电动阀门智能控制器综述.doc

综述报告
随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息管理范围正在逐渐的从传统的经营、管理信息扩展到工厂的主控信息及现场控制信息。对于企业而言，将整个工厂的生产流程和自动化控制系统纳入到统一的信息管理平台上已经不再是遥远的梦。借助强大的工业通信网络，企业的信息管理平台不仅可以对市场信息和管理信息进行处理，还可以囊括从原料采购、生产加工到成品存储的全部生产流程。这意味着在工厂中形成了强大的集成工业通信网络，为企业管控一体化功能的实现提供了坚实的基础。工业通信网络与信息技术的无缝链接彻底改变了传统的信息管理方式，它将企业的生产管理带入到一个全新的境界。
纵观自动化控制系统的发展，我们可以发现自动化控制系统的发展和工业通信技术的不断成熟是相辅相成的。自动化控制系统的发展给工业通信提出了新的要求;反过来，工业通信技术的进步也极大的提升了自动化控制系统的性能，为用户带来了巨大的收益。
简单的说，自动化控制系统的发展过程大致可以分为三个阶段:
1、集中式控制系统
20世纪50年代前后，现场仪表和自动化设备提供的都是模拟信号，这些模拟信号统一送往集中控制的控制盘上，操作员可以在控制室中集中观测生产流程各处的情况。但是，模拟信号的传递是一对一的物理联接，信号变化缓慢，计算机速度和精度都难以保证，信号传输的抗干扰能力差，传输距离也比较短。
为了解决模拟信号的这些缺点，一部分模拟信号被数字信号所取代，这些数字信号和模拟信号都接入到主控室的中心计算机上，由中心计算机统一进行监视和处理。不过，由于当时计算机技术的限制，中心计算机并不可靠。一旦中心计算机出现故障，就会导致整个系统的瘫痪。
2、集散式控制系统
随着计算机技术的发展、计算机的可靠性不断提高、价格大幅度地下降，出现了可编程序控制器(PLC)及多个递阶结构的集中式与分散式相结合的集散式控制系统(Distributed Control System, DCS)。集散式控制系统弥补了传统的集中式控制系统的缺陷，实现了集中控制、分散处理。这种系统在功能、性能上较集中式控制系统有了很大进步，实现了控制室与DCS控制站或PLC之间的网络通信，减少了控制室与现场之间的电缆数目。但是现场的传感器、执行器与DCS控制站之间仍然是一个信号对应一根电缆的传输方式，电缆数量较多，信号传送过程中的干扰问题仍然很突出。而且，在DCS形成的过程中，各个厂家的产品自成体系，难以实现不同系统之间的相互操作。
3、现场总线控制系统
随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能程度越来越高，成本在不断地下降。因此，在智能设备之间使用基于开放标准的现场总线技术构建自动化系统的技术也逐渐成熟。应用标准的现场总线控制系统、通过一根总线电缆传递所有的数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大降低了布线的成本，提高了控制系统的可靠性。
1.1.1 全集成自动化
作为全球领先的自动化系统提供商，西门子公司在1996年提出了全集成自动化的概念，在工厂信息化的浪潮中再次成为市场的领先者。
1.企业对自动化系统的需求
随着市场竞争的逐渐激烈，企业在市场上面临的压力越来越大。出于对市场需求的考虑，企业要能够做到及时、相应，同时还要控制成本、保证质量。因此，您需要的是一个完整的、从现场级到工厂管理级的完整的自动化控制解决方案，帮助工厂降低单位能耗，提高产品质量，实现更好的供应链管理，从而提高自身在市场上的竞争力。而传统的自动化系统大多是以单元生产设备为核心进行检测与控制，生产设备之间易形成“自动化孤岛效应”。这种“孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，已经无法满足现代工业生产的要求。为了提高企业的市场竞争力，实现其最佳经济效益的目标，必须将自动化控制、制造业执行系统(Manufacture Execute System, MES)和企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)系统三者完美地整合在一起。
1.1.2 SIMATIC NET工业通信网络
西门子工业通信网络的结构可以分为三级:企业级、车间级和现场级。
(1)企业级通信网络
企业级通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据，通过信息化的方式优化企业资源，提高企业管理水平。主要解决方案是Internet和Intranet等。
(2)车间级通信网络
车间级通信网络介于企业级和现场级之间。它的主要任务是解决车间内各个需要协调工作的不同工艺段之间的通信，要求网络通信能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。主要解决方案是工业以太网。
(3)现场级通信网络
现场级通信网络处于工业网络的最底层，直接连接现场的各种设备，包括I/0设备、传感器、变送器、变频器与驱动器等装置，因此对网络的实时性和确定性有很高的要求。该层的主要解决方案是PROFIBUS，同时，SIMATIC NET也支持诸如AS-Interface, EIB等现场总线技术。
1 .2现场总线的简介
1. 2. 1现场总线的概念
现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。或者说现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接实现相互交换信息、共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
1.2.2现场总线技术的现状
现场总线技术得以实现的一个关键问题是要在自动化行业中形成一个统一的现场总线通信协议技术标准。这就提出了现场总线标准的问题。目前国际上现有各种总线及总线标准不下一百种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种:
1. PROFIBUS现场总线
1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2o PROFIBUS产品在世界市场上己被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率2596。目前支持PROFIBUS总线标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台。1985年组建了PROFIBUS国际支持中心；1989年 12月建立了PROFIBUS用户组织(PNO)。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线(PROFIBUS)专业委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的实验室。PROFIBUS主要应用领域有:
.制造业自动化:汽车制造(机器人、装配线、冲压线等)、造纸、纺织。
.过程控制自动化:石化、制药、水泥、食品、啤酒。
.电力:发电、输配电。
.楼宇:空调、风机、照明。
.铁路交通:信号系统
2. CAN (Controller Area Network)
CAN是控制器局域网的简称，由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议是建立在工SO/OSI模型基础之上，模型结构有两层:OR底层的物理层和数据链路层。传输介质为双绞线。通信速率可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达lOkm/5kbps，可挂接设备数达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧最多只有8个字节，传输时间短，受干扰的概率低。同时在通信节点发生严重错误时，具有自动关闭功能，因而具有较强的抗干扰能力。CAN总线的控制芯片与收发芯片的销售量是各种现场总线相同功能芯片中销售量最大的，其应用非常广泛。
3. LonWorks
LonWorks，由美国Echelon公司和摩托罗拉、东芝公司创建。采用了工SO/OSI模型的七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，通信速率从300bps到1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m(78Kbps,双绞线):支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。它采用LonTalk协议，该协议封装在Neuron神经元芯片中。Lonworks虽不是国家标准，但它是近年来发展最快的现场总线之一。
4. CANBUS现场总线
CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO 11898(通讯速率小于1 Mbps)和ISO 11519(通讯速率小于I 25Kbps) a CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/0。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。
5. WorIdFIP现场总线
WorldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25Kbit/s，制造业为1 M bit/s,驱动控制为1-2.5Mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上(包括各支线)的各控制站的通信。可进行I对1, 1对多点(组)、I对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。WorldFIP现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。
6. DeviceNet
DeviceNet设备网协议的制订和更新由ODVA(Open DeviceNet Vendor Associa-tion的缩写)开放式设备网制造商协会完成。DeviceNet是将工业设备构成通信网的一种低成本连接，通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需将它们与I/0模块连接。由世界范围内150多个制造商支持的ODVA支持此种基于CAN技术的现场总线。这种64个节点、多支线的网络，允许用户用一根电缆去连接500m以内的设备以及用户的可编程控制器。DeviceNet在推出的短短几年时间内，就被选为工业的八种标准现场总线之一。
1.2.3 现场总线的特点
(1)系统的开放性
开放是指对相关标准的一致性、公开性。通信协议标准一致公开，各不同设 备生产厂商的设备之间可实现信息交换。在系统集成者的角度上，可按自己的需要和考虑，把来自不同设备供应商的产品组成适合自身需要的控制系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。
(2)互可操作性与互用性
互可操作性，是指实现互连设备之间、系统间的信息传送与沟通;而互用性就是说不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
(3)智能化与功能自治性
一些传统的需要集中处理的功能诸如传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断现场设备的运行状态。
(4)系统结构的高度分散性
现场总线系统己经构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，它从根本上改变了现有集散控制系统(DCS)集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统可靠性。
(5)对现场环境的适应性
作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，目前己经具备的传输方式有双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种选择，而且具有较强的抗干扰能力。多种工业现场总线在支持总线供电与通信同时，还可满足安全防爆要求等。
1.2.4 现场总线对自动控制系统和自动化系统的影响
(1)传统的信号制将由4-20mA模拟信号方式转换为双向数字通信的现场总线信号方式。
(2)自动控制系统的体系结构将由模拟与数字的分散型控制系统(DCS)转换为全数字现场总线控制系统(FCS)，进而自动控制系统的设计方法和安装调试方式也将发生重大的变化。
(3)现行的现场设备和仪表的产品结构将发生重大变革。
(4)现场总线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，使其形成为企业信息网络的底层，为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了可行的基础。
1.2.5 使用现场总线技术给用户带来的好处
(1)节省系统硬件成本。
(2)设计组态安装调试简便。
(3)系统的总体安全可靠性好，减少全线故障停机时间。
(4)系统维护设备更换和系统扩充方便。
(5)用户对系统配置设备选型有最大的自主权。
(6)完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。
1.3 电动阀门智能控制器的现状
执行机构，又称执行器，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备(器件)，是自动化仪表的三大组成部分(检测设备、调节设备和执行设备)中的执行设备。主要功能是对一些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。
按动力类型可分为气动、液动、电动、电液动等几类;按运动形式可分为直行程、角行程、回转型(多转式)等几类。
我国的自动化仪表与国外的差距较大。国内仪表行业的主要执行机构产品是
DDZ一工I，DDZ一工II和DDZ一型，产品大量采用分立元件，只能接受输入模拟信号，伺服电机的制动器使用寿命短，可靠性低，使用维修困难。虽然国内各主要生产厂家投入人力对电动执行机构进行了一些改进和开发，但总是不尽理想
八十年代以来，行业中的几个骨干企业相继引进国外技术，如法国Banard，德国S工EMENS、日本工装、英国ROTORK以及ABB公司RS/RHA等电动执行机构。通过引进技术、消化吸收，这些产品已成为国内系统配套的主要产品。但是，这些产品都属于模拟仪表，不具有智能功能，只是在组合化多功能化和集成化方面有所进步。
近年来，我国电动阀门研制行业坚持技术进步，加快新产品开发，涌现出一批各具特色的高新技术产品。如北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀(拥有专利)、宁波华液公司的电液比例压力流量阀(已申请专利)，均为机电一体化的高新技术产品，并己投入批量生产，取得了较好的经济效益。目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是:主要技术指标正在向国际90年代初水平看齐，工作死区小于0.8级，回差和基本误差都小于1级。使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能。
但是，目前国产的执行机构，只能满足一般的冶金、化工、电站等成套工程40%左右的配套，不具备为500万吨炼油、1200立方米高炉、30MW发电机组等大型成套工程的配套能力。更不能满足当今现场总线及开放式控制系统的要求然而，已取得的成果和经验为我们进一步开发基于现场总线的智能执行器提供了一定的基础。
1.4本课题来源和主要研究内容、意义
1.4.1本课题的来源
本课题是一智能型多总线电动阀执行机构，是开发电动阀智能控制器以取代原来的PLC，增加多总线接口，可以降低成本、增强企业产品的竞争力。
1.4.2本课题的意义
PROFIBUS-DP是西门子公司推出的一种现场总线，在中国市场占有较大的市场份额。能够可靠实现通信双方数据的传输、对控制器的可靠控制，在己有研究成果和开发经验的基础之上，对PROFIBUS-DP技术做出更深一步的剖析和研究，同时把PROFIBUS-DP技术应用于阀门控制领域，设计开发出实用的PROFIBUS-DP阀门控制器，为今后在阀门控制领域应用现场总线技术提供有益的尝试。
1.4.3本课题的主要内容
本论文的主要工作包括以下几个方面:
1.微处理器的选取及整个控制系统的整体设计；
2.系统中各功能模块的设计。主要包括:硬件总体设计模块，键盘指示灯显示模块，电机驱动电路，通信电路，软件总体设计模块等；
3.整个系统的软件设计(包括PROFIBUS-DP的下位机部分)；
4.上位机的组态、监控、编程；
5.系统的调试。