電動閥門智能控制器的設計

　　以AT80C2051作為微控制器設計電動閥門智能控制器，完成了電動閥門的位置檢測、遠程控制信號轉換、參數(shù)整定與靈敏度調整、閥門電機驅動電路及鍵盤、顯示等硬件電路設計，在建立數(shù)學模型的基礎上，設計并驗證了系統(tǒng)的PID算法，完成了電路中相應的軟件程序設計，實現(xiàn)了對電動閥門執(zhí)行機構進行實時控制，保證了操作的可靠性與精確性。運用RS-485實現(xiàn)與遠程控制中心間的通訊，在組態(tài)環(huán)境下進行實時監(jiān)控運行，實現(xiàn)儀表控制的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化與遠程化，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)實驗調試的結果表明：該裝置線性關系較好，動作時間短，具有較高的精度與友好的人機界面，誤差在0.3%以內。

　　在現(xiàn)代工業(yè)自動控制中，調節(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。但國內電動調節(jié)閥技術與國外相比還有很大差距，國內電動調節(jié)閥普遍具有結構不合理，控制精度低，安全性能差，不能很好地進行人機通話、難于現(xiàn)場標定和維修等缺陷。隨著電子技術、控制技術及通訊技術的發(fā)展，國內閥門廠家紛紛對電動調節(jié)閥進行研究，各項指標和性能都有所提高，但是相應的成本也提高不少，價格比較昂貴的。為此研究一款價格實惠、結構簡單、功能齊全、便于現(xiàn)場操作和集中控制的電動調節(jié)閥。

1、硬件結構

　　1.1、總體結構

　　系統(tǒng)的硬件電路主要由閥門的位置反饋信號檢測、遠端控制信號的轉換和現(xiàn)場參數(shù)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、伺服電機驅動及減速運行的輸出電路、D/A轉換和外圍鍵盤顯示等電路以及上位機遠程通訊等組成，如圖1所示。控制中心信號、現(xiàn)場實際開度的反饋信號、現(xiàn)場參數(shù)整定和靈敏度信號調整通過TL2543進行A/D轉換后送到AT89C2051微控制器，微控制器根據(jù)這些信號進行運算處理，以控制電動閥門執(zhí)行機構的正反運轉和全開全關運行，使得閥門快速達到設定開度。采用LCD實時顯示閥門實際開度值，通過RS-485通訊直接將閥門現(xiàn)場反饋信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的上位機，在上位機的組態(tài)界面上進行顯示，以記錄閥門開度的調節(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)場閥門實際開度進行設定，信號通過RS-485直接送回給控制器進行操作。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，以采取相應的保護措施。通過D/A將閥的開度轉換為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位置檢測信號、遠端控制中心信號、現(xiàn)場參數(shù)整定與靈敏度調整電路與A/D轉換電路組成。

　　用安裝在閥門電動機執(zhí)行機構上的位置變送器來檢測實際開度反饋信號，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)濟類型產(chǎn)品。電位器旋轉角度和閥門開度有線性關系，旋轉電位器將閥門開度情況轉換成對應的角度信號，進而轉換成系統(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系得到相應的位置信號。閥門實際開度反饋信號閥門實際開度經(jīng)過位置檢測機構轉換成相應的電壓信號MA2，經(jīng)過射級跟隨器進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(tǒng)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，當來自控制中心的信號MA1經(jīng)過圖3所示的信號轉換電路時，預先應當將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)過轉換電阻R2流向地，此時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，也相當于閥門的起點位置。信號最大值20mA或5V對應精密電位器的最大值，也相當于閥門滿度位置。

圖3 位置采集信號轉化電路

　　為使閥門執(zhí)行器能夠適應工業(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，增強通用性，做到測量的精確性，采用3個滑動電阻RP1、RP2、RP3構成調零、調滿和調靈敏度電路，使閥門電動執(zhí)行機構的零點和最大角位移都在一定范圍內可調，減小誤差。調零(ZERO)、調滿(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轉換TL2543的調滿、調零和靈敏度信號。閥門在運行之前要將這些信號進行A/D轉換反饋到為微控制器中進行處理，來控制電動執(zhí)行機構下一步的轉向。

圖4 零點、滿量程、靈敏度調整電路

　　1.3、閥門電機驅動電路設計

　　微控制器將轉換之后的控制信號、閥門實際開度反饋信號、靈敏度信號等進行相應的運算，判斷閥門執(zhí)行機構該向哪個方向運行，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2個或門互鎖正反轉觸發(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伺服電機運動的交流控制電平，圖5中單片機控制器發(fā)出2個TTL觸發(fā)信號，運用與非門的功能，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，避免誤導通，從而達到閥門的正反、停止控制。同時電路中接入極限位置行程開關，當閥門運轉至極限位置，電機停止運轉，起到保護的作用。為了準確及時平穩(wěn)控制閥門的位置，在伺服電機驅動增加減速器，減速器采用諧波齒輪傳動，把伺服電機高速轉矩、小力矩的輸出功率轉換成執(zhí)行機構輸出軸的低轉速、大力矩的輸出功率，以推動調節(jié)結構，使閥門運行平緩、承載能力強、傳動精度高。

圖5 閥門電機驅動電路

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)，由位置檢測機構檢測到的信號與實際信號相比較產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)過控制器進行A/D轉換后進行PID運算，參數(shù)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電壓，通過減速器后輸出實際角度�？刂葡到y(tǒng)結構框圖如圖6所示。

圖6 閥門控制系統(tǒng)結構圖

　　伺服電機部分的傳遞函數(shù)可以表示為：

　　式中：電機增益kt=2;Ra=6Ω;La=12mH;轉動慣量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，調節(jié)速度快，能夠滿足設計要求。

3、系統(tǒng)軟件設計

　　開機初始化，由上電復位后的主程序執(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、內部寄存器初始化;完成開機電信號故障檢測，如果有電信號故障則亮紅燈報警，沒有故障則進行鍵盤掃描，判斷是否有強制執(zhí)行設置，有則執(zhí)行相應動作，沒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(shù)，開啟A/D轉換并數(shù)字濾波，經(jīng)過PID運算后，驅動閥門動作，控制電機轉動的方向與角度，并顯示相應閥門實際開度。同時向上位機實時提供實際開度數(shù)據(jù)信息，顯示閥門開度，故障報警等。

4、試驗調試

　　遠程監(jiān)控中心PC采用組態(tài)進行程序設計，通過PC的串行接口傳輸和接收數(shù)據(jù)，在該界面中預設閥門的開度以及實時開度顯示，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設開度和實際開度之間的實時數(shù)據(jù)。

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

　　組態(tài)運行下閥門開度值K與相應出口流量Q間測得的數(shù)據(jù)報表如表2所示。

表1 預設開度與實際開度對比

表2 系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)報表

　　對以上數(shù)據(jù)利用MATLAB進行多項式擬合，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系，其關系式為：Q=0.0983K-1.8621，線性關系理想。

　　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。所以在實際中用控制閥門開度來控制流量大小。

5、結束語

　　以單片微機為控制器設計了電動閥門控制器，能夠接收控制中心命令信號和鍵盤控制命令，根據(jù)閥門實際反饋信號實現(xiàn)正轉、反轉、停轉的閉環(huán)控制;能夠根據(jù)實際運行狀況做出判斷，進行故障報告、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)境下進行監(jiān)控運行，實現(xiàn)儀表控制的數(shù)字化，智能化、網(wǎng)絡化與遠程化，拓寬了電動閥門的使用環(huán)境的范圍，節(jié)約了成本。實驗調試的結果表明：該裝置線性關系較好，動作時間斷，誤差在0.3%以內，具有較高的精度。