CN202149270U

CN202149270U - 一种基于网络控制的智能定位模块

Info

Publication number: CN202149270U
Application number: CN201020586756U
Authority: CN
Inventors: 石小江; 陈洪敏; 张中光; 罗乘川
Original assignee: China Gas Turbine Research Institute
Current assignee: China Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2020-11-02

Abstract

本实用新型涉及一种用于电动执行器的基于网络控制的智能定位模块。本实用新型基于网络控制的智能定位模块具有一内部拥有程序存储器的Aduc832芯片，并配以位置检测，外部信号输入，电机驱动，人机接口及网络接口等***设备。所述Aduc832芯片集成有IO模块、D/A模块、A/D模块、并行口和串行口。本实用新型智能定位模块拥有MODBUS网络协议并内置PID调节功能，能够通过RS485网络对处于网络中的任何一台电动执行器输入控制信息，并通过网络返回控制完成后的相应信息，被控量不仅仅是位置信号，也可以是压力，温度等，同时，该还可以通过键盘和液晶显示屏对参数进行现场修改。

Description

一种基于网络控制的智能定位模块

技术领域

本实用新型涉及工业，化工领域的阀门电动执行器，特别是关于电动执行器内的智能定位模块。

背景技术

该智能定位模块是电动执行器的核心构成部分。电动执行器是指在控制***中以电作为能源的一种执行器，它接受调节仪表的电信号，把它变成输出轴的角位移或直线行程位移，以推动调节执行机构——阀门动作执行调节任务。智能***模块安装于电动执行器内部，接受调节器来的0～10mA或4～20mA的标准直流电流信号，和来自内部位置传感器的输出信号，通过预先定义好的逻辑控制模式，转变为相应的逻辑电信号，控制电动执行器中的执行机构——通常是单向或者三相交流电机。

定位模块通常由模拟放大器、AD/DA转换器和微处理器构成。按控制逻辑可分为积分式和比例式。目前市场上常见的是比例式，请参阅图1，其是一种比例式定位模块的工作原理图。由调节来的0～10mA或4～20mA的直流电流输入信号与位置传感器来的位置反馈信号向减后，其误差信号经伺服放大器放大后驱动电机转动，经过位于执行器内部的减速器减速后输出一角位移或直行程位移，带动调节机构进行调节。同时执行器内部的位置传感器将输出位移转换成相应的直流输出信号作为位置反馈信号，送至伺服放大器输入端，它随着输出位移的大小而变化，当位移反馈信号与输入信号的差值等于零时，电动机停止转动，执行机构稳定在一定的位置上。

目前市场上的大部分定位模块通常采用比例式控制逻辑，输入4～20mA控制信号，输出4～20mA模拟位置信号。在国内市场上有很多定位模块，但基本都不具备网络连接功能，其结构复杂，可靠性欠佳，成本高。

发明内容

本实用新型的目的：为了降低多台电动执行器的控制成本和控制目标多样化的问题，本实用新型提供了一种拥有MODBUS网络协议，和内置PID调节功能的智能定位模块，能够通过RS485网络对处于网络中的任何一台电动执行器输入控制信息，并通过网络返回控制完成后的相应信息，被控量不仅仅是位置信号，也可以是压力，温度等。

本实用新型的技术方案：为了解决上述技术问题，本实用新型的详细技术方案如下：一种基于网络控制的智能定位模块，其具有一内部拥有程序存储器的Aduc832芯片，且所述Aduc832芯片集成有IO模块、D/A模块、A/D模块、并行口和串行口，其中，所述Aduc832芯片并行口连接有LCD显示器和键盘，所述Aduc832芯片串行口经一个光电隔离器与RS485驱动相连，所述Aduc832芯片的IO模块通过一光电隔离器以及电机驱动与控制电机相连，同时，该IO模块通过另一光电隔离器连接有一隔离开关，所述D/A模块与可调4～20mA输出直接相连以及经V/I变换器与4～20mA输出相连，所述可调4～20mA输出经信号调理器与A/D模块相连，所述A/D模块分别经两个I/V转换器与4～20mA外部控制信号以及4～20mA的变送器相连。

所述IO模块、D/A模块、A/D模块、并行口和串行口具有RS485总线物理通信接口，支持MODBUS网络通信协议，并连接有一网络中主控制器，共同构成一个控制网络。

所述网络中主控制器为计算机。

所述Aduc832芯片嵌有不仅能够控制电动执行器中执行机构的位移，而且能够控制流体的压力、流量、温度等相关参数的PID运算算法。

所述的基于网络控制的智能定位模块设有能监视过执行机构的电流参数的电流测量传感器。

本实用新型的有益效果：本实用新型基于网络控制的智能定位模块通过RS485网络对处于网络中的任何一台电动执行器输入控制信息，并通过网络返回控制完成后的相应信息，使得电动阀门执行机构在应用中变得更加简单，成本更低，自动化程度更高，可靠性更高。同时，该执行机构自带了PID控制器，可以实现外部单参数控制，为用户节约了调节仪表。液晶屏显示操作状态和当下运行时阀门的相关参数，方便操作人员对操作进行有效的监控。

附图说明

图1是一种现有技术比例式定位模块的工作原理图；

图2是本实用新型基于网络控制的智能定位模块一较佳实施方式的结构框图；

图3是本实用新型电机驱动和电流检测电路图；

图4是本实用新型RS485通信电路图；

图5是本实用新型基于网络控制的智能定位模块的工作原理图；

图6是本实用新型基于网络控制的智能定位模块的主流程图

图7是本实用新型对于MODBUS协议支持流程图；

图8是本实用新型控制流程图；

图9是本实用新型电机保护流程图。

具体实施方式：

下面通过具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：

请参阅图2，其是本实用新型基于网络控制的智能定位模块一较佳实施方式的结构框图。所述智能定位模块以Analog Device公司的Aduc832芯片为核心，并配以位置检测，外部信号输入，电机驱动，人机接口及网络接口等***设备。其中，所述ADUC832芯片是一块拥有模数和数模转换功能的多功能嵌入式中央处理器芯片，内部拥有程序存储器，能够按照用户编写好的程序来运行相应的任务。该Aduc832芯片集成有IO模块、D/A模块、A/D模块、并行口和串行口。所述Aduc832芯片并行口连接有LCD显示器和键盘，分别用于图像显示以及参数的输入与修改。所述Aduc832芯片串行口经一个光电隔离器与RS485驱动相连。所述Aduc832芯片的IO模块通过一光电隔离器以及电机驱动与控制电机相连。同时，该IO模块通过另一光电隔离器连接有一隔离开关。所述D/A模块与可调4～20mA输出直接相连以及经V/I变换器与4～20mA输出相连。所述可调4～20mA输出经信号调理器与A/D模块相连。而且所述A/D模块分别经两个I/V转换器与4～20mA外部控制信号以及4～20mA的变送器相连。

本实用新型智能定位模块以ADUC832芯片为中心，进行***相关电路和内部运行的软件来的设计来实现简单方便的网络控制功能。图6是所述智能定位模块的主程序流程图，其运行过程如下，先进性A/D转换数据采集，然后通过MODBUS协议网络通信，再根据液晶显示器显示数据由键盘进行数据处理，然后输出当前执行机构位置，接受来自RS485的网络命令，控制电动执行器的位置或通过PID运算后，控制来自变送器的流体参数达到设定值，运行带保护功能的执行机构。其中，在LCD上显示当前阀位、阀门状态和流体参数值，***通过A/D模块和D/A模块实现满度和零点的自动调整。键盘用于参数的输入与修改，另外，也可以通过传统的4～20mA模拟信号来进行控制。

本实用新型智能定位模块具有网络控制功能，采用基于RS485总线的MODBUS通信协议，该通信协议的详细内容请参考国标GB/T 19582-2008。ADUC832芯片的串行口通信外设，不能满足RS485总线物理电气特征，不支持RS485总线通信网路。本实用新型通过自行设计的***电路，如图4所示，使得本模块在电气特性上支持RS485总线网络。而对于MODBUS协议的支持，其程序处理流程如图7所示，即开始以后，对接收值是否满足最小条件进行判断(最低8个字符)，如果满足最小条件，则识别MODBUS协议功能码，如果不满足最小条件，则直接结束循环；如果能够识别MODBUS协议功能码，则判断接收字符个数是否满足该功能码所规定的最低个数，如果不满足则直接结束该循环，如果满足，则判断信息是否有效；如果信息无效，则返回错误信息并结束循环，如果信息有效，则进行相关功能处理，并返回确认信息，从而完成一个任务循环。

本实用新型智能定位模块通过ADUC832芯片内的程序既可以对目标阀们开度进行控制，又可实现对于现场目标参数(如压力、温度、流量)的控制。其控制原理图如图5所示，利用目前应用广泛的比例控制算法和比例积分微分算法(即PID算法)来实现，其控制程序如图8所示。在本实施方式中，将来自变送器的表示压力、温度等参数的电流信号转换成数字信号，同来自键盘设置、RS485总线网络或普通4～20mA的控制信号相比较，在通过PID算法进行运算，控制电动执行器内部的电机正转、反转或者停止，从而控制同电动执行器连接的角行程阀门的开度，达到自动控制流体压力、流量等参数的效果。其中，PID算法实现的流程图如图9所示，即开始后，通过4～20mA信号或键盘或网络，选择给定参数的输入来源；判断是否选择阀位作为控制参数，如果不是，通过PID控制算法完成一个程序循环，如果是通过比例控制算法完成一个任务循环。

当电动执行器中的执行机构(通常为单向交流电机)由于某种原因堵转以后，通过电动执行器的电流有效值将大大超过执行机构能够承受的范围。为此本实用新型智能定位模块增加了一个电流测量电路，如图3所示，测量流过执行机构的电流。而且所述智能定位模块运行的软件中设定一个保护值，电流超过正常值一定时间之后，停止执行机构动作，从而起到保护作用。其保护处理流程如下，开始后，先判断执行机构是否过载，如果不是，则正常运行，直至完成循环，如果处于过载状态，则停止执行机构；再判断给定值是否变化，如果未变化，则完成一个任务循环，如果给定值发生了变化，则退出过载状态，并完成一个任务循环。

本实施方式的智能定位模块的技术指标如表1所示：

工作电压	220VAC
		工作温度	0～60°
连续无故障工作时间	168h
		定位精度	0.3％
网络最多接入模块个数	256

表1智能定位模块的技术指标

本实用新型基于网络控制的智能定位模块以Analog Device公司的Aduc832芯片为核心，并连接位置检测，外部信号输入，电机驱动，人机接口及网络接口等***设备，再通过编程器将软件下载到ADUC832芯片中。本实施方式中，不同模块间的组网方式可参考RS485总线连接方式，在总线网络中连接一台支持RS485通信的PC，通过该PC中运行的MODBUS协议控制软件，便可控制网络中不同模块，从而控制多个电动执行器动作。第一次上电后，通过键盘或网络调整好软件内部的参数，即可正常运行。

综上所述本实用新型基于网络控制的定位模块可通过对4～20mA、网络、键盘等三种输入方式进行选择；采用MODBUS通信协议，可以与组态软件实现连接；通过PID可以实现调节和参数修改；而且还可以实现手动、自动控制的无扰切换，同时使得执行机构具有较高的定位精度。实现了多台电动阀门执行机构同时使用一台计算机通过现场的网络总线控制各阀门的工作，使控制更简单，节约了控制连接线，计算机等硬件设施。

Claims

1.一种基于网络控制的智能定位模块，其特征在于：具有一内部拥有程序存储器的Aduc832芯片，且所述Aduc832芯片集成有IO模块、D/A模块、A/D模块、并行口和串行口，其中，所述Aduc832芯片并行口连接有LCD显示器和键盘，所述Aduc832芯片串行口经一个光电隔离器与RS485驱动相连，所述Aduc832芯片的IO模块通过一光电隔离器以及电机驱动与控制电机相连，同时，该IO模块通过另一光电隔离器连接有一隔离开关，所述D/A模块与可调4～20mA输出直接相连以及经V/I变换器与4～20mA输出相连，所述可调4～20mA输出经信号调理器与A/D模块相连，所述A/D模块分别经两个I/V转换器与4～20mA外部控制信号以及4～20mA的变送器相连。

2.根据权利要求1所述的基于网络控制的智能定位模块，其特征在于：所述IO模块、D/A模块、A/D模块、并行口和串行口具有RS485总线物理通信接口，支持MODBUS网络通信协议，并连接有一网络中主控制器，共同构成一个控制网络。

3.根据权利要求2所述的基于网络控制的智能定位模块，其特征在于：所述网络中主控制器为计算机。

4.根据权利要求3所述的基于网络控制的智能定位模块，其特征在于：设有能监视过执行机构的电流参数的电流测量传感器。