液動型閥門控制系統的設計

遼寧科技大學電子與信息工程學院 趙 棟 鞏榮芬

國網遼寧省電力有限公司鞍山供電公司安全監察質量部 徐大鵬

液動型閥門控制系統的設計

遼寧科技大學電子與信息工程學院 趙 棟 鞏榮芬

國網遼寧省電力有限公司鞍山供電公司安全監察質量部 徐大鵬

為了克服電動型閥門控制器普遍存在的控制精度不高、抗干擾性差等缺點,設計了一款以液動執行器為基礎的閥門控制系統.該系統以ATMEGA128為主控制器,通過電磁隔離電路對閥門開度以及控制信號采樣,采用變頻技術對三相電機調速,進而驅動液壓執行器對閥門開度進行精準控制,并設計了一種適合于閥門開度控制的調節算法.基于上述方法研制的閥門控制系統已經得到實際應用,其可行性得到證實.

閥門控制;隔離電路;變頻調速;開度控制

0 引言

隨著我國石油,鋼鐵,天然氣等現代化工業的高速發展,以及與之密切相關的油、氣等流體的運輸控制需求的提高,設計一款控制精度高,抗干擾性強的新型閥門控制系統具有很大的現實意義.本文針對市場上的電動閥門控制器普遍存在的問題,設計了一款液動型閥門控制系統.該系統以ATMEGA128單片機為控制核心芯片,實現了閥位現場標定、開度反饋、變頻調速、故障診斷、失控保護等功能,主要用于各種管道運輸的閥門系統中[1].

1 系統整體結構

本設計使用ATMEGA128為主控制器,通過對閥門開度電位值采樣并進行開度百分比轉化,使用 LCD顯示屏顯示當前開度,實現閥門開度的現場標定;通過反饋電路將閥門開度百分比轉化4-20mA的電流信號并輸出至遠程PLC接收端子,從而在遠程上位機端顯示閥門開度,實現遠程標定;通過隔離電路對輸入的4-20mA電流信號進行隔離采樣,并根據電流的大小調節閥門的開度,實現遠程開度控制.主控制器通過485接口向變頻器發送調速信號控制電機的轉速和轉向,從而驅動雙向齒輪泵從不同油道輸出液態油,進而驅動液動執行器向不同方向運轉,實現開閥和閉閥功能.此外,為防止閥門開閉時的機械故障和液動執行器油道堵塞時對油道產生的損壞,增加了機械位置的極限檢測器以及油道內的壓力傳感器,在閥門機械行程達到最大時或油壓到達設置的可承受范圍之外時,及時停機,防止損壞設備,實現故障及保護功能.系統的整體結構如圖1所示.

2 硬件設計

2.1 電源電路設計

在整個系統中,主控制器部分電路工作電壓5V,閥門開度采樣電路、隔離電路以及輸出電路工作電壓24V,因此需設計合理的電源電路.根據各部分工作額定電流值的估算,本系統選用了L7824和LM7805電源芯片,分別為系統提供24V和5V,持續輸出電流可達1A,足以滿足系統需求.為保持閥門開度電位器的穩定采樣以及減少各部分電路之間的干擾,設計了3路電源電路,將AC380V工業電分別轉化為24V,24V,5V.一路24V對閥門開度電位器單獨供電,降低負載增加時對電位器采樣的干擾.另一路24V對隔離電路以及反饋輸出電路供電,5V為主控制器電路供電[3].

圖1 系統整體結構圖

2.2 隔離電路設計

為了滿足工業產品穩定性高,抗干擾性強的要求,本文設計了對輸入信號的隔離采樣電路,可有效隔離工業現場的干擾信號通過不同耦合方式進入測量系統.系統中存在兩種類型的輸入信號,分別是閥門開度電位器采樣的電壓信號,范圍是0-4.5V,以及由信號發生器輸入的4-20mA電流信號.因此,分別選用了TESLA公司的有源高精度調理芯片T6630P和T1130P.T6630P為前級電壓輸入,后級電壓輸出的模擬信號隔離模塊,用于對電位器的電壓值采樣;T1130P為前級電流輸入,后級電流輸出的模擬信號隔離模塊,用于對4-20mA電流信號采樣.兩款芯片均采用電磁隔離技術,比傳統的光耦隔離方案具有更好的溫漂特性,線性度和精度.為增加電路的穩定性,對于隔離輸出的電位電壓,再通過電壓跟隨電路,輸入給主控制器AD;對于隔離輸出的電流信號,先通過由運算放大器組成的電流電壓轉換電路,將電流信號轉化為電壓信號,范圍為0-3.6V,以供單片機AD采集,具體實現見圖2.

圖2 電磁隔離電路

2.3 反饋電路設計

為了及時向遠程監控室反饋本地閥門的工作情況,設計了兩種類型的輸出反饋.一種為無源反饋,通過控制繼電器向上位機反饋信息;另一種為有源輸出反饋,將本地檢測到行程百分比轉化為4-20mA信號反饋給監控室,從而在上位機端觀察閥門開度,便于工作人員操作.兩個電路都采用隔離輸出,輸出存在干擾時不影響本地系統.無源反饋使用光耦隔離,有源反饋電路使用了隔離放大器ISOD2-P1-O1-QO1,將主控制器輸出的20KHZ-50KHZ的PWM信號轉化為對應比例的4-20mA信號.具體電路設計如圖3所示.

圖3 隔離輸出電路

3 軟件設計與功能實現

3.1 主控制程序設計

在系統完成數據初始化,參數讀取,自檢之后,即進入傳感器采集,輸入檢測,輸出控制的主控制程序,程序執行框圖如圖4所示.本文設計了兩種關斷閥門的方式,一種以采集到閥門開度電位值為反饋量,到達預設開度后停機;另一種以油壓壓強值為反饋量,在所設置的壓力閾值之下電機持續運轉,待運轉至壓力閾值時做停機處理[2].

圖4 主控制流程圖

3.2 采樣數據的處理

對閥門開度的AD采樣數據觀察分析可知,采樣數據受波動影響程度較大,數據中存在偶然出現的脈沖性干擾.為了濾除干擾,且保持采樣數據的實時性,使用中位值平均濾波算法對數據進行處理,具體采樣和處理流程見圖5.

圖5 采樣和濾波流程圖

3.3 變頻控制算法設計

分析知,本系統是以閥門開度為反饋量的閉環控制系統.以閥門開度為反饋控制電機速度,從而控制閥門閉合速度.實際應用中,尤其在流體管道系統中,系統期望的電機運行速度與閥門開度應保持如下關系:在距關斷點較遠的開度L3范圍內,電機需保持較高的變頻速度S2,以保證較大的輸出力矩;而在距離關斷點較近的L2范圍內,為了減少"水錘效應"對閥門機械結構的沖擊,需要對高速運行的電機進行降速,降至低速S1后,以S1恒速逼近關斷點,保證閥門完全閉合后,電機自由停機[4].

針對上述現象,為了更好的控制電機速度并且減少振蕩,系統引入了變頻技術對電機進行變頻調速,實現對閥門開度的精確控制,并且根據期望的速度曲線,設計變頻調速的控制算法.該算法以閥門開度為反饋量,分多段閉環控制電機速度,使閉環控制更適用于液態閥門控制場合.設電機變頻運行最高頻率為F1,最低頻率為F2,當前運行頻率為 f,減速比例系數Kp1和Kp2,系統可接受誤差S.算法的具體執行步驟:

(1)確定閥門在一次控制下的最大開度差:

4 系統測試

4.1 基本性能測試

為了檢驗系統穩定性,在企業的協助下組裝了一臺液動型閥門控制系統的樣機,并連接了輸出力矩5000N的中型蝶閥進行實地測試.系統上電以后,各部分工作正常,LCD顯示屏幕顯示出當前閥門開度以及采集到的4-20mA電流信號,數據穩定.進入正常工作模式后,調節本地按鍵控制閥門開度,電機迅速響應,液動執行器工作正常,在油壓驅動下帶動閥門運轉至指定開度.本地測試正常后,連接反饋的4-20mA信號至遠程接收端子,控制方式修改為遠程4-20mA信號.調節信號發生器輸出遠程信號,記錄反饋電流、閥門開度、回差、以及控制死區等系統參數,得如表1所示數據.

4.2 運行速度測試

多次測試系統,并記錄每次控制下閥門實時開度和電機運行速度的數值.根據記錄下的數值,通過MATLAB軟件對實驗數據處理,擬合出如圖6所示的閥門實際工作下運轉速度和閥門開度之間的曲線圖.圖中的L1、L2、L3、S1、S2即為3.3節中的開度和速度范圍.根據圖可知閥門運行方式和3.3節中論述期望的電機運行速度與閥門開度的關系在誤差范圍內保持一致,滿足設計的需求.

圖6 閥門開度-電機速度曲線

5 結束語

本文開發了一種基于液動執行器的閥門控制系統,介紹了主要功能模塊的硬件配置,電路設計,程序執行流程和算法設計,主要闡述了硬件電路離措施和電機控速的算法設計以及整個程序的執行順序,并通過實際的測試驗證了系統設計的穩定性.使用該控制系統的閥門系統已投入實際使用,具有良好的靈敏度和控制精度并對惡劣環境的適應性較強.

[1]艾昌文,曹良坤.電動閥門高靈敏度控制技術研究及其應用[J].自動化儀表,2014(11):80-82.

[2]雷仲賢,曾憲文,吉明鵬.高爐料流調節閥控制方法及改進[J].鋼鐵技術,2011(4):38-42.

[3]李開元,劉洪運,王衛東,等.基于STC單片機的溫控熱計費采暖閥門的設計[J].電子技術應用,2011,7(5):56-59.

Design of Hydraulic Valve Control System

ZHAO Dong1CHU Mao Xiang1XU Da Peng2

(1.School of Electronic and Information Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan,114000,China 2.Quality Department of Safety Supervision,Power Supply Company of Anshan,Liaoning Electric Power Co.,Ltd.State Grid,114000,China)

Electric valve controller has the shortcomings of low control accuracy and poor anti-interference.In order to solve those problems,a valve control system based on hydraulic actuator is designed in this paper.ATMEGA128 is used as the main controller for that system.Samplings for the degree of valve opening and control signal are obtained through the electromagnetic isolation circuit.Frequency conversion technology is used to adjust the speed of three-phase motor,which drives hydraulic actuator to realize precise degree control of valve opening.Besides,an adjustment algorithm which is suitable for the degree control of opening valve is designed.Moreover,the developed valve control system based on the above method has been applied into operation,which means its feasibility has been confirmed.

valve control;isolation circuit;frequency converter;Opening control

遼寧科技大學大學生創新創業訓練計劃國家級項目(項目編號:201710146000238).

趙棟(1996-),男,大學本科,主要研究方向:嵌入式應用.