电动阀门高灵敏度控制技术研究及其应用

艾昌文 曹良坤

(云南大学省电子计算中心1,云南 昆明 650223;云南省高校数字媒体技术重点实验室2,云南 昆明 650223)

电动阀门高灵敏度控制技术研究及其应用

艾昌文1,2曹良坤1,2

(云南大学省电子计算中心1,云南 昆明 650223;云南省高校数字媒体技术重点实验室2,云南 昆明 650223)

针对调节型电动阀门普遍使用的控制器,对其控制原理及存在的主要问题进行了研究和分析,提出了一种基于时间驱动的开度调节方法。该方法最大限度地提高了电动阀门的调节灵敏度,从根本上解决了阀门调节灵敏度与调节精度之间固有的矛盾,完全消除了阀门在使用过程中出现振荡的可能性。基于该方法研制完成的电动阀门控制器得到实际应用,其可行性已得到充分验证,控制效果与设计目标完全吻合。

电动阀门 控制器 振荡 灵敏度 精度 pH控制

0 引言

电动阀门由阀门和电动执行器组成,电动执行器由电机、减速机构、限位机构、过力矩保护机构及位置反馈装置等部件组成[1]。电动执行器使用电能作为驱动力,控制阀门完成开关或调节动作,从而实现对管道介质进行开关或调节的目的。

电动阀门具有能源取用方便、信号传输速度快、传输距离远、便于集中控制、灵敏度和精度较高、与电动调节仪表配合方便以及安装接线简单等优点,因此被广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保、轻工等行业的工业过程自动控制系统中。

针对阀门位置反馈信号进行闭环控制的开度调节方式得到了广泛应用,但这种控制方式存在明显不足,在一些应用领域不仅控制效果难以保证,而且由于控制波动大,容易造成资源浪费,增加生产成本。

1 问题描述

电机是电动阀门开度调节的动力装置,在应用中有驱动用电机和控制用电机之分[2]。控制用电机有伺服电动机和步进电动机等类型。这类电机成本较高、控制接口相对复杂,对使用和维护有较高的要求。驱动用电机成本低,控制接口简单,使用和维护非常方便,因此在实际应用中,以驱动用电机为动力的电动阀门占有很大比例。

电动阀门有不同的分类方式,如果按公称通径分类,公称通径≤40 mm的阀门属于小通径阀门,以驱动微电机为动力。与电动阀门配套使用的电动执行器有不同的运行速度,全行程时间从5 s、10 s、15 s、30 s到60 s、100 s、120 s不等。该类阀门具有体积小、质量轻、连线简单、调节精度较高等特点。

电动阀门控制器是上位控制系统与电动执行器的接口单元,接收上位控制系统输入的4～20 mA(1～5 V)或0～20 mA(0～5 V)等标准信号。该信号对应阀门从全关到全开的整个行程[3-4],具有开度调节功能的电动阀门使用电位器或标准电流信号作反馈,与可接收电位器反馈信号或标准电流信号的控制器配套使用。电动阀门控制器结构图如图1所示。

图1 电动阀门控制器结构图Fig.1 The structure of controller for electric valve

图1中,虚线框内为电动阀门控制器,硬件构造以单片机为控制核心,通过A/D转换器采集上位控制系统输入的阀门开度控制信号及阀门的位置反馈信号并进行相应比较。

当输入信号大于反馈信号时,电机正转,阀门开度增大;当输入信号小于反馈信号时,电机反转,阀门开度减小;当输入信号与反馈信号相等时(或小于死区时),电机停止转动[5]。

该类控制器采用的是对阀门位置进行闭环控制的工作方式。在阀门开度调节过程中,需要不断对阀位反馈信号进行采样,并与阀位控制信号进行比较,两个信号容许的差值大小即为阀门的调节精度。

调节精度不能设置过高,否则一旦阀门在开关过程中因为机械惯性等原因出现过冲,很容易导致阀门产生振荡[6-7]。

为了保证阀门开关的定位精度,需调节控制器的灵敏度范围。灵敏度范围小,定位精度高,但容易产生振荡;灵敏度范围大,不容易产生振荡,但定位精度低。因此,现有的电动阀门控制器难以同时兼顾控制的灵敏度和定位精度。

2 电动阀门高灵敏度控制技术

2.1 控制器硬件构成

电动阀门高灵敏度控制器结构图如图2所示。单片机为控制器的核心部件,各功能模块包括阀位控制信号输入模块、阀位反馈信号输入模块、存储模块、“WatchDog”模块、LED/LCD显示模块、控制参数设置模块、电机驱动模块、阀位反馈信号输出模块[8]。阀位控制信号输入模块及阀位反馈信号输出模块用于和上位控制系统进行阀位信息交换;参数设置模块用于完成电动阀门的全行程时间、电动阀门的最小动作时间(死区)等主要控制参数的设置;电机驱动模块实现单片机对电动阀门的开关控制,是电机的接口控制单元;存储模块用于保存控制器的运行参数;“WatchDog”模块实现控制器防死机功能;LCD显示模块用于显示控制器的工作状态。

图2 电动阀门高灵敏度控制器结构图Fig.2 Structure of the highly sensitive controller for electric valve

2.2 具体实施方案

控制器接收上位控制系统(如PLC、DCS、计算机、智能仪表等)输入的4～20 mA(1～5 V)或0～20 mA (0～5 V)等标准控制信号。该输入信号对应阀门从全关到全开整个行程的相应位置。

在进行阀门开度调节时,控制器将本次输入信号与上次输入信号的增减量换算成电机通电时间的长短,通电时间一到立即切断电机的供电电源,从而达到阀门开度调节的目的。控制器在阀门开度调节完成后,再采集阀门的位置反馈信号,并将该信号回传给上位控制系统,上位控制系统将该信号作为下一次阀门开度调节输出信号的基准值。

在控制方式上,本控制器体现以下主要特点。

①控制器通过控制电机的通电时间来实现阀门的开度调节。在进行阀门的开度调节时,控制器将本次输入信号与上次输入信号的增减量换算成电机通电时间的长短,通电时间一到立即切断电机的供电电源,从而达到阀门开度调节的目的。由于控制时间一到便切断了电机的供电电源,所以从根本上消除了电动执行器出现振荡的可能性。

②控制器具有控制参数的设置功能。控制参数主要包括电动阀门的全行程时间、电动阀门的最小动作时间(死区)。

由于可以通过控制参数设置模块设置电动阀门的最小动作时间(死区),因此能最大限度地提高电动阀门的控制灵敏度。

③控制器在阀门开度的调节过程中,采用的是时间驱动的工作方式,对阀门位置采取开环控制。在进行阀门开度调节时,只要电机的通电时间未到,控制器并不采集阀门的位置反馈信号。只有在电机的通电时间到后,即本次阀门开度调节完成后,控制器再采集阀门的位置反馈信号,并将该信号回传给上位控制系统,上位控制系统将该信号作为下一次阀门开度调节输出信号的基准值。

2.3 控制算法

以全行程时间为T1(s)的电动阀门为例,假设该电动阀门的最小动作时间设置为t,控制器接收上位控制系统输入的4～20 mA(1～5 V)标准控制信号,并通过A/D转换器实时采集该输入信号。假设该信号的增量为ΔV(-4＜ΔV＜0或0＜ΔV＜4),则电机的通电时间为:

具体控制算法如下。

①当ΔV＞0且T＞t时,控制器控制电机正转,通电时间:T=250×T1×|ΔV|;

②当ΔV＞0且T≤t时,控制器控制电机正转,通电时间:T=t;

③当ΔV＜0且T＞t时,控制器控制电机反转,通电时间:T=250×T1×|ΔV|;

④当ΔV＜0且T≤t时,控制器控制电机反转,通电时间:T=t;

⑤通电时间T一到,即切断电机的供电电源,控制器采集阀门的实际位置反馈信号,并将该信号回传给上位控制系统;

⑥上位控制系统将该阀门位置反馈信号作为阀门下一次开度调节输出控制信号的基准值。

3 应用案例

基于时间驱动控制方式研制完成的电动阀门控制器在污水处理等领域得到实际应用,污水排放过程中对pH值有明确的控制指标要求,污水达标排放pH值范围一般不低于6或高于9。因此,在污水排放过程中必须对其pH值进行有效测量和控制。

为保证测量精度,pH传感器选用复合型玻璃电极,酸性(或碱性)添加剂的流量调节装置采用小通径电动球阀,电动阀门控制器置于污水处理现场,中心控制室的计算机系统通过RS-485接口与其连接。电动阀门高灵敏度控制器应用于pH值测控的系统结构图如图3所示。

图3 系统结构图Fig.3 Structure of the system

图3中,虚线部分为电动阀门控制器。

为实现对电动阀门的高灵敏度控制,在硬件系统设计完成的基础上,控制软件的设计非常关键和重要,必须与硬件系统紧密配合才能达到满意的控制效果。在控制算法的设计上,通过采用粗调与精调相结合的控制方式提高系统运行的性能指标。当pH检测值与pH设定值有偏差较大时,通过增大比例因子实现快速调节,缩短系统的稳定时间;当pH检测值接近pH设定值时,通过减小比例因子直至按最小时间步长进行调节,使被控pH值最大限度接近pH设定值,并最终趋于稳定[9-10]。

综合上述可知,pH精调范围“pH设定值±ε”可以根据现场情况进行灵活设置。根据经验,ε值设置在0.5～1.0 pH比较合适。电动阀门高灵敏度控制器应用于污水处理pH调节的控制模拟曲线如图4所示。

图4 pH控制模拟曲线Fig.4 Emulated curve of pH control

图4中,AB时间段为粗调区间,BC时间段为精调区间。实际应用中,pH值的控制过程与模拟控制曲线是完全吻合的,实际控制范围可以达到“pH设定值±0.15pH”。

4 结束语

以驱动电机为动力的电动阀门在工业领域得到广泛应用,在对相关技术长期研究与应用的基础上,从技术原理、硬件构成及控制算法等方面论述了一种基于时间驱动的阀门开度控制方法。依此方法设计完成的电动阀门控制器在pH值测控系统中发挥了很好的作用,并取得了与设计目标完全吻合的控制效果。电动阀门高灵敏度控制技术使调节型电动阀门的关键技术指标得到明显提高,具有可以预见的实用价值和应用前景。

[1] 王志,王勇,谢玉东.新型电动调节阀的驱动与控制系统[J].机床与液压,2013,41(10):12-14.

[2] 李发海,王岩.电机与拖动基础[M].北京:清华大学出版社,2012.

[3] 梅魁.电动执行器的原理简介与发展趋势展望[J].科技资讯, 2013(18):134-135.

[4] 周律,严怀钰,宋韫峥,等.PLC及触摸屏在电动阀开度控制中的应用[J].仪表技术与传感器,2012(2):53-54.

[5] 胡开明,葛远香,王怀平.电动阀门智能控制器的设计[J].仪表技术与传感器,2012(12):15-17.

[6] 杨超,刘利.电动调节阀开度控制的研究与实现[J].机电工程, 2007,24(2):55-58.

[7] 杨永强,田华安,孙建华.船用电动调节阀运行中的常见故障分析[J].舰船科学技术,2011,33(1):82-84.

[8] 冯先成.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[9] 曹良坤,艾昌文,杨艳华,等.pH过程仿人智能测控算法研究[J].昆明理工大学学报:自然科学版,2013,38(4):39-43.

[10] 王树东,高学洪,宋国辉,等.城市污水处理中pH预测控制系统的应用研究[J].电气自动化,2012,34(1):37-39.

Research and Application of the Control Technology with High Sensitivity for Electric Valve

The control principle and major problems of commonly used controller for regulating type of electric valves are researched and analyzed.The time driven method for regulating the opening of the valve is proposed.This method maximizes the regulating sensitivity of the electric valve,thus the inherent contradictory between the regulating sensitivity and the regulating accuracy of the electric valve is solved fundamentally;and the possibility of appearing oscillation in operation of valve is completely eliminated.The controller for electric valve designed based on this method is putting into practical application,its feasibility has been fully verified,the control results entirely consistent with the design goal.

Electric valve Controller Oscillation Sensitivity Accuracy pH control

TP214

A

修改稿收到日期:2014-02-24

艾昌文(1963-),男,1983年毕业于电子科技大学计算机工程专业,获学士学位,高级工程师;主要从事自动化技术及计算机应用技术方面的研究。