國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)用中高精度定量閥的研制

王 博湯 偉劉慶立王 樨

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021; 2.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所，陜西西安，710021)

·定量閥·

國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)用中高精度定量閥的研制

王 博1，2湯 偉1，2劉慶立1，2王 樨2

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021; 2.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所，陜西西安，710021)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)造紙機(jī)所使用的國(guó)外高精度定量閥價(jià)格高，國(guó)內(nèi)定量閥精度低、難以滿(mǎn)足定量控制要求的現(xiàn)狀，在研究國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上研發(fā)了中高精度定量閥。詳細(xì)闡述了執(zhí)行器和控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研發(fā)的定量閥經(jīng)測(cè)試具有4000步精度，該定量閥已在浙江富陽(yáng)某造紙機(jī)上應(yīng)用，取得了良好的控制效果和經(jīng)濟(jì)效益。

高精度定量閥;電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;步進(jìn)電機(jī);造紙機(jī)定量控制

定量是紙張抄造過(guò)程中的重要參數(shù)，常采用定量閥調(diào)節(jié)上網(wǎng)絕干漿量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)定量控制［1－2］，即在漿濃穩(wěn)定的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)中濃漿流量來(lái)控制成紙定量。對(duì)于車(chē)速低于450 m/min的低速造紙機(jī)，流送部多配置高位箱，定量調(diào)節(jié)全靠安裝在高位箱出口處的高精度定量閥 (流量閥)來(lái)實(shí)現(xiàn) (如圖1所示［3］)，定量調(diào)節(jié)精度主要取決于定量閥本身的精度。由于國(guó)產(chǎn)定量閥精度較低，一般精度只有100步左右，難以滿(mǎn)足定量調(diào)節(jié)的要求，所以定量控制常采用Metso和BTG等公司生產(chǎn)的高精度定量閥，一般精度為15000～20000步。但該類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格十分昂貴，一般每臺(tái)售價(jià)15萬(wàn)～20萬(wàn)元。

對(duì)于車(chē)速大于450 m/min的中高速造紙機(jī)，通常采用變頻器調(diào)節(jié)上漿泵轉(zhuǎn)速 (如圖2所示)，即變頻器精調(diào)和定量閥粗調(diào)的方式調(diào)節(jié)成紙定量。實(shí)踐表明，精度為2000～5000步的定量閥便能夠滿(mǎn)足定量調(diào)節(jié)的需求［4］。這種精度的定量閥尚屬空缺，國(guó)外罕見(jiàn)，國(guó)內(nèi)也難以找到。因此，研制精度為2000～5000步的中高精度定量閥，滿(mǎn)足車(chē)速大于450 m/min的中高速造紙機(jī)定量控制的要求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的消化吸收

1.1 國(guó)外高精度定量閥的技術(shù)特點(diǎn)

國(guó)外高精度定量閥主要為Metso、BTG及Rotork等公司的產(chǎn)品［5］，其中以Metso的Neles ACE定量閥為代表。以國(guó)外某型號(hào)定量閥為例說(shuō)明它的原理，該系統(tǒng)由V型或R型調(diào)節(jié)球閥、1個(gè)執(zhí)行器和1個(gè)控制單元構(gòu)成。在執(zhí)行器中，通過(guò)高分辨率的步進(jìn)電機(jī)和精密減速器將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到閥芯，以實(shí)現(xiàn)閥芯位置的精密調(diào)節(jié);閥門(mén)的全開(kāi)位置檢測(cè)和全關(guān)位置檢測(cè)由限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn);使用精密電位器實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋閥門(mén)開(kāi)度信息。控制單元接收定量控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的數(shù)字量控制信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，也可通過(guò)手動(dòng)開(kāi)度調(diào)節(jié)，其閥門(mén)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示［6］。

圖1 定量閥在帶有高位箱紙機(jī)上的應(yīng)用

圖2 上漿泵變頻供漿

執(zhí)行器中精密減速器的減速比為1∶141，執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)角范圍是0～90°，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角范圍為32.25圈。驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部連接為四線兩相模式，步進(jìn)電機(jī)閥門(mén)在不細(xì)分的情況下，步距角為1.8°，旋轉(zhuǎn)一整圈需要200個(gè)脈沖，閥門(mén)從全開(kāi)到全關(guān)需要7050個(gè)脈沖;閥門(mén)通常在2細(xì)分條件下工作，步距角為0.9°，閥門(mén)從全開(kāi)到全關(guān)需要14100個(gè)脈沖;如果閥門(mén)在4細(xì)分條件下工作，步距角為0.45°，閥門(mén)從全開(kāi)到全關(guān)需要28200個(gè)脈沖。

研究發(fā)現(xiàn)，定量閥通常由3部分構(gòu)成:執(zhí)行器、控制器以及連接執(zhí)行器上的球形調(diào)節(jié)閥。其中球形調(diào)節(jié)閥多為外購(gòu)件，核心技術(shù)是控制器和執(zhí)行器。執(zhí)行器的核心技術(shù)是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)精密減速器減速增力后帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)進(jìn)行流量調(diào)節(jié);執(zhí)行器使用精密角位移傳感器檢測(cè)反饋閥位，同時(shí)還具有精密的全開(kāi)及全關(guān)位置檢測(cè)機(jī)構(gòu);為了避免閥門(mén)過(guò)度旋轉(zhuǎn)，通常設(shè)置機(jī)械限位裝置?？刂破魇菆?zhí)行器與上位控制系統(tǒng)聯(lián)系的橋梁，接收上位系統(tǒng)發(fā)送的開(kāi)閥與關(guān)閥信號(hào)，控制閥門(mén)產(chǎn)生精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)角，將閥位檢測(cè)機(jī)構(gòu)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際開(kāi)度供現(xiàn)場(chǎng)顯示及遠(yuǎn)傳。

1.2 中高精度定量閥的研制方案

在研究國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)造紙機(jī)定量調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的水平，定量閥精度定位在2000～5000步之間，造價(jià)定位在國(guó)外產(chǎn)品的1/3～1/2之間，因此需要自主研發(fā)執(zhí)行器和控制器。執(zhí)行器由驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋裝置構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)裝置采用步進(jìn)電機(jī)加精密行星減速器減速增力，使用高剛性聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送至調(diào)節(jié)閥的閥桿，帶動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)。檢測(cè)反饋裝置包括閥位反饋、全開(kāi)全關(guān)反饋、超程保護(hù)等部件?？刂破饔砷y門(mén)動(dòng)作控制單元和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，鑒于國(guó)外產(chǎn)品大批量系列化生產(chǎn)，常采用專(zhuān)用的控制芯片進(jìn)行控制，技術(shù)壁壘高，難以逾越。在分析定量閥的動(dòng)作要求后，發(fā)現(xiàn)使用現(xiàn)有的可編程邏輯控制器 (PLC)通過(guò)編程即可實(shí)現(xiàn)控制功能，因此選用在造紙行業(yè)廣泛使用的Siemens系列的S7－200 PLC作為主控單元，承擔(dān)閥門(mén)執(zhí)行器和上位控制系統(tǒng)的橋梁作用［7－8］。本課題設(shè)計(jì)的定量閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 國(guó)外某智能高精度定量閥執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖4 高精度定量閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 定量閥設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行器設(shè)計(jì)

執(zhí)行器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸伸入精密減速機(jī)傳動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速增力將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到閥桿，使閥桿產(chǎn)生0～90°的轉(zhuǎn)角，步進(jìn)電機(jī)后輸出軸的另一端連接盤(pán)車(chē)手輪，便于在檢修、停電狀況下使用手搖開(kāi)關(guān)閥。與減速器連接的是上聯(lián)軸器，與上聯(lián)軸器連接的是減速器的傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸上安裝與其同步轉(zhuǎn)動(dòng)的擺臂，傳動(dòng)軸外部設(shè)有全開(kāi)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)、全關(guān)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)、正向超程保護(hù)開(kāi)關(guān)、反向超程保護(hù)開(kāi)關(guān)，其中全開(kāi)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)和全關(guān)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)為光電開(kāi)關(guān)，二者的光軸間隔為90°，正向超程保護(hù)開(kāi)關(guān)和反向超程保護(hù)開(kāi)關(guān)為機(jī)械行程開(kāi)關(guān)。執(zhí)行器內(nèi)安裝有精密角位移傳感器，將閥位變換成0～10 V的電壓信號(hào)傳遞到PLC。本課題研制的中高精度定量閥的執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)和三維造型如圖5所示。

為防止閥門(mén)在電氣失靈的情況下過(guò)度旋轉(zhuǎn)損壞閥芯和密封裝置，設(shè)置了機(jī)械限位裝置。該裝置包括連接在傳動(dòng)軸上的限位塊，固定在安裝板上的開(kāi)限位螺栓和關(guān)限位螺栓，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓擰入的深度能夠調(diào)整限位的作用點(diǎn)，限位塊異形輪廓線和傳動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6(a)為閥門(mén)全關(guān)位置限位示意圖，若閥門(mén)繼續(xù)向關(guān)的方向旋轉(zhuǎn)，限位塊的關(guān)輪廓線會(huì)碰到關(guān)限位螺栓，阻止閥門(mén)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6(b)為閥門(mén)全開(kāi)位置限位示意圖，若閥門(mén)繼續(xù)向開(kāi)的方向旋轉(zhuǎn)，限位塊的開(kāi)輪廓線會(huì)碰到開(kāi)限位螺栓，阻止閥門(mén)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

圖5 中高精度定量閥的執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)及三維視圖

圖6 全開(kāi)和全關(guān)位置限位示意圖

與國(guó)外產(chǎn)品大批量系列化的專(zhuān)用控制單元不同，本課題為了縮短研發(fā)周期，選用通用的控制單元PLC作為控制主機(jī)，與步進(jìn)電機(jī)配套的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器安裝在一個(gè)防護(hù)等級(jí)較高的控制箱內(nèi)?？刂葡涿姘迳涎b有數(shù)顯測(cè)控儀顯示現(xiàn)場(chǎng)閥位，控制箱的三維透視圖及面板布置如圖7所示。使用0～10 kΩ精密角位移傳感器檢測(cè)閥位，變送成0～10 V范圍內(nèi)的模擬電壓信號(hào)送入PLC模擬量模塊的AI通道，由PLC程序?qū)⑵渥儞Q成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至DCS控制系統(tǒng)，同時(shí)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，將閥門(mén)開(kāi)度變換為模擬量信號(hào)，再經(jīng)模擬量模塊的輸出通道傳送至數(shù)顯測(cè)控儀，指示現(xiàn)場(chǎng)閥位。使用PLC的高速脈沖輸出端口控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)生相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 高精度定量閥控制箱三維透視圖及面板布置

圖8 超程保護(hù)電路原理圖

與機(jī)械限位對(duì)應(yīng)，閥門(mén)還具有電氣限位保護(hù)電路，如圖8所示。24 V控制電源的一端通過(guò)正向超程保護(hù)開(kāi)關(guān)和反向超程保護(hù)開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)與控制器中的一個(gè)中間繼電器的線圈一端連接，中間繼電器的一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)連接在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電的接觸器線圈上。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中擺臂，若碰下正向超程行程開(kāi)關(guān)和反向超程行程開(kāi)關(guān)之一，行程開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，則切斷中間繼電器的電源，中間繼電器斷開(kāi);中間繼電器的一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，則斷開(kāi)交流接觸器線圈的電源，交流接觸器斷開(kāi)后切斷步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器電源，步進(jìn)電機(jī)則不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，防止了閥芯的過(guò)度旋轉(zhuǎn)。為便于操作，設(shè)置了超程解除功能，控制器內(nèi)安裝有超程解除按鈕，超程解除按鈕的一端連接24 V電源正極，另一端直接跨過(guò)正向超程行程開(kāi)關(guān)和反向超程行程開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)連接到中間繼電器線圈的一端，如果閥門(mén)發(fā)生了超程斷電，則按下超程解除按鈕，接通24 V電源，中間繼電器線圈導(dǎo)通，使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源接通，手動(dòng)進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，解除電氣超程保護(hù)。

定量閥的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是閥芯按照驅(qū)動(dòng)電平的時(shí)間信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)格同步的轉(zhuǎn)角，設(shè)計(jì)閥門(mén)從全開(kāi)到全關(guān)的操作時(shí)間為200 s，在程序上將發(fā)送控制脈沖個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的閥門(mén)理論轉(zhuǎn)角和由精密電位器反饋測(cè)得的閥位進(jìn)行比較。如果長(zhǎng)期運(yùn)行誤差在2%以?xún)?nèi)，則在數(shù)顯測(cè)控儀上正常顯示閥門(mén)開(kāi)度;若誤差超過(guò)限度，則啟動(dòng)報(bào)警，提示維護(hù)人員查看閥門(mén)是否有卡滯故障。

定量閥的傳統(tǒng)控制方式是使用電纜連接DCS系統(tǒng)和閥門(mén)控制器，電纜較多，在閥門(mén)開(kāi)關(guān)頻率高的情況下易出現(xiàn)各種干擾，設(shè)備維護(hù)也相對(duì)復(fù)雜。為了解決這一問(wèn)題，本課題組將控制器賦予了智能化通信控制的功能。將定量閥控制箱接入Profibus網(wǎng)絡(luò)，使用分布式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖9所示。在控制閥門(mén)的PLC上加掛EM277 Profibus通信模塊，作為從站加掛在總線上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制?？刂浦鳈C(jī)CPU315－2DP作為主站，通過(guò)DP接口與兩臺(tái)高精度定量閥通信，將閥門(mén)控制器配置為從站，接收主站的開(kāi)閥、關(guān)閥信號(hào)，并將閥門(mén)的信息如閥位、報(bào)警信息發(fā)送至主站，組態(tài)監(jiān)控的工控機(jī)也掛在DP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行整個(gè)工段的監(jiān)控［9－10］。

圖9 網(wǎng)絡(luò)控制定量閥示意圖

本課題研制的定量閥控制器能夠采用時(shí)間控制模式和脈沖控制模式。在時(shí)間控制模式下，控制器接受控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的開(kāi)閥電平信號(hào)和關(guān)閥電平信號(hào)，閥門(mén)開(kāi)度的變化正比于開(kāi)閥或關(guān)閥信號(hào)作用的時(shí)間長(zhǎng)短，在西門(mén)子控制系統(tǒng)中與程序塊FB42配合使用;脈沖控制模式是控制器直接接受過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)和反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)，與程序塊FB43配合使用［11］。目前在定量控制過(guò)程中，多采用時(shí)間控制模式，閥門(mén)在工作時(shí)從全開(kāi)到全關(guān)需要4000個(gè)脈沖，執(zhí)行時(shí)間為200 s，脈沖頻率為20 Hz，Profibus－DP總線通信速率設(shè)定為1.5 Mbps，通信速率遠(yuǎn)高于脈沖頻率，控制閥門(mén)的從站能夠完全接收控制信號(hào)而不會(huì)出現(xiàn)脈沖丟失。測(cè)試時(shí)將閥門(mén)調(diào)在全關(guān)位置，發(fā)送4000個(gè)寬度為50 ms的開(kāi)閥控制脈沖，閥門(mén)達(dá)到全開(kāi)位置;然后，再發(fā)送4000個(gè)寬度為50 ms關(guān)閥控制脈沖，閥門(mén)達(dá)到全關(guān)位置，重復(fù)100次，持續(xù)12 h，通過(guò)編程計(jì)量脈沖數(shù)反算得到的閥位與精密角位移傳感器測(cè)的閥位并無(wú)明顯差異，誤差在2%以?xún)?nèi)，而且步進(jìn)電機(jī)表面溫度也在許可范圍之內(nèi)。綜合各種測(cè)試指標(biāo)，研制的定量閥性能達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)制造的中高精度定量閥已在浙江富陽(yáng)某紙板生產(chǎn)線上應(yīng)用，生產(chǎn)的紙張定量滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)要求，證明定量閥的最初設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足使用要求，綜合考慮機(jī)械加工精度水平確定的4000步精度能夠滿(mǎn)足定量調(diào)節(jié)要求，現(xiàn)正進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。定量閥的傳統(tǒng)控制方式為電纜連接，現(xiàn)改為網(wǎng)絡(luò)總線控制，減少了電纜的連接數(shù)量，降低了故障率，提高了控制系統(tǒng)的可靠性?？深A(yù)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)化和總線化控制的智能高精度定量閥將成為主流。

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西門(mén)子工業(yè)集團(tuán).STEP7中SFB41/FB41，SFB42/FB42，SFB43/ FB 4 3的應(yīng)用指南［R］.德國(guó)，2 0 0 4.5.

(責(zé)任編輯:董鳳霞)

Research and Development of M edium H igh-precision Quantitative Valve for BasisW eight Control of Paper M achine

WANG Bo1，2，*TANGWei1，2LIU Qing－li1，2WANG Xi2
(1.Faculty of Light Industry＆Energy of Shaanxi University of Science＆Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021; 2.Industrial Automation Institute of Shaanxi University of Science＆Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021)
(*E－mail:fixany@126.com)

Aiming at the present status that the high precision valves imported from abroad are expensive，while the domestic products are difficult tomeet the control requirements because of the low precision，a design scheme ofmedium high－precision quantitative valve for basis weight control of papermachine was proposed in this paper.This paper expounded the designs of actuator，controller，mechanical position limitation device，electrical position limits circuit＆control bus network.The test result showed that the developed valve reached to a running accuracy of4000 steps.The product developed has been using in a papermachine in Fuyang City，Zhejiang province and satisfactory control performance and economic benefit are obtained.

high precision quantitative valve;electrical valve;steppingmotor;basisweight control of papermachine

王 博先生，在讀博士研究生;主要研究方向:光機(jī)電一體化產(chǎn)品研制。

TH137.52+2

A

0254－508X(2014)03－0039－05

2013－08－06(修改稿)

國(guó)家國(guó)際科技合作計(jì)劃 (項(xiàng)目編號(hào):2010DFB43660);陜西省科技統(tǒng)籌計(jì)劃 (項(xiàng)目編號(hào):2012KTCQ01－19);西安市未央?yún)^(qū)科技項(xiàng)目 (項(xiàng)目編號(hào):201311);陜西科技大學(xué)?？蒲谢?項(xiàng)目編號(hào):ZX11－25);溫州市對(duì)外科技合作交流科技計(jì)劃 (項(xiàng)目編號(hào):H20100097)。