智能電氣閥門定位器的研制

王志剛 俞利明 胡孟杰 薛 斌 劉 軍

（浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司）

在工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域中， 變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥可以組成一個(gè)常見的控制回路，調(diào)節(jié)閥作為最終的控制執(zhí)行元件，在很大程度上決定了過(guò)程控制性能的優(yōu)劣。 閥門定位器與閥門、執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成調(diào)節(jié)閥， 經(jīng)由輸入和反饋，形成閉環(huán)控制回路。 閥門定位器的優(yōu)劣可影響閥門靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、控制精度、速度和控制的靈活性。

1 智能電氣閥門定位器

按輸入信號(hào)，閥門定位器可分為氣動(dòng)閥門定位器和電氣閥門定位器［1］。 電氣閥門定位器以壓縮空氣為動(dòng)力源，接收來(lái)自DCS 系統(tǒng)（或調(diào)節(jié)器）的電信號(hào)，與閥位反饋機(jī)構(gòu)獲得的位置反饋信號(hào)相比較， 判斷與設(shè)定的流量特性關(guān)系是否相符，進(jìn)行閉環(huán)控制， 調(diào)節(jié)進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣壓，從而調(diào)整閥門開度，其控制回路如圖1 所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥控制回路

由浙江某公司研制的SPVP2000 型壓電閥式智能電氣閥門定位器，可根據(jù)控制系統(tǒng)提供的4～20mA 輸入信號(hào)，經(jīng)軟件算法處理后，輸出PWM信號(hào)，控制閥門開度，并依據(jù)反饋值調(diào)整閥門位置。 該定位器具有操作簡(jiǎn)單、功耗低及定位精度高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了控制閥產(chǎn)品的智能化。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能電氣閥門定位器主要包括壓電驅(qū)動(dòng)放大單元、氣路模塊、控制主板、傳感模塊及反饋機(jī)構(gòu)等，其結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 智能電氣閥門定位器結(jié)構(gòu)組成

智能電氣閥門定位器的工作原理為： 來(lái)自DCS 系統(tǒng)（或調(diào)節(jié)器）的4～20mA 控制量電信號(hào)作為調(diào)節(jié)閥位的設(shè)定值ω，與來(lái)自閥位反饋機(jī)構(gòu)中角度傳感器傳來(lái)的閥位實(shí)測(cè)值χ，二者通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器輸入至CPU 模塊，在CPU 模塊處理過(guò)后，比較求得二者偏差，若偏差值超過(guò)定位精度，再利用控制算法求得閥位控制量γ， 輸出指令控制壓電閥進(jìn)氣或排氣，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓縮空氣流量，推動(dòng)閥桿做直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)改變閥位開度， 該位移再通過(guò)反饋機(jī)構(gòu)和角度傳感器將位移量實(shí)測(cè)值χ反饋回至CPU 模塊， 從而進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)流量特性曲線偏差很大時(shí)，定位器輸出連續(xù)信號(hào)；當(dāng)偏差不大時(shí)，輸出脈沖信號(hào)，偏差越小，脈寬越??；當(dāng)偏差調(diào)節(jié)至閥門調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)，則不輸出控制指令，使壓電閥處于保持狀態(tài)。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)為二線制系統(tǒng)，即電源線和信號(hào)線共用一對(duì)導(dǎo)線，系統(tǒng)總輸入信號(hào)（4～20mA)既作為定位信號(hào)，又提供定位器所需電源消耗。 因此，低功耗也是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。 筆者主要對(duì)以下部分進(jìn)行說(shuō)明：

a. 電源模塊。 由于4～20mA 電流是系統(tǒng)的唯一輸入， 既作為閥門的定位信號(hào)又為整個(gè)定位器系統(tǒng)供電， 因而電源電路與電流采樣電路在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。

b. 電流采樣電路。 該電路采集4～20mA 電流信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，經(jīng)由A/D 采樣獲知閥位調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)值，并傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行后續(xù)處理。

c. 閥位反饋電路。 該模塊電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)磁阻式角度傳感器的驅(qū)動(dòng)， 并對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將當(dāng)前信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，傳遞給數(shù)據(jù)處理單元做后續(xù)處理。

d. MCU 數(shù)據(jù)處理單元。 該模塊采用MSP430系列芯片作為主要的數(shù)據(jù)處理單元，比較采樣電路輸出的閥門預(yù)設(shè)位置和反饋電路的閥門當(dāng)前位置，輸出一定占空比的PWM 方波，經(jīng)過(guò)I/P 轉(zhuǎn)換來(lái)控制閥門運(yùn)動(dòng)。

e. I/P 轉(zhuǎn)換單元。 該模塊采用壓電閥式結(jié)構(gòu)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。

在此硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上搭建環(huán)境測(cè)試主要性能指標(biāo)，并與定位器技術(shù)參數(shù)指標(biāo)作比較，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能電氣閥門定位器在使用現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，系統(tǒng)需進(jìn)行參數(shù)組態(tài)，手動(dòng)設(shè)定部分基本參數(shù)，隨后進(jìn)入系統(tǒng)自整定模式，實(shí)現(xiàn)大部分參數(shù)初始化校準(zhǔn)， 完成定位器與閥門的自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。

系統(tǒng)切換至自動(dòng)運(yùn)行工作模式后，由主控室信號(hào)對(duì)閥門實(shí)施自動(dòng)控制。 自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)定時(shí)采樣來(lái)自DCS 系統(tǒng)的控制信號(hào)和閥門閥位反饋信號(hào)， 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算并輸出信號(hào)，調(diào)整閥門開度。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，調(diào)用故障診斷報(bào)警輸出子程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。 因此，系統(tǒng)需要手動(dòng)操作和自動(dòng)運(yùn)行兩種工作模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作方式的切換， 以滿足不同工況下的需求。 此外，經(jīng)由按鍵和顯示屏實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的人機(jī)交互，通信模塊實(shí)現(xiàn)了基于HART 協(xié)議的通信功能。

基于以上分析，將智能電氣閥門定位器的軟件系統(tǒng)劃分為控制、管理和通信三大模塊，系統(tǒng)采用自上而下、模塊化的設(shè)計(jì)思路，便于后續(xù)調(diào)試和功能擴(kuò)展。

根據(jù)控制量設(shè)定信號(hào)與反饋機(jī)構(gòu)反饋信號(hào)的偏差，將偏差范圍劃分為正（負(fù)）向快步區(qū)、正（負(fù)）向慢步區(qū)和死區(qū)五大區(qū)域。不同的偏差區(qū)域，采取相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)控制壓電閥，實(shí)現(xiàn)壓電閥進(jìn)氣、排氣和保持狀態(tài)。 最終設(shè)計(jì)的控制程序流程如圖3 所示，其中負(fù)區(qū)處理流程與正區(qū)類似。

圖3 控制程序流程

2.3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)件作為閥門定位器的執(zhí)行、 反饋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閥門定位器精確定位，是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，包括殼體、氣路模塊、反饋裝置及調(diào)整機(jī)構(gòu)等。

殼體為各硬件結(jié)構(gòu)提供安裝孔位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊合理布局。 氣路模塊和壓電閥作為連接氣源與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的橋梁，有效而精確地驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)閥位。 通過(guò)氣路模塊中氣路的不同設(shè)計(jì)，以滿足閥門定位器的不同需求，如單作用、雙作用定位器。 反饋裝置由角度傳感器、一對(duì)傳動(dòng)比為3∶1 的齒輪、 傳動(dòng)軸及軸承座等其他配件構(gòu)成，通過(guò)反饋裝置將閥門開度轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)放大傳遞至系統(tǒng)。 調(diào)整機(jī)構(gòu)由彈片和調(diào)整連桿構(gòu)成，用于傳動(dòng)齒輪間的離合，調(diào)整齒輪位置，簡(jiǎn)單易用。

3 定位精度實(shí)驗(yàn)對(duì)比

采用空氣壓縮機(jī)提供氣源， 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行定位精度實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)比較標(biāo)稱角度與實(shí)際反饋角度間的誤差， 測(cè)試SPVP2000 智能電氣閥門定位器的工作性能及其定位精度，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角值隨輸入信號(hào)變化曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知， 隨著輸入電流的增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角值逐漸增大，且近似為線性變化。 由圖4 可知，系統(tǒng)設(shè)定的標(biāo)稱角度與執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際轉(zhuǎn)角值偏差較小。 因此，可以認(rèn)為該智能電氣閥門定位器性能及其定位精度滿足工作要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者研制了SPVP2000 型壓電閥式智能閥門定位器， 設(shè)計(jì)并完成了閥門定位器定位精度實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)設(shè)定的標(biāo)稱角度與實(shí)際反饋角度間的誤差，驗(yàn)證了產(chǎn)品工作的可靠性。 通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，該智能電氣閥門定位器具有操作簡(jiǎn)單、功耗低及定位精度高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了控制閥產(chǎn)品的智能化。