基金会现场总线型阀门电动装置控制器的制作方法

本发明涉及一种基金会现场总线型完全数字化阀门电动装置控制器，特别适用于阀门电动装置，属于流体过程自动化领域。

背景技术：

阀门电动装置作为流体过程控制领域使用的电力驱动设备，由于其使用交流异步电机控制技术，和远程信号自动控制技术，广泛应用于石油、化工、电站、污水处理等行业。

当前国内阀门电动装置大量采用传统模拟控制方式，即以远程4—20mA电流环或者1-5V电压信号作为远程控制信号，常规DCS(集散控制系统)控制系统通过输出4—20mA电流环控制电动执行机构的动作，并实时采集与阀门电动装置相连的阀门开度物理位置输出，来实现远程中控室对阀门的控制。由于模拟信号本身的物理特性，其在远程传输过程中存在损耗，以及现场控制线缆繁多，铺设繁杂，系统不能在线诊断等不足之处。

作为国际现场总线基金会组织开发颁布的标准，适用于过程自动化的低速部分（Foundation Fieldbus H1，基金会现场总线H1部分）基于ISO/OSI参考模型发展演变而来，目前，H1低速总线发展为FF-H1和FF-H2，传输速率典型值为31.25kbit/s,1Mbit/s和2.5Mbit/s; FF H1作为工厂的底层网络，相对一般广域网，局域网而言，它是低速网段。其由单一总线段或多总线段构成，也可以由网桥把不同传输速率、不同传输介质的总线段互联而构成。FF-H1围绕工业生产现场的通信系统和分布式的网络自动化系统两个方面形成了它的技术特色，技术上综合了通信技术和网络自动化技术,其主要技术包括（1）通信技术（2）功能块技术（3）设备描述技术（4）系统集成技术（5）系统测试技术；其主要特点包括（1）支持总线供电（2）支持本质安全（3）令牌总线访问机制（4）内容广泛的应用层。

由于FF-H1借鉴DCS的功能块及功能块组态技术，在现场总线仪表或设备中定义了多种标准功能块（FB），每种功能块实现特定的应用功能；包括资源块（Resource Block）、变送块（Transducer Block）、比例积分微分块（PID Block）、模拟量输入块（AI）、模拟量输出块（AO）、数字量输入块（DI）、数字量输出块（DO）等。

另外，FF-H1为了支持标准的功能块操作，采用了设备描述（DD）技术，来实现总线仪表或设备的互操作性，共享不同制造商总线设备中的功能块。为了进行设备描述，FF-H1规定了相应的设备描述语言（Device Description Language, DDL），采用设备描述编译器，把DDL编写的设备描述的源程序转换成计算机可读的目标文件。总线控制系统正式凭借这些可读的目标文件来理解不同制造商的总线设备的数据意义。

随着现代数字总线技术和微控制器技术的大力发展，现今，现场总线技术在国外已大量成熟运用实施。通过将现场数字总线技术和微控制器技术引入传统的测量仪器仪表，可使得传统的测量仪器仪表具有数字计算和数字通信能力，采用屏蔽双绞线作为总线，将分布在装置现场的多台仪表接入总线网络，按照公开颁布的通信规范标准，实现远程计算机和现场仪表间的数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于利用国际前沿技术，引入基金会现场总线控制技术（Foundation Fieldbus H1）,开发出一种基金会现场总线型阀门电动装置控制器，克服传统模拟信息不便于传输，信号线缆繁多，传输过程模拟信号衰减损耗，以及不便于多状态参数信号反馈监测，不便于故障排查与维护等不足之处，采用单对线缆，以数字信号代替模拟信号，不需要额外的模拟/数字，数字/模拟转换部件，将所有的参数信息通过该单对线缆传输，最终实现对阀门电动装置的远程实时智能化控制与状态监测。本发明采用的技术方案是：

一种基金会现场总线型阀门电动装置控制器，包括微控制器，还包括：

电源转换单元，用于将外部交流供电转换输出阀门电动装置控制器内使用的各直流电源；

电源切换管理单元，用于外部交流供电与内部后备电池供电的切换管理；

与微控制器连接的相序检测单元，用于对外部输入的三相交流电相序进行捕获检测；

与微控制器连接的阀门位置检测单元，用于实时记录与跟踪阀门物理位置，将阀门位置信号即阀位信号传给微控制器单元；

与微控制器连接的开关面板，上面设有至少一个开关，用于设定阀门电动装置的不同工作状态，在手动状态下，允许操作者使用开关面板上的开关进行开阀或者关阀动作；

与微控制器连接的力矩监测单元，用于将阀门负载的力矩量转换为线性可测的电压信号提供给微控制器，实现阀门电动装置运行过程对负载力矩的监测；

与微控制器连接的显示单元，完成人机交互界面的显示与查看；

基金会现场总线 H1通信单元，通过基金会现场总线总线通讯接口与上层FCS总线控制系统的通讯接口卡相连，用于接收上层FCS总线控制系统发出的开阀、关阀、停止指令，同时将阀门电动装置的当前阀位信号，负载力矩信号，以及运行过程中的状态参数信息上传给FCS总线控制系统；

与微控制器连接的电机驱动单元，微控制器向电机驱动单元输出电机控制信号，驱动电机正/反转动作，实现对阀门电动装置的控制，将阀门驱动到指定位置；

与微控制器连接的遥控接收单元，用于接收来自遥控器发出的指令，完成相关参数的设定。

进一步地，

微控制器内部设定有阀门开方向/关方向的力矩保护值，若监测到的力矩量大于微控制器内部设定的开方向/关方向的力矩保护值，微控制器立即输出电机停止指令。

进一步地，

微控制器与基金会现场总线 H1通信单元之间遵循MODBUS-RTU通信协议按照设定时间间隔（比如250ms)进行数据的双向传输，微控制器将阀位信号参数，负载力矩信号参数，以及多个特定状态参数按照约定的数据格式进行打包编码与处理，并及时上传给基金会现场总线 H1通信单元，基金会现场总线 H1通信单元再将参数信息按照基金会现场总线 H1协议进行编码，并最终上传到基金会现场总线 H1总线网络中，位于基金会现场总线 H1总线网络的FCS控制器直接从该基金会现场总线 H1总线网络提取来自微控制器的参数信息，从而完成基于FCS总线控制系统的生产过程的控制；同时，微控制器接收来自FCS总线控制系统下发的动作指令，通过对来自基金会现场总线 H1通信单元的MODBUS-RTU通信协议解码获取，微控制器解码得到实际的动作指令后，执行微控制器内部的控制策略，输出电机正反转驱动信号到电机驱动单元，驱动电机正反转动作，将阀门驱动到FCS总线控制系统指定的位置；

上传FCS总线控制系统的多个特定状态参数包括：

阀门电动装置控制器工作正常与否的参数；

阀门全开、全关位置参数；

当前执行动作为开阀或者关阀动作的参数；

工作状态参数，包括手动状态/远程状态/遥控状态；

报警信号参数，包括电机卡滞参数，电机温度保护开关的超温保护动作参数。

进一步地，

微控制器的串口与基金会现场总线 H1通信单元通过光耦进行隔离与互连。

本发明的优点在于：

1）基于基金会现场总线国际标准，实现阀门电动装置的完全数字化，智能化控制；

2）获取更多的状态数据，3） 便于在线监测，系统诊断与维护；

3）节省通信线缆，及硬件成本，节省安装费用。

4）自动化程度高，便于诊断与维护；节省后期维护时间和维护费用。

附图说明

图1 为本发明微控制器主板结构示意图。

图2 为本发明的整体电气结构示意图。

图3 为本发明接入FF总线网络的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

基金会现场总线型阀门电动装置控制器，如图1所示，包括微处理器MSP430，以及：

电源转换单元，用于将外部交流供电（单相220V/三相380V），转换输出直流3.3V电源,直流5V电源，以及直流24V电源；分别用于微处理器单元和外部信号采集与处理单元，电机（三相/单相）驱动单元供电；外部信号采集与处理单元包括阀门位置检测单元等；

电源切换管理单元，用于外部交流供电与内部后备电池供电的切换管理，当外接交流供电正常时，电源切换管理单元控制所述电源转换单元输出为微处理器单元和外部信号采集与处理单元供电；当外接供电电源丢失情况下，通过阀门电动装置手轮动作，可唤醒电源切换管理单元中的后备电池，电源切换管理单元控制后备电池输出给微处理器单元和外部信号采集与处理单元供电；

与微控制器连接的相序检测单元，用于对外部输入的三相交流电相序进行捕获检测；

与微控制器连接的阀门位置检测单元，用于实时记录与跟踪阀门物理位置，将阀门位置信号传给微控制器单元；阀门位置检测单元可记录阀门开闭过程的物理位置，并且将阀门开度位置记录保存在微控制器内部存储器中，从而确保阀门在开启和闭合过程以及断电再上电后，阀门物理位置不丢失；阀门位置检测单元通过阀门位置传感器采集阀门位置信号；

与微控制器连接的开关面板，包含一个红色旋钮开关，和一个黑色旋钮开关，用于设定阀门电动装置的三个不同工作状态（手动/远程/遥控），在手动状态下，该控制器允许操作者使用黑色旋钮开关开阀或者关阀动作；在遥控状态下，该控制器允许操作者使用遥控器进入菜单调试界面，进行参数的设置，例如，对关限位点和开限位点的设定，对开方向力矩保护值设定，对关方向力矩保护值设定等；在远程状态下，该控制器接受远程FCS控制系统发出的带基金会现场总线 H1协议的动作指令，自动完成将阀门驱动到0-100%之间对应的位置；

与微控制器连接的力矩监测单元，用于将阀门负载的力矩量转换为线性可测的电压信号提供给微控制器，实现阀门电动装置运行过程对负载力矩的监测，若监测到的力矩量大于该微控制器内部设定的开方向/关方向的力矩保护值，该微控制器将会立即输出电机停止指令，停止电机的运转，并在液晶显示单元发出报警信息，从而实现对阀门的保护；通过其它相关传感器采集的电机温度信号、后备电池电压信号，以及电机温度保护开关的动作信号，以及开关面板上传来的工作状态切换信号（手动/远程/遥控）均发送给微控制器；

基金会现场总线 H1通信单元，通过基金会现场总线总线通讯接口与上层FCS（现场总线控制系统Fieldbus Control System）总线控制系统的通讯接口卡相连，用于接收上层FCS总线控制系统发出的开阀、关阀、停止指令，同时将阀门电动装置的当前阀位信号，负载力矩信号，以及运行过程中的状态参数信息上传给FCS总线控制系统；

与微控制器连接的电机驱动单元，微控制器向电机驱动单元输出电机控制信号，驱动交流异步电机正/反转动作，实现对阀门电动装置的控制，最终将阀门驱动到指定位置。

与微控制器相连的液晶显示单元，用于直观显示阀门当前位置，电机温度参数，力矩参数，远程信号值，报警信息等；微控制器与显示单元连接，由显示单元完成人机交互界面的显示与查看，由微处理器完成对既定的控制逻辑对各种信号进行处理，生成相应的电机控制信号及报警信号；

与微控制器连接的遥控接收单元，用于接收来自遥控器发出的指令，完成相关参数的设定；

微控制器通过串行通信接口，与基金会现场总线 H1通信单元相连；专门负责处理基金会现场总线 H1通信协议的基金会现场总线 H1通信单元，其与微控制器单元的串口通过高速光耦互联，从而进行数据信号的串行双向传输；

如图2，图3所示，应用时，本发明通过基金会现场总线 H1总线通讯接口，参照现场总线设计与实施IEC61158规范中的AG-181原则，使用AWG18型铠装双绞电缆，对照“+，-”极性，即可接入基金会现场总线 H1总线网络中，同FF设备1，FF设备2，FF设备3，FF设备4构成一个基金会现场总线网段，本发明中阀门电动装置控制器作为其中一个FF设备（基金会现场总线设备）；当FCS总线控制系统加载完成该发明对应的DD（设备描述）文件后，远程中控室内的FCS总线控制系统（完全兼容如EMERSON公司的PlantWeb DeltaV,HONEYWELL公司的Experion PKS过程知识系统等国际主流系统）即可在线识别并访问该设备。

在远程的FCS总线控制系统内，FCS总线工程师在线可识别到该发明中的多个功能块，在该发明中，共定义了一个资源块（Resource Block）、一个变送块（Transducer Block）、一个比例积分微分块（PID Block）、数个模拟量输入块（AI）、一个模拟量输出块（AO）、数个数字量输入块（DI）、一个数字量输出块（DO）。其中，AO块用于远程连续型控制阀门开度；AI块用于反馈当前实际阀门开度（即阀位信号）和当前实际负载力矩值大小；DI块用于反馈设备当前多个状态参数的编码值，DO块用于实现离散型控制阀门。

微控制器与基金会现场总线 H1通信单元之间遵循MODBUS-RTU通信协议按照设定时间间隔（比如250ms)进行数据的双向传输，微控制器将阀位信号参数，负载力矩信号参数，以及多个特定状态参数按照约定的数据格式进行打包编码与处理，并及时上传给基金会现场总线 H1通信单元，基金会现场总线 H1通信单元再将参数信息按照基金会现场总线 H1协议进行编码，并最终上传到基金会现场总线 H1总线网络中，位于基金会现场总线 H1总线网络的FCS控制器直接从该基金会现场总线 H1总线网络提取来自微控制器的参数信息，从而完成基于FCS总线控制系统的生产过程的控制；同时，微控制器接收来自FCS总线控制系统下发的动作指令，通过对来自基金会现场总线 H1通信单元的MODBUS-RTU通信协议解码获取，微控制器解码得到实际的动作指令后，执行微控制器内部的控制策略，输出电机正反转驱动信号到电机驱动单元，驱动电机正反转动作，最终，电机通过电机执行机构机械传动部件输出推力，将阀门驱动到FCS总线控制系统指定的位置；

上传FCS总线控制系统的多个特定状态参数包括：

阀门电动装置控制器工作正常与否的参数；

阀门全开、全关位置参数；

当前执行动作为开阀或者关阀动作的参数；

工作状态参数，包括手动状态/远程状态/遥控状态；

报警信号参数，包括电机卡滞参数（监测到的力矩量大于微控制器内部设定的开方向/关方向的力矩保护值时，判断为电机卡滞），电机温度保护开关的超温保护动作参数。

FCS总线控制系统最终实现对阀门电动装置的远程实时智能化控制与状态监测。