稀釋水水力式流漿箱橫幅定量控制執(zhí)行器設(shè)計(jì)

王 博 湯 偉 董繼先 王 樨 王 鋒

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021; 2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西西安,710021;3.陜西西微測控工程有限公司，陜西咸陽,712081;4.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江瑞安， 325200)

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·流漿箱·

稀釋水水力式流漿箱橫幅定量控制執(zhí)行器設(shè)計(jì)

王 博1,2湯 偉1,2董繼先1,2王 樨2,3王 鋒4

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021; 2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西西安,710021;3.陜西西微測控工程有限公司，陜西咸陽,712081;4.浙江力諾流體控制科技股份有限公司，浙江瑞安， 325200)

針對國外稀釋水水力式流漿箱的橫幅定量控制執(zhí)行器存在價格高,國內(nèi)產(chǎn)品存在精度低、集成度不高等現(xiàn)狀,研制了新型板式集成化控制器,使用單片機(jī)四路高速脈沖復(fù)用端口控制4臺執(zhí)行器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器；針對步進(jìn)電機(jī)存在的丟步、過沖現(xiàn)象研究了使用S形速度曲線處理閥門在加速和減速階段的運(yùn)動提高了閥門精度的方法；使用高精度電位器測量閥位反饋到模擬量復(fù)用端口進(jìn)行采集處理,使用總線對閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,控制器內(nèi)的一塊單片機(jī)能控制4臺執(zhí)行器,提高了控制器的集成度和實(shí)用性。

橫幅定量；稀釋水水力式流漿箱；S形速度曲線；執(zhí)行器

(*E-mail: fixang@126.com)

稀釋水水力式流漿箱是一種濃調(diào)式流漿箱,在流漿箱的橫向安裝了數(shù)量眾多的橫幅定量執(zhí)行器，用來調(diào)節(jié)紙幅的橫向定量分布(如圖1所示),在生產(chǎn)線的卷取部之前,安裝有定量掃描架,將橫幅定量數(shù)據(jù)發(fā)送到橫幅定量控制計(jì)算機(jī)上,計(jì)算機(jī)控制各執(zhí)行器進(jìn)行開大或關(guān)小調(diào)節(jié),控制加入系統(tǒng)的白水量,進(jìn)而調(diào)節(jié)橫幅定量。與傳統(tǒng)的唇板調(diào)節(jié)相比，該方法具有調(diào)節(jié)范圍廣、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),更適合于高車速、大幅寬、高檔紙的生產(chǎn)。最近幾年我國引進(jìn)的高端生產(chǎn)線多配置稀釋水水力式流漿箱,然而由于引進(jìn)國外產(chǎn)品耗資巨大,國內(nèi)中小紙廠負(fù)擔(dān)不起高昂的費(fèi)用,國內(nèi)造紙研究院所和漿紙裝備制造企業(yè)因此對稀釋水水力式流漿箱展開了技術(shù)研究,就流漿箱和橫幅定量執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)而言,相對較為固定,也取得了許多實(shí)用化的科技成果,其機(jī)械結(jié)構(gòu)已不再是技術(shù)難題,但執(zhí)行器的控制器屬于一種高度集成、高精度的板級控制設(shè)備,對安裝空間、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)性要求極高,研制難度較大,盡管國內(nèi)有廠家設(shè)計(jì)制作了橫幅定量執(zhí)行器及其控制器,但是其精度穩(wěn)定性和國外產(chǎn)品還有差距[1-4],還具有改進(jìn)空間。高精度執(zhí)行器及其控制技術(shù)已經(jīng)成為阻礙我國自主知識產(chǎn)權(quán)稀釋水水力式流漿箱及橫幅定量控制系統(tǒng)進(jìn)展的技術(shù)障礙,因此研制高性價比的橫幅定量控制執(zhí)行器,對稀釋水水力式流漿箱的國產(chǎn)化具有重要的意義。

1 橫幅定量執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

橫幅定量執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)平面及立體視圖如圖2所示。由圖2可知，橫幅定量執(zhí)行器由執(zhí)行器本體和閥體組成,其閥體通常采用DN20的精密V型調(diào)節(jié)球閥,設(shè)計(jì)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為20 N·m。對于橫幅定量控制而言,執(zhí)行器的橫向尺寸越小、橫向排布越多,對應(yīng)的控制區(qū)域越窄[5],橫向定量控制精度越高,要求執(zhí)行器(含閥體)的橫向尺寸≤50 mm。流經(jīng)閥芯的白水對閥門的沖擊力和流漿箱的背壓導(dǎo)致閥芯在靜止時也受到流體的沖擊力,驅(qū)動閥門的電機(jī)需要具有靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力,經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電機(jī)有步進(jìn)和伺服兩大類,雖然伺服電機(jī)的定位精度高,但是工業(yè)批量生產(chǎn)的伺服電機(jī)最小寬度為60 mm,難以滿足執(zhí)行器對橫向尺寸的要求,因此只能選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件,在橫向尺寸約束下,選用42型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,經(jīng)過精密行星減速機(jī)減速增力,可以達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩。

圖2 執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)平面及立體視圖

由圖2還可知,雙軸步進(jìn)電機(jī)安裝在執(zhí)行器殼體內(nèi),步進(jìn)電機(jī)尾部螺孔固定有支承板,支承板有兩個孔,步進(jìn)電機(jī)的尾軸從其中的一個孔中穿出,步進(jìn)電機(jī)尾軸上安裝有小齒輪,支承板的另一側(cè)安裝有角位移傳感器,角位移傳感器從孔中穿出,其軸上固定有大齒輪,兩齒輪相互嚙合傳遞角位移信號。步進(jìn)電機(jī)的下端軸伸入精密行星減速機(jī)的空心鎖母中鎖緊,電機(jī)的法蘭固定在減速機(jī)的法蘭平臺上,減速機(jī)的下法蘭固定在底板上,減速機(jī)的軸從底板伸出,通過同步聯(lián)軸器連接到閥體,承接法蘭的兩端分別連接執(zhí)行器底板和閥體?？刂凭€路板連接上位控制系統(tǒng),通過總線傳遞控制信號[6],向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送AB相驅(qū)動電流,使電機(jī)按照預(yù)定的步長正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),經(jīng)過減速機(jī)增力后將角位移傳遞給閥體,調(diào)節(jié)閥門開度。

執(zhí)行器安裝在紙機(jī)的流漿箱上,屬于濕部,其濕度和溫度較高,有時還會遇到淋水的狀況,工作條件較差,為了保證設(shè)備正常運(yùn)行,改善電氣環(huán)境,將控制器和執(zhí)行器分開布置,控制線路板和步進(jìn)驅(qū)動芯片統(tǒng)一布置在流漿箱橫向密閉的不銹鋼電氣箱內(nèi)。

2 控制器關(guān)鍵技術(shù)分析

橫向執(zhí)行器在流漿箱上數(shù)量眾多,出于對產(chǎn)品成本考慮,執(zhí)行器的控制不可能使用PLC實(shí)現(xiàn),需要針對其功能開發(fā)其專用的控制線路板?？刂破鞯闹饕δ苡虚y位反饋、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、通信控制等。其中驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)屬于強(qiáng)電控制環(huán)節(jié),使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片連接單片機(jī)的弱電信號控制步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)定的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動；單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)閥位反饋、搭配串行通信芯片能實(shí)現(xiàn)總線通信控制功能。

2.1 閥位反饋

橫幅定量控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜的過程控制,每一個執(zhí)行器對相鄰若干個執(zhí)行器的調(diào)節(jié)效果都有影響,控制系統(tǒng)需要根據(jù)每個執(zhí)行器的絕對開度做出決策。閥位反饋功能通常由安裝在步進(jìn)電機(jī)尾部的高精度角位移傳感器檢測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角,根據(jù)精密減速機(jī)傳動比按比例換算出真實(shí)的閥門開度0～100%。通常,檢測角位移的元件有光電編碼器和精密電位計(jì)兩種,光電編碼器多為增量式[7],需要有固定的參考點(diǎn)確定絕對位置,每次通電后需要回到機(jī)械零位再累計(jì)閥門開度,掉電后閥位容易丟失,特別是在停電后對執(zhí)行器進(jìn)行了手動盤車,閥門開度發(fā)生了變化,控制系統(tǒng)沒有檢測到,下次通電開機(jī)后會導(dǎo)致控制系統(tǒng)對閥位的計(jì)量錯誤。另外,執(zhí)行器在傳動軸線上的空間緊湊,很難有空間安裝光電感應(yīng)開關(guān)做為零參考點(diǎn),因此,使用光電編碼器檢測閥位在實(shí)踐上也難以實(shí)現(xiàn)。雖然也有絕對式的光電編碼器,但是其價格高昂,不利于產(chǎn)品的成本控制。精密電位計(jì)由精密的繞線電阻構(gòu)成,中間抽頭輸出的電壓與絕對轉(zhuǎn)角成比例,輸出電壓信號接入微控制器的模擬量采集通道,能夠檢測絕對角位移,不受斷電的影響,為了節(jié)省豎直方向上的長度空間,將電位計(jì)倒置安裝在步進(jìn)電機(jī)尾部的支承板上,通過齒輪嚙合到步進(jìn)電機(jī)尾部的齒輪,實(shí)現(xiàn)閥位反饋功能。

圖3 控制器組成

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動

執(zhí)行器按照步的方式工作,每次運(yùn)行一定的步長,步進(jìn)電機(jī)屬于一種強(qiáng)電驅(qū)動部件,單片機(jī)微控制器的弱電信號難以帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),因此步進(jìn)電機(jī)往往配置專用的步進(jìn)驅(qū)動器接在單片機(jī)上工作,橫幅定量執(zhí)行器對尺寸空間的要求極為苛刻,不允許有很大的空間布置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,因此必須對步進(jìn)驅(qū)動電路進(jìn)行精簡。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的核心部件是步進(jìn)驅(qū)動芯片,再搭配一些電阻、電容、穩(wěn)壓整流器和光電耦合器等組成,其中步進(jìn)驅(qū)動芯片是核心部件,因此抽取其典型驅(qū)動芯片TB6560HQ[8]將步進(jìn)驅(qū)動器精簡成一塊專用的線路板,完全實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動功能?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)需要3個信號：方向、脫機(jī)、脈沖,其中方向信號決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，脫機(jī)信號決定步進(jìn)電機(jī)是否處于有力矩的狀態(tài),脈沖信號的數(shù)量決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度大小,脈沖信號的頻率決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的快慢。當(dāng)單片機(jī)將方向信號和脫機(jī)信號置于有效,并發(fā)出脈沖信號時,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)單片機(jī)只將脫機(jī)信號置于有效,并發(fā)出脈沖信號時,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)單片機(jī)將脫機(jī)信號置于有效時,步進(jìn)電機(jī)處于力矩保持狀態(tài)即靜止；在需要手動采用機(jī)械方式盤車時,將脫機(jī)信號清除,則步進(jìn)電機(jī)處于無力矩狀態(tài),可以使用手動盤車功能。

步進(jìn)電機(jī)在整步運(yùn)行時的步距角為1.8°,如果以整步模式運(yùn)行,發(fā)送一個控制脈沖信號,電機(jī)將轉(zhuǎn)動整步的角度,為了使執(zhí)行器具有更高的執(zhí)行精度,對步進(jìn)驅(qū)動電路進(jìn)行細(xì)分設(shè)定,若將驅(qū)動芯片設(shè)置成16細(xì)分,則步距角變成整步的1/16,發(fā)送一個控制脈沖電機(jī)的轉(zhuǎn)角也減小相應(yīng)的倍率,脈沖當(dāng)量減小帶來的一個有益效果是從全開到全關(guān)的可執(zhí)行脈沖數(shù)增加,控制更加精細(xì)[9]；另一個好處是采用細(xì)分有利于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流過渡更加平緩,有利于減小電機(jī)轉(zhuǎn)動的沖擊,減小步進(jìn)電機(jī)的失步可能。以16細(xì)分、1∶50減速比、執(zhí)行器從全開到全關(guān)執(zhí)行時間為100 s計(jì)算,基準(zhǔn)脈沖頻率為400 Hz。脈沖頻率較高,不是普通的脈沖信號,而是高速信號,產(chǎn)生合適的脈沖信號是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn),普通的51系列單片機(jī)屬單線程處理、功能較單一,通常僅僅具有AD轉(zhuǎn)換復(fù)用端口[10],高速脈沖信號只能通過定時器程序?qū)崿F(xiàn),進(jìn)入定時器循環(huán),其他任務(wù)會被掛起,直到脈沖結(jié)束,方能進(jìn)入其他任務(wù),這樣做實(shí)時性就很差,因此脈沖產(chǎn)生必須是獨(dú)立于控制程序之外的功能,不消耗微控制器主線程資源,針對這一需求,需要設(shè)計(jì)專用回路處理這一事件[11]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣原理設(shè)計(jì)

雖然也有能夠運(yùn)行多線程的單片機(jī),在單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行一個嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng),如μC/OS[12],這一系統(tǒng)嵌入在單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行,作為底層的操作系統(tǒng),保證系統(tǒng)具有嚴(yán)格的實(shí)時性,操作系統(tǒng)內(nèi)核約為2 kB左右,需要占用系統(tǒng)運(yùn)行時間,系統(tǒng)運(yùn)行循環(huán)周期最快也要以10 ms起,若依靠這一時鐘產(chǎn)生脈沖,脈沖頻率不高于50 Hz,難以滿足使用要求。因此需要尋求更快的脈沖產(chǎn)生方式,STC12C5604AD是一種具有PWM復(fù)用端口和AD信號轉(zhuǎn)換端口的單片機(jī)[13],則產(chǎn)生高速脈沖和模擬量信號轉(zhuǎn)換屬于系統(tǒng)內(nèi)置功能,無需占用程序運(yùn)行時間,將PWM功能設(shè)定為50%占空比,則為高速脈沖控制信號。模擬量的閥位信號送入單片機(jī)的AD通道進(jìn)行處理,即可采集到絕對閥位值；控制器與上位機(jī)通過單片機(jī)的通信端口建立通信連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,控制器各組件功能如圖3所示。

STC12C5604AD單片機(jī)具有4路PWM復(fù)用端口和8路AD轉(zhuǎn)換端口,4路PWM復(fù)用端口提供高速脈沖控制信號,閥位模擬量信號送入AD轉(zhuǎn)換復(fù)用端口實(shí)現(xiàn)閥位測量,綜合片上資源,一塊單片機(jī)能夠控制4臺執(zhí)行器運(yùn)行,以1臺執(zhí)行器為例，其電氣原理如圖4所示,其他執(zhí)行器的控制只需按照同功能的端口類推即可得到。其中Drive1為1#步進(jìn)驅(qū)動板,驅(qū)動芯片型號為TB6560HQ,輸入的控制信號有步進(jìn)驅(qū)動器使能信號(EN)、方向信號(DI)、脈沖信號(PL)以及共陽端OPTO,其中EN、DI為常規(guī)低速信號,選用普通端口接入,PL為高速脈沖信號,使用單片機(jī)的PWM端口進(jìn)行控制,步進(jìn)驅(qū)動板輸出AB相驅(qū)動電流至步進(jìn)電機(jī)。使用精密電位計(jì)將閥位轉(zhuǎn)換成模擬量電壓送入單片機(jī)的模擬量輸入端口ADC0進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,反饋閥位。

圖4 控制電氣原理圖

3.2 提高執(zhí)行精度的策略

傳統(tǒng)方法是使用專用電路實(shí)現(xiàn)恒定脈沖頻率驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),然而步進(jìn)電機(jī)從靜止到最高轉(zhuǎn)速的加速過程中的轉(zhuǎn)角與脈沖時間長度不成比例,而且在脈沖停止后由于電機(jī)、減速機(jī)的慣性會導(dǎo)致定位過沖現(xiàn)象,因此恒頻驅(qū)動不能夠滿足閥門的精度要求,需要針對存在的丟步和過沖現(xiàn)象采用加減速策略解決這一問題,使用單片機(jī)的PWM復(fù)用端口發(fā)送變頻率脈沖使電機(jī)平穩(wěn)的加減速,步進(jìn)電機(jī)先經(jīng)過逐漸加速,達(dá)到最大速度后穩(wěn)定運(yùn)行一段時間,再經(jīng)過逐漸減速,速度過渡平穩(wěn),能減小丟步發(fā)生的幾率,有利于提高定位精度[14]。S形加速曲線專用于高精度定位的場合,速度為一階連續(xù)可導(dǎo)函數(shù),過渡平滑,能消除失步和過沖現(xiàn)象,而且反應(yīng)時間快,適用于執(zhí)行器的定位控制。

設(shè)實(shí)時速度為v,時間為t,加速度為a,加速度導(dǎo)數(shù)為j,S形加速曲線原理如圖5所示。從圖5可看出,在Ⅰ區(qū)內(nèi),加速度穩(wěn)定增大,速度也隨之上升,上升率逐漸增大；在Ⅱ區(qū)內(nèi),加速度穩(wěn)定減小,速度也仍然上升,但是上升率逐漸降低,在達(dá)到Ⅱ區(qū)邊緣時,速度達(dá)到最大值；在Ⅲ區(qū)內(nèi),保持最大速度運(yùn)行,一直到Ⅲ區(qū)后邊緣；在IV區(qū)內(nèi),做減速運(yùn)動,加速度絕對值穩(wěn)定增大,速度逐漸減小,但是減小率逐漸隨之增大；在V區(qū)內(nèi),做減速運(yùn)動,加速度絕對值穩(wěn)定減小,速度逐漸減小,但是減小率逐漸降低,在到達(dá)V區(qū)邊緣時速度減到最小,整個過程速度過渡平緩,沒有劇烈拐點(diǎn),有利于減小步進(jìn)電機(jī)丟步、過沖的可能。

根據(jù)執(zhí)行器整體的轉(zhuǎn)動慣量、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、步進(jìn)電機(jī)最大運(yùn)行速度,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)確保電機(jī)不丟步、不過沖時的最優(yōu)控制參數(shù),得到合適的加速曲線加速特性,其中區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)段內(nèi)每一點(diǎn)的加速度、速度、位移大小及運(yùn)行時間都是能夠確定的,加速階段和減速階段對應(yīng)的位移也相等,均為S0,適用S型加速策略的最小步長為2S0,此時無Ⅲ階段的運(yùn)行。在實(shí)際定位過程中,Ⅲ階段是運(yùn)行時間最長、最主要的環(huán)節(jié),設(shè)定位長度為S,則Ⅲ階段對應(yīng)的位移為S-2S0,其運(yùn)行速度為Vmax,則可以計(jì)算出Ⅲ階段運(yùn)行時間tⅢ為：

為了使控制程序簡潔可行,設(shè)定起步速度為零,規(guī)定j為絕對值不變且經(jīng)過多次測試優(yōu)化得到的確定值；區(qū)段tI、tⅡ、tIV、tV的值相等而且是通過實(shí)驗(yàn)得到的確定值T,各區(qū)段的速度值計(jì)算如下。

圖5 S形加速曲線原理

Ⅰ區(qū)段末端速度：

Ⅱ區(qū)段：aⅡ=2j·T-j·t

Ⅱ區(qū)段末端達(dá)到最大速度：

vmax=j·T2

令M=(2T+tⅢ)：

IV區(qū)段：aⅣ=-j·(t-M)

IV區(qū)段末端速度：

V區(qū)段：vⅤ=-j·(4T+tⅢ-t)

V區(qū)段末端速度：

vⅤ末=0

經(jīng)過定位后速度平緩過渡到0,能夠有效地防止步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖現(xiàn)象。將加減速階段的速度折算成脈沖頻率,經(jīng)過高速脈沖輸出脈沖程序運(yùn)行即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在加速區(qū)段與減速區(qū)段速度和時間是二次函數(shù)的關(guān)系,若將公式直接送入單片機(jī)程序計(jì)算執(zhí)行,會耗費(fèi)較多的時間和較多的步長,每個定位周期內(nèi)加速區(qū)段和減速區(qū)段速度與時間的關(guān)系為確定值,為了加快單片機(jī)的運(yùn)行速度,將速度與時間的函數(shù)離散化,存入控制器內(nèi)存,單片機(jī)以查表法直接讀取變速階段的速度值,能有效加快控制器的執(zhí)行速度。經(jīng)測試,應(yīng)用S形速度曲線具有良好的定位精度,在千分之一操作步長情況下誤差小于1.6%,在更長的操作步長時,誤差成比例的減小,置信度足以滿足精度要求。

3.3 通信控制設(shè)計(jì)

每臺稀釋水水力式流漿箱上安裝執(zhí)行器的數(shù)量一般為60～150只,如果采用常規(guī)的電纜方式控制,每一個控制信號都由一條電纜實(shí)現(xiàn),控制執(zhí)行器至少需要6個信號,按平均100臺執(zhí)行器計(jì)算則需要600根電纜,電纜數(shù)量眾多,故障率也高。為了減少控制電纜數(shù)量,執(zhí)行器需要采用通信方式進(jìn)行控制,每臺執(zhí)行器以不同的站號掛在通信總線上,從總線獲取控制數(shù)據(jù),其總線結(jié)構(gòu)如圖6所示。

橫幅定量執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)在總線上起到人機(jī)監(jiān)控的作用,提供人機(jī)交互平臺,主要的功能是定量曲線顯示、設(shè)定值輸入、控制參數(shù)設(shè)定、手自動切換等；橫幅定量控制計(jì)算機(jī)從定量掃描架獲取紙張各區(qū)域的定量數(shù)據(jù)遵循OPC通信協(xié)議將定量數(shù)據(jù)發(fā)送到執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)，執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)又與若干執(zhí)行器的控制器通過RS485總線相連接,并采用Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信,執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)也通過總線向各稀釋水控制器發(fā)送各區(qū)域定量數(shù)據(jù)、手自動工作狀態(tài)控制信號、返回各執(zhí)行器的閥位、報(bào)警信息；執(zhí)行器的控制器向各個步進(jìn)驅(qū)動芯片發(fā)送控制信號,使步進(jìn)電機(jī)根據(jù)控制信號正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn),驅(qū)動閥門閥芯旋轉(zhuǎn),改變加入系統(tǒng)稀釋白水的量,使定量穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi),并將所轄區(qū)域執(zhí)行器的閥位、全開狀態(tài)指示、全關(guān)狀態(tài)指示數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485總線,供工控機(jī)顯示和監(jiān)控；以執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)為界將系統(tǒng)分為相對獨(dú)立的兩個區(qū)域,橫幅定量檢測數(shù)據(jù)可以遵守國際通用的OPC協(xié)議,執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)能夠與不同廠家、品牌的定量檢測系統(tǒng)兼容,使該系統(tǒng)具有良好的國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口,增強(qiáng)本系統(tǒng)的普適性[15]；執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)通過Modbus通信協(xié)議連接各稀釋水控制器,組成一套相對封閉的系統(tǒng)[16]。Modbus協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等,這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容,在一根通信線上使用主從應(yīng)答式連接(半雙工),這意味著一根單獨(dú)的通信線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。主計(jì)算機(jī)的信號尋址到一臺唯一的終端設(shè)備(從機(jī)),然后終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號以相反的方向傳輸給主機(jī)。Modbus協(xié)議只允許(執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī))和執(zhí)行器控制器之間通信,而不允許執(zhí)行器控制器之間的數(shù)據(jù)交換,這樣各控制器不會對其他相鄰的設(shè)備產(chǎn)生額外的通信負(fù)載,僅限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號[17]。

總線型控制系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)為穩(wěn)定性及通信速度,與之相關(guān)的因素為系統(tǒng)控制站節(jié)點(diǎn)數(shù)量,節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,通信需要查詢的站號就越多,通信速率越低,每個執(zhí)行器控制器內(nèi)的單片機(jī)都在總線上有唯一的地址編號,一塊單片機(jī)通過PWM復(fù)用端口控制4臺執(zhí)行器的工作,相比傳統(tǒng)的一塊控制器僅僅控制一臺執(zhí)行器的方案,本系統(tǒng)站點(diǎn)數(shù)量僅為傳統(tǒng)方法的1/4,通信負(fù)荷隨之降低,有利于提高通信控制的穩(wěn)定性及速率。

4 結(jié) 語

橫幅定量執(zhí)行器是一種高度集成的精密組件,在機(jī)械上追求精巧設(shè)計(jì),在控制上需要考慮提高精度和可靠性的方法。控制器的核心與傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)不同,使用最新增強(qiáng)型具有復(fù)用端口的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高速脈沖發(fā)送、閥位模擬量信號采集、通過總線通信進(jìn)行控制能有效地降低生產(chǎn)成本,所需元件數(shù)量少,也有利于提高系統(tǒng)的可靠性；采用S形速度曲線加減速使閥門轉(zhuǎn)動過渡平穩(wěn),有效地提高了閥位控制精度。閥門的機(jī)械組件及電子控制元件均為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化系列產(chǎn)品,生產(chǎn)成本低,產(chǎn)品的綜合性價比高,具有廣闊的市場前景。執(zhí)行器的控制技術(shù)及精度領(lǐng)先于國內(nèi)傳統(tǒng)的以異步電機(jī)、同步電機(jī)作為驅(qū)動元件的閥門,其技術(shù)能夠方便的移植到其他閥門、執(zhí)行器上,在其他需要高精度流量控制的工業(yè)場合如石化、食品、輕工等行業(yè)也具有大量尚未開發(fā)的市場及應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Design of Cross Direction Basis Weight Control Actuator of Dilution Water Hydraulic Headbox

WANG Bo1,2,*TANG Wei1,2DONG Ji-xian1,2WANG Xi2,3WANG Feng4

(1.College of Light Industry and Energy, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an, Shaanxi Province,710021;2.ShaanxiResearchInstituteofAgriculturalProductsProcessingTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021；3.ShaanxiXiweiProcessAutomationEngineeringCo.,Ltd.,Xianyang,ShaanxiProvince,712081;4.ZhejiangLinuoFlowControlTechnologyCo.,Ltd.,Rui’an,ZhejiangProvince, 325200)

Considering high price of imported and low accuraly and integration of domestic products of cross direction basis weight actuator of dilution water headbox, a new type of circuit board integrated controller was developed. In order to improve the accuracy of valve, using S-curve of speed to treat the lose step and overshoot of the drive element. The controller used the MCU’s four-channel multifunction high-speed pulse port controlled the stepper motor drive chips, the valve’s position signal were measured by high precision potentiometer and sent to the MCU’s multifunction analog input channel port via the multifunction port of analog to collect the valve position. The controllers were connected together by communication bus; a single controller could control four dilution water valves, which improved the integrated level and applicability.

cross-direction basis weight ; dilution water headbox; S-curve of speed; actuator

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。

2014- 12- 03(修改稿)

項(xiàng)目資助：國家自然科學(xué)基金(51375286)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“智能高精度定量閥的研制”(2014K07-22)；陜西省科技計(jì)劃(2011K09-18)；陜西省科技統(tǒng)籌(2012KTCQ01-19)；陜西省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2012JZ7002)；西安市科技項(xiàng)目(CXY1431-2)；西安市未央?yún)^(qū)科技項(xiàng)目(201311)。

TH137.52+2, TS734

A

0254- 508X(2015)05- 0041- 06