一种温差电动调节阀控制系统设计与应用

2022-07-06张露露金浩哲

机电设备 2022年3期

张露露，金浩哲

（1. 浙江三花汽车零部件有限公司，杭州 310018；2. 浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州 310018）

0 引言

随着社会经济的发展及人民生活水平的日益提升，中央空调系统已成为现代建筑物中必备的设施。中央空调系统能耗相对较大，通常占建筑能耗的40%以上[1]。因此，对中央空调系统关键元件进行节能设计是实现节能降耗的必由之路。众多研究学者通过各种优化算法及控制系统从宏观上对节能设计进行了研究[2-4]，但是要保障空调系统的运行可靠性并达到良好的温控效果，中央空调系统的水力平衡控制是必不可少的关键技术[5]。为了解决系统的水力不平衡的问题，通常需要在空调系统中设置多种的动态或静态的平衡阀。控制系统作为各类平衡阀的关键组成部分，控制方案设计直接关系到阀门结构的运行可靠性、稳定性、适应性[6-7]，进而影响到整个中央空调系统的运行及能耗的控制。我国的电动执行器设计起步相对较晚，尽管随着微电子技术的发展已经取得了显著成就，但仍与国外的技术及产品存在一定差距[8-9]，主要体现在控制系统硬件结构设计臃肿；软件功能优化差；系统集成度低，可靠性差等方面[10]，现有研究主要集中在传动机构优化、软件系统设计以及故障诊断方面[11]，较具代表性的研究成果有：聂建军等[12]建立了行星齿轮机构为主传动机构的混合传动方案；赵慧娴等[13]提出了一种基于积分分离PID算法的步进电机速度和位置控制方法，利用控制芯片PMM9713PT、CAN控制器SJA1000、驱动器82C250以及霍尔传感器，开发了一种基于数字信号处理器TMS320F2812的电动执行器控制系统；陈青等[14]将模糊理论与BP神经网络结合，提出了一种收敛速度快、诊断精度高、自适应强的电动执行器故障诊断方法。但上述研究成果中，适合大规模生产的高精度、高稳定性、低成本的电动执行器系统相对较少。

鉴于目前工业领域对电动阀控制器的稳定性、可靠性、整体性能及成本控制的需求，本文设计了一种可靠性较高、经济成本较低的温差电动调节阀控制系统，能够实现空调系统的水力平衡精准控制，为工业领域电动调节阀控制系统的设计提供了一定技术支撑。

1 工作原理

温差电动调节阀控制系统的工作原理见图1。

图1 温差电动调节阀控制系统工作原理图

控制系统通过电源部分将供电系统的交流电通过LD0稳压到接电源电压（VCC）和接入电路的电压（VDD），其中220 V交流电和开关电源的+12 V电压给调节电路的继电器供电，稳压得到的VCC电压给芯片微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）处理器、温度传感器采样电路、LCD显示电路和按键控制电路供电。阀门调节电路通过2个继电器实现3种状态，即控制电动阀门的开启、关闭和停止；温度传感器采样电路通过2个温度传感器分别采集进口、出口的水温并传递给单片机MCU；MCU处理器计算两温度的差值ΔT并与设定的温差ΔT0进行比较，根据比较大小的结果判断阀门的开启与关闭；LCD显示电路用来显示设定温差值、供水温度和回水温度的差值和时间。

2 硬件电路设计

MCU是单片机处理器，其内部已有复位电路，外部RESET的电容电阻起到滤波作用。VDD和VCC电源由+12 V经稳压器件稳压得到，外围经过电阻和二极管限流、电容电阻滤波。3个按键串联电阻值的不同，发送给MCU处理器处理不同的采样电压信号，MCU处理器根据电压信号，控制LCD显示设定的温差值。2个NPN三极管分别驱动关阀继电器和开阀继电器，当MCU处理器接收到温度传感器采集的温度信号，计算出的温差与设定温差存在差值时，MCU处理器接三极管的引脚会输出高电平，此时三极管导通，+12V的电源加在继电器线圈上，使继电器通电动作，接触器吸合，接通阀门电源，阀门开始启动。

2.1 电源模块

电源模块的电路图见图2。

图2 电源模块控制电路图

交流输入直流输出的开关电源模块为阀门调节模块的开阀继电器、关阀继电器提供线圈电压。供电系统将220 V 交流电转换为12 V 直流电后，经稳压电路降压至VDD 和VCC，为控制器各部分包括MCU 处理器、LCD 显示、按键电路、温度传感器采样电路提供工作电压。同时，220 V交流电也为电动阀体提供动力。

2.2 MCU 处理器模块

MCU处理器模块的控制电路图见图3。微处理器MCU处理芯片，主要完成温度信号的读入和控制信号的输出，检测供水口温度与出水口温度的差值并与设定温差进行比较。当检测温差小于设定温差时，MCU处理器发出关阀信号给阀门调节模块进行关阀动作，实现阀门开度减小直至两温差的绝对值|(ΔT1－ΔT2)－ΔT0|＜0.5 ℃；当计算温差值大于设定温差时，MCU处理器发出开阀信号给阀门调节模块进行开阀动作，实现阀门开度增大直至两温差的绝对值|(ΔT1－ΔT2)－ΔT0|＜0.5 ℃。同时，通过控制LCD显示模块，显示输出的温度参数和控制器当前的状态。

图3 MCU 处理器模块的控制电路图

2.3 按键控制模块

本模块包括3个按键，分别为确定键、上调温差值键和下调温差值键，按键控制模块的电路设计图见图4。3个按键使用MCU处理器的一个AD采样口，使用采样电压的方式实现一个引脚对3个按键的控制，可以节省MCU的引脚资源，方便以后的功能扩展。3个按键配置合适的电阻值，使采样的电压有明显差别。当按下电阻R1的按键，MCU采集到一个电压值V1，MCU发出信号，准备接收上调或下调温差值的信号；然后若按下电阻值R2的按键，MCU采样到一个电压值V2，设定的温差值便会上调到一定的温度数值，再次按下温差值会再次上调相同的温度数值，直至上调至所需要的温差值，可按下R1的按键确定；若是按下电阻值R3按键，MCU采样到电压值V3，设定的温差值会下调到一定温度数值，再次按下温差值会下调相同的温度数值直至下调至所需的温差值，按下R1的按键确定。

图4 按键控制模块电路设计图

2.4 阀门调节模块

阀门调节模块主要是采用三极管驱动继电器实现阀门开关，设计的电路控制图见图5。MCU的IO口输出控制信号接三极管基极，继电器的线圈负端接三极管集电极，正端接电源，三极管发射极接地。三极管的集电极连接一个续流二极管起保护作用。当MCU的I/O口给高电平时，三极管导通，继电器吸合，执行阀门打开或关闭动作；当MCU的I/O口给低电平时，三极管截止，继电器断开，不执行动作。

图5 阀门调节电路设计图

2.5 温度传感器采样模块

温度传感器采样模块用于接收温度传感器发回的温度信号，其设计电路见图6。使用一块多路复用器接收2个温度传感器的温度信号，多路复用器作为选择开关，通过片选端口选择温度传感器。多路复用器的2个公共端，一端作为恒流源电路的输入端，作为温度采用的基准，另一端通过放大器把采样的温度信号输入到MCU的AD口，MCU处理器进行信号处理。温度传感器采样模块的控制电路图见图7。

图6 温度传感器电路设计图

图7 温度传感器采集模块控制电路图

3 软件设计

本文设计温差电动调节阀控制系统的软件设计流程框图见图8。

图8 软件设计流程框图

通过按键（触摸屏）输入，设定第一温差值T1，第二温差设定值T2，其中2 ℃≤T1≤8 ℃，T2≥10 ℃。若MCU没有检测出空调末端设备控制器向温差电动调节阀控制器发出的启动信号，重新设定第一温差和第二温差值，并再次判断是否有启动信号；若MCU检测出空调末端设备控制器向温差电动调节阀控制器发出的启动信号，MCU则相应的发出开阀信号并通过继电器执行开阀动作，阀开至初始化开度。此时定义的初始化开度是指空调末端设备开启后，温差电动调节阀第一次开阀的开度保持位置。开阀至初始化开度后，MCU检测是否收到接收到阀关闭的信号，若没有收到阀门关闭信号，MCU判断温度检测间隔时间t是否已到；若检测间隔时间t已到，检测MCU采集两个温度传感器采集的供水温度Ta和回水温度Tb，若是检测间隔时间t未到，返回到开阀值初始开度，重新检测阀门关闭信号；若是接收到阀关闭信号，MCU发送关阀信号通过继电器执行关阀动作，阀门全关，重新输入设定值，进行检测。MCU检测出间隔时间t到后，判断回水温度Tb减去供水温度Tb的差值ΔTz是否大于第二设定温差T2，若Tb－Ta＞T2，MCU输出缺水保护信号发送给空调末端设备控制器。Tb－Ta＞T2，MCU判断回水温度Tb减去供水温度Tb的差值ΔTz是否大于第一设定值T1，若Tb－Ta>T1，MCU输出开阀信号，重新判断是否接收阀关闭信号，若Tb－Ta＜T1，MCU输出关阀信号，重新判断是否接收阀门关闭信号。