電動(dòng)閥門(mén)智能控制器的設計

　　以AT80C2051作為微控制器設計電動(dòng)閥門(mén)智能控制器，完成了電動(dòng)閥門(mén)的位置檢測、遠程控制信號轉換、參數整定與靈敏度調整、閥門(mén)電機驅動(dòng)電路及鍵盤(pán)、顯示等硬件電路設計，在建立數學(xué)模型的基礎上，設計并驗證了系統的PID算法，完成了電路中相應的軟件程序設計，實(shí)現了對電動(dòng)閥門(mén)執行機構進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證了操作的可靠性與精確性。運用RS-485實(shí)現與遠程控制中心間的通訊，在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)監控運行，實(shí)現儀表控制的數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化與遠程化，便利了操作，拓寬了閥門(mén)的使用環(huán)境范圍，節約了成本。組態(tài)實(shí)驗調試的結果表明：該裝置線(xiàn)性關(guān)系較好，動(dòng)作時(shí)間短，具有較高的精度與友好的人機界面，誤差在0.3%以?xún)取?/p>

　　在現代工業(yè)自動(dòng)控制中，調節閥是最主要的執行器件之一，在石油、化工、電力、水利等行業(yè)發(fā)揮著(zhù)重要的作用。但國內電動(dòng)調節閥技術(shù)與國外相比還有很大差距，國內電動(dòng)調節閥普遍具有結構不合理，控制精度低，安全性能差，不能很好地進(jìn)行人機通話(huà)、難于現場(chǎng)標定和維修等缺陷。隨著(zhù)電子技術(shù)、控制技術(shù)及通訊技術(shù)的發(fā)展，國內閥門(mén)廠(chǎng)家紛紛對電動(dòng)調節閥進(jìn)行研究，各項指標和性能都有所提高，但是相應的成本也提高不少，價(jià)格比較昂貴的。為此研究一款價(jià)格實(shí)惠、結構簡(jiǎn)單、功能齊全、便于現場(chǎng)操作和集中控制的電動(dòng)調節閥。

1、硬件結構

　　1.1、總體結構

　　系統的硬件電路主要由閥門(mén)的位置反饋信號檢測、遠端控制信號的轉換和現場(chǎng)參數整定與靈敏度調整電路所構成的模擬量輸入通道、A/D轉換、伺服電機驅動(dòng)及減速運行的輸出電路、D/A轉換和外圍鍵盤(pán)顯示等電路以及上位機遠程通訊等組成，如圖1所示�？刂浦行男盘�、現場(chǎng)實(shí)際開(kāi)度的反饋信號、現場(chǎng)參數整定和靈敏度信號調整通過(guò)TL2543進(jìn)行A/D轉換后送到AT89C2051微控制器，微控制器根據這些信號進(jìn)行運算處理，以控制電動(dòng)閥門(mén)執行機構的正反運轉和全開(kāi)全關(guān)運行，使得閥門(mén)快速達到設定開(kāi)度。采用LCD實(shí)時(shí)顯示閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度值，通過(guò)RS-485通訊直接將閥門(mén)現場(chǎng)反饋信號傳輸到監控中心的上位機，在上位機的組態(tài)界面上進(jìn)行顯示，以記錄閥門(mén)開(kāi)度的調節情況。同時(shí)中控中心的工作人員可以通過(guò)組態(tài)監控，對現場(chǎng)閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度進(jìn)行設定，信號通過(guò)RS-485直接送回給控制器進(jìn)行操作。在電動(dòng)閥門(mén)出現故障時(shí)，現場(chǎng)可以及時(shí)地做出報警，同時(shí)控制中心組態(tài)監控也會(huì )發(fā)出報警，以采取相應的保護措施。通過(guò)D/A將閥的開(kāi)度轉換為4～20mA的電流信號，傳輸給遠程控制中心的模擬量采集模塊，以進(jìn)行遠程操作與顯示。

　　1.2、輸入通道電路設計

　　輸入通道主要由閥門(mén)位置檢測信號、遠端控制中心信號、現場(chǎng)參數整定與靈敏度調整電路與A/D轉換電路組成。

　　用安裝在閥門(mén)電動(dòng)機執行機構上的位置變送器來(lái)檢測實(shí)際開(kāi)度反饋信號，位置變送器是高性能的導電塑料精密旋轉電位器，具有較高分辨力的、高性能的經(jīng)濟類(lèi)型產(chǎn)品。電位器旋轉角度和閥門(mén)開(kāi)度有線(xiàn)性關(guān)系，旋轉電位器將閥門(mén)開(kāi)度情況轉換成對應的角度信號，進(jìn)而轉換成系統所接收1～5V的DC電壓信號，因此可以依據電壓和角度的線(xiàn)性關(guān)系得到相應的位置信號。閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度反饋信號閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度經(jīng)過(guò)位置檢測機構轉換成相應的電壓信號MA2，經(jīng)過(guò)射級跟隨器進(jìn)行阻抗處理變化之后的信號送到A/D轉換芯片TL2543的IN1口。電路如圖2所示，其中VD3、VD45起到鉗位作用。

圖1 系統結構圖

圖2 控制端信號轉換電路圖

　　工業(yè)生產(chǎn)中傳送的標準的電信號可能是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，當來(lái)自控制中心的信號MA1經(jīng)過(guò)圖3所示的信號轉換電路時(shí)，預先應當將MK2閉合，此時(shí)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(guò)轉換電阻R2流向地，此時(shí)的輸入電流信號就被轉換成1～5V的電壓信號，即A/D轉化器TL2543的IN0口的電位。亦即信號的最小值4mA或1V對應精密電位器的最小值，也相當于閥門(mén)的起點(diǎn)位置。信號最大值20mA或5V對應精密電位器的最大值，也相當于閥門(mén)滿(mǎn)度位置。

圖3 位置采集信號轉化電路

　　為使閥門(mén)執行器能夠適應工業(yè)生產(chǎn)中不同型號與口徑閥門(mén)，滿(mǎn)足各種的閥門(mén)裝置具有不同的初始位置和滿(mǎn)度位置，提高系統的靈敏度，增強通用性，做到測量的精確性，采用3個(gè)滑動(dòng)電阻RP1、RP2、RP3構成調零、調滿(mǎn)和調靈敏度電路，使閥門(mén)電動(dòng)執行機構的零點(diǎn)和最大角位移都在一定范圍內可調，減小誤差。調零(ZERO)、調滿(mǎn)(SPAN)、靈敏度(PROP)電路如圖4所示。IN2、IN3、IN4端的電壓就為傳輸到A/D轉換TL2543的調滿(mǎn)、調零和靈敏度信號。閥門(mén)在運行之前要將這些信號進(jìn)行A/D轉換反饋到為微控制器中進(jìn)行處理，來(lái)控制電動(dòng)執行機構下一步的轉向。

圖4 零點(diǎn)、滿(mǎn)量程、靈敏度調整電路

　　1.3、閥門(mén)電機驅動(dòng)電路設計

　　微控制器將轉換之后的控制信號、閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度反饋信號、靈敏度信號等進(jìn)行相應的運算，判斷閥門(mén)執行機構該向哪個(gè)方向運行，從而向對應的I/O口送出相應的TTL觸發(fā)信號，信號經(jīng)過(guò)2個(gè)或門(mén)互鎖正反轉觸發(fā)和轉換電路與固態(tài)繼電器的觸發(fā)控制電路轉換成可以驅動(dòng)伺服電機運動(dòng)的交流控制電平，圖5中單片機控制器發(fā)出2個(gè)TTL觸發(fā)信號，運用與非門(mén)的功能，將電機的正轉、反轉、停用工作狀態(tài)用P3.2、P3.3電平狀態(tài)來(lái)控制，P3.2、P3.3的TTL觸發(fā)信號經(jīng)過(guò)與非門(mén)傳輸到固態(tài)繼電器38D05的DC-上，為防止兩個(gè)觸發(fā)器信號同時(shí)為低電平導通，在固態(tài)繼電器的DC+處分別接上拉電阻，已在初始化的時(shí)候把觸發(fā)信號拉成高電平，避免誤導通，從而達到閥門(mén)的正反、停止控制。同時(shí)電路中接入極限位置行程開(kāi)關(guān)，當閥門(mén)運轉至極限位置，電機停止運轉，起到保護的作用。為了準確及時(shí)平穩控制閥門(mén)的位置，在伺服電機驅動(dòng)增加減速器，減速器采用諧波齒輪傳動(dòng)，把伺服電機高速轉矩、小力矩的輸出功率轉換成執行機構輸出軸的低轉速、大力矩的輸出功率，以推動(dòng)調節結構，使閥門(mén)運行平緩、承載能力強、傳動(dòng)精度高。

圖5 閥門(mén)電機驅動(dòng)電路

2、系統控制算法與仿真

　　2.1、系統建模

　　閥門(mén)控制屬于典型的位置隨動(dòng)控制系統，由位置檢測機構檢測到的信號與實(shí)際信號相比較產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)過(guò)控制器進(jìn)行A/D轉換后進(jìn)行PID運算，參數調整等輸出電壓與測速發(fā)電機反饋電壓形成的誤差電壓作為伺服電機驅動(dòng)電壓，通過(guò)減速器后輸出實(shí)際角度�？刂葡到y結構框圖如圖6所示。

圖6 閥門(mén)控制系統結構圖

　　伺服電機部分的傳遞函數可以表示為：

　　式中：電機增益kt=2;Ra=6Ω;La=12mH;轉動(dòng)慣量J=0.006kg·m2;Ce=Cm=0.3N·m/A;黏性摩擦系數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。

　　2.2、PID控制與仿真

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

圖7 電動(dòng)閥門(mén)跟隨曲線(xiàn)

　　從圖7可以看出輸入輸出曲線(xiàn)基本一致，跟隨特性好，調節速度快，能夠滿(mǎn)足設計要求。

3、系統軟件設計

　　開(kāi)機初始化，由上電復位后的主程序執行，用來(lái)初始化系統的硬件資源和軟件資源，對串行口、定時(shí)器、內部寄存器初始化;完成開(kāi)機電信號故障檢測，如果有電信號故障則亮紅燈報警，沒(méi)有故障則進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，判斷是否有強制執行設置，有則執行相應動(dòng)作，沒(méi)有則采集檢測的位置信號，與設定值和控制中心命令值比較，以調整參數，開(kāi)啟A/D轉換并數字濾波，經(jīng)過(guò)PID運算后，驅動(dòng)閥門(mén)動(dòng)作，控制電機轉動(dòng)的方向與角度，并顯示相應閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度。同時(shí)向上位機實(shí)時(shí)提供實(shí)際開(kāi)度數據信息，顯示閥門(mén)開(kāi)度，故障報警等。

4、試驗調試

　　遠程監控中心PC采用組態(tài)進(jìn)行程序設計，通過(guò)PC的串行接口傳輸和接收數據，在該界面中預設閥門(mén)的開(kāi)度以及實(shí)時(shí)開(kāi)度顯示，歷史數據報表的查閱。

　　表1為從組態(tài)界面上讀取的電動(dòng)閥預設開(kāi)度和實(shí)際開(kāi)度之間的實(shí)時(shí)數據。

　　從表1中可以看出閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度值與預設開(kāi)度值基本一致，最大誤差僅0.25%，符合設計要求達到的精度。

　　組態(tài)運行下閥門(mén)開(kāi)度值K與相應出口流量Q間測得的數據報表如表2所示。

表1 預設開(kāi)度與實(shí)際開(kāi)度對比

表2 系統歷史數據報表

　　對以上數據利用MATLAB進(jìn)行多項式擬合，擬合曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 閥門(mén)輸出曲線(xiàn)

　　從圖8中可以看出出口流量和閥門(mén)開(kāi)度成正比的線(xiàn)性關(guān)系，其關(guān)系式為：Q=0.0983K-1.8621，線(xiàn)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(mén)開(kāi)度較小時(shí)，相對流量變化值小，比較緩和;閥門(mén)開(kāi)度較大時(shí)，控制靈敏有效。所以在實(shí)際中用控制閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制流量大小。

5、結束語(yǔ)

　　以單片微機為控制器設計了電動(dòng)閥門(mén)控制器，能夠接收控制中心命令信號和鍵盤(pán)控制命令，根據閥門(mén)實(shí)際反饋信號實(shí)現正轉、反轉、停轉的閉環(huán)控制;能夠根據實(shí)際運行狀況做出判斷，進(jìn)行故障報告、應急處理、顯示等工作;具備遠程通信功能，能夠在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行監控運行，實(shí)現儀表控制的數字化，智能化、網(wǎng)絡(luò )化與遠程化，拓寬了電動(dòng)閥門(mén)的使用環(huán)境的范圍，節約了成本。實(shí)驗調試的結果表明：該裝置線(xiàn)性關(guān)系較好，動(dòng)作時(shí)間斷，誤差在0.3%以?xún)�，具有較高的精度。