電動(dòng)閥門(mén)智能控制器工作原理

                 電動(dòng)閥門(mén)智能控制器工作原理

                    上海申弘閥門(mén)有限公司

之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項(xiàng)，現(xiàn)在介紹電動(dòng)閥門(mén)智能控制器工作原理以AT80C2051作為微控制器設(shè)計(jì)電動(dòng)閥門(mén)智能控制器，完成了電動(dòng)閥門(mén)的位置檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制信號(hào)轉(zhuǎn)換、參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整、閥門(mén)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及鍵盤(pán)、顯示等硬件電路設(shè)計(jì)，在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了系統(tǒng)的PID算法，完成了電路中相應(yīng)的軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證了操作的可靠性與性。運(yùn)用RS-485實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心間的通訊，在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)儀表控制的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與遠(yuǎn)程化，便利了操作，拓寬了閥門(mén)的使用環(huán)境范圍，節(jié)約了成本。組態(tài)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果表明：該裝置線(xiàn)性關(guān)系較好，動(dòng)作時(shí)間短，具有較高的精度與友好的人機(jī)界面，誤差在0.3%以?xún)?nèi)。

在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制中，調(diào)節(jié)閥是主要的執(zhí)行器件之一，在石油、化工、電力、水利等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。但國(guó)內(nèi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥技術(shù)與國(guó)外相比還有很大差距，國(guó)內(nèi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥普遍具有結(jié)構(gòu)不合理，控制精度低，安全性能差，不能很好地進(jìn)行人機(jī)通話(huà)、難于現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和維修等缺陷。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)及通訊技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)閥門(mén)廠(chǎng)家紛紛對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行研究，各項(xiàng)指標(biāo)和性能都有所提高，但是相應(yīng)的成本也提高不少，價(jià)格比較昂貴的。為此研究一款價(jià)格實(shí)惠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、便于現(xiàn)場(chǎng)操作和集中控制的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。



1、電動(dòng)閥門(mén)智能控制器工作原理硬件結(jié)構(gòu)
1.1、總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件電路主要由閥門(mén)的位置反饋信號(hào)檢測(cè)、遠(yuǎn)端控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整電路所構(gòu)成的模擬量輸入通道、A/D轉(zhuǎn)換、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)及減速運(yùn)行的輸出電路、D/A轉(zhuǎn)換和外圍鍵盤(pán)顯示等電路以及上位機(jī)遠(yuǎn)程通訊等組成，如圖1所示?？刂浦行男盘?hào)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)度的反饋信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定和靈敏度信號(hào)調(diào)整通過(guò)TL2543進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送到AT89C2051微控制器，微控制器根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以控制電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反運(yùn)轉(zhuǎn)和全開(kāi)全關(guān)運(yùn)行，使得閥門(mén)快速達(dá)到設(shè)定開(kāi)度。采用LCD實(shí)時(shí)顯示閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度值，通過(guò)RS-485通訊直接將閥門(mén)現(xiàn)場(chǎng)反饋信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的上位機(jī)，在上位機(jī)的組態(tài)界面上進(jìn)行顯示，以記錄閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)情況。同時(shí)中控中心的工作人員可以通過(guò)組態(tài)監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度進(jìn)行設(shè)定，信號(hào)通過(guò)RS-485直接送回給控制器進(jìn)行操作。在電動(dòng)閥門(mén)出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可以及時(shí)地做出報(bào)警，同時(shí)控制中心組態(tài)監(jiān)控也會(huì)發(fā)出報(bào)警，以采取相應(yīng)的保護(hù)措施。通過(guò)D/A將閥的開(kāi)度轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，傳輸給遠(yuǎn)程控制中心的模擬量采集模塊，以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與顯示。

1.2、輸入通道電路設(shè)計(jì)

輸入通道主要由閥門(mén)位置檢測(cè)信號(hào)、遠(yuǎn)端控制中心信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整電路與A/D轉(zhuǎn)換電路組成。用安裝在閥門(mén)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的位置變送器來(lái)檢測(cè)實(shí)際開(kāi)度反饋信號(hào)，位置變送器是高性能的導(dǎo)電塑料精密旋轉(zhuǎn)電位器，具有較高分辨力的、高性能的經(jīng)濟(jì)類(lèi)型產(chǎn)品。電位器旋轉(zhuǎn)角度和閥門(mén)開(kāi)度有線(xiàn)性關(guān)系，旋轉(zhuǎn)電位器將閥門(mén)開(kāi)度情況轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的角度信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所接收1～5V的DC電壓信號(hào)，因此可以依據(jù)電壓和角度的線(xiàn)性關(guān)系得到相應(yīng)的位置信號(hào)。閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度反饋信號(hào)閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度經(jīng)過(guò)位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)MA2，經(jīng)過(guò)射級(jí)跟隨器進(jìn)行阻抗處理變化之后的信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換芯片TL2543的IN1口。電路如圖2所示，其中VD3、VD45起到鉗位作用。



* BFC（A）型電動(dòng)閥門(mén)控制器是在原BFA型電動(dòng)閥門(mén)控制器基礎(chǔ)上重新開(kāi)發(fā)的新一代智能型控制器。由于在控制器中采用了微處理器技術(shù)使得電動(dòng)裝置控制器的控制功能、對(duì)電動(dòng)裝置的保護(hù)功能及對(duì)不同廠(chǎng)家電動(dòng)裝置的適應(yīng)能力有了顯著的提高。同時(shí)降低了對(duì)安裝調(diào)試人員的技術(shù)要求。
* BFC（C）型電動(dòng)閥門(mén)控制器新增加了PLC計(jì)算機(jī)接口。在自控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)、PLC或自動(dòng)化儀表可通過(guò)此接口得到電動(dòng)閥門(mén)的工作狀態(tài) （無(wú)源觸點(diǎn)）信號(hào)、電動(dòng)閥門(mén)的閥位開(kāi)度（4~20mA）電流信號(hào)，也可以通過(guò)這個(gè)接口發(fā)出“開(kāi)閥”“關(guān)閥”（無(wú)源觸點(diǎn)）信號(hào)，控制電動(dòng)閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)。由于PLC接口的加入，使含有電動(dòng)閥門(mén)的自控系統(tǒng)提高了通用性、可靠性和抗干擾能力。

2、BFC型智能電動(dòng)閥門(mén)控制器 特點(diǎn) 
* 開(kāi)度數(shù)字顯示，零點(diǎn)滿(mǎn)度自動(dòng)設(shè)定。開(kāi)、關(guān)到位、 外控/本機(jī)、力矩/保護(hù)LED顯示。 
* 按鍵音提示；開(kāi)、關(guān)向出力矩保護(hù)及事故（電機(jī)過(guò)電流、電機(jī)過(guò)熱、堵轉(zhuǎn)等）保護(hù)聲光報(bào)警（帶消音功能）
* 開(kāi)、關(guān)向工作過(guò)程閃光提示。
* 電源相序自動(dòng)邏輯校正。
* BFC（C）型控制器，上位控制裝置可透過(guò)PLC接口，以位式控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)與關(guān)。 
* 外形及安裝尺寸、外電路接線(xiàn)與前期產(chǎn)品*兼容利于老用戶(hù)產(chǎn)品更新?lián)Q代。

注：壁掛式電動(dòng)閥門(mén)控制器，型號(hào)規(guī)格標(biāo)示，戶(hù)內(nèi)壁掛式-G1，戶(hù)外壁掛式-G2，示例：
BFC-2A-G1型 戶(hù)內(nèi)壁掛式電動(dòng)閥門(mén)控制器
BFC-2C-G2型 戶(hù)外壁掛式電動(dòng)閥門(mén)控制器，帶PLC接口。



4、BFC型智能電動(dòng)閥門(mén)控制器 技術(shù)數(shù)據(jù) 
* 電源電壓：220V/50Hz （單相）/ 380V/50Hz（三相四線(xiàn)）  
* 輸出信號(hào)：位式（無(wú)源觸點(diǎn)）1=ON；0=OFF。
* 輸出：4~20mA，閥門(mén)位置電流精度1%；負(fù)載能力600Ω。
* 工作環(huán)境： 環(huán)境溫度-10~+40℃， 相對(duì)濕度≤80%（20℃±5℃）， 周?chē)缓袕?qiáng)腐蝕性、易燃易爆介質(zhì)。
* 外形尺寸：盤(pán)裝式160*80*240（開(kāi)孔尺寸152*76）；戶(hù)內(nèi)壁掛式360*250*160；戶(hù)外壁掛式430*300*250。

工業(yè)生產(chǎn)中傳送的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)可能是4～20mA的直流電流，也可能是1～5V的直流電壓，控制中心的信號(hào)為4～20mA的電流信號(hào)，當(dāng)來(lái)自控制中心的信號(hào)MA1經(jīng)過(guò)圖3所示的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路時(shí)，預(yù)先應(yīng)當(dāng)將MK2閉合，此時(shí)電流輸入信號(hào)經(jīng)電阻R2、GND形成回路，4～20mA的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電阻R2流向地，此時(shí)的輸入電流信號(hào)就被轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號(hào)，即A/D轉(zhuǎn)化器TL2543的IN0口的電位。亦即信號(hào)的小值4mA或1V對(duì)應(yīng)精密電位器的小值，也相當(dāng)于閥門(mén)的起點(diǎn)位置。信號(hào)大值20mA或5V對(duì)應(yīng)精密電位器的大值，也相當(dāng)于閥門(mén)滿(mǎn)度位置。



位置采集信號(hào)轉(zhuǎn)化電路
圖3 位置采集信號(hào)轉(zhuǎn)化電路

為使閥門(mén)執(zhí)行器能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中不同型號(hào)與口徑閥門(mén)，滿(mǎn)足各種的閥門(mén)裝置具有不同的初始位置和滿(mǎn)度位置，提高系統(tǒng)的靈敏度，增強(qiáng)通用性，做到測(cè)量的性，采用3個(gè)滑動(dòng)電阻RP1、RP2、RP3構(gòu)成調(diào)零、調(diào)滿(mǎn)和調(diào)靈敏度電路，使閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的零點(diǎn)和大角位移都在一定范圍內(nèi)可調(diào)，減小誤差。調(diào)零(ZERO)、調(diào)滿(mǎn)(SPAN)、靈敏度(PROP)電路如圖4所示。IN2、IN3、IN4端的電壓就為傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換TL2543的調(diào)滿(mǎn)、調(diào)零和靈敏度信號(hào)。閥門(mén)在運(yùn)行之前要將這些信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換反饋到為微控制器中進(jìn)行處理，來(lái)控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)下一步的轉(zhuǎn)向。

1.3、閥門(mén)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

微控制器將轉(zhuǎn)換之后的控制信號(hào)、閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度反饋信號(hào)、靈敏度信號(hào)等進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，判斷閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)該向哪個(gè)方向運(yùn)行，從而向?qū)?yīng)的I/O口送出相應(yīng)的TTL觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)2個(gè)或門(mén)互鎖正反轉(zhuǎn)觸發(fā)和轉(zhuǎn)換電路與固態(tài)繼電器的觸發(fā)控制電路轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的交流控制電平，圖5中單片機(jī)控制器發(fā)出2個(gè)TTL觸發(fā)信號(hào)，運(yùn)用與非門(mén)的功能，將電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停用工作狀態(tài)用P3.2、P3.3電平狀態(tài)來(lái)控制，P3.2、P3.3的TTL觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)與非門(mén)傳輸?shù)焦虘B(tài)繼電器38D05的DC-上，為防止兩個(gè)觸發(fā)器信號(hào)同時(shí)為低電平導(dǎo)通，在固態(tài)繼電器的DC+處分別接上拉電阻，已在初始化的時(shí)候把觸發(fā)信號(hào)拉成高電平，避免誤導(dǎo)通，從而達(dá)到閥門(mén)的正反、停止控制。同時(shí)電路中接入極限位置行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)閥門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)限位置，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，起到保護(hù)的作用。為了準(zhǔn)確及時(shí)平穩(wěn)控制閥門(mén)的位置，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)增加減速器，減速器采用諧波齒輪傳動(dòng)，把伺服電機(jī)高速轉(zhuǎn)矩、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，使閥門(mén)運(yùn)行平緩、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高。

 

2、系統(tǒng)控制算法與仿真
2.1、系統(tǒng)建模

閥門(mén)控制屬于典型的位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)，由位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到的信號(hào)與實(shí)際信號(hào)相比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行PID運(yùn)算，參數(shù)調(diào)整等輸出電壓與測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋電壓形成的誤差電壓作為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)減速器后輸出實(shí)際角度?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

閥門(mén)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖6 閥門(mén)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖



伺服電機(jī)部分的傳遞函數(shù)可以表示為：

伺服電機(jī)部分的傳遞函數(shù)
式中：電機(jī)增益kt=2;Ra=6Ω;La=12mH;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.006kg·m2;Ce=Cm=0.3N·m/A;黏性摩擦系數(shù)f=0.2N·m/s;減速比i=0.1。減速器部分可以看出以純積分環(huán)節(jié)。

2.2、PID控制與仿真

上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥采用PID控制算法，通過(guò)臨界比例度法與湊試法整定PID控制器的參數(shù)，得到Kp=10，Ti=0.01，Td=0.5，其正弦輸入下跟隨曲線(xiàn)如圖7所示。電動(dòng)閥門(mén)跟隨曲線(xiàn)圖7 電動(dòng)閥門(mén)跟隨曲線(xiàn)從圖7可以看出輸入輸出曲線(xiàn)基本一致，跟隨特性好，調(diào)節(jié)速度快，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
開(kāi)機(jī)初始化，由上電復(fù)位后的主程序執(zhí)行，用來(lái)初始化系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源，對(duì)串行口、定時(shí)器、內(nèi)部寄存器初始化;完成開(kāi)機(jī)電信號(hào)故障檢測(cè)，如果有電信號(hào)故障則亮紅燈報(bào)警，*則進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，判斷是否有強(qiáng)制執(zhí)行設(shè)置，有則執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，沒(méi)有則采集檢測(cè)的位置信號(hào)，與設(shè)定值和控制中心命令值比較，以調(diào)整參數(shù)，開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換并數(shù)字濾波，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，驅(qū)動(dòng)閥門(mén)動(dòng)作，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與角度，并顯示相應(yīng)閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度。同時(shí)向上位機(jī)實(shí)時(shí)提供實(shí)際開(kāi)度數(shù)據(jù)信息，顯示閥門(mén)開(kāi)度，故障報(bào)警等。

4、試驗(yàn)調(diào)試
遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC采用組態(tài)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過(guò)PC的串行接口傳輸和接收數(shù)據(jù)，在該界面中預(yù)設(shè)閥門(mén)的開(kāi)度以及實(shí)時(shí)開(kāi)度顯示，歷史數(shù)據(jù)報(bào)表的查閱。表1為從組態(tài)界面上讀取的電動(dòng)閥預(yù)設(shè)開(kāi)度和實(shí)際開(kāi)度之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。從表1中可以看出閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度值與預(yù)設(shè)開(kāi)度值基本一致，大誤差僅0.25%，符合設(shè)計(jì)要求達(dá)到的精度。組態(tài)運(yùn)行下閥門(mén)開(kāi)度值K與相應(yīng)出口流量Q間測(cè)得的數(shù)據(jù)報(bào)表如表2所示。



從圖8中可以看出出口流量和閥門(mén)開(kāi)度成正比的線(xiàn)性關(guān)系，其關(guān)系式為：Q=0.0983K-1.8621，線(xiàn)性關(guān)系理想。由圖表分析可知，在相同變化行程情況下，閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，相對(duì)流量變化值小，比較緩和;閥門(mén)開(kāi)度較大時(shí)，控制靈敏有效。所以在實(shí)際中用控制閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制流量大小。

5、結(jié)束語(yǔ)
以單片微機(jī)為控制器設(shè)計(jì)了電動(dòng)閥門(mén)控制器，能夠接收控制中心命令信號(hào)和鍵盤(pán)控制命令，根據(jù)閥門(mén)實(shí)際反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制;能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況做出判斷，進(jìn)行故障報(bào)告、應(yīng)急處理、顯示等工作;具備遠(yuǎn)程通信功能，能夠在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)控運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)儀表控制的數(shù)字化，智能化、網(wǎng)絡(luò)化與遠(yuǎn)程化，拓寬了電動(dòng)閥門(mén)的使用環(huán)境的范圍，節(jié)約了成本。實(shí)驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果表明：該裝置線(xiàn)性關(guān)系較好，動(dòng)作時(shí)間斷，誤差在0.3%以?xún)?nèi)，具有較高的精度。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：斯派莎克蒸汽減壓閥在化纖管路應(yīng)用