電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制技術(shù)研究及其應(yīng)用

艾昌文 曹良坤

(云南大學(xué)省電子計(jì)算中心1,云南 昆明 650223;云南省高校數(shù)字媒體技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,云南 昆明 650223)

電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制技術(shù)研究及其應(yīng)用

艾昌文1,2曹良坤1,2

(云南大學(xué)省電子計(jì)算中心1,云南 昆明 650223;云南省高校數(shù)字媒體技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,云南 昆明 650223)

針對(duì)調(diào)節(jié)型電動(dòng)閥門(mén)普遍使用的控制器,對(duì)其控制原理及存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了研究和分析,提出了一種基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的開(kāi)度調(diào)節(jié)方法。該方法最大限度地提高了電動(dòng)閥門(mén)的調(diào)節(jié)靈敏度,從根本上解決了閥門(mén)調(diào)節(jié)靈敏度與調(diào)節(jié)精度之間固有的矛盾,完全消除了閥門(mén)在使用過(guò)程中出現(xiàn)振蕩的可能性?；谠摲椒ㄑ兄仆瓿傻碾妱?dòng)閥門(mén)控制器得到實(shí)際應(yīng)用,其可行性已得到充分驗(yàn)證,控制效果與設(shè)計(jì)目標(biāo)完全吻合。

電動(dòng)閥門(mén) 控制器 振蕩 靈敏度 精度 pH控制

0 引言

電動(dòng)閥門(mén)由閥門(mén)和電動(dòng)執(zhí)行器組成,電動(dòng)執(zhí)行器由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、過(guò)力矩保護(hù)機(jī)構(gòu)及位置反饋裝置等部件組成[1]。電動(dòng)執(zhí)行器使用電能作為驅(qū)動(dòng)力,控制閥門(mén)完成開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道介質(zhì)進(jìn)行開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)的目的。

電動(dòng)閥門(mén)具有能源取用方便、信號(hào)傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、便于集中控制、靈敏度和精度較高、與電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表配合方便以及安裝接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、環(huán)保、輕工等行業(yè)的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

針對(duì)閥門(mén)位置反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制的開(kāi)度調(diào)節(jié)方式得到了廣泛應(yīng)用,但這種控制方式存在明顯不足,在一些應(yīng)用領(lǐng)域不僅控制效果難以保證,而且由于控制波動(dòng)大,容易造成資源浪費(fèi),增加生產(chǎn)成本。

1 問(wèn)題描述

電機(jī)是電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)的動(dòng)力裝置,在應(yīng)用中有驅(qū)動(dòng)用電機(jī)和控制用電機(jī)之分[2]?？刂朴秒姍C(jī)有伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等類型。這類電機(jī)成本較高、控制接口相對(duì)復(fù)雜,對(duì)使用和維護(hù)有較高的要求。驅(qū)動(dòng)用電機(jī)成本低,控制接口簡(jiǎn)單,使用和維護(hù)非常方便,因此在實(shí)際應(yīng)用中,以驅(qū)動(dòng)用電機(jī)為動(dòng)力的電動(dòng)閥門(mén)占有很大比例。

電動(dòng)閥門(mén)有不同的分類方式,如果按公稱通徑分類,公稱通徑≤40 mm的閥門(mén)屬于小通徑閥門(mén),以驅(qū)動(dòng)微電機(jī)為動(dòng)力。與電動(dòng)閥門(mén)配套使用的電動(dòng)執(zhí)行器有不同的運(yùn)行速度,全行程時(shí)間從5 s、10 s、15 s、30 s到60 s、100 s、120 s不等。該類閥門(mén)具有體積小、質(zhì)量輕、連線簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)精度較高等特點(diǎn)。

電動(dòng)閥門(mén)控制器是上位控制系統(tǒng)與電動(dòng)執(zhí)行器的接口單元,接收上位控制系統(tǒng)輸入的4～20 mA(1～5 V)或0～20 mA(0～5 V)等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。該信號(hào)對(duì)應(yīng)閥門(mén)從全關(guān)到全開(kāi)的整個(gè)行程[3-4],具有開(kāi)度調(diào)節(jié)功能的電動(dòng)閥門(mén)使用電位器或標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)作反饋,與可接收電位器反饋信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的控制器配套使用。電動(dòng)閥門(mén)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)閥門(mén)控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of controller for electric valve

圖1中,虛線框內(nèi)為電動(dòng)閥門(mén)控制器,硬件構(gòu)造以單片機(jī)為控制核心,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集上位控制系統(tǒng)輸入的閥門(mén)開(kāi)度控制信號(hào)及閥門(mén)的位置反饋信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)比較。

當(dāng)輸入信號(hào)大于反饋信號(hào)時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn),閥門(mén)開(kāi)度增大;當(dāng)輸入信號(hào)小于反饋信號(hào)時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn),閥門(mén)開(kāi)度減小;當(dāng)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相等時(shí)(或小于死區(qū)時(shí)),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

該類控制器采用的是對(duì)閥門(mén)位置進(jìn)行閉環(huán)控制的工作方式。在閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)過(guò)程中,需要不斷對(duì)閥位反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,并與閥位控制信號(hào)進(jìn)行比較,兩個(gè)信號(hào)容許的差值大小即為閥門(mén)的調(diào)節(jié)精度。

調(diào)節(jié)精度不能設(shè)置過(guò)高,否則一旦閥門(mén)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中因?yàn)闄C(jī)械慣性等原因出現(xiàn)過(guò)沖,很容易導(dǎo)致閥門(mén)產(chǎn)生振蕩[6-7]。

為了保證閥門(mén)開(kāi)關(guān)的定位精度,需調(diào)節(jié)控制器的靈敏度范圍。靈敏度范圍小,定位精度高,但容易產(chǎn)生振蕩;靈敏度范圍大,不容易產(chǎn)生振蕩,但定位精度低。因此,現(xiàn)有的電動(dòng)閥門(mén)控制器難以同時(shí)兼顧控制的靈敏度和定位精度。

2 電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制技術(shù)

2.1 控制器硬件構(gòu)成

電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。單片機(jī)為控制器的核心部件,各功能模塊包括閥位控制信號(hào)輸入模塊、閥位反饋信號(hào)輸入模塊、存儲(chǔ)模塊、“WatchDog”模塊、LED/LCD顯示模塊、控制參數(shù)設(shè)置模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、閥位反饋信號(hào)輸出模塊[8]。閥位控制信號(hào)輸入模塊及閥位反饋信號(hào)輸出模塊用于和上位控制系統(tǒng)進(jìn)行閥位信息交換;參數(shù)設(shè)置模塊用于完成電動(dòng)閥門(mén)的全行程時(shí)間、電動(dòng)閥門(mén)的最小動(dòng)作時(shí)間(死區(qū))等主要控制參數(shù)的設(shè)置;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)控制,是電機(jī)的接口控制單元;存儲(chǔ)模塊用于保存控制器的運(yùn)行參數(shù);“WatchDog”模塊實(shí)現(xiàn)控制器防死機(jī)功能;LCD顯示模塊用于顯示控制器的工作狀態(tài)。

圖2 電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the highly sensitive controller for electric valve

2.2 具體實(shí)施方案

控制器接收上位控制系統(tǒng)(如PLC、DCS、計(jì)算機(jī)、智能儀表等)輸入的4～20 mA(1～5 V)或0～20 mA (0～5 V)等標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)。該輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)閥門(mén)從全關(guān)到全開(kāi)整個(gè)行程的相應(yīng)位置。

在進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)時(shí),控制器將本次輸入信號(hào)與上次輸入信號(hào)的增減量換算成電機(jī)通電時(shí)間的長(zhǎng)短,通電時(shí)間一到立即切斷電機(jī)的供電電源,從而達(dá)到閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)的目的。控制器在閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)完成后,再采集閥門(mén)的位置反饋信號(hào),并將該信號(hào)回傳給上位控制系統(tǒng),上位控制系統(tǒng)將該信號(hào)作為下一次閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的基準(zhǔn)值。

在控制方式上,本控制器體現(xiàn)以下主要特點(diǎn)。

①控制器通過(guò)控制電機(jī)的通電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)。在進(jìn)行閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)時(shí),控制器將本次輸入信號(hào)與上次輸入信號(hào)的增減量換算成電機(jī)通電時(shí)間的長(zhǎng)短,通電時(shí)間一到立即切斷電機(jī)的供電電源,從而達(dá)到閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)的目的。由于控制時(shí)間一到便切斷了電機(jī)的供電電源,所以從根本上消除了電動(dòng)執(zhí)行器出現(xiàn)振蕩的可能性。

②控制器具有控制參數(shù)的設(shè)置功能?？刂茀?shù)主要包括電動(dòng)閥門(mén)的全行程時(shí)間、電動(dòng)閥門(mén)的最小動(dòng)作時(shí)間(死區(qū))。

由于可以通過(guò)控制參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置電動(dòng)閥門(mén)的最小動(dòng)作時(shí)間(死區(qū)),因此能最大限度地提高電動(dòng)閥門(mén)的控制靈敏度。

③控制器在閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)過(guò)程中,采用的是時(shí)間驅(qū)動(dòng)的工作方式,對(duì)閥門(mén)位置采取開(kāi)環(huán)控制。在進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)時(shí),只要電機(jī)的通電時(shí)間未到,控制器并不采集閥門(mén)的位置反饋信號(hào)。只有在電機(jī)的通電時(shí)間到后,即本次閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)完成后,控制器再采集閥門(mén)的位置反饋信號(hào),并將該信號(hào)回傳給上位控制系統(tǒng),上位控制系統(tǒng)將該信號(hào)作為下一次閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的基準(zhǔn)值。

2.3 控制算法

以全行程時(shí)間為T(mén)1(s)的電動(dòng)閥門(mén)為例,假設(shè)該電動(dòng)閥門(mén)的最小動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為t,控制器接收上位控制系統(tǒng)輸入的4～20 mA(1～5 V)標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào),并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集該輸入信號(hào)。假設(shè)該信號(hào)的增量為ΔV(-4＜ΔV＜0或0＜ΔV＜4),則電機(jī)的通電時(shí)間為:

具體控制算法如下。

①當(dāng)ΔV＞0且T＞t時(shí),控制器控制電機(jī)正轉(zhuǎn),通電時(shí)間:T=250×T1×|ΔV|;

②當(dāng)ΔV＞0且T≤t時(shí),控制器控制電機(jī)正轉(zhuǎn),通電時(shí)間:T=t;

③當(dāng)ΔV＜0且T＞t時(shí),控制器控制電機(jī)反轉(zhuǎn),通電時(shí)間:T=250×T1×|ΔV|;

④當(dāng)ΔV＜0且T≤t時(shí),控制器控制電機(jī)反轉(zhuǎn),通電時(shí)間:T=t;

⑤通電時(shí)間T一到,即切斷電機(jī)的供電電源,控制器采集閥門(mén)的實(shí)際位置反饋信號(hào),并將該信號(hào)回傳給上位控制系統(tǒng);

⑥上位控制系統(tǒng)將該閥門(mén)位置反饋信號(hào)作為閥門(mén)下一次開(kāi)度調(diào)節(jié)輸出控制信號(hào)的基準(zhǔn)值。

3 應(yīng)用案例

基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)控制方式研制完成的電動(dòng)閥門(mén)控制器在污水處理等領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用,污水排放過(guò)程中對(duì)pH值有明確的控制指標(biāo)要求,污水達(dá)標(biāo)排放pH值范圍一般不低于6或高于9。因此,在污水排放過(guò)程中必須對(duì)其pH值進(jìn)行有效測(cè)量和控制。

為保證測(cè)量精度,pH傳感器選用復(fù)合型玻璃電極,酸性(或堿性)添加劑的流量調(diào)節(jié)裝置采用小通徑電動(dòng)球閥,電動(dòng)閥門(mén)控制器置于污水處理現(xiàn)場(chǎng),中心控制室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)RS-485接口與其連接。電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制器應(yīng)用于pH值測(cè)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the system

圖3中,虛線部分為電動(dòng)閥門(mén)控制器。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的高靈敏度控制,在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上,控制軟件的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵和重要,必須與硬件系統(tǒng)緊密配合才能達(dá)到滿意的控制效果。在控制算法的設(shè)計(jì)上,通過(guò)采用粗調(diào)與精調(diào)相結(jié)合的控制方式提高系統(tǒng)運(yùn)行的性能指標(biāo)。當(dāng)pH檢測(cè)值與pH設(shè)定值有偏差較大時(shí),通過(guò)增大比例因子實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié),縮短系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間;當(dāng)pH檢測(cè)值接近pH設(shè)定值時(shí),通過(guò)減小比例因子直至按最小時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié),使被控pH值最大限度接近pH設(shè)定值,并最終趨于穩(wěn)定[9-10]。

綜合上述可知,pH精調(diào)范圍“pH設(shè)定值±ε”可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行靈活設(shè)置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),ε值設(shè)置在0.5～1.0 pH比較合適。電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制器應(yīng)用于污水處理pH調(diào)節(jié)的控制模擬曲線如圖4所示。

圖4 pH控制模擬曲線Fig.4 Emulated curve of pH control

圖4中,AB時(shí)間段為粗調(diào)區(qū)間,BC時(shí)間段為精調(diào)區(qū)間。實(shí)際應(yīng)用中,pH值的控制過(guò)程與模擬控制曲線是完全吻合的,實(shí)際控制范圍可以達(dá)到“pH設(shè)定值±0.15pH”。

4 結(jié)束語(yǔ)

以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力的電動(dòng)閥門(mén)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,在對(duì)相關(guān)技術(shù)長(zhǎng)期研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)上,從技術(shù)原理、硬件構(gòu)成及控制算法等方面論述了一種基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的閥門(mén)開(kāi)度控制方法。依此方法設(shè)計(jì)完成的電動(dòng)閥門(mén)控制器在pH值測(cè)控系統(tǒng)中發(fā)揮了很好的作用,并取得了與設(shè)計(jì)目標(biāo)完全吻合的控制效果。電動(dòng)閥門(mén)高靈敏度控制技術(shù)使調(diào)節(jié)型電動(dòng)閥門(mén)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)得到明顯提高,具有可以預(yù)見(jiàn)的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1] 王志,王勇,謝玉東.新型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2013,41(10):12-14.

[2] 李發(fā)海,王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[3] 梅魁.電動(dòng)執(zhí)行器的原理簡(jiǎn)介與發(fā)展趨勢(shì)展望[J].科技資訊, 2013(18):134-135.

[4] 周律,嚴(yán)懷鈺,宋韞崢,等.PLC及觸摸屏在電動(dòng)閥開(kāi)度控制中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(2):53-54.

[5] 胡開(kāi)明,葛遠(yuǎn)香,王懷平.電動(dòng)閥門(mén)智能控制器的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(12):15-17.

[6] 楊超,劉利.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度控制的研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程, 2007,24(2):55-58.

[7] 楊永強(qiáng),田華安,孫建華.船用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行中的常見(jiàn)故障分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011,33(1):82-84.

[8] 馮先成.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[9] 曹良坤,艾昌文,楊艷華,等.pH過(guò)程仿人智能測(cè)控算法研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,38(4):39-43.

[10] 王樹(shù)東,高學(xué)洪,宋國(guó)輝,等.城市污水處理中pH預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].電氣自動(dòng)化,2012,34(1):37-39.

Research and Application of the Control Technology with High Sensitivity for Electric Valve

The control principle and major problems of commonly used controller for regulating type of electric valves are researched and analyzed.The time driven method for regulating the opening of the valve is proposed.This method maximizes the regulating sensitivity of the electric valve,thus the inherent contradictory between the regulating sensitivity and the regulating accuracy of the electric valve is solved fundamentally;and the possibility of appearing oscillation in operation of valve is completely eliminated.The controller for electric valve designed based on this method is putting into practical application,its feasibility has been fully verified,the control results entirely consistent with the design goal.

Electric valve Controller Oscillation Sensitivity Accuracy pH control

TP214

A

修改稿收到日期:2014-02-24

艾昌文(1963-),男,1983年畢業(yè)于電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)工程專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,高級(jí)工程師;主要從事自動(dòng)化技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的研究。