Foundation Fieldbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種Foundation Fieldbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,包括微控制器,電源轉換單元,電源切換管理單元,與微控制器連接的相序檢測單元,與微控制器連接的閥門位置檢測單元,與微控制器連接的開關面板,用于設定閥門電動裝置的不同工作狀態(tài),在手動狀態(tài)下,允許操作者使用開關面板上的開關進行開閥或者關閥動作;與微控制器連接的力矩監(jiān)測單元;與微控制器連接的顯示單元;Foundation Fieldbus H1通信單元,通過Foundation Fieldbus總線通訊接口與上層FCS總線控制系統(tǒng)的通訊接口卡相連;與微控制器連接的電機驅動單元,以及遙控接收單元。本發(fā)明實現(xiàn)基于Foundation Fieldbus現(xiàn)場總線規(guī)范下,對閥門電動裝置的遠程實時智能化控制與狀態(tài)監(jiān)測。
【專利說明】
Foundat 1n Fie I dbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器
技術領域
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種Foundat1n Fieldbus現(xiàn)場總線型完全數(shù)字化閥門電動裝置控制器,特別適用于閥門電動裝置,屬于流體過程自動化領域。
【背景技術】
[0002]閥門電動裝置作為流體過程控制領域使用的電力驅動設備,由于其使用交流異步電機控制技術,和遠程信號自動控制技術,廣泛應用于石油、化工、電站、污水處理等行業(yè)。
[0003]當前國內閥門電動裝置大量采用傳統(tǒng)模擬控制方式,即以遠程4一20mA電流環(huán)或者1-5V電壓信號作為遠程控制信號,常規(guī)DCS(集散控制系統(tǒng))控制系統(tǒng)通過輸出4 一 20mA電流環(huán)控制電動執(zhí)行機構的動作,并實時采集與閥門電動裝置相連的閥門開度物理位置輸出,來實現(xiàn)遠程中控室對閥門的控制。由于模擬信號本身的物理特性,其在遠程傳輸過程中存在損耗,以及現(xiàn)場控制線纜繁多,鋪設繁雜,系統(tǒng)不能在線診斷等不足之處。
[0004]作為國際現(xiàn)場總線基金會組織開發(fā)頒布的標準,適用于過程自動化的低速部分(Foundat1n Fieldbus Hl,基金會現(xiàn)場總線Hl部分)基于IS0/0SI參考模型發(fā)展演變而來,目前,Hl低速總線發(fā)展為FF-Hl和FF-H2,傳輸速率典型值為31.25kbit/s,lMbit/s和2.5Mbit/s; FF Hl作為工廠的底層網(wǎng)絡,相對一般廣域網(wǎng),局域網(wǎng)而言,它是低速網(wǎng)段。其由單一總線段或多總線段構成,也可以由網(wǎng)橋把不同傳輸速率、不同傳輸介質的總線段互聯(lián)而構成。FF-Hl圍繞工業(yè)生產現(xiàn)場的通信系統(tǒng)和分布式的網(wǎng)絡自動化系統(tǒng)兩個方面形成了它的技術特色,技術上綜合了通信技術和網(wǎng)絡自動化技術,其主要技術包括(I)通信技術
(2)功能塊技術(3)設備描述技術(4)系統(tǒng)集成技術(5)系統(tǒng)測試技術;其主要特點包括(I)支持總線供電(2)支持本質安全(3)令牌總線訪問機制(4)內容廣泛的應用層。
[0005]由于FF-Hl借鑒DCS的功能塊及功能塊組態(tài)技術,在現(xiàn)場總線儀表或設備中定義了多種標準功能塊(FB),每種功能塊實現(xiàn)特定的應用功能;包括資源塊(Resource Block)、變送塊(Transducer Block)、比例積分微分塊(PID Block)、模擬量輸入塊(Al)、模擬量輸出塊(AO)、數(shù)字量輸入塊(DI)、數(shù)字量輸出塊(DO)等。
[0006]另外,F(xiàn)F-Hl為了支持標準的功能塊操作,采用了設備描述(DD)技術,來實現(xiàn)總線儀表或設備的互操作性,共享不同制造商總線設備中的功能塊。為了進行設備描述,F(xiàn)F-Hl規(guī)定了相應的設備描述語言(Device Descript1n Language , DDL),采用設備描述編譯器,把DDL編寫的設備描述的源程序轉換成計算機可讀的目標文件??偩€控制系統(tǒng)正式憑借這些可讀的目標文件來理解不同制造商的總線設備的數(shù)據(jù)意義。
[0007]隨著現(xiàn)代數(shù)字總線技術和微控制器技術的大力發(fā)展,現(xiàn)今,現(xiàn)場總線技術在國外已大量成熟運用實施。通過將現(xiàn)場數(shù)字總線技術和微控制器技術引入傳統(tǒng)的測量儀器儀表,可使得傳統(tǒng)的測量儀器儀表具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力,采用屏蔽雙絞線作為總線,將分布在裝置現(xiàn)場的多臺儀表接入總線網(wǎng)絡,按照公開頒布的通信規(guī)范標準,實現(xiàn)遠程計算機和現(xiàn)場儀表間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換,形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明的目的在于利用國際前沿技術,引入基金會現(xiàn)場總線控制技術(Foundat1n Fieldbus HI),開發(fā)出一種Foundat1n Fieldbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,克服傳統(tǒng)模擬信息不便于傳輸,信號線纜繁多,傳輸過程模擬信號衰減損耗,以及不便于多狀態(tài)參數(shù)信號反饋監(jiān)測,不便于故障排查與維護等不足之處,采用單對線纜,以數(shù)字信號代替模擬信號,不需要額外的模擬/數(shù)字,數(shù)字/模擬轉換部件,將所有的參數(shù)信息通過該單對線纜傳輸,最終實現(xiàn)對閥門電動裝置的遠程實時智能化控制與狀態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明采用的技術方案是:
一種Foundat1n Fieldbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,包括微控制器,還包括: 電源轉換單元,用于將外部交流供電轉換輸出閥門電動裝置控制器內使用的各直流電源;
電源切換管理單元,用于外部交流供電與內部后備電池供電的切換管理;
與微控制器連接的相序檢測單元,用于對外部輸入的三相交流電相序進行捕獲檢測;與微控制器連接的閥門位置檢測單元,用于實時記錄與跟蹤閥門物理位置,將閥門位置信號即閥位信號傳給微控制器單元;
與微控制器連接的開關面板,上面設有至少一個開關,用于設定閥門電動裝置的不同工作狀態(tài),在手動狀態(tài)下,允許操作者使用開關面板上的開關進行開閥或者關閥動作;
與微控制器連接的力矩監(jiān)測單元,用于將閥門負載的力矩量轉換為線性可測的電壓信號提供給微控制器,實現(xiàn)閥門電動裝置運行過程對負載力矩的監(jiān)測;
與微控制器連接的顯示單元,完成人機交互界面的顯示與查看;
Foundat1n Fieldbus Hl通信單元,通過Foundat1n Fieldbus總線通訊接口與上層FCS總線控制系統(tǒng)的通訊接口卡相連,用于接收上層FCS總線控制系統(tǒng)發(fā)出的開閥、關閥、停止指令,同時將閥門電動裝置的當前閥位信號,負載力矩信號,以及運行過程中的狀態(tài)參數(shù)信息上傳給FCS總線控制系統(tǒng);
與微控制器連接的電機驅動單元,微控制器向電機驅動單元輸出電機控制信號,驅動電機正/反轉動作,實現(xiàn)對閥門電動裝置的控制,將閥門驅動到指定位置;
與微控制器連接的遙控接收單元,用于接收來自遙控器發(fā)出的指令,完成相關參數(shù)的設定。
[0009]進一步地,
微控制器內部設定有閥門開方向/關方向的力矩保護值,若監(jiān)測到的力矩量大于微控制器內部設定的開方向/關方向的力矩保護值,微控制器立即輸出電機停止指令。
[0010]進一步地,
微控制器與Foundat1n Fieldbus Hl通信單元之間遵循MODBUS-RTU通信協(xié)議按照設定時間間隔(比如250ms)進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸,微控制器將閥位信號參數(shù),負載力矩信號參數(shù),以及多個特定狀態(tài)參數(shù)按照約定的數(shù)據(jù)格式進行打包編碼與處理,并及時上傳給Foundat1n Fieldbus Hl通信單元,F(xiàn)oundat1n Fieldbus Hl通信單元再將參數(shù)信息按照Foundat1n Fieldbus Hl協(xié)議進行編碼,并最終上傳到Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡中,位于Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡的FCS控制器直接從該Foundat1n FieldbusHl總線網(wǎng)絡提取來自微控制器的參數(shù)信息,從而完成基于FCS總線控制系統(tǒng)的生產過程的控制;同時,微控制器接收來自FCS總線控制系統(tǒng)下發(fā)的動作指令,通過對來自Foundat1nFieldbus Hl通信單元的MODBUS-RTU通信協(xié)議解碼獲取,微控制器解碼得到實際的動作指令后,執(zhí)行微控制器內部的控制策略,輸出電機正反轉驅動信號到電機驅動單元,驅動電機正反轉動作,將閥門驅動到FCS總線控制系統(tǒng)指定的位置;
上傳FCS總線控制系統(tǒng)的多個特定狀態(tài)參數(shù)包括:
閥門電動裝置控制器工作正常與否的參數(shù);
閥門全開、全關位置參數(shù);
當前執(zhí)行動作為開閥或者關閥動作的參數(shù);
工作狀態(tài)參數(shù),包括手動狀態(tài)/遠程狀態(tài)/遙控狀態(tài);
報警信號參數(shù),包括電機卡滯參數(shù),電機溫度保護開關的超溫保護動作參數(shù)。
[0011]進一步地,
微控制器的串口與Foundat1n Fieldbus Hl通信單元通過光親進行隔離與互連。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1)基于Foundat1nFieIdbus國際標準,實現(xiàn)閥門電動裝置的完全數(shù)字化,智能化控制;
2)獲取更多的狀態(tài)數(shù)據(jù),3)便于在線監(jiān)測,系統(tǒng)診斷與維護;
3)節(jié)省通信線纜,及硬件成本,節(jié)省安裝費用。
[0013]4)自動化程度高,便于診斷與維護;節(jié)省后期維護時間和維護費用。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明微控制器主板結構示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的整體電氣結構示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明接入FF總線網(wǎng)絡的拓撲結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0018]Foundat1n Fi el dbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,如圖1所示,包括微處理器MSP430,以及:
電源轉換單元,用于將外部交流供電(單相220V/三相380V),轉換輸出直流3.3V電源,直流5V電源,以及直流24V電源;分別用于微處理器單元和外部信號采集與處理單元,電機(三相/單相)驅動單元供電;外部信號采集與處理單元包括閥門位置檢測單元等;
電源切換管理單元,用于外部交流供電與內部后備電池供電的切換管理,當外接交流供電正常時,電源切換管理單元控制所述電源轉換單元輸出為微處理器單元和外部信號采集與處理單元供電;當外接供電電源丟失情況下,通過閥門電動裝置手輪動作,可喚醒電源切換管理單元中的后備電池,電源切換管理單元控制后備電池輸出給微處理器單元和外部信號采集與處理單元供電;
與微控制器連接的相序檢測單元,用于對外部輸入的三相交流電相序進行捕獲檢測; 與微控制器連接的閥門位置檢測單元,用于實時記錄與跟蹤閥門物理位置,將閥門位置信號傳給微控制器單元;閥門位置檢測單元可記錄閥門開閉過程的物理位置,并且將閥門開度位置記錄保存在微控制器內部存儲器中,從而確保閥門在開啟和閉合過程以及斷電再上電后,閥門物理位置不丟失;閥門位置檢測單元通過閥門位置傳感器采集閥門位置信號;
與微控制器連接的開關面板,包含一個紅色旋鈕開關,和一個黑色旋鈕開關,用于設定閥門電動裝置的三個不同工作狀態(tài)(手動/遠程/遙控),在手動狀態(tài)下,該控制器允許操作者使用黑色旋鈕開關開閥或者關閥動作;在遙控狀態(tài)下,該控制器允許操作者使用遙控器進入菜單調試界面,進行參數(shù)的設置,例如,對關限位點和開限位點的設定,對開方向力矩保護值設定,對關方向力矩保護值設定等;在遠程狀態(tài)下,該控制器接受遠程FCS控制系統(tǒng)發(fā)出的帶Foundat1n Fieldbus Hl協(xié)議的動作指令,自動完成將閥門驅動到0-100%之間對應的位置;
與微控制器連接的力矩監(jiān)測單元,用于將閥門負載的力矩量轉換為線性可測的電壓信號提供給微控制器,實現(xiàn)閥門電動裝置運行過程對負載力矩的監(jiān)測,若監(jiān)測到的力矩量大于該微控制器內部設定的開方向/關方向的力矩保護值,該微控制器將會立即輸出電機停止指令,停止電機的運轉,并在液晶顯示單元發(fā)出報警信息,從而實現(xiàn)對閥門的保護;通過其它相關傳感器采集的電機溫度信號、后備電池電壓信號,以及電機溫度保護開關的動作信號,以及開關面板上傳來的工作狀態(tài)切換信號(手動/遠程/遙控)均發(fā)送給微控制器;
Foundat1n Fieldbus Hl通信單元,通過Foundat1n Fieldbus總線通訊接口與上層FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)Fieldbus Control System)總線控制系統(tǒng)的通訊接口卡相連,用于接收上層FCS總線控制系統(tǒng)發(fā)出的開閥、關閥、停止指令,同時將閥門電動裝置的當前閥位信號,負載力矩信號,以及運行過程中的狀態(tài)參數(shù)信息上傳給FCS總線控制系統(tǒng);
與微控制器連接的電機驅動單元,微控制器向電機驅動單元輸出電機控制信號,驅動交流異步電機正/反轉動作,實現(xiàn)對閥門電動裝置的控制,最終將閥門驅動到指定位置。
[0019]與微控制器相連的液晶顯示單元,用于直觀顯示閥門當前位置,電機溫度參數(shù),力矩參數(shù),遠程信號值,報警信息等;微控制器與顯示單元連接,由顯示單元完成人機交互界面的顯示與查看,由微處理器完成對既定的控制邏輯對各種信號進行處理,生成相應的電機控制信號及報警信號;
與微控制器連接的遙控接收單元,用于接收來自遙控器發(fā)出的指令,完成相關參數(shù)的設定;
微控制器通過串行通信接口,與Foundat1n Fieldbus Hl通信單元相連;專門負責處理Foundat1n Fieldbus Hl通信協(xié)議的Foundat1n Fieldbus Hl通信單元,其與微控制器單元的串口通過高速光耦互聯(lián),從而進行數(shù)據(jù)信號的串行雙向傳輸;
如圖2,圖3所示,應用時,本發(fā)明通過Foundat1n Fieldbus Hl總線通訊接口,參照現(xiàn)場總線設計與實施IEC61158規(guī)范中的AG-181原則,使用AWG18型鎧裝雙絞電纜,對照極性,即可接入Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡中,同F(xiàn)F設備I,F(xiàn)F設備2,F(xiàn)F設備3,F(xiàn)F設備4構成一個Foundat1n Fieldbus網(wǎng)段,本發(fā)明中閥門電動裝置控制器作為其中一個FF設備(Foundat1n Fieldbus設備);當FCS總線控制系統(tǒng)加載完成該發(fā)明對應的DD(設備描述)文件后,遠程中控室內的FCS總線控制系統(tǒng)(完全兼容如EMERSON公司的PlantWeb DeltaV,HONEYWELL公司的Exper1n PKS過程知識系統(tǒng)等國際主流系統(tǒng))即可在線識別并訪問該設備。
[0020]在遠程的FCS總線控制系統(tǒng)內,F(xiàn)CS總線工程師在線可識別到該發(fā)明中的多個功能塊,在該發(fā)明中,共定義了一個資源塊(Re sour ce Block)、一個變送塊(TransducerBlock)、一個比例積分微分塊(PID Block)、數(shù)個模擬量輸入塊(Al)、一個模擬量輸出塊(AO)、數(shù)個數(shù)字量輸入塊(DI)、一個數(shù)字量輸出塊(D0)。其中,AO塊用于遠程連續(xù)型控制閥門開度;Al塊用于反饋當前實際閥門開度(即閥位信號)和當前實際負載力矩值大小;DI塊用于反饋設備當前多個狀態(tài)參數(shù)的編碼值,DO塊用于實現(xiàn)離散型控制閥門。
[0021]微控制器與Foundat1n Fieldbus Hl通信單元之間遵循MODBUS-RTU通信協(xié)議按照設定時間間隔(比如250ms)進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸,微控制器將閥位信號參數(shù),負載力矩信號參數(shù),以及多個特定狀態(tài)參數(shù)按照約定的數(shù)據(jù)格式進行打包編碼與處理,并及時上傳給Foundat1n Fieldbus Hl通信單元,F(xiàn)oundat1n Fieldbus Hl通信單元再將參數(shù)信息按照Foundat1n Fieldbus Hl協(xié)議進行編碼,并最終上傳到Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡中,位于Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡的FCS控制器直接從該Foundat1n FieldbusHl總線網(wǎng)絡提取來自微控制器的參數(shù)信息,從而完成基于FCS總線控制系統(tǒng)的生產過程的控制;同時,微控制器接收來自FCS總線控制系統(tǒng)下發(fā)的動作指令,通過對來自Foundat1nFieldbus Hl通信單元的MODBUS-RTU通信協(xié)議解碼獲取,微控制器解碼得到實際的動作指令后,執(zhí)行微控制器內部的控制策略,輸出電機正反轉驅動信號到電機驅動單元,驅動電機正反轉動作,最終,電機通過電機執(zhí)行機構機械傳動部件輸出推力,將閥門驅動到FCS總線控制系統(tǒng)指定的位置;
上傳FCS總線控制系統(tǒng)的多個特定狀態(tài)參數(shù)包括:
閥門電動裝置控制器工作正常與否的參數(shù);
閥門全開、全關位置參數(shù);
當前執(zhí)行動作為開閥或者關閥動作的參數(shù);
工作狀態(tài)參數(shù),包括手動狀態(tài)/遠程狀態(tài)/遙控狀態(tài);
報警信號參數(shù),包括電機卡滯參數(shù)(監(jiān)測到的力矩量大于微控制器內部設定的開方向/關方向的力矩保護值時,判斷為電機卡滯),電機溫度保護開關的超溫保護動作參數(shù)。
[0022]FCS總線控制系統(tǒng)最終實現(xiàn)對閥門電動裝置的遠程實時智能化控制與狀態(tài)監(jiān)測。
【主權項】
1.一種Foundat1nFieldbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,包括微控制器,其特征在于,還包括: 電源轉換單元,用于將外部交流供電轉換輸出閥門電動裝置控制器內使用的各直流電源; 電源切換管理單元,用于外部交流供電與內部后備電池供電的切換管理; 與微控制器連接的相序檢測單元,用于對外部輸入的三相交流電相序進行捕獲檢測; 與微控制器連接的閥門位置檢測單元,用于實時記錄與跟蹤閥門物理位置,將閥門位置信號即閥位信號傳給微控制器單元; 與微控制器連接的開關面板,上面設有至少一個開關,用于設定閥門電動裝置的不同工作狀態(tài),在手動狀態(tài)下,允許操作者使用開關面板上的開關進行開閥或者關閥動作; 與微控制器連接的力矩監(jiān)測單元,用于將閥門負載的力矩量轉換為線性可測的電壓信號提供給微控制器,實現(xiàn)閥門電動裝置運行過程對負載力矩的監(jiān)測; 與微控制器連接的顯示單元,完成人機交互界面的顯示與查看; Foundat1n Fieldbus Hl通信單元,通過Foundat1n Fieldbus總線通訊接口與上層FCS總線控制系統(tǒng)的通訊接口卡相連,用于接收上層FCS總線控制系統(tǒng)發(fā)出的開閥、關閥、停止指令,同時將閥門電動裝置的當前閥位信號,負載力矩信號,以及運行過程中的狀態(tài)參數(shù)信息上傳給FCS總線控制系統(tǒng); 與微控制器連接的電機驅動單元,微控制器向電機驅動單元輸出電機控制信號,驅動電機正/反轉動作,實現(xiàn)對閥門電動裝置的控制,將閥門驅動到指定位置。2.如權利要求1所述的Foundat1nFieldbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,其特征在于,還包括: 與微控制器連接的遙控接收單元,用于接收來自遙控器發(fā)出的指令,完成相關參數(shù)的設定。3.如權利要求1或2所述的Foundat1nFieIdbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,其特征在于: 微控制器內部設定有閥門開方向/關方向的力矩保護值,若監(jiān)測到的力矩量大于微控制器內部設定的開方向/關方向的力矩保護值,微控制器立即輸出電機停止指令。4.如權利要求1或2所述的Foundat1nFieIdbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,其特征在于: 微控制器與Foundat1n Fieldbus Hl通信單元之間遵循MODBUS-RTU通信協(xié)議按照設定時間間隔進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸,微控制器將閥位信號參數(shù),負載力矩信號參數(shù),以及多個特定狀態(tài)參數(shù)按照約定的數(shù)據(jù)格式進行打包編碼與處理,并及時上傳給Foundat1nFieldbus Hl通信單元,F(xiàn)oundat1n Fieldbus Hl通信單元再將參數(shù)信息按照Foundat1nFieldbus Hl協(xié)議進行編碼,并最終上傳到Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡中,位于Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡的FCS控制器直接從該Foundat1n Fieldbus Hl總線網(wǎng)絡提取來自微控制器的參數(shù)信息,從而完成基于FCS總線控制系統(tǒng)的生產過程的控制;同時,微控制器接收來自FCS總線控制系統(tǒng)下發(fā)的動作指令,通過對來自Foundat1nFieldbus Hl通信單元的MODBUS-RTU通信協(xié)議解碼獲取,微控制器解碼得到實際的動作指令后,執(zhí)行微控制器內部的控制策略,輸出電機正反轉驅動信號到電機驅動單元,驅動電機正反轉動作,將閥門驅動到FCS總線控制系統(tǒng)指定的位置; 上傳FCS總線控制系統(tǒng)的多個特定狀態(tài)參數(shù)包括: 閥門電動裝置控制器工作正常與否的參數(shù); 閥門全開、全關位置參數(shù); 當前執(zhí)行動作為開閥或者關閥動作的參數(shù); 工作狀態(tài)參數(shù),包括手動狀態(tài)/遠程狀態(tài)/遙控狀態(tài); 報警信號參數(shù),包括電機卡滯參數(shù),電機溫度保護開關的超溫保護動作參數(shù)。5.如權利要求1或2所述的Foundat1n FieIdbus現(xiàn)場總線型閥門電動裝置控制器,其特征在于: 微控制器的串口與Foundat1n Fieldbus Hl通信單元通過光親進行隔離與互連。
【文檔編號】F16K37/00GK105840900SQ201610377457
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】杜學軍, 王波, 楊明華, 枚秀全, 杜成飛, 朱國剛, 倫東
【申請人】無錫萊譜爾科技有限公司