電氣閥控制原理

                            電氣閥控制原理

                       上海申弘閥門(mén)有限公司

     電氣閥控制原理閥門(mén)的控制量為閥門(mén)開(kāi)度，在應(yīng)用場(chǎng)合往往會(huì)根據(jù)實(shí)際需要將閥門(mén)開(kāi)或關(guān)，或者開(kāi)到一定程度，甚至動(dòng)態(tài)的以某種規(guī)律開(kāi)關(guān)。在傳統(tǒng)的模擬控制方式中用時(shí)間、電流的大小來(lái)表示閥門(mén)的開(kāi)啟角度。由于影響時(shí)間、電流(電壓)等參數(shù)的因素很多，因此顯示的開(kāi)啟角度與閥門(mén)的實(shí)際位置不易達(dá)到同步，經(jīng)常出現(xiàn)明顯的誤差。同時(shí)，簡(jiǎn)單的模擬量控制提供的信息極為有限，不利于系統(tǒng)的調(diào)試和檢修。筆者設(shè)計(jì)的智能型控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的方法來(lái)控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

 

    采用MOTOROLA公司單片微處理器和外圍芯片組成智能化的位置控制單元，接收統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)(如4～20mA的電流信號(hào))，經(jīng)信號(hào)處理及A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器，微處理機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)送至顯示單元顯示調(diào)節(jié)結(jié)果，運(yùn)算處理后產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。此外，系統(tǒng)帶通訊功能，可以接收上位機(jī)的指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)字控制。同時(shí)也可以在智能控制器本地的人機(jī)界面上通過(guò)菜單和按鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。

一、電動(dòng)閥電氣結(jié)構(gòu) 
? 閥門(mén)是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。閥門(mén)的種類(lèi)相當(dāng)多，工作原理也不太一樣，電動(dòng)閥一般以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)閥桿，帶動(dòng)閥芯動(dòng)作，轉(zhuǎn)動(dòng)閥板角度、升降閥板等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)啟閉控制。 
? 電動(dòng)閥又分關(guān)斷閥（開(kāi)關(guān)閥）和調(diào)節(jié)閥；關(guān)斷閥是兩位式的工作即全開(kāi)和全關(guān)；調(diào)節(jié)閥是在上面安裝電動(dòng)閥門(mén)定位器，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)來(lái)使閥門(mén)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定在一個(gè)位置上。由于電動(dòng)閥的驅(qū)動(dòng)一般是用電機(jī)，所以比較耐電壓沖擊；電動(dòng)閥閥的開(kāi)度可以控制，狀態(tài)有開(kāi)、關(guān)、半開(kāi)半關(guān)等動(dòng)作，開(kāi)或關(guān)的動(dòng)作完成需要一定的時(shí)間； 
? 這是電動(dòng)閥中的一種：蝶閥的示意圖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)閥板打開(kāi)或者是關(guān)閉。 ? 
電機(jī)控制的開(kāi)關(guān)閥門(mén)，多用于大口徑的管道上，閥開(kāi)或者閥關(guān)通過(guò)閥門(mén)電機(jī)換向運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。有的閥門(mén)在電機(jī)運(yùn)行到大位置后由觸點(diǎn)觸發(fā)斷開(kāi)電機(jī)電源，有的閥門(mén)則沒(méi)有這一功能，要由電氣上或程序上進(jìn)行聯(lián)鎖。因此，在有些相對(duì)重要的系統(tǒng)環(huán)節(jié)里，閥門(mén)要配備開(kāi)到位或關(guān)到位的返回信號(hào)，以便于控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。大型閥門(mén)和風(fēng)系統(tǒng)的控制中可以用電動(dòng)閥做兩位開(kāi)關(guān)控制。 
? 調(diào)節(jié)閥門(mén)的閥門(mén)執(zhí)行器，除了電源供給之外，還具有調(diào)節(jié)器控制信號(hào)的引入，根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出，成比例地轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)位移或角位移，帶動(dòng)閥門(mén)直接調(diào)節(jié)其開(kāi)度；同時(shí)可以將閥門(mén)的開(kāi)度引出，以供監(jiān)控。 
?  ?  ?  ? 
 
  二、電動(dòng)閥的控制 
? 1）開(kāi)關(guān)型（開(kāi)環(huán)控制）： 
? 關(guān)型電動(dòng)執(zhí)行器一般實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)或關(guān)控制，閥門(mén)要么處于全開(kāi)位置，要么處于全關(guān)位置。 
? 2）調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制） 
? 
調(diào)節(jié)型電動(dòng)閥執(zhí)行器要通過(guò)控制器（或者是調(diào)節(jié)器）進(jìn)行控制。在PLC控制系統(tǒng)中，是用模擬量輸入/輸出單元作調(diào)節(jié)器。模擬量輸入單元用來(lái)采集閥門(mén)的開(kāi)度信號(hào)，而輸出單元?jiǎng)t是調(diào)節(jié)閥門(mén)的控制信號(hào) 
  三、電動(dòng)閥控制故障處理 
? 例一：開(kāi)關(guān)閥門(mén)在電機(jī)換向運(yùn)行時(shí)，燒接觸器： 
? 
當(dāng)自動(dòng)控制閥門(mén)從開(kāi)閥轉(zhuǎn)為關(guān)閥的瞬間，有燒接觸器（A-KA65,A-KA66）的現(xiàn)象，幾乎是成對(duì)的損壞。如果是手動(dòng)方式現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)/關(guān)閥則沒(méi)有問(wèn)題，說(shuō)明線(xiàn)路接線(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題，而且電路中已經(jīng)有互鎖的電氣邏輯。再次檢查之，硬件上沒(méi)有問(wèn)題。當(dāng)再次出現(xiàn)損壞接觸器時(shí)，拆下檢查，發(fā)現(xiàn)主觸點(diǎn)燒死，說(shuō)明電流很大，連熱繼也沒(méi)來(lái)得及跳。而且只有當(dāng)自動(dòng)控制方式時(shí)閥門(mén)才會(huì)出現(xiàn)這種情況。 
? 分析：成對(duì)接觸器被燒，由電路上看是不可能的，只有一種可能，接觸器拉弧引起的：當(dāng)開(kāi)閥的接觸器還沒(méi)釋放掉，關(guān)的接觸器吸合，自動(dòng)方式下動(dòng)作發(fā)出快，就會(huì)造成瞬間短路，損壞接觸器

    主要功能描述：

    (1)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接接收4～20mA/4～12mA/12～20mA/0～5V/1～5V等控制信號(hào)，輸出隔離的4～20mA閥位反饋信號(hào)；

    (2)具有仿真運(yùn)行功能，并可根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的流量特性曲線(xiàn)運(yùn)行；

    (3)控制信號(hào)斷路故障判斷、報(bào)警及保護(hù)功能。斷路故障時(shí)可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)或開(kāi)、或關(guān)、或保特、或在0～99%之間預(yù)置的任意值；

    (4)數(shù)字顯示，顯示控制信號(hào)值、閥位值、故障類(lèi)別；

    (5)RS485遠(yuǎn)程通訊功能，通過(guò)通訊協(xié)議在上位機(jī)進(jìn)行編程組態(tài)，對(duì)過(guò)程量、開(kāi)關(guān)量作數(shù)據(jù)或圖形處理。

    (6)閥門(mén)行程自整定，輸入輸出模擬信號(hào)自校準(zhǔn)。
? 改進(jìn)方法：1.在允許的情況下，拉開(kāi)開(kāi)/關(guān)閥的指令發(fā)出時(shí)間間隔。  ? 2.改進(jìn)硬件電路用一個(gè)繼電器的常開(kāi)/常關(guān)觸點(diǎn)作為閥門(mén)電機(jī)的換向控制開(kāi)關(guān)。 ? 例二：閥門(mén)供電電源缺相燒電機(jī)：  ?  大功率閥門(mén)380VAC電源，通過(guò)接觸器供電，加有熱繼保護(hù)，操作閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，閥門(mén)沒(méi)有動(dòng)作。線(xiàn)路檢查連接正確，閥門(mén)仍然沒(méi)有動(dòng)作，后打開(kāi)閥門(mén)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)燒毀，但熱繼沒(méi)有跳。再次仔細(xì)檢查線(xiàn)路，發(fā)現(xiàn)接觸器主線(xiàn)有一端沒(méi)有擰緊。  ? 分析：由于電源三相有一相沒(méi)接觸牢固，造成缺相。這種情況下，電機(jī)很容易損壞，而熱繼是來(lái)不及反應(yīng)的。  ? 注意：在連接三相電源的電機(jī)線(xiàn)路時(shí)，一定要三相均接牢固。 ? 例三：閥門(mén)安裝距離長(zhǎng)，返回信號(hào)干擾：  ? 在閥門(mén)開(kāi)或關(guān)操作后，閥門(mén)到位信號(hào)不正確。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的到位信號(hào)已經(jīng)發(fā)出，但控制系統(tǒng)收不到信號(hào)。  ? 分析：當(dāng)閥門(mén)位置離控制柜有一定距離時(shí)，會(huì)因?yàn)樾盘?hào)的衰減，返回錯(cuò)誤的信息。 ?  改進(jìn)辦法：1.加大信號(hào)傳送線(xiàn)纜的線(xiàn)徑，并選擇屏蔽線(xiàn)。 

    2系統(tǒng)硬件組成

    智能控制器根據(jù)智能化、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等原則，控制核心采用8位微處理器MC68HC908SR12(SR12)，電機(jī)控制的主電路采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
SR12具有速度快、功能強(qiáng)和價(jià)格低等特點(diǎn)。其高工作頻率可達(dá)8MHz，有512字節(jié)的片內(nèi)RAM、12K字節(jié)的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器，14路10位A/D，及SCI、I2C、SPI等通訊接口［1，4］。

    系統(tǒng)應(yīng)用SR12內(nèi)部的A/D進(jìn)行閥門(mén)位置信號(hào)及輸入控制信號(hào)的采集，利用PWM輸出經(jīng)過(guò)濾波后的位置信號(hào)，利用I2C總線(xiàn)與外部存儲(chǔ)器AT24C08進(jìn)行通訊存儲(chǔ)設(shè)置值，利用SCI接口通過(guò)MAX485與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，充分利用了該芯片的內(nèi)部資源，節(jié)約了成本。

    2.1信號(hào)輸入部分

    利用SR12內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號(hào)和閥門(mén)位置反饋的模擬信號(hào)進(jìn)行量化。采用REF02作為A/D的基準(zhǔn)電壓，其溫度漂移系數(shù)為3PPM/℃。

    2.2信號(hào)輸出部分

    SR12有3通道8位高速PWM，每個(gè)通道有獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，可選擇PWM輸入時(shí)鐘以產(chǎn)生各種PWM頻率，并有自動(dòng)相位控制。利用其中一路PWM作為模擬量輸出信號(hào)，其余兩路作為電機(jī)控制信號(hào)。同時(shí)選擇I/O口PTB6作為繼電器開(kāi)關(guān)量輸出的控制信號(hào)。

    2.3輸入輸出隔離

    系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，涉及到各種儀表、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，會(huì)由于各種原因引入信號(hào)干擾以及各種危險(xiǎn)的強(qiáng)電壓信號(hào)。為了保證系統(tǒng)的安全，保證檢測(cè)的正確性和運(yùn)行的可靠性，采用光耦LOC210對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行隔離。

    2.4通訊部分

    為了完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制和組網(wǎng)的需要，系統(tǒng)支持RS485通訊方式。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX485。實(shí)際工作時(shí)，可以與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，進(jìn)行運(yùn)行方式設(shè)定并監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)。上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。應(yīng)用在牙膏化工加工系統(tǒng)中。

    2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

    電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用電力電子開(kāi)關(guān)雙向可控硅BTA16。雙向可控硅具有開(kāi)關(guān)速度快、壽命長(zhǎng)、無(wú)火花和拉弧現(xiàn)象等特點(diǎn)［2］，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高溫條件下的可靠運(yùn)行，同時(shí)有助于對(duì)電機(jī)的保護(hù)。主電路與CPU之間采用光耦MOC302X驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，圖中ZL為電機(jī)負(fù)載。

    在設(shè)計(jì)中，MOC3020的二極管前向電流為15mA,MOC3021和MOC3023分別為8mA和3mA，所以可以由MC68HC908SR12的I/O口采用灌電流方式直接驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際工作時(shí)RC吸收回路的實(shí)際參數(shù)需要根據(jù)電機(jī)參數(shù)(ZL)的不同確定。

    需要注意的是，MOC302X的耐壓是400V，如果電機(jī)需要工作在380V下或者電機(jī)的反電勢(shì)比較大時(shí)，要選用MOC308X系列。與本文相關(guān)的論文有：那些工礦適用自力式調(diào)節(jié)閥