电动阀门控制器硬件电路设计.docx

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电动阀门控制器硬件电路设计

毕业设计

电动阀门控制器硬件电路设计

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摘　要

在现代工业自动化控制中，工业过程控制的质量很大程度上取决于过程控制仪表性能的高低。

气动调节阀是工业过程控制的重要调节机构，本文研究的智能阀门定位器是气动调节阀的核心附件，它能够显著改善阀门的动态特性，提高阀门的响应速度、定位精度以及控制灵活性。

阀门定位器从二十世纪中期产生至今，经历了几个不同的发展阶段.目前智能式阀门定位器是国内外研究和使用的重点。

1.根据目前国内、外对智能阀门定位器的研究，通过深入分析典型智能阀门定位器的结构，工作原理及其实现的功能，制定了以LPC2290为定位器核心的硬件系统方案，并预测了所设计的定位器硬件系统达到的性能指标。

2.对智能阀门定位器硬件系统进行了特性分析。

根据所制定的定位器硬件系统设计方案，在数学建模的基础上详细分析了所设计的智能阀门定位器硬件系统主要模块的动、静态特性、工作原理及其对定位器控制系统的作用和影响。

关键词：

智能阀门定位器；系统硬件特性；LPC2290；电路设计

Abstract

Inmodemindustrialautomationcontrol，thequalityofindustrialprocesscontroldependstoagreatextentontheperformancelevelofprocesscontrolinstrumentation．Pneumaticcontrolvalveisallimportantgovernormotionofindustrialprocesscontrol，andtheintelligentvalvepositionerstudiedinthispaperisthemainattachmentofpneumaticcontrolvalve，itcallsignificantlyimprovethedynamiccharacteristicsofvalves，improvethecontrolspeed，precisionandflexibilityofvalves．Fromtheproduceofvalvepositionerinthemid-twentiethcentury,ithasexperiencedseveraldifferentdevelopmentstages

1、Basedonthedomesticandforeignresearchaboutintelligentvalvepositioner,bYmeallsofthedeepanalysisofthestructureoftypicalintelligentvalvepositioner,theprincipleofoperationandimplementationfunctions，theschemeofpositionedhardwaresystemwhichusedLPC2290asthecentrewasdrawupandtheperformanceindexofpositionerhardwaresystemwaspre—estimated．

2、Thecharacteristicsanalysisofthehardwaresystemofintelligentvalvepositionerwascarriedon．Basedonmathematicalmodeling，thedynamicandstaticcharacteristicsanalysisofthemainmoduleofthedesignedintelligentValvepositionerwerecarried011．Theprincipleofoperationofvariouspartsofthemoduleandtheinfluencetothefunctionofpositionercontrolsystemwereexplainedbytheory．

KeyWords：

intelligentvalvepositioner；featuresofhardwaresystemLPC2290；

circuitdesign

第一章电动阀门主要概述

1.1概述

五十多年前，工业生产中控制回路都是气体驱动的，变送器、调节器和执行单元（如调节阀）被连接在一起并通过一个3-15psi（1个标准大气压=14．69psi）的气动信号相互通讯，这个信号同时也是驱动执行机构动作的动力源睁7。

。

在大多数情况下，此种装置的操作仍是正确的，但在一些特殊情况下，例如阀的位置反应或改变速度太慢；较大尺寸的阀，需要较大的执行机构时，使用此种低气压信号很难达到预期的控制效果和控制目的。

这些问题的产生直接导致了阀门定位器的问世。

阀门定位器从产生至今，经历了不同的发展阶段。

二十世纪四十年代最早出现了气动阀门定位器，它在调节器输出和阀门位置之间扮演容量调节器、信号放大器和关系控制器的角色，最早的气动阀门定位器是利用力平衡原理制造的完全气动阀门定位器，其结构原理如图1-1所示

图1-1气动阀门定位器结构简图

作为驱动阀门或风门的一种主要装置阀门电动装置经过多年的发展,已经成为控制可靠,操作简单,维护方便的高性能产品。

随着现代科学技术的飞速发展,许多新技术和新材料的应用,各种高品质高性能的阀门或风门等设备的不断出现,要求与其所匹配的各种控制装置也应不断改进。

当调节器来的控制信号Pi增大时，波纹管1就相应伸长，并推动挡板2以反馈凸轮5为支点作逆时针偏转，于是挡板2就靠近喷嘴3，使喷嘴背压升高。

此背压经放大器4放大后，输出压力迅速上升并送入气动调节阀的膜头8，使阀杆7向下移动，带动反馈杆6和反馈凸轮5绕支点O顺时针偏转，反馈凸轮5的偏转使挡板以波纹管1为支点作逆时针方向偏转，于是挡板2离开喷嘴3，使输出压力下降，即阀杆7向下移动引起的效果是负反馈作用。

此时，一定的信号压力就对应于一定的阀门位置pJ。

这种机械传动式的阀门定位器在使用过程中易磨损，精度难以保证；在安装调试时要反复调节一系列弹簧、螺钉以达到力平衡，过程复杂；控制不够灵活，不能方便地配合不同行程的阀门，也难以提供多种作用特性和流量特性。

但这种结构多年来，一直在气动阀门定位器产品中占主导地位。

目前，在国内这种阀门定位器还在大量的使用。

随着工业控制电气化的普及，电气阀门定位器应运而生。

电．气阀门定位器的输入信号为0.10mA或4．20mA的DDZIII标准电流信号，而不采用20.100Kp的气动信号，输出为气压信号。

其结构原理如图1－2所示。

图1-2电气阀门定位器结构简图

1.2现状

阀门电动装置是以电机为动力,带动机械减速装置将动力传给控制元件的最终部件。

同时利用一些配件达到手􀀁电动切换、行程控制和力矩控制,此外还具有可以接受位置信号反馈的控制电路。

目前国内外阀门电动装置的结构形式有几十种,而规格型号则有上百种。

为了满足不同的要求,电动装置按安装环境分为普通型和户外型,按性能分为防爆型、防核辐射型和通用型,按启动方式分为开关型和调节型,按运动方式分为:

部分回转型多回转型等。

电动装置的控制形式有的简单,有的复杂（如带智能模块实现自动调节用的等）。

针对不同的工况,电动装置有相应的行业标准和国家标准。

随着科技的不断发展,新技术新产品和新工艺的不断应用,阀门电动装置的性能和结构将得到进一步改进和发展。

结构简单随着技术的进步,电动装置的结构将更加简单,机械部分的体积将缩小重量将减轻,更加适合用户的需要。

如机械减速装置采用谐波减速机构,通过谐波齿轮的大传动比将阀门电动装置的体积变小。

或者采用蜗轮蜗杆与行星减速机构组合的方法。

新材料的运用也对减小体积和减轻重量起着积极的作用。

随着机构主体部分的改进,与阀门电动装置相匹配的附件,如推杆和过渡连接装置等零部件也有了改进。

随着电子技术和传统机械的不断揉合,阀门电动装置的机械减速部分必将有大的改观。

电动装置和电动执行机构统一在国内,由于各种原因,阀门电动装置和电动执行机构是两个不同的概念。

它们也有各自不同的应用范围。

然而,无论从原理,还是从实际使用过程,两者都非常类似。

在国外,它们有一个共同的名称（ACTUATATOR）。

现在已经有越来越多的专业人士倾向于将两者统一起来。

这样既可以减少设计部门以及用户的选型难度,又可以使庞大繁杂的种类和体系得到简化,便于生产制造厂家设计生产。

传统观念认为阀门电动装置倾向于机械部分,结构要可靠,操作要灵活,控制要简单。

而电动执行机构则倾向于电气控制部分,信号反馈要正确,布线接线要简单,远程控制要具备。

作为一种机电一体化的产品,将阀门电动装置的电气部分以及必要的机械配件按要求重新设计一下,就可以满足电动执行机构的要求了。

而电动执行机构本身就可以代替阀门电动装置。

1.3电动阀门装置简介

阀门电动装置electricactuator用电力驱动启闭或调节阀门的装置。

阀门电动装置是实现阀门程控、自控和遥控不可缺少的驱动设备，其运动过程可由行程、转矩或轴向推力的大小来控制。

由于阀门电动装置的工作特性和利用率取决于阀门的种类、装置工作规范及阀门在管线或设备上的位置，设备上的位置。

电动装置一般由下列部分组成：

a、专用电动机，特点是过载能力强﹑起动转矩大﹑转动惯量小，短时﹑断续工作。

b、减速机构，用以减低电动机的输出转速。

c、行程控制机构，用以调节和准确控制阀门的启闭位置。

d、转矩限制机构，用以调节转矩（或推力）并使之不超过预定值。

e、手动﹑电动切换机构，进行手动或电动操作的联锁机构。

f、开度指示器，用以显示阀门在启闭过程中所处的位置。

1.4阀门电动装置的分类

与其他阀门驱动装置相比，电动驱动装置具有动力源广泛，操作迅速、方便等特点，并且容易满足各种控制要求。

所以，在阀门驱动装置中，电动装置占主导地位。

（1）阀门电动装置按输入方式分为多回转型（Z型）和部分回转型（Q型）两种，前者用于升降杆类阀门，包括：

闸阀、截止阀、节流阀、隔膜阀等；后者用于回转杆类阀门，包括球阀、旋塞阀、蝶阀等，通常在900范围内启闭。

阀门电动装置按防护类型分为普通型和特殊防护型两大类

（2）普通型电动装置的使用环境如下：

1、环境温度：

－25～40℃

2、环境相对温度≤90％（25℃时）

3、海拔≤1000m

4、工作环境要求不含有腐蚀性、易燃、易爆的介质

（3）如阀门的工作环境条件超过普通型电动装置所具有的能力时，需采用特殊防护型产品，这类产品根据所处工作环境而具有多种型式

表1-1

特殊防护型电动装置主要技术特征

型式

主要特征

户外型

1、环境温度：

－40～40℃

2、最大降雨量：

50mm/10min

3、最大太阳辐射强度：

1.4J/（cm2·min）

4、有砂、雪、霜、露

高温型

最高环境温度可达80℃

低温型

最低环境温度可至－55℃

防腐型

有一种或一种以上含一定浓度化学腐蚀性介质的环境

高速型

阀杆转速达70r/min

防爆型

应能在具有爆炸性介质的环境中工作

船舶型

适用于轮船上有海水或盐雾存在的环境中

耐火型

应能在发生火灾（如温度达1300℃）的环境中，在一定时间（如15min）范围内仍然正常开启或关闭

双速型

双速变化范围达60:

1

潜水型

耐水Ⅰ型适于短时浸水工作环境（10mm、72h）；耐水Ⅱ型适用于长期浸泡的工作环境，水深可大于10m

防辐射型

适用于核电站特殊要求的场合

防护型代号

代号

防护类型

B

防爆型

R

耐热型

BWF

户外、防腐、防爆型

1.5选购电动阀门装置应注意的问题

阀门电动装置是实现阀门程控、自控和遥控不可缺少的设备，其运动过程可由行程、转矩或轴向推力的大小来控制。

由于阀门电动装置的工作特性和利用率取决于阀门的种类、装置工作规范及阀门在管线或设备上的位置，因此，正确选择阀门电动装置，对防止出现超负荷现象（工作转矩高于控制转矩）至关重要。

通常，正确选择阀门电动装置的依据如下：

操作力矩：

操作力矩是选择阀门电动装置的最主要参数，电动装置输出力矩应为阀门操作最大力矩的1.2～1.5倍。

操作推力：

阀门电动装置的主机结构有两种：

一种是不配置推力盘，直接输出力矩；另一种是配置推力盘，输出力矩通过推力盘中的阀杆螺母转换为输出推力。

输出轴转动圈数：

阀门电动装置输出轴转动圈数的多少与阀门的公称通径、阀杆螺距、螺纹头数有关，要按M＝H／ZS计算（M为电动装置应满足的总转动圈数，H为阀门开启高度，S为阀杆传动螺纹螺距，Z为阀杆螺纹头数）。

阀杆直径：

对多回转类明杆阀门，如果电动装置允许通过的最大阀杆直径不能通过所配阀门的阀杆，便不能组装成电动阀门。

因此，电动装置空心输出轴的内径必须大于明杆阀门的阀杆外径。

对部分回转阀门以及多回转阀门中的暗杆阀门，虽不用考虑阀杆直径的通过问题，但在选配时亦应充分考虑阀杆直径与键槽的尺寸，使组装后能正常工作。

输出转速：

阀门的启闭速度若过快，易产生水击现象。

因此，应根据不同使用条件，选择恰当的启闭速度。

阀门电动装置有其特殊要求，即必须能够限定转矩或轴向力。

通常阀门电动装置采用限制转矩的连轴器。

当电动装置规格确定之后，其控制转矩也就确定了。

一般在预先确定的时间内运行，电机不会超负荷。

但如出现下列情况便可能导致超负荷：

一是电源电压低，得不到所需的转矩，使电机停止转动；二是错误地调定转矩限制机构，使其大于停止的转矩，造成连续产生过大转矩，使电机停止转动；三是断续使用，产生的热量积蓄，超过了电机的允许温升值；四是因某种原因转矩限制机构电路发生故障，使转矩过大；五是使用环境温度过高，相对使电机热容量下降。

过去对电机进行保护的办法是使用熔断器、过流继电器、热继电器、恒温器等，但这些办法各有利弊。

对电动装置这种变负荷设备，绝对可靠的保护办法是没有的。

因此，必须采取各种组合方式，归纳起来有两种：

一是对电机输入电流的增减进行判断；二是对电机本身发热情况进行判断。

这两种方式，无论那种都要考虑电机热容量给定的时间余量。

通常，过负荷的基本保护方法是：

对电机连续运转或点动操作的过负荷保护，采用恒温器；对电机堵转的保护，采用热继电器；对短路事故，采用熔断器或过流继电器。

第二章阀门智能控制器的总体设计方案

2.1硬件系统整体设计方案及性能指标

阀门控制器是控制阀的主要附件。

它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移量与控制器输出信号之间的一一对应关系．因此，阀门控制器组成了以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。

该控制系统的操纵变量是阀门控制器对执行机构的输出信号。

虽然智能式阀门控制器与传统控制器在控制原理上基本相同，都是将输入信号与阀位反馈信号进行比较后对输出压力信号进行调节，但在执行元件上智能控制器和传统控制器完全不同，也就是工作方式上二者完全不同。

智能控制器以微处理器为核心，利用了新型的压电阀代替传统控制器中的喷嘴、挡板调压系统来实现对输出压力的调节。

智能式阀门控制器与调节阀配套使用，组成了一个闭合的控制回路系统。

该系统主要由微控制器、压电阀、气动执行机构、调节机构、阀位反馈装置组成。

目前有很多厂家生产智能型阀门控制器，以西门子公司的SIPATTPS2系列智能电气阀门控制器最具典型和代表性，下面以就以SIPARTPS2系列控制器为例，对智能控制器的工作原理进行说明，其基本结构原理如图2．1所示。

其具体工作原理如下：

由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字信号，与控制器的输入（设定）信号在CPU中进行对比，计算二者偏差值。

如偏差值超出定位精度，则CPU输出指令使相应的开/关压电阀动作，即：

当设定信号大于阀位反馈信号时，升压压电阀V．1打开，输出气源压力P1增大，执行机构气室压力增加使阀门开度增加，减小二者偏差；如设定信号小于阀位反馈信号则排气压电阀V-2打开，通过消音器排气减小输出气源压力Pl，执行机构气室压力减小使阀门开度减小，二者偏差减小。

正是通过CPU控制压电阀来调节输出气源压力的大小致使输入信号与阀位达到新的平衡。

2．2智能式阀门控制器的硬件组成及实现功能

2.2.1控制器硬件组成

经分析国内、外智能阀门控制器典型产品，除通信方式不同之外，其基本结构大体相同。

整体来讲智能阀门控制器的硬件部分主要由：

信号调理模块、微处理器、电气转换模块和阀位检测反馈装置四部分构成。

其硬件组成原理如图4．2所示。

图4-2智能阀门控制器硬件组成原理图

1）信号调理模块：

对输入的设定信号和阀位检测反馈信号进行合理、有效调理，转换为微处理器所能接受的数字信号；并且根据所转换的输入信号类型及通讯协议的不同，信号调理部分的具体电路将有所不同；

2）微处理器控制：

微处理器将信号调理模块送入的两个数字信号按照预先设定的特性关系进行比较，判断阀门开度与设定信号的对应关系，并输出控制信号至电气转换模块；

3）电气转换模块：

将微处理器输入的控制电信号转换为相应的气压信号送至气动执行机构，推动调节机构动作；

4）阎位检测反馈装置：

检测执行机构的阀杆位移并将其转换为电信号反馈至控制器的信号调理模块。

2．2．2智能阀门控制器主要实现的功能

阀门控制器都具有增大调节阀的输出功率、减少调节信号的传递滞后、加快阀杆的移动速度、提高阀门的线性度、克服阀杆的磨擦力，并消除不平衡力的影响等功能，从而保证调节阀的正确定位。

智能阀门控制器实现的主要功能可概括为以下几个方面：

1）实现准确定位

智能型电/气阀门控制器用于控制气动直行程或角行程执行机构，实现阀门的准确定位。

控制器的输入是从调节器送来的阀位设定信号（既可以是从DCS输出的模拟信号，即4-20mA或0～20mA范围内的直流信号，也可以是从监控计算机通过各种总线通信接口发送的数字信号），与反馈的实际阀位信号在微处理器中进行智能比较，输出控制信号，以驱动气动执行器，实现阀门的精确定位。

2）远程通讯、监控

利用上位监控计算机和总线通讯，用户可在中央控制室使用安装在操作站中的现场设备管理软件了解和设置阀门控制器的全部信息，如工作方式、报警信息、设定值与实际运行过程的过程变量。

另外，控制器的数字通讯能以极快的速度提供大量的信息，这对于系统发生故障时快速诊断十分重要。

3）零点和量程自动调整功能

零点调整与量程调整互不影响，调整过程简单快捷：

且能自动识别所配装的执行机构规格，如气室容积、作用形式、行程范围等，并自动进行调整，从而使调节阀处于最佳工作状态.

4）通过组态，实现多种功能通过对智能阀门控制器的组态，可以实现多种功能，如可以设定行程范围、实现分程控制、设置不同的流量特性等。

通过控制器的按键操作和LCD显示还

可以实现现场手动调节阀门的开度。

5）具有诊断和检测功能

除一般的自诊断功能之外，还可输出与调节阀实际动作相对应的反馈信号，用于远距离监控调节阀的工作状态。

接受数字信号的智能式阀门控制器，具有双向的通讯能力，可以就地或远距离地利用上位机或手持式操作器进行阀门控制器的组态、调试和诊断1151。

第三章软件电路设计

阀门电动装置计算机测试系统软件主要由操作界面模块、数据采集模块和数据处理模块3部分组成，如图3-1所示。

图3-1系统软件功能模块图

测试系统软件的功能主要实现对原始数据的采集，并利用一些算法对原始数据进行处理、存储和显示。

3．1编程语言的选择

由于测试系统由下位机（由ARM为微控制器的控制系统）和上位机PC机组成。

对于上位机，根据软件实现的功能选择具有良好的图形界面编制功能，通俗易懂可以开发高效、标准的WINDOWS应用程序的VISUALBASIC6.0语言。

下位机软件是开发ARM芯片的软件ADS1.2。

3．2上位机软件中主要功能环节的实现

3．2．1利用VB6.0实现串口数据采集

用VB6.0开发串口数据采集程序普遍采用两种方法：

一种是利用windows的API函数；另一种是采用VB的通讯控件MSComm。

利用API函数编写串行通讯程序较为复杂，需要调用许多繁琐的APl函数，而VB6.0的Mscomm通讯控件提供了标准的事件处理函数、事件和方法，用户不必了解通信过程中的底层操作和API函数，从而比较容易、高效地实现了串口数据采集。

MSCOMM控件提供了两种功能完善的串口数据接收和发送功能：

一种是查询法，通过commevent的值来轮询（polling）事件和通讯状态，可以使用定时器和Do⋯Loop程序来实现；另一种是事件驱动法（Event—driven），利用MSCOMM1控件OnComm事件来捕获串口通讯错误或事件，并在0n—Comm事件中编写程序进行相应的处理。

本软件系统采用了定时器来发送令牌以及接收远端单片机的回执信息，使PC机作出更快的反应。

初始化MSCOMM控件的程序如下：

------

MSCOMM1.PORTOPEN=True‘使用串行端口1

MSCOMM1.Settings=“9600,n,8,1”设置初始化参数

MSCOMM1．INPUTLEN=0’读缓冲区的全部数据

MSCOMM1.INBUFFERCOUNT=0’清空接收缓冲区

MSCOMM1.RTHRESHOLD=0‘接收缓冲区达到1个字节就产

生0ncomm事件Timer1.interval=10‘设置每隔0.01s完成一次数据采集

Timer1.enabled=True‘设置定时器启动工作

数据接收和数据发送的程序如下：

-------

数据接收程序：

DimiAsInteger‘定义变量

Dimarr（）AsByte‘定义接收数据数组

DimdatanumAsInteger‘定义变量

DimnettestAsBoolean‘定义布尔变量

Arr=Mscomm1.Input‘将接收缓冲区的数据赋给接受数据数组

Mscomm1．InBuffercount=0‘清零接收缓冲区

If（UBound（arr）>1）Then‘判断接收数据数组中是否有数据

Datanum=0

Ifnettest=TrueThen

Fori=0ToUBound（arr）

Forml4.Text1=Form14.Text1&arr（i）＆”;”‘将接收到的数据在文本框中显示

Nexti

发送数据程序：

------

Outstr=”@”＆circlestrl&cirdestr2”*”

Mscomm1．Output=outstr‘将要发送的令牌赋给发送缓冲区

------其循环采集数据的流程图如图3-2所示。

图3-2循环采集数据的流程图

程序由主程序、转矩和