智能型電動執(zhí)行機構(gòu)功能齊全，給工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的運行和維護帶來了極大的便利。然而，目前市場上的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)還無法達(dá)到能同時滿足適應(yīng)大部分工況條件以及性價比高的要求，為解決智能型電動執(zhí)行機構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的匹配，提出基于多微處理器模塊化設(shè)計方法，通過不同模塊的組合，可以實現(xiàn)不同要求的控制功能。將控制系統(tǒng)分三大模塊及其控制軟件，即人機對話模塊、系統(tǒng)控制模塊(主控制、電機驅(qū)動、故障診斷報警、信號反饋、系統(tǒng)通信等)、數(shù)據(jù)采集模塊(閥位信號采集、力矩信號采集、遠(yuǎn)程開關(guān)量信號采集、模擬量信號采集)和系統(tǒng)控制軟件。智能型控制系統(tǒng)通過模塊間協(xié)同工作、合理調(diào)配，實現(xiàn)了閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的智能化、通用性強、高可靠性和易維護的要求。

1、多微處理器模塊化設(shè)計原理

　　智能型電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的人機對話模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊各自具備一片微處理器，各處理器負(fù)責(zé)完成各模塊的調(diào)度、控制功能，以系統(tǒng)控制模塊為主機，其余模塊為從機，通過UART口或I2C串行總線，根據(jù)通信協(xié)議，完成各模塊間的數(shù)據(jù)通信與控制功能。系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2、人機對話模塊的設(shè)計

　　人機對話模塊具備狀態(tài)顯示、參數(shù)組態(tài)、瀏覽、紅外遙控等功能，硬件部分由顯示屏、就地操作按鍵、指示燈、紅外發(fā)射與接收設(shè)備等組成。采用C8051F340單片機實現(xiàn)人機對話功能。C8051F340的I/O口可以作為就地操作按鍵的輸入口，也可以作為狀態(tài)指示燈的輸出口，完成顯示屏的顯示功能。模塊通過UART口實現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，圖2為人機對話模塊的紅外發(fā)射電路。

圖2 紅外發(fā)射電路

3、信號采集模塊的設(shè)計

　　信號采集模塊主要實現(xiàn)閥位信號和轉(zhuǎn)矩信號的采集。智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的閥位傳感器主要分為兩種：增量式傳感器和絕對編碼器。增量式傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單，信號穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理比較容易，但在主電源斷電情況下，需要電池供電保持閥位計數(shù)，一旦電池電壓過低或無法供電，電動執(zhí)行機構(gòu)閥位容易丟失，給現(xiàn)場生產(chǎn)運行帶來不便。絕對編碼器由于每一個位置對應(yīng)不同的編碼，具有閥位記憶功能，所以無須電池供電，也不會出現(xiàn)閥位丟失現(xiàn)象，但絕對編碼器對硬件和軟件要求較高，特別是容易出現(xiàn)誤碼，需要進行軟件處理才能使用。圖3為增量式傳感器的信號采集電路。

圖3 閥位信號采集電路

　　在正常運行狀態(tài)下，當(dāng)BMQ_C引腳為低電平時，三極管Q102導(dǎo)通，V9XX為閥位傳感器供電，當(dāng)閥位發(fā)生變化時，閥位傳感器輸出兩路正交脈沖，脈沖信號如圖4所示。

圖4 閥位傳感器脈沖信號圖

　　信號采集模塊中通過微處理器的I/O口采集閥位傳感器的脈沖信號，通過數(shù)據(jù)分析，計算出當(dāng)前閥位狀態(tài)，然后通過串行總線，將閥位數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)控制模塊，系統(tǒng)控制模塊再將數(shù)據(jù)傳遞到人機對話模塊，通過人機界面顯示出當(dāng)前閥位狀態(tài)。

　　智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩可分為機械轉(zhuǎn)矩和電子轉(zhuǎn)矩，機械轉(zhuǎn)矩簡單可靠，依靠轉(zhuǎn)矩開關(guān)的動作來判斷轉(zhuǎn)矩是否達(dá)到設(shè)定值，對機械零部件加工、裝配的要求較高;電子轉(zhuǎn)矩采用電子元器件的彈性形變產(chǎn)生的電壓信號傳遞轉(zhuǎn)矩值，使用前需要進行轉(zhuǎn)矩標(biāo)定，對信號采集模塊的軟件要求較高。在符合標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩要求下，采用機械轉(zhuǎn)矩即可滿足智能型電動執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)矩控制要求。信號采集模塊可將轉(zhuǎn)矩動作信號傳遞至系統(tǒng)控制模塊，從而控制電機的開、關(guān)、停操作。

　　智能型電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程狀態(tài)時，通過開關(guān)量信號輸入硬件電路，接收開、關(guān)、停指令信號，控制電動執(zhí)行機構(gòu)完成相關(guān)動作。為避免外部信號干擾，信號采集模塊通過光耦N109、N110、N111將遠(yuǎn)方開關(guān)量輸入信號進行信號隔離，隔離后的開關(guān)量信號接入單片機的IO口。IO口配置為弱上拉、開漏方式。在軟件控制方式中采用“去抖”處理方式，能準(zhǔn)確、及時采集開關(guān)量輸入信號，有效避免誤操作，提高電動執(zhí)行機構(gòu)運行的可靠性。為防止由于外部接線錯誤而導(dǎo)致硬件電路損壞，采用二極管VD111，有效避免接線錯誤帶來的影響。

4、系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計

　　系統(tǒng)控制模塊主要實現(xiàn)電機驅(qū)動功能和故障自診斷報警功能，并通過串行總線，讀取信號采集模塊的數(shù)據(jù)信息，處理后再發(fā)送至人機對話模塊。

　　功率驅(qū)動信號控制電路實現(xiàn)硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號同時有效導(dǎo)致控制回路紊亂。利用C8051F340單片機三路IO口作為功率驅(qū)動電路觸發(fā)信號，一路IO口作為觸發(fā)信號輸出端電源控制信號，另兩路作為觸發(fā)控制信號，進一步提高觸發(fā)信號可靠性。IO口配置為推挽方式，低電平有效。采用光耦TLP521-4對觸發(fā)信號進行信號隔離，避免觸發(fā)信號干擾，保證電動執(zhí)行機構(gòu)可靠、穩(wěn)定運行。

　　系統(tǒng)控制模塊還具備故障自診斷與報警功能，在判斷出故障現(xiàn)象時，根據(jù)故障優(yōu)先級及安全保證，可采取不同控制方法，選擇保位或運行至指定位置，同時，輸出故障狀態(tài)信號，并在人機對話界面顯示故障代碼。