一种基于总线的智能型执行器系统设计

在自动控制系统中,执行器同控制器或控制系统相连,共同实现对工业过程的控制。现场总线是过程控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三大技术领域相结合的产物。WorldFIP现场总线既是实时的,可预测的,又是面向未来的、能够和Internet连接的现场总线。本文对开发基于WorldFIP现场总线技术的智能电动执行器的软硬件进行了探讨,包括:MCU控制板卡,通信板卡和驱动板卡,以及相关软件程序的设计与开发。

1、引言

现场总线是从20世纪80年代中期发展起来的。随着工业自动化与微处理器计算机网络的不断发展,要求有一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统以形成工厂底层网络,完成现场自动化设备之间的多点数字通信,实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。上世纪八、九十年代以来,逐步出现多种智能执行器,本文主要完成一种基于WorldFIP现场总线技术的智能电动执行器设计。

2、电动执行器硬件整体架构及框图

一种基于总线的智能型执行器系统设计

图1WorldFIP现场总线智能执行器控制器硬件框图

整体硬件框图如图1。两条现场总线1,2互为热备份,连到通信板卡,通信板卡将总线活动转换为MCU能够理解的信息,完成总线变量、消息、事件的传递,它是WorldFIP现场总线通信协议的具体实现,它的设计也是本设计中的重点和难点。MCU是本仪表的处理核心,所有的程序、数据、算法、功能块和通信库都存储其中,用户程序使用它内置的通信库来完成与总线的数据交换,并按照总线指令驱动执行器输出,把执行器角位置经过A/D转换后送入总线,对执行器角位置的命令值和当前反馈值通过LCD进行实时显示。电源转换、电机的驱动与隔离以及角位置反馈都集成在驱动板卡上。

3、硬件电路详细设计

3.1MCU板卡与LCD设计

MCU作为整个控制器的处理核心,任务包括:通过通信板卡与WorldFIP现场总线进行通信,程序运行、数据存储与运算,信号处理,LCD显示和执行器驱动信号输出等。

基于以上,我们选用了Motorola的68HC12系列的16位单片机68HC912BC32作为本设计的MCU,它与68HC11向上兼容;内部具有32K的FLASH、768字节的EEPROM和1K的RAM,能够满足程序的存储、堆栈使用、数据存储和未来的扩容需求而无须另外扩充存储器;总线速度快,8M,4M,2M主频可选,一个时钟周期就可以完成对齐/非对齐字的读写,系统总线上干扰较少;I/O口数量充足;内置有8路10位A/D转换器;内置4路8位或2路16位PWM通道;内置SCI,SPI和看门狗;具有模糊逻辑指令;还有WAIT,STOP两种省电模式可选。LCD显示器选用了南京国显公司的HD44780点阵字符型液晶显示模块。该模块技术成熟,与MCU接口简单,减少了开发周期。68HC12与LCD的接口如图2所示。

一种基于总线的智能型执行器系统设计

图268HC12与LCD的接口图

3.2电源转换、驱动及反馈板卡的开发

本设计的电源输入DC24V,硬件采用LM2572-5.0来完成DC24V到DC5V的转换,LM2572-12来完成DC24V到DC12V的转换。LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的集成稳压电路,它内部集成了一个固定的振荡器,只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路,可大大减小散热片的体积,而在大多数情况下并不需要散热片;内部有完善的保护电路,包括电流限制及热关断电路等;芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。典型特性:振荡频率54kHz;最大稳压误差4%;转换效率75%~88%(不同电压输出的效率不同);工作温度范围-40℃~+125℃。

位置反馈模块。该模块作用是将电动机经减速器输出的角位置反馈到68HC12中,可以考虑光电编码器和霍尔传感元件,但考虑到价格因素,本设计中仍然沿用了传统的电位器反馈,阻值500欧姆,精度1%。接线比较简单。

本设计所使用的电机是天津生产制造的3100型角行程电动执行器,额定转矩250Nm,4~20mA电流驱动,采用电位器反馈。在电机驱动中采用了北京科通电子继电器总厂生产的国冠牌JGX-3F型交流固态继电器。图3所示为驱动电动机正转的应用电路图,68HC12将控制信号置为高电平,使三级管导通,固态继电器输入端加入正向压降,输出导通,电机正转。电动机反转的应用电路图与之类似。

一种基于总线的智能型执行器系统设计

图3固态继电器用于电机正转

3.3通信板卡的开发

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