基于EPA标准的智能阀门定位器

摘要

基于EPA标准的智能阀门定位器，包括通信卡和主控卡两部分，通信卡实现EPA网络的通信，主控卡实现调节阀的阀位控制，其特征在于：所述通信卡由网络变压器、以太网控制器、ARM微处理器芯片、FLASH存储器以及电源电路构成，所述主控卡由I/P转换单元、MSP430微处理器、监控面板、电位器构成。本发明的优点是：采用全数字化的方式实现对气动调节阀的控制，并可通过EPA网络在工业以太网内与系统、仪表及终端实现数字化通信，具有较强的抗干扰能力和较快的通信速率；系统采用总线供电的方式，减少了安装的复杂性，提高了安全性和经济性；用户可通过以太网接口对EPA网络中的智能阀门定位器进行控制和访问，使得工业企业的管理控制一体化成为可能。

说明书

技术领域

本发明属调节阀智能控制技术领域，涉及一种基于EPA标准的智能阀门定位器。

背景技术

现场总线技术的开发始于20世纪80年代。随着微处理器技术的发展，计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联络的范围不断扩大。工业以太网EPA标准是我国第一个拥有自主知识产权的现场总线标准，也是我国迄今为止首个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准，实现了我国工业自动化领域国际标准零的突破。

而处于企业生产过程基层的测控自动化系统，仍在通过开关、阀门和传感测量仪表实现一对一的通信连接，用电压和电流的模拟信号进行测量控制，或采用某种自封闭式的集散系统，实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了产业本身的发展。

现场总线将是未来工业控制系统的发展方向，要实现企业的信息集成，实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行、可靠性高、实时性强和造价低廉的通信系统，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，实现现场设备之间以及自动化设备与外界的信息交换。本发明所涉及的基于EPA标准的智能阀门定位器对于扩大EPA应用领域具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于EPA标准的智能阀门定位器，解决现有阀门定位器无法进行数字化，网络化的问题。

为达到上述目的，采用的技术方案是：基于EPA标准的智能阀门定位器，包括通信卡和主控卡两部分，通信卡实现EPA网络的通信，主控卡实现气动调节阀的阀位控制，其特征在于：所述通信卡由网络变压器、以太网控制器、ARM微处理器、FLASH存储器以及电源电路构成，所述网络变压器实现EPA信号的隔离；所述以太网控制器用以实现网络数据的收发，所述电源电路从EPA信号中取能为各模块电路供电；ARM微处理器用以实现与以太网控制器之间数据的收发；所述主控卡由I/P转换单元、MSP430微处理器、监控面板、电位器构成，所述I/P转换单元还包括两个压电阀及其气路控制和放大部分，其功能在于将电信号转换为气动信号驱动阀位的动作；MSP430微处理器根据电位器的反馈信号实现对I/P转换单元的控制；按键和LCD显示作为监控面板，可以根据用户需求设置相关功能或菜单；所述ARM微处理器与MSP430微处理器之间通过Modbus协议实现双向数字通信。

所述ARM微处理器采用ARM7芯片AT91R40008。

所述ARM微处理器与FLASH芯片SST39VF1601连接。

所述以太网控制器采用与EPA芯片接口兼容的AX88796芯片。

本发明的优点是：采用全数字化的方式实现对气动调节阀的控制，并可通过EPA网络在工业以太网内与系统、仪表及终端实现数字化通信，具有较强的抗干扰能力和较快的通信速率；系统采用总线供电的方式，不需要额外电源，减少了安装的复杂性，提高了安全性和经济性；可使用户通过以太网接口对EPA网络中的智能阀门定位器进行控制和访问，使控制系统和现场仪表之间不仅能传输生产过程测量与控制信息，而且能够传输现场仪表大量的非控制信息，使得工业企业的管理控制一体化成为可能。

附图说明

以下通过实施例和附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明硬件连接方框图；

图2为A/D采样流程图；

图3为主程序流程图。

具体实施方式

由本发明硬件连接方框图图1所示可见，基于EPA标准的智能阀门定位器，包括通信卡和主控卡两部分，通信卡实现EPA网络的通信，主控卡实现气动调节阀的阀位控制，其特征在于：所述通信卡由网络变压器、以太网控制器、ARM微处理器、FLASH存储器以及电源电路构成，所述网络变压器实现EPA信号的隔离，提高系统的抗干扰能力；所述以太网控制器用以实现网络数据的收发，所述电源电路从EPA信号中取能为各模块电路供电；ARM微处理器用以实现与以太网控制器之间数据的收发；所述主控卡由I/P转换单元、MSP430微处理器、监控面板、电位器构成，所述I/P转换单元还包括两个压电阀及其气路控制和放大部分，其功能在于将电信号转换为气动信号驱动阀位的动作；MSP430微处理器根据电位器的反馈信号实现对I/P转换单元的控制；监控面板上按键和LCD显示可以根据用户需求设置相关功能或菜单；所述ARM微处理器与MSP430微处理器之间通过Modbus协议实现双向数字通信。

通信卡由网络变压器、以太网控制器、电源电路、ARM微处理器、FLASH构成。其中：

所述ARM微处理器采用ATMEL公司的ARM7芯片AT91R40008，它主要有高性能32位RISC体系结构、高指令密度的16位指令集、内嵌ICE单元、32位256K单周期访问SRAM、完全可编程外部总线接口、支持多达8条片选信号、体积小、性能稳定可靠，运算速度满足通信和控制的要求。

所述以太网控制器采用与EPA芯片接口兼容的ASIC公司AX88796芯片，实现了网络数据的收发。

所述ARM微处理器并不直接控制AX88796，它只对EPA芯片进行读、写操作。EPA芯片已经实现了与AX88796的通信接口，将要发送的数据传送到AX88796，同时读取AX88796接收缓存中的数据。EPA芯片通过16位数据总线与微控制器相连，实现接收来自微控制器的数据并将其加入到通信调度队列，同时实现接收来自AX88796的网络数据传送到微控制器。由于AT91R40008没有内置的FLASH，所以配置了FLASH芯片SST39VF1601，用以存放代码及数据。SST39VF1601为2M字节FLASH，与AT91R40008为16位数据总线接口。程序运行时，先将FLASH中代码拷贝到AT91R40008的内部SRAM中再运行，提高了运行速度和稳定性，降低了功耗。电源电路从以太网取电，并将24V电压转换为系统各模块所需要的电源电压。

主控卡由I/P转换单元、MSP430微处理器、监控面板(LCD显示和按键)、电位器构成。I/P转换单元还包括两个压电阀及其组成的气路控制和放大部分，其功能在于将电信号转换为气动信号驱动阀位的动作；MSP430微处理器功能在于一方面实现与ARM微处理器的数字通信，同时根据电位器的反馈信号实现对I/P转换单元的控制；按键和LCD显示作为监控面板可以根据用户需求设置相关功能或菜单。

本发明软件包括EPA通信卡软件和主控卡软件两部分。其特征在于EPA通信卡软件主要包括硬件驱动模块和EPA协议栈包。主控卡软件主要包括参数自整定程序、按键与LCD驱动、控制主程序和运行程序。本发明应用了标准的EPA协议栈，使本发明可以接入任何厂商标准EPA网络。A/D采样流程图和主程序流程图分别示于图2和图3。

(1)EPA通信卡软件

EPA协议栈软件采用了多任务的实时内核，主要模块有TCP/IP协议栈、IEEE1588精确同步协议引擎、EPA确定性调度引擎、EPA管理信息库、EPA应用服务和EPA管理服务。

硬件驱动程序模块包含了处理器的初始化(包括启动代码、外围设备配置、中断向量设置、堆栈设置等)、以太网控制器驱动程序(网络接口初始化及接收，发送数据)、Flash驱动等内容。

EPA协议栈软件实现三个方面的任务：即数据(包括实时和非实时数据)传输服务、为用户层提供的服务接口以及EPA管理服务(包括设备自动识别、系统时钟同步、系统工作状态的管理、设备位号及其他信息的管理等)。EPA通信基于UDP/IP协议，为用户层应用程序提供实时和非实时数据传输服务。EPA通信协议实现了客户/服务器、发布者/预订者、报告分发等三种通信机制，其中客户/服务器方式主要用于组态信息的上传/下载，设备信息的查询，以及用户自定义程序的下载等；而发布者/预订者通信则是用于生产过程实时信息(如测量、控制数据)的周期性传输等，通常采用广播、多播、单播的传输方式；报告分发则是用于控制过程报警信息的传输等，通常采用多播/广播发布的通信。

EPA应用层服务接口主要根据过程控制信息传输的要求，为用户层应用程序之间的数据通信开发，并实现以下服务：域管理、域上传、域下载、事件管理、事件报告、确认事件报告、改变事件监视条件、变量访问、变量读、变量写和信息分发服务。EPA管理服务是EPA通信协议中的重要组成部分。EPA系统管理主要完成以下几个系统管理功能：设备识别、对象定位、地址分配、时钟同步和功能块调度。IEEE1588也称之为PTP精确时钟同步协议，具有同步精度高的特点。在EPA协议栈软件中实现了完整PTP协议的精确时钟同步引擎。IEEE1588精确同步引擎主要包括时钟同步算法、本地精确时钟和本地数据集等模块。它通过TCP/IP以组播或者多播的方式收发EPA网络上的报文。本地时钟模块采用中断的方式，维护一个精确的本地时钟，精度可以根据实际需要来确定，理论上IEEE1588可以达到纳秒级的同步精度。EPA确定性调度目的是为了解决以太网报文发送的不确定性，EPA确定性调度保证在每个时刻网络上只有一个设备在发送报文，避免了网络上报文的碰撞所引起的报文发送不确定性。EPA确定性调度引擎实现了完整的EPA确定性调度机制。

(2)主控卡软件

本发明中的自整定主要包括以下几个方面：①确定执行机构正、反作用②确定执行机构的零点和行程③测定执行时间④确定最小脉冲⑤优化瞬时响应。