智能閥門電動執(zhí)行器設(shè)計與測試

智能閥門電動執(zhí)行器設(shè)計與測試

Summary：智能閥門在工業(yè)上的控制應(yīng)用已經(jīng)逐漸取代了機械式閥門控制系統(tǒng)，由于在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用對閥門控制系統(tǒng)有著迫切的要求，對智能閥門控制精度、控制速度和控制靈活度都有極高的標準。近年來，國內(nèi)智能閥門的控制方法使用機械式閥門定位控制較多，然而國外對智能閥門定位控制的研究，故障發(fā)生的頻率較高，使智能閥門在實際因公眾較少使用。Keys：智能閥門;電動執(zhí)行器設(shè)計;測試引言閥門廣泛應(yīng)用于電力、水利、化工等行業(yè)并發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其執(zhí)行機構(gòu)用于閥門控制，是提高閥門控制精度、安全系數(shù)以及響應(yīng)速度的關(guān)鍵所在。針對國內(nèi)閥門普遍存在的控制精度低、穩(wěn)定性及安全性差、智能化水平不高的缺陷，國內(nèi)外科研機構(gòu)對閥門電動執(zhí)行器展開了一系列的研究，在機電一體化、先進控制策略、智能通信等方面取得了突出成果。1基于信息技術(shù)的閥門智能控制系統(tǒng)的設(shè)計閥門智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括CAN通信接口、單元控制器和閥門智能控制器節(jié)點３大部分。采用微控制器技術(shù)，實現(xiàn)了閥門的數(shù)字控制和智能控制；利用CAN總線技術(shù)，構(gòu)建兩級總線閥門智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閥門的集中控制和遠程控制。本系統(tǒng)采用的是CAN控制器和CAN收發(fā)器結(jié)合的通信接口，實現(xiàn)單元控制器和智能控制器節(jié)點之間的通信。該控制器使用的是SJA1000型號；CAN收發(fā)器使用的是PCA82C250型號，能夠快速接受和發(fā)送信號；微處理器采用的是AT89C52單片機。該模塊中利用了光電隔離電路，有效地避免了總線的干擾引入系統(tǒng)。單元控制器模塊利用兩個COU架構(gòu)，一級CPU含有兩個CAN接口，與通信系統(tǒng)相連接，分別與一級總線、二級總線相連接，兩個總線上的傳播速率能夠不一樣，在實際應(yīng)用中根據(jù)總線中節(jié)點的分布距離進而選取合適的傳送速率，進行CPU顯示驅(qū)動和人機接口。在閥門智能控制器節(jié)點的模塊中，通過使用單片機來控制單項異步電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門的智能開關(guān)響應(yīng)，在閥門處接入一個開度反饋，實現(xiàn)對閥門的開度準確控制，單片機也是經(jīng)過CAN通信接口與總線進行通信。雙CPU結(jié)構(gòu)也應(yīng)用在智能控制節(jié)點上，主CPU可以實現(xiàn)閥門的控制和CAN通信的功能此外，還對系統(tǒng)抗干擾進行了設(shè)計，采用了光電隔離的抗干擾措施，利用光電耦合器進行對系統(tǒng)消除脈沖和各種噪聲的干擾，使遠程把測控系統(tǒng)與現(xiàn)場只有信號的通信，從而提高輸入輸出通道上的信噪比。利用光電耦合器，使輸入與輸出之間的分布電容極小，并且絕緣電阻很大，因此在信號傳輸中一端的干擾不易傳輸至另一端，因此光電耦合器既能夠傳輸有效的信號，又能夠抑制干擾信號。2軟件設(shè)計2.1算法設(shè)計閥門電動執(zhí)行器實際運行時會受到減速器、電機等設(shè)備的干擾，影響閥門控制的穩(wěn)定性和精度。利用滑?？刂品桨福瑢㈤y門執(zhí)行機構(gòu)的運行位置控制在一定范圍之內(nèi)，并通過設(shè)置死區(qū)解決閥門電機振蕩問題，提升閥門控制精度和穩(wěn)定性?；诨？刂频拈y門電動執(zhí)行器控制原理，在位置環(huán)引入滑?？刂破?，將閥位控制信號與閥位反饋信號的誤差作為滑模控制器的輸入并進行閥門位置智能調(diào)節(jié)。2.2程序設(shè)計閥門電動執(zhí)行器軟件程序設(shè)計基于KeiluVision4軟件平臺采用C語言編程實現(xiàn)。根據(jù)閥門電動執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計以及硬件設(shè)計原理，將軟件程序按照功能劃分為主程序模塊、閥門位置控制模塊、滑模算法控制模塊、功率控制模塊、故障診斷模塊、通訊模塊以及上位機模塊。主程序模塊用于控制并順序調(diào)用其他模塊，同時還需完成閥門控制參數(shù)設(shè)置以及初始化，具體包括:①閥門控制參數(shù):閥門開速度/時間、閥門開緊急速度/時間、閥門關(guān)速度/時間、閥門關(guān)緊急速度/時間、閥門方向、閥門關(guān)斷模式等;②驅(qū)動電機溫度參數(shù):電機溫度閾值、電機溫度過熱極限值、電機溫度過低極限值等;③閥門位置參數(shù):閥門開位置、閥門關(guān)末端位置、閥門實時位置采樣等。閥門位置控制模塊用于控制閥門位置，具體步驟為:采集閥門位置實時信號并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)為電流信號，與給定閥門位置開度信號進行比較，若采樣電流信號小于給定值，則核心CPU驅(qū)動電機正轉(zhuǎn);反之，則驅(qū)動電機反轉(zhuǎn);若采樣電流信號與給定值的差值位于死區(qū)，則控制驅(qū)動電機停機。功率控制模塊用于接收核心CPU控制指令并驅(qū)動電機運行。在軟件部分還設(shè)計有監(jiān)控界面，手機監(jiān)控界面中設(shè)置了設(shè)備狀態(tài)、遠程控制狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)和模塊狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)包括故障狀態(tài)、按鈕狀態(tài)以及現(xiàn)場觸摸屏的狀態(tài)，實現(xiàn)方便觀察閥門智能控制出現(xiàn)故障的原因，以及各種按鈕在各種狀態(tài)下的運行狀況，利用手機ＡＰＰ或計算機網(wǎng)頁可對閥門智能控制系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)控，主要監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的運行參數(shù)、溫度承受壓力等信息，實現(xiàn)監(jiān)控人員在線監(jiān)視閥門智能控制的運行狀態(tài)和遠程預(yù)測系統(tǒng)的故障狀態(tài)，實現(xiàn)閥門智能系統(tǒng)的實時監(jiān)控。3實驗測試為驗證智能閥門電動執(zhí)行器的正確性和適用性，在實驗室完成實驗測試。實驗測試需準備的設(shè)備包括主控制電路板、功率電路板、渦輪蝸桿、信號齒輪、驅(qū)動電機、LCD液晶顯示屏以及上位機等。在上位機監(jiān)控界面中預(yù)設(shè)閥門開度，統(tǒng)計并分析經(jīng)閥門電動執(zhí)行器控制后的實際開度，閥門實際開度與預(yù)設(shè)開度基本一致，最大誤差不超過0.3%，滿足閥門控制精度要求。4智能控制閥發(fā)展前景不管是氣動閥、電動閥，還是液壓閥，都是根據(jù)生產(chǎn)生活中實際要求，現(xiàn)行技術(shù)的發(fā)展決定了當時閥門的復(fù)雜程度和控制功能的瓶頸。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自控技術(shù)、芯片技術(shù)和機械加工技術(shù)等的進一步發(fā)展，使得智能閥門小型化、智能化必然成為發(fā)展趨勢。（1）從智能控制閥發(fā)展趨勢來看，可以從以下幾個方面進行改善：執(zhí)行機構(gòu)小型化；簡單流路；平衡式閥芯；一體化閥芯和閥座；套筒導(dǎo)向。（2）從智能執(zhí)行機構(gòu)來看，將不斷有新技術(shù)應(yīng)用于智能閥門控制器：總線通信技術(shù)；電子傳感器（取代普通結(jié)構(gòu)式限位保護和過力矩保護）；利用組態(tài)軟件對電機進行精度控制；優(yōu)化的人機界面；伺服電機控制（DSP技術(shù)）。結(jié)束語設(shè)計開發(fā)的智能閥門電動執(zhí)行器以DSP技術(shù)、滑?？刂萍夹g(shù)為核心，與傳統(tǒng)閥門電動執(zhí)行器相比，具有控制精度高、穩(wěn)定性好、操作性強的特點，提升了閥門控制的智能化水平。該閥門電動執(zhí)行器具備豐富的對外通訊接口以及開發(fā)通信協(xié)議，可滿足不同行業(yè)和系統(tǒng)的應(yīng)用。該智能閥門電動執(zhí)行器的設(shè)計總結(jié)為:①硬件設(shè)計以英飛凌的SAF－XE167FM－72F80L控制器為核心，包括擴展電源供電電路、A/D采樣電路、驅(qū)動電機電路等，從硬件上提升閥門電動執(zhí)行器控制的抗干擾性;②軟件設(shè)計以滑?？刂扑惴楹诵?，設(shè)計位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制方案，從軟件上提升閥門電動執(zhí)行器控制的控制精度和穩(wěn)定性Reference［1］萬勇．礦用隔爆型電動閥門執(zhí)行器的研發(fā)與應(yīng)用［J］．自動化儀表，2017，38(08):55－58，63．［2］蔣洪慶，李濤，趙慶川．煤礦用閥門電動執(zhí)行器硬件系統(tǒng)研究［J］．自動化與儀表，2020，35(06):69－73．［3］杜夢婷．智能閥門電動執(zhí)