智能稀釋水閥中關(guān)鍵問題的研究

劉文波， 王孟效

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

?

智能稀釋水閥中關(guān)鍵問題的研究

劉文波， 王孟效

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：針對(duì)在橫向定量控制系統(tǒng)中由于智能稀釋水閥橫向安裝間距窄小及數(shù)目眾多等特點(diǎn)導(dǎo)致的研制難點(diǎn)，從閥體選擇、電機(jī)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)交換方面對(duì)關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述，并給出了解決方法，有助于設(shè)計(jì)出尺寸緊湊、高精度、散熱良好、性能可靠的智能稀釋水閥，從而有效改善紙張橫向定量分布的均勻度.

關(guān)鍵詞：智能稀釋水閥； 橫向定量； 數(shù)據(jù)交換

0引言

紙機(jī)橫向控制的概念于上世紀(jì)五十年代提出，受限于當(dāng)時(shí)紙幅窄以及測(cè)控技術(shù)低等條件，并沒有取得大的發(fā)展.隨著紙幅的增加、車速的提高，特別是用戶對(duì)紙張質(zhì)量的要求越來越高，橫向控制技術(shù)獲得越來越多的重視[1].在橫向控制中包括對(duì)定量、水分、厚度等指標(biāo)的控制，其中對(duì)橫向定量的控制尤為重要.傳統(tǒng)的橫向定量控制方法主要采用唇板配曲調(diào)節(jié)的方式，即通過微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)噴漿唇板開度大小，從而實(shí)現(xiàn)橫向定量均勻一致.此方法存在著調(diào)節(jié)精度差、靈敏度和分辨率較低的缺點(diǎn)[2].

隨著稀釋水流漿箱的出現(xiàn)，基于稀釋水流漿箱的橫向定量控制系統(tǒng)逐漸得到了應(yīng)用，其突破了傳統(tǒng)的唇板配曲調(diào)節(jié)方法，采用分區(qū)濃度調(diào)節(jié)的方法調(diào)節(jié)橫向定量，可以使成品紙張的橫幅定量差比傳統(tǒng)的方式減少50%～80%[3].

作為濃度調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，稀釋水閥在橫向定量控制中有著重要作用.在經(jīng)歷了手動(dòng)、電動(dòng)等階段后，稀釋水閥逐漸向自動(dòng)化、智能化發(fā)展.作為一種高集成度、高自動(dòng)化程度、高執(zhí)行精度的機(jī)電一體化設(shè)備，智能稀釋水閥研制的難度相對(duì)較大.

目前在國(guó)內(nèi)造紙工業(yè)中，國(guó)外廠商的稀釋水閥往往與流漿箱、橫向定量控制系統(tǒng)配套銷售，價(jià)格及后續(xù)服務(wù)費(fèi)用較高，造紙企業(yè)在采用其產(chǎn)品時(shí)，總體擁有成本較高.國(guó)內(nèi)也有部分研究院所及企業(yè)從事此方面的研究，但存在尺寸較大、易發(fā)生過熱死機(jī)等問題.在當(dāng)前造紙工業(yè)發(fā)展及結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，國(guó)內(nèi)對(duì)于稀釋水流漿箱有較大需求，根據(jù)幅寬不同，每臺(tái)稀釋水流漿箱需配置數(shù)十至數(shù)百只稀釋水閥，對(duì)智能稀釋水閥的需求量很大.因而研制高性價(jià)比的智能稀釋水閥在國(guó)內(nèi)具有廣闊的市場(chǎng)前景.

1智能稀釋水閥設(shè)計(jì)難點(diǎn)

稀釋水流漿箱通過安裝在橫幅方向的稀釋水調(diào)節(jié)裝置，對(duì)局部漿料濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)橫向定量的均勻調(diào)節(jié)[4].典型的稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，首先橫向定量控制系統(tǒng)通過掃描傳感器檢測(cè)紙張橫向定量數(shù)據(jù)，進(jìn)而運(yùn)行控制算法得到控制量，然后輸出至智能稀釋水閥，調(diào)整稀釋水流量，從而實(shí)現(xiàn)局部漿料濃度的改變，最終達(dá)到對(duì)橫向定量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的目的.

在此結(jié)構(gòu)中，智能稀釋水閥作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，作用至關(guān)重要.從本質(zhì)上來看，智能稀釋水閥是一種電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由于應(yīng)用于橫向定量調(diào)節(jié)，其具有特定的功能，在此應(yīng)用場(chǎng)合，其具有如下特點(diǎn)，也導(dǎo)致研制中的難點(diǎn).

圖1　稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)組成

(1)橫向安裝間距窄小

如圖1所示結(jié)構(gòu)中，稀釋水閥安裝在流漿箱的橫幅方向，在幅寬一致的情況下，橫向安裝的稀釋水閥數(shù)目越多，其空間分辨率就越高，隨之而來的是控制精度的提高.目前所通用的橫向安裝中心間距一般為60mm.同時(shí)，由于要考慮到操作空間、散熱、后期維護(hù)等因素，相鄰兩個(gè)稀釋水閥之間還應(yīng)保留部分空間，因此對(duì)于智能稀釋水閥的橫向尺寸提出了要求，一般不應(yīng)超過55mm.

智能稀釋水閥可分為閥體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分.相對(duì)而言，閥體為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，內(nèi)部并無電子元件等，故其所受尺寸制約相對(duì)較小.而執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般而言包括控制板、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等，考慮到現(xiàn)場(chǎng)防水要求，它們被安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)密閉殼體內(nèi).在正常運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)及控制板會(huì)散發(fā)熱量.由于尺寸的限制，其內(nèi)部空間較為狹小，當(dāng)由于發(fā)熱引起溫度升高到一定程度后，會(huì)導(dǎo)致控制板元件無法穩(wěn)定工作，從而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)死機(jī)、失靈等現(xiàn)象.

(2)稀釋水閥數(shù)目眾多

當(dāng)前紙幅寬度越來越大，國(guó)際上已有幅寬達(dá)10.45m的紙機(jī)[5]，國(guó)內(nèi)也有幅寬8.1m的紙機(jī)[6].以60mm安裝中心間距計(jì)算，需要安裝160個(gè)智能稀釋水閥.為了實(shí)施控制，這些稀釋水閥需要與橫向定量控制系統(tǒng)連接，若采用傳統(tǒng)的模擬連接方式，則需要大量連接電纜.除了成本上的增加、施工難度加大，還存在易發(fā)故障、不易排查檢修等隱患.因而可考慮采用總線連接的方式，即在智能稀釋水閥上設(shè)計(jì)串行通信接口，通過其與橫向定量控制系統(tǒng)互聯(lián)，所有的數(shù)據(jù)通過通信方式進(jìn)行交換，只需采用單根四芯屏蔽電纜即可，其中電源線、通訊線各兩芯.為了保證正常通信，在距離較遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)較多的情況下還應(yīng)考慮加入通信中繼器.

結(jié)合以上特點(diǎn)，智能稀釋水閥的總體結(jié)構(gòu)可采用圖2所示方案，其研制中的關(guān)鍵問題主要在于閥體選擇、電機(jī)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)方面.

圖2　智能稀釋水閥總體結(jié)構(gòu)

2閥體選擇

稀釋水閥的選擇直接關(guān)系到稀釋水調(diào)節(jié)的特性，一般地，閥門的理想流量特性可以分為等百分比、線性、快開和拋物線等流量調(diào)節(jié)特性[7,8]，如圖3所示.在閥門同樣開度變化下，等百分比特性表現(xiàn)為流量較小時(shí)，調(diào)節(jié)緩和平穩(wěn);流量較大時(shí)，調(diào)節(jié)靈敏有效.直線特性表現(xiàn)為流量較小時(shí)，調(diào)節(jié)作用較強(qiáng)，易超調(diào)、振蕩;流量大時(shí)，調(diào)節(jié)不夠靈敏.拋物線特性表現(xiàn)介于兩者之間.而快開特性則表現(xiàn)為可調(diào)節(jié)范圍偏小、易飽和[9].

圖3　閥門理想流量特性

在稀釋水橫向定量調(diào)節(jié)中，由于調(diào)節(jié)是通過稀釋水的添加改變局部進(jìn)漿濃度實(shí)現(xiàn)的，這就要求為獲得穩(wěn)定的調(diào)節(jié)效果，稀釋水流量在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中平穩(wěn)變化、精度一致，應(yīng)選用具有等百分比特性的閥門；且在實(shí)際生產(chǎn)中添加的稀釋水一般為低濃度白水，其中含有紙漿纖維，還應(yīng)考慮到閥的防堵塞.

V形閥在工業(yè)生產(chǎn)中含有纖維介質(zhì)的流體系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用[10]，其具有等百分比特性，調(diào)節(jié)精度高，且在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生剪切力，對(duì)流體介質(zhì)產(chǎn)生剪切作用，防堵塞能力較強(qiáng).因此，結(jié)合稀釋水調(diào)節(jié)的需求，可選擇采用V形閥，閥門通徑一般可選擇為DN20[11].

實(shí)際中由于工作條件的影響，V形閥的實(shí)際流量特性與理想流量特性有一定的差異，此時(shí)，可采用兩種方法進(jìn)行調(diào)整.其一是重新設(shè)計(jì)閥芯結(jié)構(gòu)，另一種方法是通過軟件方法進(jìn)行補(bǔ)償.前者需要改變硬件結(jié)構(gòu)，且當(dāng)工作條件(如流體流速、壓力等)變化時(shí)，實(shí)際流量特性可能會(huì)再次偏離，有一定局限性；后者由軟件編程實(shí)現(xiàn)，較為靈活，可根據(jù)工作條件采用不同的補(bǔ)償算法.

以如圖4所示的實(shí)際流量特性及理想等百分比流量特性為例，假定其特性曲線分別可用公式(1)、(2)表示：

圖4　閥門特性補(bǔ)償

Q/Qmax=f1(l/L)

(1)

Q/Qmax=f2(l/L)=R(l/L-1)

(2)

其中Q為流量，Qmax為最大流量，Q/Qmax為相對(duì)流量，l為開度，L為最大開度，l/L為相對(duì)開度，R為可調(diào)比.

利用算法補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘蛊涮匦越咏诶硐胩匦?，補(bǔ)償方法如下：

① 在理想特性曲線上取10個(gè)工作點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)相對(duì)開度10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，根據(jù)公式(2)，分別求解它們所對(duì)應(yīng)的相對(duì)流量；

② 根據(jù)①中所得的相對(duì)流量值，利用公式(1)求解實(shí)際流量特性所對(duì)應(yīng)的相對(duì)開度；

③ 根據(jù)①、②中的數(shù)據(jù)，可得表1所示補(bǔ)償數(shù)據(jù)；

表1　閥特性補(bǔ)償數(shù)據(jù)

④ 由于表1中相對(duì)開度給定來自于橫向定量控制系統(tǒng)閥位輸出量，在此可利用三次多項(xiàng)式對(duì)表1中理想特性相對(duì)開度與實(shí)際特性相對(duì)開度的10組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，由此可得到擬合多項(xiàng)式(3).

l/L=a×Sp3+b×Sp2+c×Sp+d

(3)

其中a、b、c、d為多項(xiàng)式系數(shù)，經(jīng)過擬合后為已知參數(shù)；Sp為閥位輸出量，l/L為經(jīng)過補(bǔ)償后閥的實(shí)際相對(duì)開度.

經(jīng)過上述擬合，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際特性的補(bǔ)償.

3執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作，由電機(jī)、控制器兩部分組成.設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)主要在于電機(jī)的選擇、電機(jī)及控制器的發(fā)熱與防水、與橫向定量控制系統(tǒng)上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換等.

3.1電機(jī)選擇

在驅(qū)動(dòng)稀釋水閥時(shí)，一般采用直流步進(jìn)電機(jī).在選擇具體電機(jī)時(shí)，除應(yīng)滿足稀釋水閥的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求外，還應(yīng)滿足空間尺寸要求.

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，國(guó)際上不同廠家稀釋水閥在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面有不同指標(biāo)，如霍尼韋爾為18N·m(DN25)，美卓及福伊特為20N·m(DN20).考慮到稀釋水閥安裝空間較小，可選擇座號(hào)規(guī)格為42或以下系列兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī).以42系列步進(jìn)電機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)長(zhǎng)度的不同，其靜力矩一般在0.1～0.8N·m之間，不足以直接驅(qū)動(dòng)稀釋水閥，還應(yīng)當(dāng)加裝減速器對(duì)力矩進(jìn)行放大.在確定電機(jī)靜力矩及減速比時(shí)，可按照如下公式：

TH×R≥TL

(4)

(5)

其中TH為電機(jī)靜力矩，TL為閥的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，R為減速器的減速比，θ為步進(jìn)電機(jī)步距角，Θ為閥門從全關(guān)到全開的角度，M為采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)的細(xì)分?jǐn)?shù)，S0為定位精度所對(duì)應(yīng)的步數(shù).

若選擇靜力矩為0.48N·m的步進(jìn)電機(jī)，取TL=20N·m，根據(jù)公式(4)，則至少應(yīng)采用減速比R為42以上的減速器.但隨著減速比的增大，傳動(dòng)的均衡性將會(huì)受到影響，且減速器體積也會(huì)相應(yīng)增大.因此，綜合考慮可選擇減速比為50的減速器.

根據(jù)公式(5)，在角度Θ一定的前提下，選定減速比R后，步距角θ越小、細(xì)分?jǐn)?shù)M越大，則閥門定位精度越高，國(guó)外廠商產(chǎn)品定位精度可達(dá)10 000步.在實(shí)際中，42系列兩相步進(jìn)電機(jī)步距角θ一般為0.9 °、1.8 °.若取θ=1.8 °、Θ=90 °、定位精度S0為10 000步，則由公式(5)可知，為滿足定位精度需求，應(yīng)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，且細(xì)分?jǐn)?shù)M=4.

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

稀釋水流漿箱位于造紙生產(chǎn)線濕部，所處環(huán)境濕度較大，在防水方面對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有較高要求，一般而言應(yīng)具有IP65以上的防護(hù)等級(jí).同時(shí)，為避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)因運(yùn)行過程中元器件的發(fā)熱導(dǎo)致不穩(wěn)定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有良好的散熱性能.除此之外，由于安裝間距較為狹小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸不應(yīng)過大.綜上考慮，可采用平行結(jié)構(gòu)和共軸結(jié)構(gòu)兩種布局方式.

(1)平行結(jié)構(gòu)

如圖5所示，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于的步進(jìn)電機(jī)與電路板平行放置，適合于縱向安裝空間較大的應(yīng)用場(chǎng)合.為保證防護(hù)等級(jí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體采用密閉式結(jié)構(gòu)，殼體材料采用304不銹鋼，相對(duì)于塑料具有更為優(yōu)異的性能，整體外形尺寸為50×100×100(寬×高×深)mm，結(jié)構(gòu)緊湊小巧.執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)裝有雙出軸步進(jìn)電機(jī)，閥位反饋裝置及減速器分別與電機(jī)上、下端出軸采用共軸方式進(jìn)行連接.減速器輸出軸從執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體底部伸出，并與閥桿采用聯(lián)軸器共軸連接，殼體與閥體之間采用法蘭連接.控制電纜通過防水插頭連接至殼體，控制電路板在殼體內(nèi)部平行于電機(jī)軸線安裝，由于內(nèi)部空間較大，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)、控制電路板電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片分別與殼體之間緊密貼合，可采用殼體本身來進(jìn)行散熱，因此具備良好的散熱性能.

1.閥位反饋裝置 2.步進(jìn)電機(jī) 3.減速器 4.連接法蘭 5.聯(lián)軸器 6.閥體 7.電路板 8.外殼 9.防水插頭圖5　執(zhí)行機(jī)構(gòu)平行結(jié)構(gòu)

(2)共軸結(jié)構(gòu)

如圖6所示，此結(jié)構(gòu)與平行結(jié)構(gòu)的不同在于電路板與安裝于電機(jī)軸線頂部，在垂直方向尺寸較大，而橫向及縱向安裝較小，適合于垂直方向安裝空間較大的應(yīng)用場(chǎng)合.殼體整體外形尺寸為50×180×50(寬×高×深)mm.由于尺寸緊湊，殼體內(nèi)部空間較小，控制電路板分為上下層布局.其中下層電路板為核心控制板，主要包括單片機(jī)及其他外圍元器件，上層電路板為驅(qū)動(dòng)板，主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及外圍元器件.運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量可通過殼體向外散發(fā)，散熱性能良好.

1.防水插頭2.上層電路板 3.下層電路板 4.閥位反饋裝置 5.步進(jìn)電機(jī) 6.減速器 7.連接法蘭 8.聯(lián)軸器 9.閥體圖6　執(zhí)行機(jī)構(gòu)共軸結(jié)構(gòu)

3.3控制器設(shè)計(jì)

控制器的作用在于接收橫向定量控制系統(tǒng)發(fā)送的控制命令集數(shù)據(jù)，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)改變閥門開度，從而對(duì)稀釋水流量進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向定量的調(diào)節(jié).在控制器的設(shè)計(jì)中需考慮如下諸多因素.

(1)控制方式

橫向定量控制中，稀釋水與流漿箱總壓間需維持一定差壓才能將稀釋水加入流漿箱.在紙機(jī)運(yùn)行過程中，差壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致稀釋水對(duì)閥芯的沖擊，相當(dāng)于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載波動(dòng).且根據(jù)橫向緩慢時(shí)變的特性，實(shí)際中步進(jìn)電機(jī)并非連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而是在橫向定量控制系統(tǒng)控制下，重復(fù)執(zhí)行啟動(dòng)、加速、減速、停止操作，此過程中易產(chǎn)生震蕩及丟步現(xiàn)象.故為了提高控制精度，可增加步進(jìn)電機(jī)位置反饋裝置，采用閉環(huán)控制的方式.

(2)過流保護(hù)

實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)稀釋水閥堵轉(zhuǎn)的情況，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過流，嚴(yán)重情況下會(huì)損壞步進(jìn)電機(jī)及控制器，影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作.因此，還應(yīng)考慮過流保護(hù).

(3)電機(jī)位置保持

由于稀釋水與紙漿之間存在差壓，在電機(jī)停止時(shí)，稀釋水會(huì)對(duì)閥芯產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)扭矩，若不采取位置保持措施，則可能造成稀釋水閥位置漂移，對(duì)控制精度造成影響.因而在驅(qū)動(dòng)電路中需采取位置保持措施.

(4)數(shù)據(jù)交換

執(zhí)行機(jī)構(gòu)與上位機(jī)之間通過總線的方式進(jìn)行連接及交換數(shù)據(jù).因而在硬件電路中設(shè)計(jì)通訊接口，并編寫通訊協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換.

綜合以上考慮，可采用以AT89S52單片機(jī)為控制核心，以專用驅(qū)動(dòng)芯片THB6128[12,13]為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有過流保護(hù)功能，帶有編碼器信號(hào)輸入端口，以及RS485串行接口[14]的設(shè)計(jì)方案.其硬件結(jié)構(gòu)如下：

圖7　執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)

圖7中供電電路用于為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供電源；看門狗電路采用X5045芯片，用于防止程序跑飛，提高系統(tǒng)可靠性；RS485接口電路采用MAX487E芯片，用于將執(zhí)行機(jī)構(gòu)接入通訊網(wǎng)絡(luò)中；位置反饋部分用于接收正交脈沖信號(hào)，獲取當(dāng)前的反饋閥位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥位的閉環(huán)控制；過流保護(hù)部分用于在電機(jī)過流時(shí)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作；單片機(jī)則采用AT89S52，其主要功能是通過串行通訊接口接收來自于橫向定量控制系統(tǒng)的控制命令及數(shù)據(jù)，并相應(yīng)的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、閥位數(shù)據(jù)反饋等功能.

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是控制器核心之一，可采用分立元件也可采用專用驅(qū)動(dòng)芯片.考慮到可靠性及結(jié)構(gòu)尺寸的需求，在此采用專用驅(qū)動(dòng)芯片THB6128.其工作電壓為9～36V，最大輸出電流2A，具有細(xì)分驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)半流、過流及過熱保護(hù)功能，可驅(qū)動(dòng)57系列以下步進(jìn)電機(jī).在THB6128工作時(shí)需要至少3個(gè)控制信號(hào):方向(CW/CCW)、脈沖(CLK)、脫機(jī)(ENABLE)，其中方向信號(hào)用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，脈沖信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速則取決于脈沖信號(hào)頻率，脫機(jī)信號(hào)用于控制電機(jī)在停止時(shí)是否具有保持力矩.若需要提高控制精度、減少振動(dòng)，可以采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式，需要連接細(xì)分控制信號(hào)(M1，M2，M3).

在控制器工作時(shí)，由于殼體內(nèi)空間狹小，發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致控制器工作不穩(wěn)定、死機(jī)等現(xiàn)象.為減少發(fā)熱造成的影響，可利用THB6128芯片的自動(dòng)半流功能，即在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出正常驅(qū)動(dòng)電流，而在電機(jī)靜止時(shí)，使芯片工作于半流狀態(tài)，在起到保持電機(jī)位置作用的同時(shí)，還可有效降低控制器及電機(jī)靜態(tài)功耗，減少發(fā)熱.在實(shí)際應(yīng)用中，通過自動(dòng)半流以及對(duì)靜態(tài)電流進(jìn)行微調(diào)，可使得控制器工作電流小于100mA，在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下也能保證芯片溫度處于正常工作溫度范圍內(nèi)，有效的提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性.

為解決與橫向定量控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題，在執(zhí)行器控制板上設(shè)計(jì)了串行通信接口，通過總線方式與上位機(jī)進(jìn)行連接，并采用自定義通信協(xié)議，具體如下：

首先，執(zhí)行器與上位機(jī)之間采用RS485總線進(jìn)行連接，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8　通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于RS485總線而言，當(dāng)串口輸入阻抗為12kΩ時(shí)，可驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，在輸入阻抗分別為1/2負(fù)載(≥24kΩ)、1/4負(fù)載(≥48kΩ)時(shí)，則分別可驅(qū)動(dòng)64個(gè)、128個(gè)節(jié)點(diǎn).由于在橫向定量控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器數(shù)量眾多，若將所有執(zhí)行器直接連接至同一總線上，可能導(dǎo)致串口通信不穩(wěn)定甚至故障.因此，在本通信網(wǎng)絡(luò)中，從兩方面提高能驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，一方面是在執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用輸入阻抗為1/4負(fù)載的串口芯片(MAX487E)；另一方面，采用RS485集線器，其提供多個(gè)輸出端口，每個(gè)端口可驅(qū)動(dòng)32個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)或128個(gè)1/4負(fù)載節(jié)點(diǎn)，共計(jì)可以驅(qū)動(dòng)32×N(N為端口數(shù))個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)或128×N個(gè)1/4負(fù)載節(jié)點(diǎn)，可以滿足實(shí)際使用要求.

其次，在數(shù)據(jù)交換過程中，由橫向定量控制系統(tǒng)上位機(jī)主動(dòng)發(fā)起通信，執(zhí)行器控制板采用中斷方式接收數(shù)據(jù)并響應(yīng)，其流程如圖9所示.

然后，在通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，參照OSI(OpenSystemInterconnection，開放系統(tǒng)互聯(lián))[15]七層模型，利用其中三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)自定義通信協(xié)議.

圖9 串口中斷服務(wù)子程序流程

① 物理層

采用RS485接口標(biāo)準(zhǔn)，波特率9 600bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位.

② 數(shù)據(jù)鏈路層

采用主/從方式，由主機(jī)發(fā)起通信，從機(jī)等待主機(jī)請(qǐng)求并響應(yīng).橫向定量控制系統(tǒng)的上位機(jī)作為主機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為從機(jī).主機(jī)采用點(diǎn)播及廣播方式與從機(jī)通信，數(shù)據(jù)幀的傳輸采用RTU(RemoteTerminalUnit，遠(yuǎn)程終端單元)模式，每幀數(shù)據(jù)包含6個(gè)字節(jié)，幀格式如表2所示.

表2　數(shù)據(jù)幀格式

根據(jù)功能，數(shù)據(jù)幀可分為請(qǐng)求、響應(yīng)及錯(cuò)誤幀.其中請(qǐng)求幀由主機(jī)發(fā)出，響應(yīng)幀和錯(cuò)誤幀由從機(jī)發(fā)出.主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求幀后，需等待從機(jī)響應(yīng)才能發(fā)送下一請(qǐng)求幀，若等待超時(shí)，則放棄等待，轉(zhuǎn)而發(fā)送下一請(qǐng)求幀；若執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)錯(cuò)誤，則響應(yīng)錯(cuò)誤幀.

③ 應(yīng)用層

在數(shù)據(jù)幀中，地址字段作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)唯一標(biāo)識(shí)，范圍從1到255，地址0為廣播地址；命令字段表示主機(jī)命令，范圍從1到127；數(shù)據(jù)字段為2字節(jié)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)幀而有不同的內(nèi)容，主要命令及數(shù)據(jù)如表3所示；校驗(yàn)字段包含對(duì)地址、命令、數(shù)據(jù)字段的16位CRC(CyclicalRedundancyCheck，循環(huán)冗余校驗(yàn))信息，用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否出錯(cuò).

表3　主要命令及數(shù)據(jù)

例如地址為2的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的稀釋水閥當(dāng)前開度為50.00%，為獲取其開度，主機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容如表4所示.

表4　獲取開度時(shí)的數(shù)據(jù)幀

4結(jié)論

隨著稀釋水流漿箱在造紙生產(chǎn)線中越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)與之配套的智能稀釋水閥的需求也越來越多.本文從閥體選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面針對(duì)其設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討：

(1)采用V型閥作為閥體，并通過軟件算法針對(duì)流量特性進(jìn)行補(bǔ)償，從而解決閥體選擇問題；

(2)采用兩相混合步進(jìn)電機(jī)，利用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高驅(qū)動(dòng)精度，并給出了相關(guān)參數(shù)選擇方法.給出了平行結(jié)構(gòu)及共軸結(jié)構(gòu)兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以解決對(duì)于尺寸、散熱、密封等方面的要求；

(3)在控制器設(shè)計(jì)中，采用閉環(huán)控制方式，增加閥位反饋，進(jìn)一步提高控制精度.以單片機(jī)為控制核心、采用專用驅(qū)動(dòng)芯片THB6128、結(jié)合自動(dòng)半流技術(shù)，解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)、散熱、過流保護(hù)等問題，并利用RS485網(wǎng)絡(luò)及自定義通信協(xié)議解決數(shù)據(jù)交換問題.

通過對(duì)以上問題的解決，可為智能稀釋水閥的設(shè)計(jì)提供一定參考，在應(yīng)用于橫向定量控制系統(tǒng)時(shí)，可有效改善紙張橫向定量分布的均勻度.

參考文獻(xiàn)

[1]劉文波，王樨，湯偉，等.稀釋水橫向定量控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)造紙, 2014,33(8):1-6.

[2]石先城，馮郁成，陳克復(fù)，等.OPC技術(shù)在稀釋水橫幅定量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用[J].中華紙業(yè),2013,32(14):25-28.

[3]林美嬋.MC稀釋水型水力式流漿箱關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)[J].中國(guó)造紙,2010,29(3):56-58.

[4]康國(guó)兵.稀釋水在布漿支管中的混合特性研究[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,13(1):1-5.

[5]黃莉.新技術(shù)在造紙機(jī)上的應(yīng)用[J].西南造紙,2006,35(3):32-34.

[6]鐘華.APP金桂漿紙白紙板生產(chǎn)線打破同類紙機(jī)運(yùn)行車速世界紀(jì)錄[J].中華紙業(yè)，2015,36(3):80.

[7]楊海燕，侯順利，牛緒中．稀釋水水力式流漿箱的控制探索[J].紙和造紙，2013，32(4):4-7.

[8]衛(wèi)紅.調(diào)節(jié)閥流量特性變化對(duì)調(diào)節(jié)精度的影響[J].中國(guó)氯堿,2014(7):44-46.

[9]姚曉春.V形調(diào)節(jié)球閥的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[10]孫豐位.V形調(diào)節(jié)球閥閥芯結(jié)構(gòu)與等百分比流量特性分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

[11]姜豐偉.流漿箱改造與稀釋水流漿箱[J].中國(guó)造紙，2009，28(11):67-68.

[12]趙立輝,霍春寶.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2013,40(11):40-45,58.

[13]姬起群,施火泉.電動(dòng)式電子膨脹閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),2012,40(3):64-65,68.

[14]李飛.一種RS-485總線發(fā)送器的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2014,44(6):803-807,812.

[15]毛鵬,李穎,李健,等.遵從OSI體系的CIM數(shù)據(jù)一致性測(cè)試框架研究[J].電工電能新技術(shù),2013,32(2):68-71,86.

Studyonkeyproblemsofsmartdilutionwatervalve

LIUWen-bo,WANGMeng-xiao

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China)

Abstract:In dilution water cross direction basis weight control system,the characteristics of narrow horizontal installation space and large quantity of smart dilution water vale lead to difficulties in its design.Aimed to this problem,the key problems of valve selection,motor selection,structure design and data exchange were expounded,and the solutions were given, which could help to design the smart dilution water valve with compact size,high precision, good cooling performance and reliable performance,thus effectively improving the paper formation of cross direction.

Key words:smart dilution water valve; cross direction basis weight; data exchange

中圖分類號(hào)：TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-5811(2015)05-0171-07

作者簡(jiǎn)介:劉文波(1981-)，男，湖北天門人，講師，博士，研究方向：控制理論與控制工程

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014K05-03)； 陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ11-07)

收稿日期:*2015-08-11