船用阀门控制器设计.docx

船用阀门控制器设计.docx

《船用阀门控制器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《船用阀门控制器设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

船用阀门控制器设计

前言

从上个世纪的“十阀九漏”，到目前不少产品出口国外，我国的阀门行业取得长足进步。

但来自中国通用机械工业协会阀门会的资料显示，我国每年阀门市场成交额高达500亿左右，其中却有100多亿元的市场被国外阀门企业占领，要改变这种现状，通过创新技术提高阀门质量是关键。

随着全球经济和海洋运输业的发展，遥控阀门系统成为大型化，高自动化船舶中必须配置的设备之一，而阀门驱动器则是实现船用阀门遥控系统国产化的关键部件。

特别是针对化学制品船、油船能带有危险性的船舶有其重要的作用。

随着工业自动化的不断发展，国内外的多家船舶制造商都开始将总线控制技术引入到船舶自动化系统中，从而提高了船用阀门控制系统的稳定性和可靠性。

在谈到我国阀门行业的现状时，北京市市政工程设计研究总院教授级高级工程师王光杰、张延蕙认为，虽然我国从事阀门生产的企业很多，但多属中小企业。

少数小企业既无图纸，也无工艺，更没有技术人员，产品不符合国家标准，甚至生产假冒伪劣产品，严重扰乱了阀门市场，也浪费了宝贵的资源。

不少大的国有企业面临着包袱重、资金困难、技术陈旧的问题，又没有力量进行技术改造和投资新项目。

阀门技术与国际先进水平大概相差10年左右，比如一些高温高压和耐强腐蚀的产品无法生产，海洋石油开采使用的阀门要求10～15年不泄漏，我们也基本达不到这种要求。

长途管道输送主线还都用的是国外产品，国内产品只能用在支线上。

基于上述这一情况，本文设计了基于嵌入式智能阀门控制器的设计。

控制器的设计用ARM微处理器，集测量、控制和远程传输于一体。

通信部分的设计采用工业控制计算机、通过CAN总线与电液阀控制器通信，可以实现远程控制阀门开关、实时显示阀门的各相关信息等。

软件设计采用VisualBasic6.0实现对下位机控制系统的信息采集、处理与远程监控等。

然后进行初步的分析设计和进一步的实施，通过VB编写需要的程序，最后对系统总体性能进行测试研究。

1绪论

1.1课题研究背景

按照阀门驱动性质划分，管路上阀门的驱动装置主要有液压驱动、电气驱动、气动驱动以及电液驱动等，各种方式都有其优缺点。

传统的船用阀门普遍采用液压驱动方式，液压驱动是以一定压力的油液作为工作介质来驱动液压驱动头来工作，并将驱动头的水平运动转换为开关阀门的操作。

其中每个阀门须两根由铜管制成的油路管作用于阀门，从而实现对阀门的开启、关闭，以及调节控制，所以控制装置与执行装置之间的距离一般又比较远，故使得这种阀门控制方式既浪费铜材又增加了船体自身的重量，还占据了船体有限的空间。

基于传统阀门控制的这一缺点，国内外的多家船舶制造商开始研究新的解决方案。

一种基于现场总线的电子液压驱动方式逐渐被引入到船舶阀门制造领域。

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。

现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点。

1.2课题研究的意义及内容

近年来，随着船舶自动化程度的提高，越来越多的油船、化学制品船都采用远程阀门遥控系统，一来体现了阀门遥控系统的迅速发展，二来提高了其安全性、稳定性和可靠性，成为了船舶货油系统和压载水系统稳定运行的有力保障。

我国作为造船大国，每年船舶的产量都在数百上千艘，在世界上与日本相当且仅次于韩国。

随着国际造船业日益向着自动化、智能化、舒适化等目标发展，船舶对于装卸自动化系统以及动力、滑油冷却、消防等系统的高端配套设备提出了更高的要求。

通常船舶上的阀门很多，其中大部分工作在危险的地方，这些危险的地方就需要阀门遥控系统来精确的控制它们的开关。

但是我国的阀门遥控系统以及其所属的船舶装卸自动化系统技术几乎都被国外产品所垄断，我国自主生产率极低，所以发展我国船舶阀门遥控系统自主化刻不容缓。

嵌入式系统的引进，可提高遥控系统的精确度，提升设备的性能和优化其结构。

针对其结构特点开发相应软件的程序员不需要知道设备的具体结构，也不需要知道其具体的工作原理，就可以开发出想对应的工业软件，这在一定程度上减轻了推广智能阀门远程遥控系统的难度。

1.3课题研究的目的

本文研究了船用阀门控制器的设计，此次设计综合利用了嵌入式系统，总线技术，工业控制等，完成了船用智能阀门控制器的设计。

船用智能阀门控制器的设计不仅提高了生产的可靠性和稳定性，也促进了工业化的高速发展，在每次的设计与突破之中，船用阀门控制器会得到不断的创新与发展。

同时，也提高了我独立思考问题的能力，进一步让我了解到了关于船用阀门的技术知识。

2CAN总线与嵌入式技术

2.1CAN总线

CAN是ControllerAreaNetwork的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。

在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。

由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。

为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。

此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：

（1）网络各节点之间的数据通信实时性强。

（2）开发周期短。

（3）已形成国际标准的现场总线。

（4）最有前途的现场总线之一。

相对其它总线技术，CAN总线又有如下优点：

（1）具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。

（2）采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。

（3）具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络。

（4）可根据报文的ID决定接受或屏蔽该报文。

（5）可靠的错误处理和检错机制。

（6）发送的信息遭到破坏后，可自动重发。

（7）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。

（8）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

2．1．1CAN总线的产生与发展

控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。

控制器局部网将在我国迅速普及推广。

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。

由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：

控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。

由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。

为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION2.0）。

该技术规范包括A和B两部分。

2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。

此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。

2．1．2CAN总线的特点

CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

通信速率可达1MBPS。

CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。

同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。

CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。

CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

且其结构简单，只有两根线与外部连接，并且内部集成了错误探测和管理模块。

2．1．3CAN总线技术介绍

由于数据处理对传输速度有很高的要求，所以要对数据进行实时处理就要求数据的物理传输通路有较高的速度。

在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配。

CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。

这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。

总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。

CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。

这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了,这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。

对于主站的可靠性,由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取（许可）控制,在系统中分几次完成。

这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。

不同于其它总线，CAN总线协议不能使用应答信息。

但是可以将发生的任何错误用信号发出，CAN总线协议使用的检查错误的方法有以下五种：

（1）循环冗余检查

（2）帧检查

（3）应答错误

（4）总线检测

（5）位填充

如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或者多个错误，它将发送出错标志终止当前发送。

这可以组织其它站接受错误的数据，并保证网络上的数据的一致性。

当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。

但是这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有的数据被终止，其中也包括正确的数据，所以，如果不采取自检测措施，总线系统应采用模块化设计。

因此，CAN总线协议提供一种将偶然发生的错误从永久发生的错误和局部站失败中区别出来的方法。

这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现，即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成错误数据而被终。

2．2ARM7微处理器

ARM7处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一，ARM处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少，这很适合用于对于功耗要求严格的船用阀门的应用。

ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多，这样的简化实现了ARM处理器的如下特点：

（1）高的指令吞吐量

（2）出色的实时中断相应

（3）小的、高性价比的处理器宏单元

本文采用的是LPC2119ARM7处理器，LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有128/256K字节嵌入的高速Flash存储器。

128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟率下运行。

对代码规格有严格控制的应用可使16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

由于LPC2119/2129非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、46个GPIO以及多达9个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。

由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。

2．2．1LPC2119主要特性

ARM的全称是AdvancedRISCMachines,采用了精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer,RISC）指令结构，ARM微处理器包括很多系列，下面具体介绍本文所用到的ARM7微处理器系列。

ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，小型、快速、低能耗、集成式RISC内核，用于移动通信。

ARM7微处理器系列具有以下特点：

（1）16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。

（2）16kB片内静态RAM。

（3）128/256kB片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz工作频率。

（4）通过片内boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。

512字节行编程时间为1ms。

单扇区或整片擦除时间为400ms。

（5）EmbeddedICE-RT可实现断点和观察点。

当使用片内RealMonitor软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行。

（6）嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。

（7）2个互连的CAN接口，带有先进的验收滤波器。

（8）4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs。

（9）多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口（400kbit/s）和2个SPI接口。

（10）通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。

（11）向量中断控制器。

可配置优先级和向量地址。

（12）2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗。

（13）多达46个通用I/O口（可承受5V电压），9个边沿或电平触发的外部中断引脚。

（14）片内晶振频率范围：

1～30MHz。

（15）2个低功耗模式：

空闲和掉电。

（16）通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。

（17）可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。

（18）双电源。

－CPU操作电压范围：

1.65～1.95V（1.8V±0.15V）

－I/O操作电压范围：

3.0～3.6V（3.3V±10%），可承受5V电压。

其结构图如图2-1所示：

图2-1：

LPC2119结构图

LPC2119包含两个CAN控制器，控制器局域网（CAN）是一个串行通信协议，它能有效支持高安全登记的分布实时控制、CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。

其特性包括如下几点：

（1）单个总线上的数据传输速率高达1Mb/s。

（2）32位寄存器和RAM访问。

（3）兼容CAN2.0B、ISO11898-1规范。

2．2．2LPC2119的CAN控制器

LPC2119包含两个CAN控制器，控制器局域网（CAN）是一个串行通信协议，它能有效支持高安全登记的分布实时控制、CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。

其特性包括如下几点：

（1）单个总线上的数据传输速率高达1Mb/s。

（2）32位寄存器和RAM访问。

（3）兼容CAN2.0B、ISO11898-1规范。

3总体方案设计

3.1阀门端简介

阀门遥控系统对于船舶制造来说是其重要的组成部分，特别对于油船、化学制品船之类的特殊作用船类来说，要求更为严格。

传统的船用阀门一般采用液压驱动、电气驱动、气动驱动方式。

处于安全因素的考虑，电缆线不允许下到船舱内，所以不得不采用液压驱动的方式。

液压驱动阀门遥控系统由液压泵站、电气控制台、电磁阀箱、液压驱动头以及阀门组成。

其结构如图3-1所示：

图3-1：

液压驱动阀门结构图

但是这种方案的缺点很明显，一来只能用在干式场合（散货船、集装箱船等），不能用于浸没式的场合（油船、化学品船能）；其次总体维修成本高，可靠性相对较差。

所以可以看出，液压驱动阀门遥控系统具有总体价格便宜，容易维护，且适用范围广的特点；而电液驱动阀门遥控系统具有将液压和电气集中在一起，省去了电磁阀箱和液压泵站的特点，但存在一般不能用于需安装在浸没场合的缺点。

3.2系统总体设计

首先对系统进行分析后可知，基于CAN总线的智能阀门应有如下功能：

（1）接收电机电流检测信号，与额定电流进行比较，用来控制电机的起停与正反转，并实现电机故障检测及保护。

（2）接收控制信号与压力反馈信号，将两者进行比较，进一步实现对电机故障的检测及保护。

；

（3）实现零点，行程，灵敏度以及电机额定电流等参数的设定。

（4）具有CAN通信接口，实现远程监控。

所以得先对电机的电流大小和压力的大小有所了解，才能进一步进行设计。

用一个简单的控制器控制电机的启动和停止，简单控制过程是：

阀门启动，全部打开后3秒钟停止，过5秒钟重新启动，阀门开始关闭，全部关闭后3秒钟停止，过5秒钟重新启动，循环前面。

运行结果如图3-2所示:

图3-2：

运行图

从图中电流的变化过程我们可以看到，在阀门全开或是全闭之后可以看到电流会变大，根据这一点可以控制电机的启停和正反转。

以上功能分析可以看出，系统功能的要求并不复杂。

这里控制器CPU选择LPC2119ARM7处理器，其高性能、低功耗的特点可以在工业领域发挥重要的作用。

系统总体硬件结构设计图如图3-3所示:

图3-3系统硬件结构图

3.3控制器硬件设计

控制器的设计主要包括硬件设计和软件设计，硬件设计是整个系统的根本，只有在完善的硬件上才能编出完善的软件来运行整个系统，从而使整个系统达到理想的结果。

启动电源后，ARM主机开始系统初始化，如操作系统初始化，I/O初始化，定时器初始化，串口初始化，创建任务如采样、保护、通信、调试等任务，最后进入正常监控运行状态。

系统通过CAN总线与上位机或者网关连接，测控模块完成电流信号、开关量的采集，并根据系统设置执行相应的动作。

根据设计要求，本文中的ARM开发基于LPC2119微处理器，需开发如下电路：

复位电路、时钟电路、稳压电源电路等基本电路，压力信号采集、电流信号采集等前项通道的电路设计，电机控制电路后项通道的电路设计，通信电路的设计等。

3．3．1最小应用系统的电路设计

（1）复位电路

LPC2119开始执行程序前，首先要对机器内部的全部寄存器、I/O接口等进行复位，所以整个设计中首先需要一个复位电路。

LPC2119/2129/2194/2292/2294有两个复位源：

RESET管脚和看门狗复位。

RESET管脚为施密特触发输入管脚，带有一个额外的干扰滤波器。

任何复位源提供的芯片复位都会启动唤醒定时器，复位将保持有效直至外部复位撤除，振荡器开始运行。

当计数达到一个固定个数的时钟时，Flash控制器完成其初始化。

（2）时钟电路

LPC2119内部集成时钟电路，可以给系统运行提供准确的时钟。

（3）直流稳压电源设计

为了确保整个系统能够有效的运行，我们必须有一个电源模块，且它的精度对于整个系统而言有着重要的影响。

我们所需要的直流稳压源包括电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分，在经过这四部分后可以得到比较稳定的直流电源，但是通常这样得到的电压还会有波动，并不是十分稳定的，所以需要加个稳压电路。

直流稳压电路如图3-4所示:

图3-4直流稳压电源电路

本系统提供电压，系统中所用工作电压需要+12V还需要+5V，故用集成稳压器LM78M05将+12V电压转换为+5V电压，这类稳压器所需外接元件少，因为其芯片内部已经设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，所以使用非常方便，而且可靠，被广泛应用于各种电子设备中。

电源电路如图3-7所示，电路中接入电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡和抑制电路中引入的高频干扰，电解电容用以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

3．3．2前项通道的设计

前项通道设计即阀门端的硬件设计，一般包括信号采集、信号调节以及信号转换等电路，是微处理器和被测对象及控制参数输入部分之间联系必不可少的桥梁。

（1）电机电流反馈信号输入接口

为了保证电机的正常运行，需要在电机运行时对电机的实际电流进行检测，并将检测结果与额定电流进行比较，还要注意进行过流、堵转等故障处理。

在电机运行时会出现一些非正常状态，一般当检测到电动机电流超过额定电流的2~8倍时，可以说其处于非正常状态，当然如果这种情况很短暂的，可以不把其认为是非正常状态。

控制器在对检测到的电流进行处理时，根据电机电流与额定电流的比值大小确定时间t，如果电机在一定时间t内保持过流，则断开电机，发出报警信号；如果电机电流是额定电流的8~10倍，则判断为电机短路，则立即断开电机，发出报警信号；当检测到电流小于额定电流的0.6倍，如果电机电流小于额定电流的0.6倍达到一定的时间，则认为电机断相，立即断开电机，发出报警信号。

经过分析，本系统采用霍尔型电流互感器对电机电流进行检测。

关于霍尔型电流传感器这里不做详细介绍。

本系统选用的是300W/220V的单相交流电机，故选择SENSOR（北京森社）霍尔电流传感器CHS-3A/V1，其额定电流为3A、可隔离测量交流电流、输出1~5V直流标准信号、电源电压为12V。

电机电流经过霍尔型电流传感器，输出为1~5V标准电压，经其电压比较器LM393，输出转化为数字信号，电路如图3-5所示：

图3-5电机电流检测电路

（2）压力反馈信号输入接口

由于阀门系统是建立在油压的基础上，经过传输、处理，送至控制器，再经过系统的比较、分析作出相应的控制判断，从而使整个系统可靠的运行。

根据分析，本系统采用PTP503油压变送器，PTP503油压变送器采用不锈钢整体构件，进口弹性原件，高精度应变计及先进的贴片工艺，油压变送器具有灵敏度高、性能稳定、良好的抗冲击能力。

其主要技术参数如下：

量    程：

-0.1～0～1～150（MPa） 

综合精度：

0.25%FS、0.5%FS、1.0%FS

输出信号：

4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）

供电电压：

24DCV（9～36DCV）

介质温度：

-20～85～150℃

环境温度：

常温（-20～85℃）

负载电阻：

电流输出型：

最大800Ω；电压输出型：

大于50KΩ

绝缘电阻：

大于2000MΩ（100VDC）

密封等级：

IP65

长期稳定性能：

0.1%FS/年

振动影响：

在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

电气接口（信号接口）：

紧线螺母+四芯屏蔽线

机械连接（螺纹接口）：

1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计

外形尺寸：

M20×Φ26×115

由压力传感器采集到的模拟量压力反馈信号经电压比较器LM393，输出数字量信号，再输入微处理器I/O口，压力反馈信号拾取电路图如图3-6所示：

图3-6压力反馈信号拾取电路

3．3．3后项通道设计

后项通道的设计主要是针对电机正反转控制电路的设计，电