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三相智能电动调节阀控制装置的研究-浙江扬修自控设备有限公司

1 概述

    在现代化生产过程的控制中,调节阀起着十分重要的作用,它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。目前现有的电动调节阀控制手段落后,机械传动机构多,结构复杂,可靠性低。由此可见采用传统的电动调节阀建立的控制系统,可靠性和稳定性较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用,这种电动调节阀已远远不能满足工业生产的要求。本文设计的智能电动调节阀。采用机电一体化技术,将阀门、伺服电机和控制器合为一体,利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器,采用模糊神经网络,实现阀门的动作速度、精确定位、柔性关断以及电机转矩等控制。该电动调节阀节省了用于控制电机正反转的接触器、可控硅换向开关模件、机械传动装置、复杂昂贵的控制柜和配电柜,具有动作快,保护较完善,以及便于和计算机联网等优点。实际运行表明,该电动调节阀工作稳定,性能可靠。

    2 硬件设计及工作原理

    2.1 结构

    智能电动调节阀控制系统原理如图1所示。该控制系统从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变器、A/D、D/A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括三相伺服电机和位置传感器。

    2.2 工作原理

    系统工作时,霍尔电流、电压传感器及位置传感器将检测到的逆变模块的三相输出电流、电压及阀门的位置信号,经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器,产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM,实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。

    2.3 各功能元件的选型与设计

    (1)单片机

    选用INTEL公司生产的8031单片机。该机主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理,接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号,并提供三相PWM波发生器SA8282所需要的控制信号,处理IPM发出的故障信号和报警信号,处理通过模拟输入口接收的电流、电压和位置等检测信号,提供显示电动调节阀的工作状态信号,执行控制系统来的控制信号,向控制系统反馈信息。

    (2)三相PWM波发生器 

    PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂,有温漂现象,精度低,限制了系统的性能。数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点,并存入内存,然后通过查表及必要的计算产生PWM波。这种方法占用的内存较大,不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号,保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护和控制等功能,选用MITEI一公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA8282是专用大规模集成电路,具有独立的标准微处理器接口,芯片内部包含了波形、频率和幅值等控制信息。

    (3)智能功率模块IPM 

    为了满足电动调节阀体积小,可靠性高的要求,电机电源采用智能功率模块IPM。该调节阀主要适用功率小于5.5kW的三相异步电机,其额定电压为380V,功率因数为0.75。经计算可知,选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率开关、驱动电路和制动电路于一体,并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出,是一种高性能的功率开关器件。

    (4)位置检测电路  

    位置检测电路的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动调节阀中多采用绕线电位器、差动变压器和导电塑料电位器等。绕线电位器因寿命短而被淘汰,差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制,导电塑料电位器目前较为流行,但因其有触点式结构, 使用寿命短,精度低。因此采用无触点的脉冲数字式传感器,这种传感器,具有精度高,无线性区限制,稳定性高,无温度限制等特点。

    (5)电压和电流检测 

    检测电压和电流主要是为了计算电机的力矩, 以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0~50Hz,采用常规的电流和电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小,采用霍尔型电流互感器IPM 输出的三相电流,对于IPM输出电压的检测采用分压电路(图2)。

    (6)通讯接口 

    为了实现计算机联网和远程控制,选用MAX232作为系统的串行通讯接口,MAX232内部有两个完全相同的电平转换电路,可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS232标准电平, 把其他微机送来的RS232标准电平转换成TTL电平给8031,实现单片机与其他微机间的通讯。

    (7)时钟电路 

    时钟电路主要用来提供采样和控制周期的速度计算时所需要的时间以及日历。时钟电路选用DS12887。另外,DS12887内部还有114字节的用户非易失性RAM,可用来存入需长期保存数据。

    (8)液晶显示单元 

    为了实现人机对话功能,选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择,可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式,显示直观,清晰。

    (9)程序出格自恢复电路 

    为了保证在强干扰下程序出格时。系统能够自动地恢复正常,选用MAX705组成程序出格自恢复电路,监视程序运行(图3)。该电路由MAX705和与非门组成。当程序出格时,WDO由高变低,由于微分电路的作用, 由与非门输入引脚2变为高电平,引脚2电平的这种变化使与非门输出一个正脉冲,单片机产生一次复位,复位结束后,又由程序通过P1.0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲,使WDO引脚回到高电平。程序出格自恢复电路继续监视程序运行。

    3 阀位及速度控制

    阀位及速度控制(图4)采用双环控制方案,其中内环为速度环,外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较,通过速度调节器改变PWM波发生器载波频率, 实现电机的转速调节。速度调节器采用模糊神经网络控制算法。位置环主要根据当前位置与设定位置的差值,通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。由于电动调节阀在运行过程中存在加速、匀速和减速等阶段,各阶段的时间长短、加速度的大小及何位置开始匀速或减速,均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。速度给定发生器,通过比较实际阀位与给定阀位, 当二者不相等时,以恒定加速度加速, 减速点根据当前速度、阀位值和阀位给定值的大小计算得来。

    图5为电动调节阀的典型运行速度图,它由若干段变化速率不同的折线组成。将曲线上速率开始发生改变的那一点称为起始段点,相应的时间称为段起始时间t(i) (i=0,1,2,……),相应的速度称为段起始速度(i)(i=0,1,2,……)。

    设第i段速度的变化速率用k 表示,则有:

    

    式中:Δv-- 两段点之间的速度变化值,m/s
          Δv=vi+1-vi
          Δt--两段之间的时间,S
          Δt=ti+1-ti

    显然, 当ki=0时为恒速值,ki>0时为升速段,ki<0时为减速段。任意时刻的速度给定值为

    vi=v(i-1)+ki×Ts

    式中Ts--采样周期,Hz。

    变化速率ki的取值应根据给定位置、当前位置以及运行速度的大小确定。

    4 关键技术

    该电动调节阀采用了新的变频调速技术,电机驱动功率小于5.5kW。用户可根据需要设定力矩特性,并可根据控制的阀设定速度。速度分多转式、直行程和角行程3种方式。控制系统是由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统,控制特性视运行方式和速度而定,并具有自动过流保护、过载超压、欠压、过热、缺相和堵转等保护功能。

    该电动调节阀解决了几个关键性技术问题。

    (1)阀门柔性开关

    柔性开关主要是保证阀门关闭或全开时不卡住与损伤。执行机构内部的微处理器根据测定的变频器输出电压和电流,通过精确计算,得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩, 自动降低速度,以避免阀门内部过度的撞击,从而达到上优关闭,实现过力矩保护。

    (2)阀位的极限位置判断 

    阀位的极限位置是指全开和全关位置。在传统电动调节阀中,该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。机械式限位开关精度低,在运行中易松动,可靠性差。智能电动调节阀的极限位置通过检测位置信号的增量获得。其原理是,单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较,如果未发生变化或变化较小,即认为已达到极限位置,立即切断异步电机的供电电源,保证阀门的安全关闭或全开。该执行机构无机械式限位开关,无需在调试时对其进行复杂的调整。

    (3)电机保护 

    为了防止电机因过热而烧毁,单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度,如果温度传感器检测到电机温度过高, 自动切断供电电源。温度传感器置于电机内部。

    (4)准确定位 

    传统的电动阀门在异步电机通电后,会很快达到其额定动作速度,当接近停止位置时,电机断电后,由于机械惯性,其阀不可能立即停下来, 会出现不同程度的超程,这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。智能电动调节阀是根据当前位置与给定位置的差值, 以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率ki, 使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位,从而将超程降到很低。

    (5)模拟信号的隔离

    由于变频器的直流电压以及输出的三相电压之间的地不一致,因此存在着较高的共模电压,为了保证系统的安全性,必须将它们彼此相互隔离。因此采用LM358和4N25组成了隔离线性放大电路(图6),±15V和±12V为两组独立的正负电源。若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地,则运放A的输出端的电位将降低,因而光电耦合器的发光强度将增强,则使其集射极电压减小,然后使运放A的反相端的电位降低,回到正常状态。若A的反相端电位负向偏离虚地,也可以重回到正常状态。从而增强了系统的抗干扰性。

    5 结语

    智能电动调节阀集微机技术和执行器技术于一体,是一种新型的终端控制单元,其电机是通过内部集成的一体化变频器来控制。因此, 同一台智能电动调节阀可以在一定范围内具有不同的运行速度和关断力矩。在电动调节阀中采用液晶显示技术,它利用内置的液晶显示板,不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度,还可以通过菜单选择进行参数设定,当系统出现故障时,能显示出故障信息。总之,智能电动调节阀集测量、决断、执行3种功能于一体,顺应了电动调节阀的发展趋势,它的研制成功给电动调节阀的研究开发提供了新的思路。且该电动调节阀具有通讯方便、控制策略先进、可靠性高等特点,具有广阔的应用前景。
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