专利名称：基于profibus-dp现场总线的智能电动执行机构的制作方法
基于PROFIBUS-DP现场总线的智能电动执行机构fe^领域l本发明属于Iik仪表控制技术领域，实现一种基于PROFEBUS-DP现场总线的 电动执行机构。背景M电动执行机构系列是一类终端控制仪表，用于)^t压力、流量、，进fi^节，广腿用于大型tto:、石油、冶金、电力等行业，是:oibi程控制中的錢设备。它接 自调节器的模拟信号(一般是4 20mA电流信号)^Jl位机的数字信号,并将，换为电动执行机构相应 的角位移皿线位移输出,去驱动阀门、挡板等动作，以实 Pt各种过程参数的自动控制。与国际先 S7jc平相比，我国在智能电动执行机构产品研制方面起步较晚，SA较少，国内智育g化、微机化的成型产品目前较少。但随着国内工业自动化水平的日益提高，对电动执行机构技术性能的要求 亦鹏越高，迫切需要if^代的智能化电动执行机构来替代目前f顿的产品，以提高自动化禾號 和妒效率。
发明内容本发明的目的在于实现电动执行机构的总线通讯功能，提供一种基于PROFIBUS-DP现场总线的智能电动执行机构。本发明首先研究应用^A^技术，《顿高速高性能^A^微控制器实现信号的高精度和决速 处理，禾,PROFIBUS-DP通信专用芯片，实现具有PROFIBUS-DP总线功能的电动执行机构的 低^设计方案，将各种ic^按照不同要求^lr到上位机，上位WM3！ PROFIBUS-DP总线实5见 对电动执行机构运行状况的监控和分析功能，此型电动执行机构实现了智能^1讯、智能化诊断對寺点，使电动执行机构更好的,现代:m的，要求。本发明,的一种基于PROFmus-DP a^总线的智能电动执行机构包括；位置检测电路用于检测阀门所处开度{體，并将检测信号进行隔离、放狄'搶波后送入中 央处理电路；中央处理电路用于对位置检测电路駄的采^M进纟话算处理，并将处理结果的控帝瞻 号经光电隔离单元输超盹机驱动电路，实舰电机驱动电路的控制；电机驱动电路用于接受中央处理电路输送的控制信号，进而控制电机的运转，实现阀门的 开启默闭；PROFIBUS-DP总线接口电路与中央处理电路双向连接，并通过PROFIBUS-DP总线接口 和通讯电缆与上位机相连，向上位lfLt传电机驱动电路状劍言息，便于上位丰几实MS。±^斤说的錢检测电離括i)位置传離:細的是高性能的导电塑料精密旋转电位器，用于检测阀门所处开度tia。阀门开度与反馈电位器的输出电压值有——对应线性关系。2) 信号调理电路对由健传^Wr入的腿信号进行隔离、放狄搶波WBitA中央处理电路中的A/D转换模块输A^。3) A/D转换电路艮P中央处理顿各中的A/D转换丰對央，由Micrachip公司的高性倉缴字信 号控制器dsPIC6014A的12位精度的片上A/D转换l势央构成。J^^;n兑的中央处理秘各选用Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC6014A作为控制 核心，对采集的,进瓶算处理，实现电鹏制等工作。上述所说的电机驱动电路由过零型固态继电器和固态继电器驱动电路组成，通过控制器 dsPIC6014A发出控制信号，该信号经驱动电路进行功率放大后，控制固态继电器导通和关断，实 现电机的正反转控制。J^^H兑的PROFIBUS-DP总线接口鹏由单片机与协i鹏制芯片接口电路二部分构成。单 片机与协议控制芯片分别由AT89C55WD芯片和PROFBUS-DP协i鹏制芯片SPC3构成，SPC3 Mil并行翻舰辅助线与AT89C55WD单片机相连，并3Iil PROFIBUS-DP总线接口和通讯电 缆与上位机相连，实现总线数据传输。AT89C55WD单片机通过异步串行通信接口实现与 dsPIC6014A的翻fHj。为提高系统可靠tfeR平，设计RS485接口电路时，选择DS75176作为 总线通信驱动芯片，并采用高速光耦HCP7710、 HCP0601进行光电信号隔离。本发明所说的基于PROFIBUS-DP现场总线的智能电动执行机构工作原理为控制单就电 动执行机构运行状态进行控制与监测，fflii PROFIBUS-DP总线接口模i央与上位lnjft行通信，接 illi:位机的阀位设定信息，中央处理电路利用给定信肩aiJl电机驱动电路动作，从而改变阀门开 度，同时通过位置检测电路采集当前阀位信息，并输入到中央处理电路，由中央处理电路完成阀 位设定信息与采集当前阀位信息比较，直到二者满足死区要求，停止电机驱动。基于PROFIBUS-DP 现场总线的智能电动执行机构，同时完jMil PROFIBUS-DP总线接口向上位WJ:传电动执行器 状劍言息，便于上位鹏亍监控。本发明的优点和积极，1、 禾,高性能数荆言号处理芯片实现电动执行机构的控制，提高控帝啲速度和精度；2、 斷氐由于普通单片机处鹏度限制而弓跑的控制滞后和精度缺陷，^^h控制裝置具有很 好的调节性能和可靠性；3、 此发明硬件电路简单、输出触发脉冲娃可靠、实,制精度高,可大大提高髓的稳定性 和可靠性；4、 齡电动执行机构細模树七设计，为^i控制器工作负担，采用双CPU的结构方式， ■ ATMEL公司AT89C55WD芯片控制SPC3通信工作，提高了总线通信的可靠性；5、 本发明的电动执行机构实现了智能化、总线化功能，具有广阔的市场应用前景。
1图1是基于PROFIBUS-DP现场总线的智能电动执行机构的整体结构示意图。图2是智能电动执行机构的tiS检测,结构示意图。图3是智能电动执行机构的中央 处理％1^结构示意图。图4是智能电动执行机构的电机驱动电路结构示意图。图5是智能电动执行机构的PROFIBUS-DP总线接口硬件电路(1)。图6是智能电动执行机构的PROFIBUS-DP总线接口硬件电路(2)。具体实1&^;实施例1:一种基于PROFIBUS-DP现场总线的智能电动执行机构(见图1)，它采用Microchip公司的 高性能数字信号控制器dsPIC6014A作为中央处理器，S1^置由f體检测电路、中央繊处理电 路、电机驱动电路和PROFIBUS-DP总线接口鹏纟贼。其中，电机驱动电路中包含光电隔离电 路；戶形兑的1體检测电路由隨传離、信号调理电路和A/D转换电路构成；信号调理电路将采 集的{^传，电压信号处,送入中央处理电路中的A/D转换模±央输入端。中央idg处理顿各的输出端连接包含光电隔离电路的电机驱动电路，电机驱动电路的输出端连^i零型固态继电器输入端。J^^fi兑的錢检测电路(见图2)由{體传離、信号调理电路和A/D转换电路构成；傻置 传S^采用的是高性能的导电塑料精密旋转电位器，用于检测阀门所处开度位置。阀门开度与反 馈电位器的输出M值有一一对，性关系。信号调理电路将采集的位置传感器电压信号处S^ 送入中央处理电路中的A/D转换徵央输A^。±^;斥说的中^ 处理电路包括(见图3): dsPIC6014A芯片、晶振电路和复位电路、参考电 压源电路；所编软件禾骄aa设定执行条件，控制dsPIC60控制指令；晶振电路向dsPIC6014A芯 片掛共时钟信号；复位电J^Mf共上电复位信号；参考腿源电li^f共A/D转换参考电压。i^0f说的dsPIC6O14A芯片包含大容量t^I闪存、多个32位定时器和SPI、 SCI、 CAN多 种接口，提供8路PWM控制脉冲信号；晶振电路由电容C3、 C4和晶振体U2构成，用于为14A 芯片进行阀门^B检测，并发出相关dsPIC6014A芯片提{共时钟信号。J^;斤说的电机驱动电络(见图4)包括固态继电器和固态继电器驱动电路。用于^K电机正反转的启动、换向、停止難制；固态继电器驱动电路输出端D1、 D2分别控制第一、第二固态 继电器SSR1，SSR2，实现电机正反转控制；控制器的输出端RFO、 RF1控制伺服电机的正转、反转 及停止，使执行机构錢与给定阀隨相等。上a^ffi兑的PROFIBUS-DP总线接口电路的单片机与协i娥制芯片接口电路(见图5)选用 AIMEL公司AT89C55WD芯片控制SPC3通信工作，并ffi3i异步串^ il信接口 (UART)誠dsPIC6014A主控制器的娜交换。设计中，为提高系统的可靠性，外歸门狗MP813用于对 AT89C55WD鹏制器进行保护。对于AT89C55WD而言，SPC3相当于欲展的一个外部RAM。 SPC3内部具有J&tlJif码电路。此时DB7 Bo是i^/i舰OT总线，可以产生低8位的im和地 址信号，高四位地址由ABo AB3产生，地址范围从0xl000 0xlFFF，而AB4 AB7产生SPC3 的片选信号，只有AB4 AB7同时为0才选中SPC3 。J^E0f说的PROFIBUS-DP总线接口电路的协i鹏制芯片RS-485接口电路(见图6)，为提高 系统可靠'^7K平，设计时选择DS75176作为总线通信驱动芯片，它是为数不多可以满足12Mbps 波特率的驱动芯片之一。为了消除外界干扰信号，采用高速光耦(可以满足12Mbps波特率) HCP7710、 HCP0601进行光电隔离。
权利要求
1、一种基于PROFIBUS-DP现场总线的智能电动执行机构，其特征在于包括；位置检测电路用于检测阀门所处开度位置，并将检测信号进行隔离、放大及滤波后送入中央处理电路；中央处理电路用于对位置检测电路送入的采集数据进行运算处理，并将处理结果的控制信号经光电隔离单元输送到电机驱动电路，实现对电机驱动电路的控制；电机驱动电路用于接受中央处理电路输送的控制信号，进而控制电机的运转，实现阀门的开启或关闭；PROFIBUS-DP总线接口电路与中央处理电路双向连接，并通过PROFIBUS-DP总线接口和通讯电缆与上位机相连，向上位机上传电机驱动电路状态信息，便于上位机实施监控。
2、根据权利要求l戶舰的智能电动执行机构，辦征在于戶腐的錢检测电足鲍括位置传麟采用导电塑料精密旋转电位器，用于检测阀门所处开度{體；信号调理电路对由健传^ 入的顿信"^4行隔离、放妙搶波处理后送入中央处理电路中的A/D转换模块输A^;A/D转换 :即中央处理电路中的A/D转换模块，由Microchip公司的数字信号控制器 dsPIC6014A的12位精度的片上A/D转换模块构成。
3、 根据权利要求1所述的智能电动执行机构，其特征在于所述的中央处理电路包括 dsPIC6014A芯片、晶振电路和复位电路、参考电压源电路；所编软件程序设定执行条件控制 dsPIC6014A芯片对阀门位置检测、并发出相雜制指令；晶振鹏向dsPIC6014A芯片掛共时钟 信号；复位电S^tt电复位信号；参考电压源电E^f共A/D转^考^ffio
4、 根据权利要求i戶;M的智能电动执行机构，其特征在于戶皿的电机驱动电路包括由固态继电器及其驱动賊被贼，完成电机正反转的启动、换向、停腫制；驱动电路的两賴出端D1、 D2分别控制第一、第二固态继电器SSR1， SSR2，实现电机正反转控制；控制器的输出RF0、 RF1 控制伺服电机的正转、反转以及停止，进而控制实现执行机构健与给定阀位置相等。
5、 根据权利要求l戶皿的智能电动执行机构，，征在于戶，的PROFIBUS-DP总线接口电 路由单片机与协i娥制芯片接口电路二部分构成，其中，协议控制芯片接口电路由协议控制芯片 和RS-485接口电路构成；单片机与协i，制芯片由AT89C55WD芯片和PR0FIBUS-DP协i，制芯片 SPC3构成；PROFIBUS-DP协iJdS制芯片SPC3舰并行i^-线及辅助线与AT89C55WD单片机相连， 并舰PROFIBUS-DP总线接口和通讯电缆与上位机相连，实现总线i^f彌；AT89C55WD单片t腿 过异步串行通信接口实现与中央处理电路中的dsPIC6014A的数据^tf;设计RS-485接口电路时， 为提高系统可靠'ft7K平，选择DS75176作为总线通信驱动芯片，并采用高速光耦HCP7710、 HCP0601 进行光电信号隔离。
全文摘要
本发明旨在实现电动执行机构的总线通讯功能，提供一种基于PROFIBUS-DP现场总线的智能电动执行机构。它采用Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC6014A作为中央处理器，整个装置由位置检测电路、中央数据处理电路、电机驱动电路和PROFIBUS-DP总线接口电路组成。其中，电机驱动电路中包含光电隔离电路；位置检测电路由位置传感器、信号调理电路和A/D转换电路构成，位置传感器采用导电塑料精密旋转电位器，其输出端连接信号调理电路，信号调理电路输出端连接中央数据处理电路的A/D转换模块的输入端，中央数据处理电路的输出端连接电机驱动电路。上位机通过PROFIBUS-DP总线实现对电动执行机构运行状况的监控和分析功能。
文档编号G05B19/418GK101221429SQ20071015025
公开日2008年7月16日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者岳有军, 王红君, 辉 赵, 韩德宇 申请人:天津理工大学