電動閥門智能控制器工作原理

                 電動閥門智能控制器工作原理

                    上海申弘閥門有限公司

之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項，現(xiàn)在介紹電動閥門智能控制器工作原理以AT80C2051作為微控制器設(shè)計電動閥門智能控制器，完成了電動閥門的位置檢測、遠(yuǎn)程控制信號轉(zhuǎn)換、參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整、閥門電機(jī)驅(qū)動電路及鍵盤、顯示等硬件電路設(shè)計，在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計并驗證了系統(tǒng)的PID算法，完成了電路中相應(yīng)的軟件程序設(shè)計，實現(xiàn)了對電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實時控制，保證了操作的可靠性與性。運用RS-485實現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心間的通訊，在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行實時監(jiān)控運行，實現(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，拓寬了閥門的使用環(huán)境范圍，節(jié)約了成本。組態(tài)實驗調(diào)試的結(jié)果表明：該裝置線性關(guān)系較好，動作時間短，具有較高的精度與友好的人機(jī)界面，誤差在0.3%以內(nèi)。

在現(xiàn)代工業(yè)自動控制中，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。但國內(nèi)電動調(diào)節(jié)閥技術(shù)與國外相比還有很大差距，國內(nèi)電動調(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、難于現(xiàn)場標(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，國內(nèi)閥門廠家紛紛對電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行研究，各項指標(biāo)和性能都有所提高，但是相應(yīng)的成本也提高不少，價格比較昂貴的。為此研究一款價格實惠、結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、便于現(xiàn)場操作和集中控制的電動調(diào)節(jié)閥。



1、電動閥門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的位置反饋信號檢測、遠(yuǎn)端控制信號的轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場參數(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)動及減速運行的輸出電路、D/A轉(zhuǎn)換和外圍鍵盤顯示等電路以及上位機(jī)遠(yuǎn)程通訊等組成，如圖1所示。控制中心信號、現(xiàn)場實際開度的反饋信號、現(xiàn)場參數(shù)整定和靈敏度信號調(diào)整通過TL2543進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送到AT89C2051微控制器，微控制器根據(jù)這些信號進(jìn)行運算處理，以控制電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反運轉(zhuǎn)和全開全關(guān)運行，使得閥門快速達(dá)到設(shè)定開度。采用LCD實時顯示閥門實際開度值，通過RS-485通訊直接將閥門現(xiàn)場反饋信號傳輸?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，以記錄閥門開度的調(diào)節(jié)情況。同時中控中心的工作人員可以通過組態(tài)監(jiān)控，對現(xiàn)場閥門實際開度進(jìn)行設(shè)定，信號通過RS-485直接送回給控制器進(jìn)行操作。在電動閥門出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場可以及時地做出報警，同時控制中心組態(tài)監(jiān)控也會發(fā)出報警，以采取相應(yīng)的保護(hù)措施。通過D/A將閥的開度轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，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

輸入通道主要由閥門位置檢測信號、遠(yuǎn)端控制中心信號、現(xiàn)場參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整電路與A/D轉(zhuǎn)換電路組成。用安裝在閥門電動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的位置變送器來檢測實際開度反饋信號，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)類型產(chǎn)品。電位器旋轉(zhuǎn)角度和閥門開度有線性關(guān)系，旋轉(zhuǎn)電位器將閥門開度情況轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度信號，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所接收1～5V的DC電壓信號，因此可以依據(jù)電壓和角度的線性關(guān)系得到相應(yīng)的位置信號。閥門實際開度反饋信號閥門實際開度經(jīng)過位置檢測機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號MA2，經(jīng)過射級跟隨器進(jìn)行阻抗處理變化之后的信號送到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）型電動閥門控制器是在原BFA型電動閥門控制器基礎(chǔ)上重新開發(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)使得電動裝置控制器的控制功能、對電動裝置的保護(hù)功能及對不同廠家電動裝置的適應(yīng)能力有了顯著的提高。同時降低了對安裝調(diào)試人員的技術(shù)要求。
* BFC（C）型電動閥門控制器新增加了PLC計算機(jī)接口。在自控系統(tǒng)中計算機(jī)、PLC或自動化儀表可通過此接口得到電動閥門的工作狀態(tài) （無源觸點）信號、電動閥門的閥位開度（4~20mA）電流信號，也可以通過這個接口發(fā)出“開閥”“關(guān)閥”（無源觸點）信號，控制電動閥門的運動。由于PLC接口的加入，使含有電動閥門的自控系統(tǒng)提高了通用性、可靠性和抗干擾能力。

2、BFC型智能電動閥門控制器 特點 
* 開度數(shù)字顯示，零點滿度自動設(shè)定。開、關(guān)到位、 外控/本機(jī)、力矩/保護(hù)LED顯示。 
* 按鍵音提示；開、關(guān)向出力矩保護(hù)及事故（電機(jī)過電流、電機(jī)過熱、堵轉(zhuǎn)等）保護(hù)聲光報警（帶消音功能）
* 開、關(guān)向工作過程閃光提示。
* 電源相序自動邏輯校正。
* BFC（C）型控制器，上位控制裝置可透過PLC接口，以位式控制電動閥門的開與關(guān)。 
* 外形及安裝尺寸、外電路接線與前期產(chǎn)品*兼容利于老用戶產(chǎn)品更新?lián)Q代。

注：壁掛式電動閥門控制器，型號規(guī)格標(biāo)示，戶內(nèi)壁掛式-G1，戶外壁掛式-G2，示例：
BFC-2A-G1型 戶內(nèi)壁掛式電動閥門控制器
BFC-2C-G2型 戶外壁掛式電動閥門控制器，帶PLC接口。



4、BFC型智能電動閥門控制器 技術(shù)數(shù)據(jù) 
* 電源電壓：220V/50Hz （單相）/ 380V/50Hz（三相四線）  
* 輸出信號：位式（無源觸點）1=ON；0=OFF。
* 輸出：4~20mA，閥門位置電流精度1%；負(fù)載能力600Ω。
* 工作環(huán)境： 環(huán)境溫度-10~+40℃， 相對濕度≤80%（20℃±5℃）， 周圍不含有強(qiáng)腐蝕性、易燃易爆介質(zhì)。
* 外形尺寸：盤裝式160*80*240（開孔尺寸152*76）；戶內(nèi)壁掛式360*250*160；戶外壁掛式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，控制中心的信號為4～20mA的電流信號，當(dāng)來自控制中心的信號MA1經(jīng)過圖3所示的信號轉(zhuǎn)換電路時，預(yù)先應(yīng)當(dāng)將MK2閉合，此時電流輸入信號經(jīng)電阻R2、GND形成回路，4～20mA的電流信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電阻R2流向地，此時的輸入電流信號就被轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號，即A/D轉(zhuǎn)化器TL2543的IN0口的電位。亦即信號的小值4mA或1V對應(yīng)精密電位器的小值，也相當(dāng)于閥門的起點位置。信號大值20mA或5V對應(yīng)精密電位器的大值，也相當(dāng)于閥門滿度位置。



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

為使閥門執(zhí)行器能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中不同型號與口徑閥門，滿足各種的閥門裝置具有不同的初始位置和滿度位置，提高系統(tǒng)的靈敏度，增強(qiáng)通用性，做到測量的性，采用3個滑動電阻RP1、RP2、RP3構(gòu)成調(diào)零、調(diào)滿和調(diào)靈敏度電路，使閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的零點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(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、調(diào)零和靈敏度信號。閥門在運行之前要將這些信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換反饋到為微控制器中進(jìn)行處理，來控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)下一步的轉(zhuǎn)向。

1.3、閥門電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

微控制器將轉(zhuǎn)換之后的控制信號、閥門實際開度反饋信號、靈敏度信號等進(jìn)行相應(yīng)的運算，判斷閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)該向哪個方向運行，從而向?qū)?yīng)的I/O口送出相應(yīng)的TTL觸發(fā)信號，信號經(jīng)過2個或門互鎖正反轉(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)動伺服電機(jī)運動的交流控制電平，圖5中單片機(jī)控制器發(fā)出2個TTL觸發(fā)信號，運用與非門的功能，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)來控制，P3.2、P3.3的TTL觸發(fā)信號經(jīng)過與非門傳輸?shù)焦虘B(tài)繼電器38D05的DC-上，為防止兩個觸發(fā)器信號同時為低電平導(dǎo)通，在固態(tài)繼電器的DC+處分別接上拉電阻，已在初始化的時候把觸發(fā)信號拉成高電平，避免誤導(dǎo)通，從而達(dá)到閥門的正反、停止控制。同時電路中接入極限位置行程開關(guān)，當(dāng)閥門運轉(zhuǎn)限位置，電機(jī)停止運轉(zhuǎn)，起到保護(hù)的作用。為了準(zhǔn)確及時平穩(wěn)控制閥門的位置，在伺服電機(jī)驅(qū)動增加減速器，減速器采用諧波齒輪傳動，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，以推動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，使閥門運行平緩、承載能力強(qiáng)、傳動精度高。

 

2、系統(tǒng)控制算法與仿真
2.1、系統(tǒng)建模

閥門控制屬于典型的位置隨動控制系統(tǒng)，由位置檢測機(jī)構(gòu)檢測到的信號與實際信號相比較產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)過控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行PID運算，參數(shù)調(diào)整等輸出電壓與測速發(fā)電機(jī)反饋電壓形成的誤差電壓作為伺服電機(jī)驅(qū)動電壓，通過減速器后輸出實際角度。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

閥門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖6 閥門控制系統(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

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：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如圖7所示。電動閥門跟隨曲線圖7 電動閥門跟隨曲線從圖7可以看出輸入輸出曲線基本一致，跟隨特性好，調(diào)節(jié)速度快，能夠滿足設(shè)計要求。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計
開機(jī)初始化，由上電復(fù)位后的主程序執(zhí)行，用來初始化系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源，對串行口、定時器、內(nèi)部寄存器初始化;完成開機(jī)電信號故障檢測，如果有電信號故障則亮紅燈報警，*則進(jìn)行鍵盤掃描，判斷是否有強(qiáng)制執(zhí)行設(shè)置，有則執(zhí)行相應(yīng)動作，沒有則采集檢測的位置信號，與設(shè)定值和控制中心命令值比較，以調(diào)整參數(shù)，開啟A/D轉(zhuǎn)換并數(shù)字濾波，經(jīng)過PID運算后，驅(qū)動閥門動作，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向與角度，并顯示相應(yīng)閥門實際開度。同時向上位機(jī)實時提供實際開度數(shù)據(jù)信息，顯示閥門開度，故障報警等。

4、試驗調(diào)試
遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC采用組態(tài)進(jìn)行程序設(shè)計，通過PC的串行接口傳輸和接收數(shù)據(jù)，在該界面中預(yù)設(shè)閥門的開度以及實時開度顯示，歷史數(shù)據(jù)報表的查閱。表1為從組態(tài)界面上讀取的電動閥預(yù)設(shè)開度和實際開度之間的實時數(shù)據(jù)。從表1中可以看出閥門實際開度值與預(yù)設(shè)開度值基本一致，大誤差僅0.25%，符合設(shè)計要求達(dá)到的精度。組態(tài)運行下閥門開度值K與相應(yīng)出口流量Q間測得的數(shù)據(jù)報表如表2所示。



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

5、結(jié)束語
以單片微機(jī)為控制器設(shè)計了電動閥門控制器，能夠接收控制中心命令信號和鍵盤控制命令，根據(jù)閥門實際反饋信號實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制;能夠根據(jù)實際運行狀況做出判斷，進(jìn)行故障報告、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)控運行，實現(xiàn)儀表控制的數(shù)字化，智能化、網(wǎng)絡(luò)化與遠(yuǎn)程化，拓寬了電動閥門的使用環(huán)境的范圍，節(jié)約了成本。實驗調(diào)試的結(jié)果表明：該裝置線性關(guān)系較好，動作時間斷，誤差在0.3%以內(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