为气体爆炸危险场所和粉尘爆炸危险场所两类。气体爆炸危险场所中，根据爆炸性气体环境出现的频率和持续时间再进行细分，有 0 区、1 区和 2 区三个危险性不同的区域。爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的为 0 区场所，1 区场所是指在正常运行时有可能出现爆炸性气体环境的场所，2 区场所在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在。同样，粉尘爆炸危险场所根据可燃性粉尘/空气混合物出现的频率和持续时间及粉尘层厚度可以再细分为 20 区、21 区和 22 区三个区域。20 区是指在正常

49、运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现，其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和/或可能形成无法控制和极厚的粉尘层的场所及容器内部。21 区在正常运行过程中，可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入 20 区的场所。通常与充入或排放粉尘点直接相邻的场所、出现粉尘层和正常操作情况下可能产生可燃浓度的可燃性粉尘与空气混合物的场所可划分为 21 区。22 区是指在异常条件下，可燃性粉尘云偶尔出现并且只是短时间存在、或可燃性粉尘偶尔出现堆积或可能存在粉尘层并且产生可燃性粉尘空气混合物的场所。不能保证排除可燃性粉尘堆积或粉尘层的场所应划分为 21区。不同区域的防爆危险性不同，则防爆要求也不仅

50、相同，0 区和 21 区场所的危险性最高，在这种场所使用的电气设备要求在正常工作、一个故障和二个故障的情况下均具有相应的防爆措施，1 区和 21 区场所用电气设备须在正常工作和一个故障的情况下具有相应的防爆措施，2 区和 22 区场所的危险级别最高，只要求电气设备在正常工作状态下不会引起爆炸，因此，在不同区域安装使用的电气设备采取的防爆技术手段也不相同。上海交通大学工程硕士学位论文 第四章 控制系统防爆 第 25 页 下面介绍一下防爆的基本原理及实现防爆的各种技术。4.1.1 防爆的基本原理防爆的基本原理 众所周知，当且仅当下列三个条件同时存在时，才会产生爆炸，即通常所说的爆炸三角形：点燃源（