電動閥模擬系統設計方案

　　摘要：電動閥模擬系統依然采用單片機、并行接口芯片825以及光電耦合器件進行搭建。單片機為系統的核心器件，負責信息的處理。數據鎖存器采用825芯片，該芯片一次性可以鎖存24位數據，并具有編程功能，比較適合由于存儲純粹的數字I/O信號。由于系統內外工作電路的工作電壓不一致（內部為5V工作電壓，外部為24V工作電）采用T521—4作為I/O端口光隔離器件，該器件為4通道。電動閥模擬系統可以在實驗室創造一個仿真的現場環境，擺脫了以往手動撥動開關的繁瑣，提高了員工工作的效率，為提高控制技術起到一定的輔助作用。
　　　　
　　一、系統功能要求：
　　
　　1、設計要求每個閥門按照zui多的狀態來設置，包括：全開、全關、正在開、正在關、就地/遠控、故障、報警1、報警2、中間開度，命令包括：開命令、關命令、ESD命令和停命令；根據器件的功能特點，為降低開發的難度，系統只提供一個通道的報警信號。這樣每個電動閥的I/O接口由12個通道構成，前八個通道為狀態輸出通道，后四個通道為狀態輸入通道。要求至少可以模擬60個對象。
　　
　　2、每臺泵按照zui多的狀態來設置，包括：運行、停止、故障、就地/遠控、報警1、報警2，命令包括：啟命令、停命令、ESD命令；泵的就地控制要求完備，即打到就地時，可以使用系統提供的按鈕來啟動每臺泵；系統至少可以模擬10臺泵的狀態。
　　
　　3、總體目標：該模擬系統可以模擬一個大型的輸油站場的所有電動閥和泵等控制設備。
　　
　　4、設計要求系統中應考慮預留幾個通道的AI和AO通道，具體的通道數量可以根據元器件的性能參數確定；由于模擬量系統具有獨立性，它可以從數學角度反映出管道的函數特性，而且設計結構復雜，所以可以考慮單獨開發一套系統。
　　
　　二、系統結構及器件功能：
　　
　　每一片8255DMA外接六片T521—4光電耦合器，每三片耦合器構成一個電動閥的I/O端口，共有12個通道分為狀態輸出和命令輸入兩組，狀態輸出∶命令輸入=2∶1。8255DMA芯片具有A、B、C三個通道口，每個通道口為8位并行數據，其中C口的高四位和低四位具有相對的獨立性，可以單獨使用，所以每個電動閥的I/O端口由A（或B口）同C口的高（或低四位）構成。芯片的D口為數據存儲端。
　　
　　為減少系統端口的接線，系統的終端接線端口采用共極的接線方式，即八個狀態輸出端口采用共陽極的接線方式；四個命令輸入端口采用共陰極的接線方式。這樣每個電動閥模擬端口只有14個接線端子。
　　
　　由于泵的端口特性同電動閥的相同，所以都采用同一種方案，但對于泵的模擬采用單獨的處理程序。
　　
　　三、技術難點及解決方法：
　　
　　單片機采用的是統一的尋址方式，由于系統涉及到的控制點數較多，所以如何能夠準確的訪問所需求的控制點成為技術那點之一，而解決這一問題的關鍵在于設計一個合理的譯碼電路。該系統中采用3—8譯碼器芯片構成多級譯碼電路，它的片選信號數量C、譯碼器數量N及譯碼電路級數k關系如下：　　
　　單片機內部只有兩個計時器，所以系統的另外一個難點在于如何用一個計數器來為多個控制對象計時。系統中采用了計時中斷查詢方式，在每個功能對象中加入了一個時間監視器，這樣每個功能對象都能夠獨立的記錄自己的時間而不會影響其它的對象。
　　
　　由于系統監控的點數較多，并且每個功能對象的監控點數也較多，所以如何為終端接口選取鎖存功能強、位數多、易訪問而又廉價的芯片也成為一個難點。該系統選用了并行通訊接口芯片825就解決了這一問題，該芯片一次性可以鎖存24位數據，并具有編程功能，比較適合由于存儲純粹的數字I/O信號。
　　
　　四、系統設計與分析
　　
　　整個系統由中心處理單元CPU、鍵盤及顯示單元、譯碼單元、數據鎖存單元及接口電路。　　
　　圖1—1為中央處理單元，使用的芯片為51系列彈片機，其中P0口用于端口數據的訪問，P1口的前四位用于鍵盤及顯示電路的通信接口。　　
　　圖1—2為鍵盤及顯示電路，該電路的核心器件為7279，該芯片可以驅動8個LED及掃描64個鍵盤。與CPU采用串行通訊方式，減少對端口資源的消耗。　　
　　圖1—3為譯碼電路，該電路主要由地址鎖存器373和3—8譯碼器138構成。地址鎖存器在*個時間周期接受來自CPU的地址，通過譯碼器進行片選，選擇要操作的數據端口。在第二個時間周期中由數據端口接收來自CPU的數據。　　
　　圖1—4為數據端口圖，圖中由并行接口芯片825及光電耦合器件521—4構成。光電耦合器的兩端為限流電阻。圖中zui左側為接線端子，用于與PLC連接。825被片選后CPU即可通過數據端口Dn（n=0~7）訪問Px口的數據，Px口的數據與接線端子上的數據一一對應的，這樣就可以對PLC的端子信號進行訪問。
　　
　　我們對接線端子的信號分為DI和DO兩種。1~9號端子用于DI信號（對于系統為DO），共用一個24V+端子。例如，當PA0為1時，1號與2號端口就會處于導通狀態，信號就會被PLC識別。10~14號端子用于DO信號（對于系統為DI），共用一個24V-端子。以AB的1756-OW16I為例，當PLC在10號端口提供一個DO信號后，即向該端口提供一個24V+的電壓，10號與14號端口的回路中就會有電流流過，光耦器件521—4就會把這一信號傳給PC0口，CPU就可以從PC0口讀到這一端口數據并進行處理。
　　
　　本系統設想采用基板插擴展板的方案，這樣在基板上插上不同的擴展板就可以完成不同的功能。如需要提供模擬信號，只要插上模擬電子電路板并對CPU的處理程序進行修改，就可以實現相應的功能，可以減少開發成本。基板主要提供顯示、鍵盤、譯碼及數據處理的功能，擴展板負責信號的轉換。　　
　　五、系統功能描述：
　　
　　系統可以模擬電動閥的受控開關操作，具體功能如下：上電初始化后電動閥自動輸出開關狀態。例如：在輸出全關到位信號時，當接收到來自PLC的開閥指令后，系統清除全關到位信號，表示電動閥已進入中間位置狀態，在一定時間后（暫時設為10秒），給出全開到位信號。關閥模擬操作與此類似。故障及就地/遠控信號的輸出由手動通過鍵盤設定給出。
　　
　　六、系統開發的意義：
　　
　　電動閥模擬系統可以在實驗室創造一個仿真的現場環境，擺脫了以往手動撥動開關的繁瑣，提高了員工工作的效率，為提高控制技術提供的一定的幫助。