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低功耗二線制智能閥門控制器的設計

2022

05/16 09:10:56
浙江展旭德自控閥門有限公司 http://www.ntfpaydayloans.com/
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低功耗二線制智能閥門控制器的設計

氣動系統因其具有結構簡單、價格低廉、以空氣為介質、不污染環境等特點,使氣動調節閥成為工業過程控制中一種重要的執行部件,但由于空氣介質的壓縮性大、精度小,如何獲得高精度的位置控制是當前氣動技術的一大難點;其次,在石油、化工、生物醫藥等工業控制中,對防火防爆的要求非常嚴格,因此如何實現閥門控制安全也是目前的研究熱點;另外過程控制不僅僅只局限于定位控制,而且還需要對流量、壓力等過程量進行控制,目前這類高精度、安全、低功耗控制器主要來自進口,如德國的Burkert、美國ABB等?;谶@種背景,本文設計了一種基于4~20mA電流控制信號的低功耗二線制智能閥門控制器。

1 系統工作原理
閥門控制器控制電路主要由中央控制單元、控制信號檢測單元、位置檢測單元、顯示以及鍵盤單元、壓電閥控制電路、電源電路等部分組成。閥門控制器接收來自調節器的設定閥門開度的電流信號(4~20mA),用這個信號與從調節閥閥桿反饋回來的實際開度信號進行比較,如果微處理器得到一個偏差信號,就利用這個信號去控制壓電閥,使一定量的壓縮空氣經過壓電閥進入到調節閥的執行機構的氣室,推動閥芯的移動或轉動,從而達到閥芯的準確定位,最終實現過程控制系統中過程量(壓力或流量等)的準確控制。
2 過程控制器硬件設計
2.1 二線制簡介
所謂二線制是指在儀表中電源和信號線公用2根導線,不使用任何額外的電源,供電完全是從控制信號中取出,目前工業現場最常用的就是符合工業標準的4~20mA電流信號。在石油、化工等工業控制中,對防火防爆的要求非常嚴格,而二線制儀表由于電源本身即取自信號線,不需要另外提供電源,所以在構成本質安全的防爆結構時具有很大的優勢。
2.2 主控單片機選取
對于二線制控制器來說,輸入電流信號范圍為4~20mA,此信號既作為控制信號,又提供控制器所需要的全部功率,因此該控制器要求在4mA電流下也能正常工作,這就要求該控制器設計時需要充分考慮各器件的功率消耗??刂破魉玫奈⑻幚砥鬟x取的是超低功耗的MSP430F135單片機,局部電路和功能軟件設計采用中斷喚醒超低功耗工作方式,該單片機包含12位A/D轉換器、硬件乘法器、定時器、看門狗、串行通信模塊、I/O端口等豐富的片上資源,可實現在線編程。
2.3 電源電路
如前所述,控制器采取二線制結構,控制電壓取自4~20mA電流環路,同時該信號還是控制信號,因此必須把4~20mA電流信號轉換成電壓信號,具體電源電路如圖2所示。
2.4 控制信號檢測單元
信號放大電路如圖3所示,R1為采樣電阻,其一端接地,另一端電壓與電流成正比,該電壓經低功耗運放MAX4044放大后輸入到單片機A/D口。
2.5 位置檢測單元
由于反饋電位器易磨損、壽命短,所以位置檢測單元選用導電塑料電子尺,其功能是把一個機械位移信號轉換成電氣信號,并且該信號與機械運動成正比,單片機對電子尺輸出電信號進行A/D轉換,從而實現閥位檢測。
2.6 壓電閥控制部分
控制系統采用德國HOERBIGER-ORIGA公司先進的壓電閥和氣動放大器作為氣壓驅動裝置,壓電閥片的響應時間小于2ms,壓電氣動放大器響應時間小于20ms,由此可見,閥門可以達到很高的調節精度和較快的響應時間,閥門一旦定位完成,其耗氣量可以忽略不計。壓電閥工作電壓是24V,因此必須把3.3V電壓信號升壓至24V,這里選擇低功耗升壓芯片MAX629,MAX629是美國MAXIN公司生產的,其組成的升壓DC-DC轉換器輸入電壓很低,輸出電壓可達±28V,僅有80μA的靜態電流,特別適合為低功耗、高電壓設備供電,升壓電路如圖4所示。
2.7 信號輸出電路
按照工控要求,儀表或設備通常需要輸出4~20mA標準信號,該閥門控制器4~20mA電流信號輸出使用的是美國ADI公司推出的單片高性能數/模轉換器AD421,它由電流環路供電,16位數字信號SPI串行輸入,4~20mA電流輸出。電流輸出信號可用來表示閥門的開度或者回路中壓力、流量等過程值的大小,輸出什么信號由單片機根據需要,把采集到的不同信號值通過SPI總線送至AD421進行數模轉換,具體4~20mA電流信號輸出電路如圖5所示。
顯示單元采用超低功耗的NJU6433芯片并定制成專用字符液晶顯示模塊,可以設置菜單和各種控制參數,按鍵部分不在此詳述。
3 過程控制器控制軟件設計
3.1 過程控制系統結構圖
液壓回路中,壓力或者流量會隨著閥門開度的改變而改變,對壓力或者流量的精確控制,實際上可以轉換為定位控制,因此過程控制回路可以表示成雙閉環控制系統,過程控制系統結構如圖6所示,過程量(壓力或者流量等)控制回路的輸出作為定位控制回路的輸入,內環為定位器控制回路,外環為過程量控制回路,定位控制回路控制的好壞直接影響到整個控制回路中壓力、流量等的精確控制。
3.2 定位控制軟件設計
讓控制器工作在定位模式,定位控制結構如圖7所示,壓電閥驅動由控制信號1,2決定,兩者都為高電平時,則壓電閥工作在進氣狀態;當兩者都為低電平時,則壓電閥工作在排氣狀態;當控制信號1為低電平,控制信號2為高電平時,則壓電閥狀態保持不變。壓電閥具有很高的調節精度和較快的響應時間的功能,能在20ms內完成狀態改變。用單片機兩IO口輸出控制信號,取控制信號周期為20ms,在定位器控制算法中,文獻[2]提出了采用積分分離的PID算法。試驗表明,該壓電閥在20ms內可以完成一次進氣,但完成一次排氣至少需要100ms,因此相同的進氣和排氣時間對行程的作用效果是不一樣的。如果在偏差范圍內采取PID控制,定位點處控制效果實際并不理想。反復試驗表明,采取分段、不對稱進排氣控制的算法較理想,每次執行算法前,需要對給定值和實際值進行預處理,即標度轉換,目的是使控制器能適用于不同行程的閥門,位置標度公式如下:
位置給定值為4~20mA,轉變成相應電壓并由單片機A/D轉換,兩極限A/D值分別是she_min,she_max,每次采樣給定值she按式(1)標度轉換成biao_she,同樣位置反饋值也由單片機A/D口讀取。由于電子尺實際可檢測行程大于閥門的行程,因此控制器會通過完全進氣和排氣記錄閥門2個極限位置時的A/D轉換值,分別是shi_min,shi_max,每次采樣實際值shi按式(2)標度轉換成biao_shi,定位器控制流程如圖8所示。
圖8 定位器控制流程圖
經反復試驗,定位器都能在2s以內快速到達設定值,并且沒有超調。
3.3 過程控制軟件設計
如3.2節所述,由于定位器都能在2s內到達給定值,因此每2s采集壓力或流量傳感器的值,過程控制回路調節周期取2s,控制方法采用增量式PI算法,具體公式可參考文獻。PI調節的輸出值作為定位器的給定值,定時器中斷程序流程圖如圖9所示,過程控制子程序流程圖如圖10所示。
4 試驗結果
按上述控制方法進行壓力控制試驗和流量控制試驗,試驗中采集壓力或者流量值,送至PC端,繪制的流量控制曲線圖和壓力控制曲線圖分別如圖11、圖12所示。圖11中直線表示給定流量值,曲線表示實際流量值,從圖中可以看出,當給定流量值發生10%的突變后,大約經過50s就使控制實際流量到達給定值,并且穩態誤差很小,能控制在1%以內。圖12中直線表示給定壓力值,曲線表示實際壓力值,從圖中可以看出,當給定壓力值發生40%的突變后,大約經過30s就可以使實際壓力到達給定值,并且穩態誤差很小。通過對試驗數據分析表明,穩態誤差能控制在1%以內,說明這種控制方法是有效可行的。

 

5 結束語
閥門控制器從4~20mA電流環取電,功耗低、精度高,能很好地滿足防火防爆的特殊要求,目前該控制器已應用在生物制藥過程控制系統中,對其流量或壓力實現了準確控制,并且性能優越,控制可靠。
低功耗二線制智能閥門控制器的設計
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