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編輯：歐拉姆閥門科技有限公司
日期：2019-12-17 訪問：3728
單片機技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機構(gòu)中的逐步應(yīng)用和發(fā)展
近二十年來，隨著電氣控制和微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的電氣控制技術(shù)進入了快速發(fā)展階段，由原來以機械部件和簡單電氣元件為主的普通型電動執(zhí)行機構(gòu)，向應(yīng)用了單片機技術(shù)的非侵入式電氣控制系統(tǒng)為主導(dǎo)地位的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)發(fā)展，并逐步發(fā)展形成智慧型電動執(zhí)行機構(gòu)。在這個轉(zhuǎn)變過程中，單片機技術(shù)的應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。文章著重介紹了二十年來閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的研發(fā)過程中，單片機技術(shù)的逐步應(yīng)用、迅速發(fā)展和未來方向。
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)在工業(yè)控制過程中一般用來驅(qū)動閥門，是將電能轉(zhuǎn)化為機械位移的機電一體化設(shè)備，它以電能為動力接收來自控制系統(tǒng)的控制信號（開關(guān)量、模擬量和總線信號），驅(qū)動閥門打開、關(guān)閉或者運行到某一位置，可以用于工業(yè)現(xiàn)場的各種閥門（調(diào)節(jié)閥、閘閥、球閥、截止閥等）的開、關(guān)和定位控制，廣泛應(yīng)用于火電、化工、鋼鐵和環(huán)保等行業(yè)。
單片機（Micro Control Unit，MCU），是一種將中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、輸入輸出口I/O等硬件集成在一塊芯片上的可編程器件。通過相應(yīng)的軟件編程后，能完成原來用非常復(fù)雜的模擬、數(shù)字電路才能實現(xiàn)的功能。
上世紀90年代之前，閥門電動執(zhí)行機構(gòu)以機械部件為主，后來隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，尤其是單片機技術(shù)在執(zhí)行機構(gòu)中的應(yīng)用越來越多，執(zhí)行機構(gòu)逐步發(fā)展成具備非侵入式設(shè)計的智能型，并最終向具備更強功能的智慧型發(fā)展。單片機技術(shù)的應(yīng)用，在執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品的升級換代中，起著不可或缺的作用。
單片機技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機構(gòu)中的應(yīng)用，可以把它分為以下3個階段：
早期應(yīng)用階段：20世紀90年代，隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展、普及和應(yīng)用，微處理器技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)自動化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中。在設(shè)計自動化儀表時，研發(fā)人員打破原有的設(shè)計思維，由傳統(tǒng)模擬電子線路設(shè)計轉(zhuǎn)向以單片機為核心的控制器的設(shè)計，從而簡化了電路、提高了儀表可靠性和穩(wěn)定性、降低了成本、加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，解決了許多傳統(tǒng)儀表存在的問題。其中，調(diào)節(jié)型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)就是這個階段的典型代表。
高速發(fā)展階段：從90年代后期到2010年，隨著SOC（System On Chip）平臺的出現(xiàn)，MCU技術(shù)迅速發(fā)展，運行速度更快、集成度更高的增強型8位單片機層出不窮，為執(zhí)行機構(gòu)的技術(shù)革命奠定了堅實的基礎(chǔ)，使執(zhí)行機構(gòu)在電氣控制系統(tǒng)方面有重大突破。在國外領(lǐng)先企業(yè)的引領(lǐng)下，出現(xiàn)了一些具有液晶顯示、紅外遙控、絕對編碼和現(xiàn)場總線等多種最新控制技術(shù)的非侵入式智能型產(chǎn)品。
全面創(chuàng)新階段：2010年以后，隨著智能傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和CPU技術(shù)的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了面向單片機市場的32位ARM處理器，如CM3。此時，閥門電動執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)進入向智慧型發(fā)展的全面創(chuàng)新階段，智能感知、智慧決策、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)已經(jīng)成為主要發(fā)展方向。智慧型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)逐步成為執(zhí)行機構(gòu)行業(yè)的未來發(fā)展方向。
1 閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)總體上來說，由3個部分構(gòu)成，分別為：
電動機：如圖1中部分11所示。將電能轉(zhuǎn)化為機械位移，為執(zhí)行機構(gòu)提供動力。
機械傳動部分：如圖1中部分1、2、3、5、6、7、8、9、10所示。通過減速傳動，將電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)速低扭矩，轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機構(gòu)輸出的低轉(zhuǎn)速高扭矩，并通過機械接口和閥門連接來驅(qū)動閥門開關(guān)運行。 電氣控制系統(tǒng)：如圖1中部分4所示�？刂葡到y(tǒng)是執(zhí)行機構(gòu)的核心部分，通過接收現(xiàn)場和遠程的運行指令，根據(jù)采集的執(zhí)行機構(gòu)的自身狀態(tài)，通過邏輯運算后，驅(qū)動電機并將執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信號輸出。
2 單片機技術(shù)在執(zhí)行機構(gòu)中的早期應(yīng)用階段
早期的閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制原理比較簡單，主要通過機械式的行程控制器和力矩控制器來實現(xiàn)閥門的開關(guān)限位控制和過扭矩保護，通過控制箱來實現(xiàn)開、關(guān)運行控制。根據(jù)控制方式不同可以將其分為開關(guān)型和調(diào)節(jié)型兩種。開關(guān)型主要接收控制系統(tǒng)的開關(guān)量信號，一般情況下運行在全開和全關(guān)位置；調(diào)節(jié)型主要接收控制系統(tǒng)的模擬量信號，可以根據(jù)模擬量連續(xù)定位，驅(qū)動閥門到任意位置。
調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)本質(zhì)上來說屬于DDZ-III型儀表，采用4～20mA的模擬量來控制閥門開度，根據(jù)模擬量信號連續(xù)定位。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是采用伺服放大器，將控制系統(tǒng)給出的模擬量信號和執(zhí)行機構(gòu)本身的閥位信號進行運算比較，當(dāng)兩者差值大于死區(qū)時，控制電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)向減小差值的方向運行。然而伺服放大器多為模擬電路，存在調(diào)試困難、零漂、溫漂和抗干擾能力差等固有缺陷，此外，元器件多，體積大，成本高，故障點多，需要有更好的方案來解決。
當(dāng)時單片機技術(shù)還沒有廣泛的應(yīng)用，選型的范圍也很窄，主要有Intel的8031、8051系列；摩托羅拉的6800系列；microchip的PIC系列；Atmel的AT89C52、AT89C2051等。其中由于AT89C2051，具有內(nèi)置EEPROM，易編程調(diào)試，資料較多，成本低，I/O端口的數(shù)量能滿足初期的調(diào)節(jié)型控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，所以選用它和一些外圍器件構(gòu)成了調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要由：AT 89C2051、線性電源、AD轉(zhuǎn)換芯片TLC0834、復(fù)位芯片IMP813L和雙路閥位變送器BS-2等組成，硬件系統(tǒng)框圖，如圖2所示。
軟件當(dāng)時只能通過匯編語言編寫，編程和修改難度都比較大。由ASM51編譯生成HEX文件后，通過專用編程器燒寫。圖3為采用AT89C2051的軟件流程圖和匯編語言程序片段。
雖然單片機技術(shù)的早期應(yīng)用，現(xiàn)在看起來過于原始和簡單，但是當(dāng)時執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計者改變了原來的設(shè)計思維和框架，由傳統(tǒng)的模擬電子線路設(shè)計向以單片機為核心、加獨立外設(shè)芯片的控制器的設(shè)計轉(zhuǎn)變。因為其是早期產(chǎn)品，存在程序存儲器容量小、沒有片內(nèi)非易失性數(shù)據(jù)存儲器、指令和時序復(fù)雜、沒有集成外設(shè)、I/O端口較少，抗干擾能力較差等問題，這些都增加了設(shè)計人員的困難。
3 應(yīng)用的高速發(fā)展階段
到九十年代中期，8051系列單片機主要由Silicon Labs、Atmel、Philips等公司生產(chǎn)，在保持與8051單片機兼容的基礎(chǔ)上對其性能和功能進行了大幅提升。如：改進指令的時序特性提高運行速度、增加集成外設(shè)提高系統(tǒng)集成度、放寬電源電壓的動態(tài)范圍、增強抗干擾能力等方面。后來，Analog Devices、Silicon Labs和Atmel分別推出了ADUC812、C8051F和AVR系列混合信號單片機，提出了SOC（System On Chip）平臺的概念，擁有這類平臺的單片機也被稱為增強型8位MCU。此類MCU都具有高速流水線（RISC）指令結(jié)構(gòu)，具有與8051兼容的內(nèi)核，并且具有大量的I/O接口、多路獨立的內(nèi)置A/D和D/A通道、非易失性數(shù)據(jù)存儲器EEPROM、內(nèi)部R/C振蕩器等。將一個硬件系統(tǒng)功能集成于一個芯片上，給研發(fā)人員提供了極大的便利，也使得系統(tǒng)集成度更高。
與此同時，這個階段的閥門電動執(zhí)行機構(gòu)，在一些國外品牌的引領(lǐng)下，引入了很多最新的控制技術(shù)。如：非侵入式設(shè)計、免開箱調(diào)試、用絕對編碼式行程控制器取代機械式行程控制器、推拉式扭矩傳感器、無線遙控和現(xiàn)場總線等。執(zhí)行機構(gòu)進入了智能型非侵入式的應(yīng)用階段。但是，這些控制技術(shù)在一定程度上對MCU的I/O數(shù)量，集成外設(shè)的種類、運行速度都提出了更高的要求，原來傳統(tǒng)的單片機無法滿足要求，而具有SOC概念的MCU顯然非常符合新的設(shè)計要求。
經(jīng)過對比本文選用Silicon Labs公司的C8051F系列中的C8051F020和Atmel公司AVR系列中的ATmega64這兩款MCU，分別應(yīng)用于本文提出的SND和SND3系列智能型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)。兩款MCU都具有超過50個的I/O端口和多種模擬數(shù)字外設(shè)；均采用RSIC結(jié)構(gòu)的精簡指令集和流水線技術(shù)使程序運行速度大大加快；都具有64K以上的FLASH和若干非易失性存儲器，能滿足程序存儲和數(shù)據(jù)存儲的要求。其中ATmega64還有低功耗和寬電壓的特性，可以提升系統(tǒng)的EMC性能。圖4為增強型8位MCU硬件系統(tǒng)框圖，由圖可見，一塊芯片就可以完成執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計，無需增加外設(shè)，簡化了硬件系統(tǒng)的設(shè)計，提高了可靠性。
軟件部分，都是通過C語言編寫。C8051F020通過Keil uVision2軟件編寫、編譯后，用Silicon專用編程器燒寫入單片機；ATmega64通過ICCAVR編寫、編譯后，用AVR Studio 4.0 通過專用編程器燒寫入單片機。圖5為ATmega64的軟件流程圖和部分C語言程序。
在閥門電動執(zhí)行機構(gòu)進入這一階段后，控制系統(tǒng)對現(xiàn)場總線的應(yīng)用要求也越來越多，以Profibus-DP、Modbus-RTU、CANBUS等總線類型為主。在搭建SOC平臺的基礎(chǔ)上，這些現(xiàn)場總線只要通過UART端口、協(xié)議芯片和總線接口芯片就能方便的設(shè)計各種總線接口。例如Profibus-DP總線，只要通過DP總線協(xié)議芯片SPC3和RS485驅(qū)動芯片ADM2486，就可以實現(xiàn)總線從站硬件系統(tǒng)的構(gòu)建。然后，根據(jù)相關(guān)資料編寫軟件程序就可以與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接。
然而在閥門電動執(zhí)行機構(gòu)高速發(fā)展階段到了后期，SOC平臺在低功耗（電池應(yīng)用）、存儲空間、實時時鐘、網(wǎng)絡(luò)和通信（以太網(wǎng)接口）等功能方面，逐步顯現(xiàn)不足，需要開發(fā)新的更高性能的處理器來解決存在的問題。
4 應(yīng)用的全面創(chuàng)新階段
2010年以后，許多高端用戶對智能型執(zhí)行機構(gòu)提出了新的要求，如：
在沒有交流電源外部供電的情況下，要求執(zhí)行機構(gòu)能夠在液晶屏上顯示閥位。
要求執(zhí)行機構(gòu)具有數(shù)據(jù)記錄功能，便于系統(tǒng)快速進行數(shù)據(jù)分析和故障判斷。
要求執(zhí)行機構(gòu)作為現(xiàn)場設(shè)備能采集閥門和管道的一些診斷數(shù)據(jù)和過程參數(shù)。
執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部要檢測溫度、電壓和振動等環(huán)境參數(shù)。
與此同時，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越多，執(zhí)行機構(gòu)可以通過這些技術(shù)實現(xiàn)遠程控制和遠程數(shù)據(jù)采集分析等功能。
然而，執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計行業(yè)也提出有關(guān)智慧型電動執(zhí)行機構(gòu)概念，內(nèi)容包括：
深度感知：感知管道及閥門的工作狀態(tài)（振動、轉(zhuǎn)矩）。
智慧決策：能現(xiàn)場編程、通過記錄數(shù)據(jù)和故障診斷來決定執(zhí)行機構(gòu)的行為。
精確執(zhí)行：高速運行、高精度定位、高精度的轉(zhuǎn)矩檢測技術(shù)。
簡易精致：執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)更加趨于緊湊、小型化、性能更強、操控更加人性化。
鑒于行業(yè)和技術(shù)發(fā)展的背景，原來的控制系統(tǒng)在運行速度、存儲空間、功耗，和外設(shè)的種類等方面，已經(jīng)很難滿足新的要求。因此，應(yīng)用ARM平臺控制系統(tǒng)的智慧型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)逐步發(fā)展形成。
智慧型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)，采用基于ARM的32位處理器：CortexTM-M3 CPU（STM32F205/207）。其32位的指令系統(tǒng)具備32位的數(shù)據(jù)處理能力，相比于任何8位MCU來說，大大提高了控制系統(tǒng)的性能，包括提升運行速度、增強處理能力、增加存儲容量、加大可擴展性、大幅降低功耗等。
STM32F205/207微處理器具有高性能的ARM 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高達120MHz；內(nèi)部含有高速存儲器（最高可達1MByte的閃存、128KByte的SRAM和4K備用SRAM）；豐富的增強I/O端口，其具有聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)、3條AHB總線和一個32位的multi-AHB總線矩陣、3個12位的ADC和2個DAC（用于執(zhí)行機構(gòu)的閥位設(shè)定和反饋）、1個低功耗的RTC（用于運行數(shù)據(jù)記錄）、12個通用的16位計時器（其中有2個用于電機控制的PWM定時器）、2個通用的32位計時器、1個真正的隨機數(shù)生成器RNG（用于生成序列號）；新增加的高級外設(shè)包括1個SDIO和1個FSMC接口（用于擴展執(zhí)行機構(gòu)的存儲空間）、1個USB OTG接口（使執(zhí)行機構(gòu)的歷史記錄數(shù)據(jù)可以直接下載）、4個USART接口和2個UART接口（用于擴展各種現(xiàn)場總線）；其他標準外設(shè)還包括：3個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口和2個CAN接口等等，資源非常豐富。此外，芯片還具有專門的電池引腳用于RTC供電，在STM32F207上還具有以太網(wǎng)和相機接口，與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，可以擴展物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)等功能。芯片的工作溫度范圍為-40°C至+105°C，能滿足絕大部分工業(yè)現(xiàn)場的要求；工作電壓范圍為2.0V至3.6V，最低功耗只有不到3uA，能大幅延長內(nèi)置鋰電池的使用時間。
基于ARM的32位處理器在內(nèi)核、指令系統(tǒng)、存儲器容量和可擴展性、外設(shè)的種類和數(shù)量、功耗、工作溫度范圍上都非常適合智慧型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的使用。圖6為基于ARM的硬件系統(tǒng)框圖。
由圖6可見，在保留增強型8位MCU優(yōu)點的基礎(chǔ)上，ARM處理器還為執(zhí)行機構(gòu)增加了很多新技術(shù)和新功能，如：低功耗電池應(yīng)用技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感器集成技術(shù)、云技術(shù)和數(shù)據(jù)記錄存儲功能等。
在全新的應(yīng)用階段，一些處于行業(yè)領(lǐng)先地位的進口品牌，如德國和英國的一些執(zhí)行機構(gòu)制造商在其新系列的電動執(zhí)行機構(gòu)中使用了一片或者多片STM32F系列的處理器，從而增加了許多新的功能，進一步提升了執(zhí)行機構(gòu)的性能，開創(chuàng)了智慧型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的概念。國內(nèi)執(zhí)行機構(gòu)制造商也陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品，閥門電動執(zhí)行機構(gòu)將在32位ARM技術(shù)的帶領(lǐng)下，進入一個全新的階段。
5 結(jié)束語
本文介紹了單片機技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機構(gòu)中從無到有的逐步應(yīng)用過程，從早期的初步應(yīng)用階段，到后來的高速發(fā)展階段，及到現(xiàn)在的全面創(chuàng)新階段。在整個過程中，執(zhí)行機構(gòu)也經(jīng)歷了從普通調(diào)節(jié)型、發(fā)展到智能型、最后到智慧型的升級換代過程；單片機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對推動閥門電動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和執(zhí)行機構(gòu)行業(yè)技術(shù)水平的提高起著至關(guān)重要的作用。閥門電動執(zhí)行機構(gòu)是工業(yè)自動化系統(tǒng)的最末端，是工業(yè)過程控制中不可或缺的部分，其技術(shù)的進步，有助于提高我國工業(yè)自動化的整體水平。
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