基于CAN总线的多通道开度阀控制系统的设计

程鲲鹏，杨 杰，刘新辉，李有创，戴 林，姜 耀

(1.江苏远望仪器集团有限公司技术部，江苏 泰州 225508；2.江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

目前，电动阀门已广泛应用于船舶、化工和航空等领域，主要用于控制气体、水或其他腐蚀性介质等类型流体的流动[1]。传统的电动阀门控制系统主要使用PLC进行远程控制，但PLC方案往往具有控制价格较高和不利于系统集成化等缺点[2-3]。根据项目实际需求，本文设计了一种面向开度型电动阀门的低成本、网络化控制系统，主要应用于浮船坞浮态的自动控制。其中，控制芯片采用高性能单片机STM32以替代原PLC实现的开度控制及状态显示等功能，并使用CAN总线进行组网通信。

1 总体方案设计

1.1 网络化控制

本阀门控制系统基于CAN总线[4-5]进行设计，其拓扑结构如图1所示，主要由上位机、CAN收发器和若干控制器节点3部分组成。上位机是系统的控制终端，负责各阀门开度指令的下达及其实际开度大小的监测反馈。控制器节点即为本文所设计的下位机控制模块，它能够面向各阀门发出具体的操控指令，并对各阀门反馈的开度状态进行实时采集、显示或上传。系统采用了电源隔离型CAN收发器芯片ADM3053，以便整个CAN网络中各节点在CAN协议控制器与物理层总线之间实现完全隔离，避免可能存在的多节点连带损坏的风险。

图1 CAN网络拓扑结构

1.2 下位机控制架构

下位机阀门控制器的硬件组成如图2所示。该控制器采用双MCU架构，通过主、从MCU的合理分工，有效保障了控制系统的实时性及其控制精度。其中，主控制器采用STM32F105VCT6芯片，主要负责与上位机进行CAN通信、阀门开度的闭环控制，以及对应开关量输入/输出的管理；从控制器采用STM32F103RCT6， 主要负责阀门实际开度反馈电流信号的实时采集和OLED屏幕的显示。

图2 控制器总体框架

另外，逻辑控制芯片主要用于系统中相关开关量的I/O管理，主要涉及到：不同工作模式下的开/关阀输出信号、阀门状态反馈输入信号，通过拨码开关实现的阀门延时操作设置或故障模拟设置、阀门控制器ID地址及CAN通信波特率设置等。

1.3 设计要点

在进行系统设计时，要注意以下几点要求:

a.阀门开度的控制。阀门使用4～20 mA电流信号进行实际开度大小反馈。在阀门运行过程中，采用了硬件电路滤波和软件数字滤波相结合的方法，有效保障了反馈电流的高精度检测。同时，系统采用了模糊PID控制算法，有利于提高开度阀在工况条件发生变化时的控制精度。另外，系统设计有全开/全关到位反馈电路。

b.阀门的控制模式。根据项目实际需求，为了满足不同应用场合对开度阀提出的不同控制需求并便于系统调试，系统设计有3种不同控制方式：现场电控柜控制、现场模拟板控制、基于CAN总线的上位机远程控制。

c.故障报警。在阀门控制过程中，可能会遇到某些故障问题，所以系统设计有故障检测功能，如常见的开、关到位故障。当发出阀门操作指令后，若在规定的时间没有接收到对应的阀门开度反馈电流信号，则立即启动阀门故障检测程序。

d.抗干扰设计。本阀门控制器最终将安装在船上，其实际工作环境难免会存在各类干扰。为提高系统的可靠性，MCU输出端均采用了光耦隔离保护，以避免外界干扰可能给单片机造成的损坏。

2 关键电路设计

2.1 控制信号输出电路

开度阀使用4～20 mA电流作为开度控制信号，其输出电路如图3所示。此电路使用了TI公司的XTR111(U3)芯片，该芯片仅需在其VIN引脚输入0～3 V的电压，就能线性输出0～20 mA电流。本文使用主控制器内置的DAC直接输出0～3 V电压信号，经过上述转换电路后得到输出范围为0～20 mA的电流信号。在保障阀门开度控制电流段4～20 mA的基础上，可利用0～4 mA段进行控制电路故障的判断。

图3 开度控制信号输出电路

2.2 电流采集电路

因对阀门反馈的4～20 mA电流信号直接进行采样较为困难，故先利用1个150 Ω采样电阻(R2)进行I/V转换，然后再通过电压跟随器OPA4171(U1)进行输出。BAS70-04TL1(U4)主要用于限幅保护，使单片机A/D转换输入电压不大于3.3 V，以预防因其可能超限而损坏单片机芯片。具体电路如图4所示。

图4 电流采集电路

3 系统软件设计

3.1 开度控制软件流程

如图5所示，上位机通过CAN通信发送指令给主MCU，主控制器通过解析功能码执行不同的功能程序；主MCU使用PID模糊算法对控制参数进行动态调整后输出对应控制信号。从MCU通过内置软件滤波算法对开度反馈电流进行实时检测，转换为阀门开度值后通过OLED屏幕显示出来，同时将其通过定义好的通信协议发送给主MCU。主MCU通过比较上位机发送来的预期开度与从MCU检测到的实际开度的差值大小，给各阀门发出相应的开/关控制信号。

图5 阀门开度控制软件流程

3.2 模糊PID参数优化

本文设计的控制器采用了模糊PID算法[6-7]，其基本思想如图6所示，程序代码采用C语言编写。

图6 模糊PID控制基本原理

阀门通过检测反馈电流大小获取阀门实时开度值，计算此时实际开度与预期开度的偏差E以及当前偏差与上一次偏差的变化率EC。首先，程序需要对E和EC进行模糊化，开度偏差E的变化区间是0到100，需要将E的区间分成8个部分：(0～12.5)、(12.5～25.0)、(25.0～37.5)、(37.5～50.0)、(50.0～62.5)、(62.5～75.0)、(75.0～87.5)、(87.5～100.0)。然后将12.5、25.0、37.5、50.0、62.5、75.0、87.5分别用NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB表示。通过反馈电流值可以计算出当前的E和EC，通过模糊规则表1可以判断出它们的隶属度。

表1 模糊规则表

在计算出输出值的隶属度后，将输出值的假设区间4～20(对应4～20 mA控制电流信号)划分为8个部分，即7个隶属值NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。根据隶属度乘以相应的隶属值算出输出值的解。

在本系统中，通过将模糊规则二维查询表固化在单片机程序中，阀门控制器根据给定的模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行清晰化，即可输出实时的阀门控制PID参数。

3.3 基于CAN总线的通信协议

系统采用双CAN通信冗余设计，有效保障了上位机控制指令的高效、准确传递，并利用CAN通信能主动报错的优势，以便在快速发现通信故障的基础上通过双CAN口的自动切换，实现上、下位机之间可靠的远程通信。其中，控制器使用CAN_ID作为指令的识别码，CAN_ID由(控制板序号)+功能码组成。例如：ID为0x_ _ 9(_ _为控制板的序号，9为主CAN开度对应的功能码)，主CAN收发器对4路阀门进行开度操作，前4个字节分别对应4个阀门的开阀动作，后4个字节保留不使用，0x00表示开度为0%，0x64表示开度100%。通过设定不同的功能码，控制器可以实现开度指令下达、实时状态反馈和故障信息报警等功能。

此外，针对运行过程中的故障，在程序中编写了故障检测机制。控制器对阀门执行的开度指令进行分析，通过计算得出阀门开到预期开度所需要的时间，如果超过限定时间3 s还未开到预期开度值，将会主动触发故障警报，控制器通过CAN通信将故障指令发送给上位机，通过这样主动检测故障的方式，可以及时排除故障，避免事故的发生。

4 实验分析

本文所设计的下位机控制器实物及其测试场景如图7所示。通过对开度型电动阀门QTA-15进行开度控制测试，以检验阀门控制器的控制精度及其工作稳定性。实验时，使用上位机通过CAN网络发送开度功能对应的ID功能码(0x_ _ 9)以及需要进行的开度值(0～100%)控制指令，使阀门开至指定开度值，并将阀门上显示的实际开度值与预期开度值进行对比分析。

图7 控制系统性能测试

4.1 精度实验

将阀门开度值按0(全关)—100%(全开)—0(全关)的测试顺序进行全周期内的开/关阀测试，开度间隔为5%，其测得的某组实验数据如图8所示。其中，开度误差指实际开度值与预期开度值的绝对差值。

图8 阀门控制误差曲线

实验表明：采用模糊PID控制算法后，能够使下位机对阀门的控制精度达到0.6%以内，可以满足一般的现场工业控制需求[8]；阀门开度误差带有随机性，难以实现零偏差控制，这是由于控制器输出的控制电流信号是在一定区间上下波动的，阀门输出电流采样时也会存在随机噪声。另外，电机转动及执行机构存在的偏差同样难以避免。故在阀门开度控制过程中，不宜过度追求零偏差控制，否则阀门会在预期开度值附近出现频繁的开、关阀操作，这不利于保证阀门的使用寿命。

4.2 重复性实验

进行重复性实验时，将阀门开度从0直接开至50%，重复10次，测得的数据如表2所示。

表2 重复性实验数据

用贝塞尔法计算上述数据的标准差，可得

5 结束语

本文设计了一种基于CAN总线的网络化开度阀控制系统，弥补了传统PLC控制方案价格高昂和可嵌入性差的缺陷，在所需开度阀数量较多的场合，可迅速扩充其通道数，从而实现多通道开度阀的网络化控制；使用模糊PID进行开度偏差控制，使阀门能够迅速稳定在指定开度值附近，并可在船舶载荷突变情况下依然具有良好的控制精度。目前，该控制系统已经在某型散货船上进行了装机测试，能够满足在浮船坞浮态控制系统中对泵舱压载进排水遥控阀的实际需求。