電動閥門智能控制器的設(shè)計

電動閥門智能控制器的設(shè)計以AT80C2051作為微控制器設(shè)計電動閥門智能控制器，完成了電動閥門的位置檢測、遠(yuǎn)程控制信號轉(zhuǎn)換、參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整、閥門電機(jī)驅(qū)動電路及鍵盤、顯示等硬件電路設(shè)計，在建立數(shù)學(xué)模型的根底上，設(shè)計并驗(yàn)證了系統(tǒng)的PID算法，完成了電路中相應(yīng)的軟件程序設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)開展實(shí)時控制，保證了操作的可靠性與準(zhǔn)確性。運(yùn)用RS-485實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心間的通訊，在組態(tài)環(huán)境下開展實(shí)時監(jiān)控運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)儀表控制的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化與遠(yuǎn)程化，便利了操作，拓寬了閥門的使用環(huán)境范圍，節(jié)約了成本。組態(tài)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果說明：該裝置線性關(guān)系較好，動作時間短，具有較高的精度與友好的人機(jī)界面，誤差在0.3%以內(nèi)。

在現(xiàn)代工業(yè)自動控制中，調(diào)節(jié)閥是最主要的執(zhí)行器件之一，在石油、化工、電力、水利等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。但國內(nèi)電動調(diào)節(jié)閥技術(shù)與國外相比還有很大差距，國內(nèi)電動調(diào)節(jié)閥普遍具有構(gòu)造不合理，控制精度低，安全性能差，不能很好地開展人機(jī)通話、難于現(xiàn)場標(biāo)定和維修等缺陷。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)及通訊技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)閥門廠家紛紛對電動調(diào)節(jié)閥開展研究，各項(xiàng)指標(biāo)和性能都有所提高，但是相應(yīng)的成本也提高不少，價格比較昂貴的。為此研究一款價格實(shí)惠、構(gòu)造簡單、功能齊全、便于現(xiàn)場操作和集中控制的電動調(diào)節(jié)閥。1、硬件構(gòu)造

1.1、總體構(gòu)造

系統(tǒng)的硬件電路主要由閥門的位置反應(yīng)信號檢測、遠(yuǎn)端控制信號的轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整電路所構(gòu)成的模擬量輸入通道、A/D轉(zhuǎn)換、伺服電機(jī)驅(qū)動及減速運(yùn)行的輸出電路、D/A轉(zhuǎn)換和外圍鍵盤顯示等電路以及上位機(jī)遠(yuǎn)程通訊等組成，如圖1所示?？刂浦行男盘枴F(xiàn)場實(shí)際開度的反應(yīng)信號、現(xiàn)場參數(shù)整定和靈敏度信號調(diào)整通過TL2543開展A/D轉(zhuǎn)換后送到AT89C2051微控制器，微控制器根據(jù)這些信號開展運(yùn)算處理，以控制電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反運(yùn)轉(zhuǎn)和全開全關(guān)運(yùn)行，使得閥門快速到達(dá)設(shè)定開度。采用LCD實(shí)時顯示閥門實(shí)際開度值，通過RS-485通訊直接將閥門現(xiàn)場反應(yīng)信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的上位機(jī)，在上位機(jī)的組態(tài)界面上開展顯示，以記錄閥門開度的調(diào)節(jié)情況。同時中控中心的工作人員可以通過組態(tài)監(jiān)控，對現(xiàn)場閥門實(shí)際開度開展設(shè)定，信號通過RS-485直接送回給控制器開展操作。在電動閥門出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場可以及時地做出報警，同時控制中心組態(tài)監(jiān)控也會發(fā)出報警，以采取相應(yīng)的保護(hù)措施。通過D/A將閥的開度轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，傳輸給遠(yuǎn)程控制中心的模擬量采集模塊，以開展遠(yuǎn)程操作與顯示。

1.2、輸入通道電路設(shè)計

輸入通道主要由閥門位置檢測信號、遠(yuǎn)端控制中心信號、現(xiàn)場參數(shù)整定與靈敏度調(diào)整電路與A/D轉(zhuǎn)換電路組成。

用安裝在閥門電動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的位置變送器來檢測實(shí)際開度反應(yīng)信號，位置變送器是高性能的導(dǎo)電塑料精細(xì)旋轉(zhuǎn)電位器，具有較高分辨力的、高性能的經(jīng)濟(jì)類型產(chǎn)品。電位器旋轉(zhuǎn)角度和閥門開度有線性關(guān)系，旋轉(zhuǎn)電位器將閥門開度情況轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度信號，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所接收1～5V的DC電壓信號，因此可以依據(jù)電壓和角度的線性關(guān)系得到相應(yīng)的位置信號。閥門實(shí)際開度反應(yīng)信號閥門實(shí)際開度經(jīng)過位置檢測機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號MA2，經(jīng)過射級跟隨器開展阻抗處理變化之后的信號送到A/D轉(zhuǎn)換芯片TL2543的IN1口。電路如圖2所示，其中VD3、VD45起到鉗位作用。

圖1系統(tǒng)構(gòu)造圖

圖2控制端信號轉(zhuǎn)換電路圖

工業(yè)生產(chǎn)中傳送的標(biāo)準(zhǔn)的電信號可能是4～20mA的直流電流，也可能是1～5V的直流電壓，控制中心的信號為4～20mA的電流信號，當(dāng)來自控制中心的信號MA1經(jīng)過圖3所示的信號轉(zhuǎn)換電路時，預(yù)先應(yīng)當(dāng)將MK2閉合，此時電流輸入信號經(jīng)電阻R2、GND形成回路，4～20mA的電流信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電阻R2流向地，此時的輸入電流信號就被轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號，即A/D轉(zhuǎn)化器TL2543的IN0口的電位。亦即信號的最小值4mA或1V對應(yīng)精細(xì)電位器的最小值，也相當(dāng)于閥門的起點(diǎn)位置。信號最大值20mA或5V對應(yīng)精細(xì)電位器的最大值，也相當(dāng)于閥門滿度位置。

圖3位置采集信號轉(zhuǎn)化電路

為使閥門執(zhí)行器能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中不同型號與口徑閥門，滿足各種的閥門裝置具有不同的初始位置和滿度位置，提高系統(tǒng)的靈敏度，增強(qiáng)通用性，做到測量的準(zhǔn)確性，采用3個滑動電阻RP1、RP2、RP3構(gòu)成調(diào)零、調(diào)滿和調(diào)靈敏度電路，使閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的零點(diǎn)和最大角位移都在一定范圍內(nèi)可調(diào)，減小誤差。調(diào)零(ZERO)、調(diào)滿(SPAN)、靈敏度(PROP)電路如圖4所示。IN2、IN3、IN4端的電壓就為傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換TL2543的調(diào)滿、調(diào)零和靈敏度信號。閥門在運(yùn)行之前要將這些信號開展A/D轉(zhuǎn)換反應(yīng)到為微控制器中開展處理，來控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)下一步的轉(zhuǎn)向。

圖4零點(diǎn)、滿量程、靈敏度調(diào)整電路

1.3、閥門電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

微控制器將轉(zhuǎn)換之后的控制信號、閥門實(shí)際開度反應(yīng)信號、靈敏度信號等開展相應(yīng)的運(yùn)算，判斷閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)該向哪個方向運(yùn)行，從而向?qū)?yīng)的I/O口送出相應(yīng)的TTL觸發(fā)信號，信號經(jīng)過2個或門互鎖正反轉(zhuǎn)觸發(fā)和轉(zhuǎn)換電路與固態(tài)繼電器的觸發(fā)控制電路轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動的交流控制電平，圖5中單片機(jī)控制器發(fā)出2個TTL觸發(fā)信號，運(yùn)用與非門的功能，將電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停用工作狀態(tài)用P3.2、P3.3電平狀態(tài)來控制，P3.2、P3.3的TTL觸發(fā)信號經(jīng)過與非門傳輸?shù)焦虘B(tài)繼電器38D05的DC-上，為防止兩個觸發(fā)器信號同時為低電平導(dǎo)通，在固態(tài)繼電器的DC+處分別接上拉電阻，已在初始化的時候把觸發(fā)信號拉成高電平，防止誤導(dǎo)通，從而到達(dá)閥門的正反、停止控制。同時電路中接入極限位置行程開關(guān)，當(dāng)閥門運(yùn)轉(zhuǎn)至極限位置，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，起到保護(hù)的作用。為了準(zhǔn)確及時平穩(wěn)控制閥門的位置，在伺服電機(jī)驅(qū)動增加減速器，減速器采用諧波齒輪傳動，把伺服電機(jī)高速轉(zhuǎn)矩、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動調(diào)節(jié)構(gòu)造，使閥門運(yùn)行平緩、承載能力強(qiáng)、傳動精度高。

圖5閥門電機(jī)驅(qū)動電路2、系統(tǒng)控制算法與仿真

2.1、系統(tǒng)建模

閥門控制屬于典型的位置隨動控制系統(tǒng)，由位置檢測機(jī)構(gòu)檢測到的信號與實(shí)際信號相比較產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)過控制器開展A/D轉(zhuǎn)換后開展PID運(yùn)算，參數(shù)調(diào)整等輸出電壓與測速發(fā)電機(jī)反應(yīng)電壓形成的誤差電壓作為伺服電機(jī)驅(qū)動電壓，通過減速器后輸出實(shí)際角度?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)造框圖如圖6所示。

圖6閥門控制系統(tǒng)構(gòu)造圖

伺服電機(jī)部分的傳遞函數(shù)可以表示為：

式中：電機(jī)增益kt=2;Ra=6Ω;La=12mH;轉(zhuǎn)動慣量J=0.006kg·m2;Ce=Cm=0.3N·m/A;黏性摩擦系數(shù)f=0.2N·m/s;減速比i=0.1。減速器部分可以看出以純積分環(huán)節(jié)。

2.2、PID控制與仿真

采用PID控制算法，通過臨界比例度法與湊試法整定PID控制器的參數(shù)，得到Kp=10，Ti=0.01，Td=0.5，其正弦輸入下跟隨曲線如圖7所示。

圖7電動閥門跟隨曲線

從圖7可以看出輸入輸出曲線基本一致，跟隨特性好，調(diào)節(jié)速度快，能夠滿足設(shè)計要求。3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

開機(jī)初始化，由上電復(fù)位后的主程序執(zhí)行，用來初始化系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源，對串行口、定時器、內(nèi)部存放器初始化;完成開機(jī)電信號故障檢測，如果有電信號故障則亮紅燈報警，沒有故障則開展鍵盤掃描，判斷是否有強(qiáng)制執(zhí)行設(shè)置，有則執(zhí)行相應(yīng)動作，沒有則采集檢測的位置信號，與設(shè)定值和控制中心命令值比較，以調(diào)整參數(shù)，開啟A/D轉(zhuǎn)換并數(shù)字濾波，經(jīng)過PID運(yùn)算后，驅(qū)動閥門動作，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向與角度，并顯示相應(yīng)閥門實(shí)際開度。同時向上位機(jī)實(shí)時提供實(shí)際開度數(shù)據(jù)信息，顯示閥門開度，故障報警等。4、試驗(yàn)調(diào)試

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC采用組態(tài)開展程序設(shè)計，通過PC的串行接口傳輸和接收數(shù)據(jù)，在該界面中預(yù)設(shè)閥門的開度以及實(shí)時開度顯示，歷史數(shù)據(jù)報表的查閱。

表1為從組態(tài)界面上讀取的電動閥預(yù)設(shè)開度和實(shí)際開度之間的實(shí)時數(shù)據(jù)。

從表1中可以看出閥門實(shí)際開度值與預(yù)設(shè)開度值基本一致，最大誤差僅0.25%，符合設(shè)計要求到達(dá)的精度。

組態(tài)運(yùn)行下閥門開度值K與相應(yīng)出口流量Q間測得的數(shù)據(jù)報表如下表2所示。

表1預(yù)設(shè)開度與實(shí)際開度比照

表2系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)報表

對以上數(shù)據(jù)利用MATLAB開展多項(xiàng)式擬合，擬合曲線如圖8所示。

圖8閥門輸出曲線

從圖8中可以看出出口流量和閥門開度成正比的線性關(guān)系，其關(guān)系式為：Q=0.0983K-1.8621，線性關(guān)系理想。

由圖表分析可知，在相同變化行程情況下，閥門開度較小時，相對流量變化值小，比較緩和;閥門開度較大時，控制靈敏有效。所以在實(shí)際中用控制閥門開度來控制流量大小。5、結(jié)束語

以單片微機(jī)為控制器設(shè)計了電動閥門控制