（一）基于單片機開發(fā)的智能顯示儀控制

    智能顯示儀是用來監(jiān)測閥門工作狀態(tài)，并控制閥門執(zhí)行期工作的儀器，它通過兩路位置傳感器監(jiān)視閥門的工作狀態(tài)，判斷閥門是處于開閥還是關閥狀態(tài)，通過編程記錄閥門開關的數(shù)字，并且有兩路與閥門開度對應的4～20mA輸出及兩足常開常閉輸出觸點。通過這些輸出信號，控制閥門的開關動作。根據(jù)系統(tǒng)的要求，可將智能閥門顯示儀從硬件上分為3部分來設計：模擬部分、數(shù)字部分、按鍵/顯示部分。

    1、模擬電路部分主要包括電源、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路三部分。

    電源部分供給整個電路能量，包括模擬電路、數(shù)字電路和顯示的能源供應。為了實現(xiàn)閥門開讀的遠程控制，需要將閥門的開度信息傳送給其他的控制儀表，同時控制儀表能從遠方制定閥門為某一開度，系統(tǒng)需要1路4～20mA的模擬量輸入信號和1～2路4～20mA的模擬量輸出信號。模擬量輸入信號通過A/D轉換變成與閥門開度相對應的數(shù)字信號后送給數(shù)字部分的單片機，在單片機中對它進行濾波處理后就可以輸出了。閥門的開度信息通過D/A轉換后變成模擬信號輸出，用來接顯示儀顯示閥門開度或連接其他的控制設備。在本設計系統(tǒng)中，所有的數(shù)字量數(shù)據(jù)均采用串行的輸入輸出方式，為了節(jié)省芯片資源和空間，輸入的4～20mA的模擬量在轉化為數(shù)字量時，采用已有的4路DA芯片與單片機的系統(tǒng)資源相結合作8位的AD使用。

    2、數(shù)字電路部分主要包括：單片機、掉電保護、兩路監(jiān)測脈沖輸入信號、兩路常開常閉轉換觸點輸出。

    在設計方案中選用目前普遍使用的51系列單片機AT89C4051。AT89C4051是一款低電壓、高性能的CMOS8位微控制器，它具有4K字節(jié)的可擦除、可重復編程的只讀閃存。通過在單芯片內(nèi)復合一個多功能的8位CPU閃存，在性能、指令設定和引腳上與80C51和80C52*兼容。

    考慮到在系統(tǒng)掉電或重新啟動時，需要保持先前在儀表中設置的一些閥門參數(shù)，而單片機中的數(shù)據(jù)存儲器不具備掉電存儲功能，所以在片外擴展了一個具有掉電保存功能的芯片X5045。X5045是一種集看門狗、電源監(jiān)控和串行EEPROM3種功能于一身的可編程電路，這種組合設計可以減少電路對電路板空間的需求，X5045中的看門狗為系統(tǒng)提供了保護，當系統(tǒng)發(fā)送故障而超過設定時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU作反應。X5045提供了三個時間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護系統(tǒng)免受低電壓的影響，當電源電壓降到允許范圍以下時，系統(tǒng)將復位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲器與CPU可通過串行通信方式接口。共4069位，可以按512×8個字節(jié)來放置數(shù)據(jù)。

    X5045的管腳排列，它共有8個引腳，各個引腳的功能如下：

    CS：電路選擇端，低電平有效；

    SO：串行數(shù)據(jù)輸出端；

    SI：串行數(shù)據(jù)輸入端；

    SCK：串行時鐘輸出端；

    WP：寫保護輸入端，低電平有效；

    RESET：復位輸出端；

    Vcc：電源端；

    Vss：接地端。

    INA為輸入信號，是由光電傳感器采集到的閥門脈沖信號（<10mA）。該信號經(jīng)旁路電容濾波后送入光耦，轉換成了輸出的OUT電壓信號送入單片機。輸出的電壓可直接進入單片機的I/O口。在控制中，要求A、B兩路脈沖都接收到的時候，才認為是由信號輸入，AB為正轉，BA為反轉。只有一路信號輸入時不計數(shù)。

    兩路常開、常閉轉換觸點輸出。用來連接電磁閥，通過控制電磁閥的吸合來控制氣動執(zhí)行機構作相應的開閥或關閥動作。

    3、顯示部分主要包括：單片機、4位LED顯示、3只狀態(tài)指示燈（自動、正轉、反轉）、3只按鍵（MODE/SET鍵、上鍵、下鍵）。

    顯示部分采用AT89C4051單片機，用來控制4位LED顯示，且同數(shù)字部分的單片機進行通訊，還要對控制儀的模式做相應的選擇和控制。顯示儀上設計有3只狀態(tài)指示燈用來顯示執(zhí)行機構的狀態(tài)：正轉、反轉、自動；3只按鍵：MODE/SET鍵、上鍵、下鍵，控制執(zhí)行機構的工作模式和一些參數(shù)的初始化。這3部分通過接口連接，構成一個完整的控制系統(tǒng)，可以對一些類似氣動馬達等的執(zhí)行機構進行控制。在實際應用中基本實現(xiàn)了預先要求的各種性能指標。

    （二）利用PLC來控制的系統(tǒng)

    PLC在控制系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，由于本方案是在OMRON的PLC上面作的開發(fā)，所以以OMRON的PLC來作介紹。

    硬件組成：1臺計算機，1套PLC（包括CPU，I/O模塊，ID212，OC224，AD003模塊），2個繼電器，2個電磁閥，1個氣動閥門執(zhí)行器。

    其組成原理為：由PC機通過RS-232串口通訊連接OMRON的PLC，對PLC進行編程和監(jiān)控。PLC的I/O模塊分別接入輸入、輸出信號，其中輸入模塊連接到閥門上的兩個位置傳感器，通過PLC的輸入模塊ID211的指示燈亮的先后順序來顯示閥門的開關狀態(tài)。輸入模塊接收兩路閥門檢測脈沖輸入，即脈沖A與脈沖B。在運行狀態(tài)下，脈沖A輸入時指示燈A亮，脈沖B輸入時指示燈B亮。輸入順序為AB，表示開閥。輸入順序為BA表示關閥。閥門檢測脈沖A和B信號必須部分疊加，否則不能正常檢測閥門開度。

    通過PLC的輸出模塊OC225控制兩個繼電器，繼電器具有兩組常開常閉輸出觸點，1組為開閥輸出觸點，1組為關閥輸出觸點。開閥時，當閥門開度大于或等于所設閥門限位值時開閥輸出觸點動作，閥門開度小于所設閥門限位值時開閥輸出觸點動作，發(fā)明開度小于所設閥門限位值時開閥輸出觸點復位。關閥時，當閥門關到零位且21s內(nèi)無脈沖輸入時關閥輸出觸點動作；若21s內(nèi)有脈沖輸入，則延時21s關閥輸出觸點動作。通過繼電器的吸合來控制兩個電磁閥的開關，電磁閥打開后，便可以控制氣動閥門執(zhí)行器使得閥門做相應的開閥或關閥動作。同時接近傳感器把閥門的開關情況再傳送到PLC中，并同要求的閥門開度作比較，直到符合要求為止。

    自動歸零與自動調(diào)滿：控制系統(tǒng)具有自動歸零與自動調(diào)滿功能，當閥門開度小于歸零范圍值或閥門開度距滿量程小于滿度調(diào)節(jié)范圍值，且時間大于或等于所設值穩(wěn)定時間值時，PLC自動控制閥門進行歸零或自動調(diào)滿。

    在實驗中，由閥門上的位置傳感器計算閥門的開度。

    當閥門先離開A傳感器，后離開B傳感器時，表示閥門在關閥。當閥門先離開B傳感器，后離開A傳感器時，表示閥門在開閥。傳感器接收到的是一個脈沖信號，通過位置傳感器的采集信號來記下閥門的開關狀態(tài)。

    在上位機中用編程軟件CX-programmer編寫梯形圖，然后把梯形圖下載到PLC中運行，在上位機的組態(tài)軟件中進行控制和監(jiān)控，閥門開關量的多少可由組態(tài)軟件界面輸入的圈數(shù)值確定。組態(tài)界面做好后，開閥、關閥、停止、總開關等控件的控制和動作可以直接在組態(tài)界面中很直觀形象地進行操作。

    氣動閥門執(zhí)行器工作原理

    利用壓縮空氣推動執(zhí)行器內(nèi)多組組合氣動活塞運動，傳力給橫梁和內(nèi)曲線軌道的特性，帶動空芯主軸作旋轉運動，壓縮空氣氣盤輸至各缸，改變進出氣位置以改變主軸旋轉方向，根據(jù)負載（閥門）所需旋轉扭矩的要求，可調(diào)整氣缸組合數(shù)目，帶動負載（閥門）工作。