新型智能阀门控制器的研究
2013-12-01唐鹏辉张云贵王丽娜
唐鹏辉 张云贵 王丽娜
(中国钢研冶金自动化研究设计院混合流程工业自动化系统及装备技术国家重点实验室，北京 100071)
0 引言
电力载波通信是指将信号加载到工频上，将电力线作为信息传输媒介的一种通信方式。电力载波通信的最大特点是不需要重新架设网络，可节约大量成本。采用电力线通信具有实现成本低、数据传输速率高、永远在线、通信范围广等优点［1-2］。
电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术［3］。双向可控硅为无触点式开关，无火花、寿命长、体积小、无噪声。其控制回路为弱电控制，耗电小且更新方便;具有良好的开关特性，操作者只需接触安全的低压直流电源。
随着时代的进步，如何进一步提高人防工程等控制系统的智能化，如何在降低成本的同时简化系统的设计、安装、调试和维护过程，已成为一个至关重要的问题［4-5］。与此同时，在传统的接触器正反控制电路中，接触器存在主触头拉弧和火花问题，容易造成主回路相间的短路，造成电动机断相运行而破坏电机，更为严重的是引起火灾。
为有效解决以上两个问题，本文设计了一款新型阀门控制器。本控制器将主要应用在人防工程中。
1 控制器的组成及工作原理
1.1 硬件设计
控制器主要由通信部分和用户电路两部分组成。通信部分主要由神经元芯片PL3120核心板、电源和耦合电路等组成，负责电力载波通信、检测数据处理和控制输出。用户电路部分主要由阀门正反转控制电路、电流检测电路、数字量状态采集电路和状态输出电路等组成，负责执行通信板的控制命令、采集控制器本身和控制负载的运行状态、提供报警显示和故障处理等功能。控制器硬件电路框图如图1所示。
图1 控制器硬件电路框图Fig.1 Hardware circuit of the controller
1.1.1 电力载波芯片PL3120核心板
电力载波芯片PL3120核心板由PL3120芯片、晶振和电阻电容等器件组成。PL3120采用ANSI/EIA 709.1协议标准，通过LonWorks网络实现点对点之间的通信，主要应用于电力载波领域。PL3120芯片输入时钟频率可设置为 10 MHz，工作于 C波段，通信速度为5.4 kbit/s［6］。PL3120芯片具有以下特点:①采用窄带BPSK电力线信号调制;②双载波频率通信方式;③通过前向纠错算法(FEC)加循环冗余校验，克服数据包错误问题;④具有1 Ω输出阻抗，能实现低阻抗电路高电平信号传输，同时保持极其微弱的输出信号失真;⑤能适应全球范围内多种通信标准。
1.1.2 电源部分
控制器需要直流电压VA和直流电压VDD5两个直流电压。本设计中采用两级电源转换，由交流220 V转换到直流电压VA，然后由VA转换成直流电压VDD5。电源电路如图2所示。
图2 电源电路Fig.2 Circuit of power supply
220V交流电压通过变压器T1转换成低压交流电压，整流桥D1将低压交流电压转换成直流电压。C1为储能电容，C2、C3为滤波电容;稳压芯片LM317T将整流桥输出的不稳定直流电源转换成VA输出，VA=1.25(1+R2/R1)+ⅠR2;D2、D3为保护二极管，防止电压反向破坏稳压芯片。电源变换芯片78L05将VA电压转换成VDD5电压;C12、C13为滤波电容，C14作为旁路电容，起稳定电源电压的作用。
1.1.3 耦合电路
耦合电路的目的是从电力线上提取载波信号，并将其送入放大电路，然后将输出信号耦合到电力线上。耦合电路设计是否合理将直接关系到电力载波效率［7-8］。耦合电路设计必须做到输出阻抗尽可能小，这样信号才不会被输出阻抗消耗;同时输入阻抗必须足够大，以保证信号基本不会被线路阻抗分掉［9］。耦合电路设计原理如图3所示。
图3 耦合电路Fig.3 Coupling circuit
图3中，T1为通信耦合变压器，它将电力网络与内部电路隔离。同时，它也是耦合电路输入阻抗的一部分，起到提高输入阻抗、减少信号由于分压而导致损失等作用。TXOUT、RXIN为PL3120上的发送接收管脚，发送信号经T1通过C3发送出去。D5、D6两个二极管起钳压作用，以抑制电路浪涌电压，C2的作用是防止TXOUT的直流偏置电压加载到RXIN管脚上。
1.1.4 电机正反转控制电路
对阀门正反转的控制主要通过换相来实现。正反控制电路如图4所示。
当PL3120收到手动或远程开关命令，命令经过处理后，PL3120芯片通过I/O口DIO1(DIO2)控制三极管T1(T2)的通断，驱动光耦MOC3063的发光二极管，并间接驱动双向可控硅通断，以达到控制阀门的正反转和停止操作。
图4 正反控制电路Fig.4 Bi-directional control circuit
1.1.5 电流检测电路
电流检测电路的原理为:电机供电线穿过精密电流互感器T63的初级端，在T63次级端产生感应电流;经整流和电容储能等转换成电压信号，电压信号输入到ADC芯片的Vin3端，ADC芯片将模拟信号转换成数字信号后输入3120控制器。电流检测电路如图5所示。
图5 电流检测电路Fig.5 Current detection circuit
1.2 软件设计
控制器软件的作用主要是配合硬件实现各个功能。控制器可以通过数字开关量输入选择工作模式。工作模式分为远程自动模式和手动模式两种。在远程自动模式下，控制器通过电力载波方式与上位机通信，接收上位机命令，但不接收物理开关输入;在手动模式下，控制器接收手动物理开关输入。此时控制器只向上位机报告运行状态，但不接受上位机控制。其工作过程如下。
当控制器接收到控制命令时，先进行数据处理。处理结果通过I/O口向外输出控制信号，并通过检测负载状态等信息来判断控制目的是否实现。若达到控制目的，软件将不断检测运行状态，并通过网络将运行状态上传给上位机;如果没有达到控制目的，将作为故障进行相应处理，并上传相应故障信息。
2 现场测试
为验证本次设计控制器的实用性和可靠性，在石景山区人防工程指挥所进行了现场测试。测试分为通信质量测试和功能测试。
2.1 通信质量测试
现场测试主要是在不同条件下，通过Lonscaner软件测试新型阀门控制器的通信可靠性和适应性。测试数据主要有:平均带宽利用率、最高带宽利用率、通信平均错误率、平均通信数据包率、最大包数率、正确数据包总数、正确数据包比例、询问数据包比例和应答数据包比例［10］。现场测试数据如表1所示。
表1 现场测试数据Tab.1 Field test data
通过以上现场测试数据可知，在有一定干扰的环境下，通信数据包的正确率仍能达到99.89%以上，带宽占用率低于80%，询问包与应答包的比例差小于3%。
2.2 功能测试
测试现场中的功能测试项目包括:手动开阀控制、手动关阀控制、上位机远程开阀控制、上位机远程关阀控制、电流检测、报警输出、故障处理、开到位检测、关到位检测、手动故障清除和远程故障清除等。
通过功能测试可知，控制器和负载的各项状态检测、状态显示及输出控制实时准确。
3 结束语
通信的智能阀门控制器［11-15］，在人防电力环境下的通信稳定可靠，达到了良好的通信指标;该装置在功能上满足所要求的阀门控制功能，满足人防应用的智能监控要求;能够达到降低成本的目的;能有效避免交流接触器存在主触头拉弧和火花的问题，实现了最初的设计目标。
［1］汤效军.“十一五”期间电力线载波通信的发展对策［J］.电力系统通信，2006，27(10):75-79.
［2］Wang Qinruo，Gong Shiwei.Communication reliability design of lowvoltage power line communication system ［J］.IEEE International Conference on Systems，2003(4):3030-4044.
［3］王兆安，刘进军.电力电子技术［M］.5版.北京:机械工业出版通过测试，得出如下结论:本文设计的基于电力载波社，2009.
［4］吴起飞.人防工程智能技术应用研究(研究报告)［R］.北京:总参工程兵国防工程研究设计所，2004.
［5］李研.现场总线技术在防护工程中的应用研究(研究报告)［R］.北京:总参工程兵国防工程研究设计所，2003.
［6］张云贵，王丽娜，张声勇.LonWorks总线系统设计与应用［M］.北京:中国电力出版社，2010:30-31.
［7］高峰，董亚波.低压电力线载波通信中信号传输特性分析［J］.电力系统自动化，2000，24(7):36-40.
［8］Radford D.Spread spectrum data leap through AC power wiring［J］.IEEE Spectrum，1996，7(5):456-469.
［9］梁秀敏，于鹏.基于低压电力线载波通信的耦合技术电路研究［J］.装备制造技术，2009(8):35-37.
［10］袁新明，毛根海，张土乔.阀门流道流场的数值模拟及阻力特性研究［J］.水力发电学报，1999(4):60-66.
［11］沈新荣，李江莉，李增珍.一种新型电动蝶阀调节特性的数值计算及实验研究［J］.液压与气动，2006(5):47-49.
［12］杜建华，张认成.基于低压电力载波通信的温度采集系统［J］.仪表技术与传感器，2007(5):31-34.
［13］陈凤，郑文刚，申长军，等.低压电力线载波通信技术及应用［J］.电力系统保护与控制，2009，37(22):188-195.
［14］李建岐，李祥珍.配电网载波通信耦合方式的探讨［J］.电力系统通信，2007，28(4):34-38.
［15］胡威.电力载波高频阻波器自动测试系统［J］.中国电力，2003，36(2):63-66.
