（电气工程专业论文）阀门电动执行机构调试系统的设计与实现.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 囊耀 日 摘要 摘要 题名：阀门电动执行机构调试系统的设计与实现 研究生姓名：何丽娟 导师姓名：吴在军( 副教授) 、刘伟军( 高级工程师) 学校：东南大学 阀门电动执行机构调试系统是对阀门电动执行机构的有关性能参数进行测量和评 估判断的系统。随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测 量技术领域的应用以及测试仪器的不断进步，亟待研制可对各种型号阀门电动执行机构 进行高精度测试的通用的阀门电动执行机构调试系统。 首先，介绍了阀门电动执行机构的结构组成及其主要性能参数，并对系统的调试功 能进行分析，提出了阀门电动执行机构调试系统的整体方案； 其次，研制了基于删、c p l d 技术以及c a n 总线的阀门电动执行机构调试系统。 论文详细论述了调试系统下位机的硬件设计方法和软件开发流程，设计了基于c p l d 的 光电编码器输出脉冲的四倍频电路以及开关量输入、输出和模拟信号输出电路等，给出 了模拟信号采集、数字信号处理、脉冲信号采集程序的相关算法； 再次，介绍了上位机系统的软件架构与程序开发流程，给出了整个调试系统通信的 硬件设计与软件开发流程并研究了系统的可靠性； 最后，简述了阀门电动执行机构调试系统的实际应用情况并分析了调试现场的动态 转矩检测情况。现场应用表明，所设计的阀门电动执行机构调试系统实现了产品进行转 矩、行程及转速等性能参数的标定，实现了阀门电动执行机构调试数据的采集与合格的 判断、出厂编号的生成、产品合格证和条形码的打印等，满足车间生产的需求。 关键字：阀门电动执行机构；调试系统；a r m ；c p l d ；c a n 总线；c s ；s q l 东南大学工程硕士学位论文 a b s 舰c t s u b j e c t ：n ed e s i 印锄dh i l p l 锄饥t a t i o no nm e v a l v ee l e c t r i ca 咖a t o rd e b u gs y s t 锄 t h en 锄eo f t l l es t u d e n t ：h e “- j u a n n 锄e so f m et e a c h e r s ：a s s o c i a t ep r o w uz a i l j u i l 觚de n 甄l w 叫u i l s c h o o l ：s o u m e a s tu 1 1 i v c 髑i t ) r t h ev a l v ee l e c t r i ca c t u a t o rd e _ b u gs y s t e mi sas y s t 锄也a tm e a s u r e s ，a s s e s s e sa n dj u d g e s t 1 1 e 缸1 c t i o np 觚吼e t e r sc o n c e n l e do ft l l e 、，a l v ee l e c t r i ca c t u a t ) r a st h ef a s td e v e l o p m to f m i c r o e l e c 乜o n i c s ，c o m p u t e rt ec _ h n 0 1 0 9 ) ，锄dn e m o f kt e c ：h n o l o g y a n dt h ea p p l i c a t i o i l si n e l e c t r i c a la 1 1 de 1 e c 怕i l i cm e 鹊w 锄e i l tt ec _ h n o l o g yo fm ev a l v ee l e c t r i ca 蛐r ，a 1 1 da l s o t h eu n c e a s i n gp r o g r e s s e so ft e s te q u i p m e n t s ，i ti su 略e n tt 0r e s e a r c ha i l dm 删f a c t u r eav a l v e e l e c t r i ca c 觚l t o rd e b u gs y s t e i ni nc o m m o nu s em a tc 锄t e s t 而mh i 班p r e c i s i o nt h ev a l v e e l e 嘶ca c t u a t o ro fe ac _ ht y p e f i r s y l em e s i si n t r o s d u c e sm es 们j c 协r ea r l dm e 龟n c t i o np 猢e t e r so f 虹l e d v e e l e c t r i ca c t u a t o r ，a l l d 锄a _ l y z e sm ed e b u g 缸n c t i o i l so f l cs y s t e m nr a i s 髓也eo v e r a l l p r 0 伊a i i l i i l e so fm ev a l v ee l e c t r i ca c t u a ：t o rd e b u gs y s t e m s e c o n d l y w eh a v er e s 朗“m e da 1 1 dm a 1 1 _ u f a c t u r e dm ev m v ee l e 嘶ca c t u a t o rd e b u gs y s t e m b 勰e do n l ea rm ，c p l da 1 1 dc a nb u st e d l o l o g y 1 1 1 em e s i sn 锄嘣e si i ld e t a i l l ed e s i 印 m e t l l o df o rt l l eh a 矗1 w a r ea n dm ed e v e l o p m e n tc i r c m tf o rt h es o f t w a r eo ft h el o w e rc o m p u t e r o f t h ed e b u gs y s t e m ，趾di tn o to l l l yh a sd e s i 弘e df o u ro c t a v ec i r c 临t 粕dm e 洲ta b o u tt l l e i n p u t 锄do u t p u to f m eb 证a 巧a r l dm eo u t p u to f t l l ea n a l o gs i 舒闭t l l a tb a s e do nt l l ec p l d e l e c 仃。一o p t i c a l 肌c o d b u t a l s oh 嬲百v e i l l ec o 玎e l a t i o na l g o r i m mo fa n a l o gs i 印a l a c q u i s i t i o i l ，d i 舀t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dp u l s es i g n a la c q u i s i t i o np r o 粤铷n m e s t h i r d l y ，t l l et h e s i sl l a si i l 缸d d l l c e dm es o f t 、) i r a r e 删t e 咖r ea n dn l ed e v e l o p m e mp r o c e s s o fm ep r o 黟锄o fc o u r s e ，t l l em e s i sh 嬲a l s o 酉v t 1 1 ed e s i 萨o fm eh 砷) l ，a r ea n dm e d e 、，e l o p m e n tp m c e s so ft 1 1 es o f t w a r co nm ew h o l ec 0 m m u i l i c a t i o no ft h ed c b l 培s ) r s t e m 砒l d r e s e 鲫c h e d 缸l er e l i a b i l i t ) ，o fm es y s t e m 邪w e l l f i n a l l y ，m e 廿l e s i sd e s 谢p p e dt l l ep r a c t i a la p p l i c a t i o no fm ev a l v ee l e c t r i ca 曲l a t o rd e b u g s y s t e ma n da i l a _ i y z e dm ed e t e 出o no fd ) ，i l 锄i ct o r q u eo fm ec o i i l 】【i l i s s i o i l i n g s i t e t h e a p p l i c a t i o no ft l l e 缸e l ds h o w sm a tt l l ev a l v ee l e c t r i c 删o rd e b u gs y s t e mw ed e s i 萨e d i m p l e m 朗t s 廿l ed 即1 a r c a t i o 船o f m e 如n c t i o np a r a m e t e r sa b o u tm ep r o d u c t s ，s u c h 嬲t o r q u e ， 仃a v e l ，s p e e d 锄ds 0o i l 锄dn l ed a t aa c q u i s i t i o i l ，m ej u d 舯e n ti fi ti sq u a l i 丘e d ，m eg e i l 酬i o n o ft l l es e r i a lm m l b e r ，p r o d u c tc 硎f i c a t i o 玛趾dm ep r i n to fm eb 撇d eo ft h ev a l v ee l e c 证c a c t u a t o rd e b u gs y s t e m i tm e e t sm en e e d so ft l l em 锄u f a c t u r eo fm e 、0 r k s h o p k e yw o r d s ：m ev a l v ee l e c t r i ca c t u 砷o r ；d e b u gs y s t e m ；a i 己m ；c p l d ；c a nb u s ；c s ；s q l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题的提出1 1 2 课题的研究现状1 1 3 课题的目标2 1 4 论文的研究工作与组织结构2 第二章阀门电动执行机构调试系统总体方案4 2 1 阀门电动执行机构的基本型式4 2 2 阀门电动执行机构的结构组成4 2 2 1 传统阀门电动执行机构的结构组成4 2 2 2 智能型阀门电动执行机构的结构组成5 2 3 阀门电动执行机构的主要性能参数6 2 4 阀门电动执行机构调试系统功能分析7 2 5 阀门电动执行机构调试系统的构成1 0 2 5 1 调试系统的设计目标1 0 2 5 2 调试系统的架构1 0 2 5 3 控制箱的结构1 0 第三章阀门电动执行机构调试系统下位机设计与实现1 2 3 1 调试系统下位机的硬件设计1 2 3 1 1 调试系统的结构组成1 2 3 1 2 控制箱1 3 3 1 3a d 采样电路设计1 4 3 1 4 光电编码器输出脉冲采样电路设计1 6 3 1 5 开关量输入、输出电路设计1 8 3 1 6 模拟信号输出电路设计2 0 3 1 7 液晶显示器接口设计2 1 3 1 8 打印机接口设计2 3 3 2 调试系统下位机的软件设计2 3 3 2 1 行程调试程序设计2 4 3 2 2 转速调试程序设计2 6 3 2 3 基本误差调试程序设计2 7 3 2 4 转矩调试程序设计2 7 3 2 5 行程重复偏差调试程序设计2 8 i 东南人学工程硕士学位论文 3 2 6 转矩重复偏差调试程序设计3 0 3 2 7 液晶显示模块程序设计3 1 3 2 8 打印程序设计3 2 第四章阀门电动执行机构调试系统上位机设计与实现3 4 4 1 上位机系统的功能要求3 4 4 2 上位机系统的软件设计3 4 4 2 1 上位机系统的整体结构3 4 4 2 2 上位机系统的软件架构3 5 4 2 3 上位机需要建立的数据库3 6 4 3 标刻机的软件设计3 7 第五章阀门电动执行机构调试系统通讯的设计与实现3 8 5 1c a n 总线简介及其特性3 8 5 1 1c a n 总线简介3 8 5 1 2c a n 总线基本特性3 8 5 1 3c a n 总线通信介质访问控制方式3 9 5 2 上位机数据采集流程3 9 5 3 上位机主要实现代码与界面4 0 5 3 1 主线程代码4 0 5 3 2 主要界面4 4 5 4 提高调试系统通讯的可靠性措施4 5 第六章阀门电动执行机构调试系统的实际应用4 8 6 1 调试系统的加载机构4 8 6 1 1 摩擦盘式加载机构4 8 6 1 2 磁粉离合模拟加载机构4 9 6 1 3 调试系统工作流程5 0 6 2 阀门电动执行机构动态转矩的检测5 l 6 2 1 阀门电动执行机构动态转矩的概述5 1 6 2 2 阀门电动执行机构动态转矩的检测5 1 第七章总结与展望5 3 7 1 课题总结5 3 7 2 后续工作的展望5 3 致谢5 4 参考文献5 5 在读期间科研成果5 7 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 阀门电动执行机构是一种自动控制领域的常用机电一体化设备，用以控制阀门的开 启和关闭，适用于闸阀、截止阀、隔膜阀，其派生产品可适用于蝶阀、球阀和风门等角 行程的阀门，它可以准确地按照控制指令动作，对阀门实现远控、集控和自控，广泛应用 于电力、冶金、化工等行业中危险的、不易操作的场所。阀门电动执行机构可以接受运 行人员或自动装置的命令，通过控制阀门自动截断或调节管道中的介质流量，响应快， 工作效率高，调速性能好，操作简便，安全性能好。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，对于其 所匹配的阀门电动执行机构的性能参数提出更高的要求。【l 】 随着机电。体化技术的发展，阀门电动执行机构在工业生产中体现了巨大的优势， 其工作效率高，控制方式灵活多样、易于安装维护，因此阀门电动执行机构的应用越来 越广泛，阀门电动执行机构已经是工业控制自动化系统中的一个关键的基础设备。近几 年来随着电子元器件技术、计算机技术和控制理论的飞速发展，国内外的阀门电动执行 机构都已跨入智能控制的时代。 目前国内外阀门电动执行机构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，阀门电动执行机构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，按控制方式分为开关型和调节型，按运动方式分为：部分回 转型和多回转型等。阀门电动执行机构的控制形式有的简单( 如扬州电力设备修造厂生 产的d z w 系列、l k 系列) ，有的复杂( 如扬州电力设备修造厂生产的带智能模块实现自动 调节的2 s a 8 系列等) 。 为了保证阀门或风门等设备能准确、可靠的运行，按阀门电动执行机构的行业标准 和国家标准对其进行质量检测变得极为迫切。阀门电动执行机构调试系统是对阀门电动 执行机构的有关性能参数进行测量和评估判断的系统，并为出厂产品进行转矩、行程及 转速等性能参数的标定，实现阀门电动执行机构出厂编号的生成、调试数据的采集与合 格的判断、产品合格证和条形码的打印等。 1 2 课题的研究现状 长期以来，我国阀门电动执行机构的生产企业以中小型为主，在产品的质量把关和 性能参数标定方面存在很多不足，阀门电动执行机构调试设备的研究也处于起步阶段。 随着现代科学技术特别是工业自动化技术的飞速发展，对阀门电动执行机构的性能及可 靠性提出了越来越高的要求。然而长期以来，国内阀门电动执行机构大多采用传统的手 动调试方式，调试结果精度低，误差大，加上人为因素的干扰，使阀门电动执行机构的 质量很难得到保障，给工农业生产、人民生活和我国自动化系统的建设与发展都带来了 严重的影响，亟待研制和开发高精度、高效率的阀门电动执行机构调试系统。盟， 东南大学工程硕士学位论文 1 9 9 6 年，武汉阀门厂与武汉交通科技大学共同开发研制了适合其产品的阀门电动执 行机构计算机调试系统，该系统利用磁粉离合器作为阀门电动执行机构的模拟负载，计 算机采集数据处理后，实现对堵转转矩、控制转矩及转速的调试，同时控制模拟加载机 构。由于其使用的是1 2 位的，d 采样卡，调试结果的精度有待进一步提高。 2 0 0 3 年，扬州电力设备修造厂与解放军理工大学共同研制了基于1 9 6 单片机的智能 型阀门电动执行机构调试系统，该系统以单片机为内核，实现对阀门电动执行机构性能 参数数据的采集处理并实现对加载、卸载的控制。此系统只限于对扬州电力设备修造厂 生产的开关型阀门电动执行机构( 如2 s a 3 0 系列、d z w 系列等) 进行调试，无法对智 能型调节型阀门电动执行机构( 如2 s a 8 5 系列、s d q 系列、2 s a 3 非侵系列及d z w 非 侵系列等) 进行调试，已不能满足生产现场的需要。 2 0 0 6 年8 月份，扬州电力设备修造厂与解放军理工大学合作研究开发了d z c i i i 型 阀门电动执行机构控制箱，适用于c s t 、s c s t 、b c s t 和z 系列调试台，满足多回转 阀门电动执行机构、部分回转阀门电动执行机构和直行程阀门电动执行机构出厂检验和 抽查调试，实现阀门电动执行机构调试系统“综合解决方案 。针对使用人员简化修改 操作过程，确保数据完整和通信可靠；将调试过程由面向型号改为面向调试流程；修改 管理软件，提高调试过程管理自动化水平。面向c s t 、s c s t 、b c s t 和z 系列调试台， 针对阀门电动执行机构出厂检验和抽查检验有关项目，实现数据采集、处理、显示、打 印、通信、报表生成等功能。调试系统采用总线式结构，主机放在控制室，控制箱放在 调试现场与调试台的加载部分和力矩传感器接口。 随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测量技术领域 的应用以及测试仪器的不断进步，亟待研制可对各种型号阀门电动执行机构进行高精度 测试的通用的阀门电动执行机构调试系统。 1 3 课题的目标 随着3 2 位单片机的迅猛发展，特别是a r m 器件具有体积小、性能高、成本低、功 耗小的特点，而复杂的可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r 锄a b l el o g i c a ld e v i c e ，c p l d ) 作为可编程专用集成电路( a s i c ) 器件，在数字逻辑系统中发挥日益重要的作用。将a r m 及c p l d 技术应用于阀门电动执行机构性能检测将大大提高调试精度和系统性能，能更 好地实现对阀门电动执行机构的质量检测。 调试系统应实现阀门电动执行机构出厂编号的生成、调试数据的采集与合格的判 断、产品合格证和条形码的打印。采用c a n 总线可同时对多个调试台进行数据采集处理， 大大提高调试效率，加强了质量管理，满足了扬州电力设备修造厂生产调试的需要。 阀门电动执行机构调试系统可以精确测量阀门电动执行机构的转速、堵转转矩、最 大和最小控制转矩等重要性能参数，并通过c a n 总线实现与上位机的通讯。 1 4 论文的研究工作与组织结构 课题分析了阀门电动执行机构的结构及性能参数调试要求，提出了阀门电动执行机 2 第一章绪论 构调试系统的整体方案，研究了高性能阀门电动执行机构调试系统的关键技术并研制了 基于l p c 2 2 9 2 和x c 9 5 2 1 6 技术的阀门电动执行机构调试设备。调试设备的加载机构由调 试系统自动控制，阀门电动执行机构的转矩和行程分别通过采集拉压力传感器和光电编 码器的信号进行测量。调试系统由若干调试分机( 下位机) 和数据管理中心( 上位机) 构成，调试分机既可单机运行，完成阀门电动执行机构性能参数调试任务，也可联网运 行，将调试数据经c a n 总线送上位机进行集中管理。 论文详细论述了调试系统下位机的硬件设计方法和软件开发流程，设计了基于c p l d 的光电编码器输出脉冲的四倍频电路，给出了模拟信号采集、数字信号处理、脉冲信号 采集程序的相关算法，并对上位机的软件开发与流程进行了介绍，给出了基于c a n 总线 通信部分的硬件设计与软件开发并研究了系统的可靠性。 主要内容包括： 1 研究阀门电动执行机构调试系统的总体方案； 2 完成阀门电动执行机构调试系统下位机的硬件设计和软件开发； 3 完成阀门电动执行机构调试系统上位机的软件开发； 4 阀门电动执行机构调试系统通讯的设计与实现。 3 东南人学工程硕士学位论文 第二章阀门电动执行机构调试系统总体方案 2 1 阀门电动执行机构的基本型式1 一般而言，阀门电动执行机构按输出位移的型式分为多回转型和部分回转型两种。 前者用于闸阀、截止阀和节流阀等，后者用于球阀和蝶阀等。 1 - 多回转型 输出轴工作过程是多圈回转，驱动阀杆螺母使阀杆连同阀瓣上、下运动，完成阀门 启动( 暗杆阀门的阀杆只做旋转) 。这种阀门电动执行机构适用于锲形闸阀、平板闸阀、 截止阀等，其输出轴上下贯通以适合明杆阀门的阀杆从中通过。电驱动的多回转式执行 机构是最常用、最可靠的执行机构类型之一。使用单相或三相电动机驱动蜗轮蜗杆最后 驱动阀杆螺母，阀杆螺母使阀杆产生运动使阀门打开或关闭。多回转式阀门电动执行机 构可以快速驱动大尺寸阀门。为了保护阀门不受损坏，安装在阀门行程终点的限位开关 会切断电机电源，同时当安全力矩被超过时，力矩限位开关也会切断电机电源，位置开 关用于指示阀门的开关状态，安装离合器装置的手轮机构可在电源故障时手动操作阀 门。 2 部分回转型 输出轴在工作过程中部分( 一般为9 0 0 ) 回转，驱动阀杆和阀瓣旋转运动完成阀门 的开启与闭合。该型阀门电动执行机构适用于球阀、蝶阀和旋塞阀等。部分回转型阀门 电动执行机构有组合式和独立式之分，组合式是将减速机构设置在一个主箱体内，其体 积小，结构紧凑，可以安装到小尺寸阀门上，输出转矩也相对小。而独立式阀门电动执 行机构是由多回转型加减速器组成，其输出转矩大，行程精度高，但体积较大。新一代 部分回转式阀门电动执行机构结合了大部分多回转阀门电动执行机构的复杂功能，如使 用非侵入式用户友好的操作界面实现参数设定与诊断功能等。 2 2 阀门电动执行机构的结构组成儿铂 2 2 1 传统阀门电动执行机构的结构组成 阀门电动执行机构一般由阀门专用电机、转矩控制机构、行程控制计数器机构、信 号齿轮组件、手动操作机构、信号元件等组成。 1 阀门专用电机 因阀门电动执行机构复杂的工作环境及应用场合，普通的三相交流电机在抗过载性 能和绝缘性等方面难以满足要求，阀门电动执行机构内部使用的是阀门专用电机。阀门 专用电机是一种高转矩低转动惯量的特殊电机，它采用e 级以上绝缘。阀门专用电机最 大转矩与额定转矩之比达3 0 ，并且转矩特性适合阀门的载荷特性，相对于普通三相电 机，阀门专用电机具有较强的抗过载能力。 2 转矩控制机构 转矩控制机构用作控制阀门电动执行机构的输出转矩值，主要由转矩开关、底座、 4 第二章阀门电动执行机构调试系统总体方案 调节件、凸盘轮、紧固件和轴组成：调节件用于调整转矩值，以“档”为基本单位，转 矩调整值分1 3 档，最大转矩整定在1 3 档上；转矩开关在输出轴的开、关两个旋转方向上 各安装一个，如需要也可配置两个。转矩开关的控制过程为：当输出轴受到一定的阻转 转矩后，蜗杆除旋转外还产生轴向位移，带动曲拐旋转，同时使碰块也产生一角位移， 从而压迫凸轮使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到调节件的设定值时，则支板上抬直 至微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对输出转矩的控制。 3 信号齿轮组件 信号齿轮组件用于驱动信号元件如电位器p o t 、电子位置发送器e s r 和机械式位置指 示器等。它将阀门电动执行机构输出轴圈数经减速至小于3 4 0 0 的范围，使之与位置变送 元件相匹配。 4 手动操作机构 手动操作机构主要由手柄、手轮组成。手动操作时，按指定方向扳动手柄，则电机 脱离啮合状态，手轮与输出轴相连接，此时手柄通过特殊装置固定，当电机启动时，手 轮自动与输出轴脱开，并且电机再次进入啮合状态，进行电动操作。 5 行程控制计数器机构 行程控制计数器机构用于控制阀门电动执行机构输出的直线位移值或角度值。主要 由行程限位开关、中心传动轴、凸轮、计数器轴和中间传动齿轮等组成。行程限位开关 安装于行程控制计数器机构上方，由凸轮操作，阀门的开关位置和信号输出是由行程控 制开关控制的。 6 信号元件 信号元件包括电位器p o t 、电子位置发送器e s r 和机械式位置指示器等。电位器p o t 用于向远端传送阀门的位置信号，其旋转角度与现场阀门开度同步，其阻值的变化可使 开度表指示阀门开启位置的变化。若需准确指示，应选用精密电位器；电子位置发送器 e s r 用于发送阀门的位置信号，其测量范围己设置好，并与中心齿轮的指示范围同步； 机械位置指示器可在现场指示最终控制元件( 如阀门) 的实际位置。它与信号齿轮组件 上的调节轴相连，由两片可单独调节的圆盘构成，在这两圆盘上分别有表示“关 位置 和“开”位置的标志。 2 2 2 智能型阀门电动执行机构的结构组成 以扬州电力修造厂生产的2 s a 8 系列智能型阀门电动执行机构为例，其主要结构如图 2 一l 所示。 图2 12 s a 8 系列阀门电动执行机构主要结构 l 、连接盘 2 、箱体 3 、蜗轮4 、输出轴 5 、手切换部件6 、光电编码器( 转速测量)7 、接线罩盖8 、手轮 9 、离合器1 0 、电气控制组件1 1 、光电编码器( 行程控制) 1 2 、行程部件1 3 、蜗杆1 4 、电机 2 s a 8 系列智能型阀门电动执行机构采用非侵入式结构设计，操作方式为磁感应操 作，通过按钮或红外手持式遥控器进行通讯，先进的变频输出、光电传感器精确地进行 位置测量，技术先进，结构简单，可靠性好。其主要部件有：变频电机、使用光电传感 器输出的蜗轮蜗杆传动部分、自动复位的手电动切换部件、含c p u 主板控制模块和变频 器的电气控制组件、各种形式的输出连接部分。 2 3 阀门电动执行机构的主要性能参数碡1 阀门电动执行机构性能参数是衡量阀门电动执行机构性能的重要指标，一般情况 下，性能参数有堵转转矩、最大控制转矩、最小控制转矩、输出转速、行程、基本误差、 回差和死区等。在对阀门电动执行机构精确调试的情况下还要考虑行程重复偏差、转矩 重复偏差和开关量信号状态等参量的调试。 1 堵转转矩( 1 0 c k e dt o r q u e ) 堵转转矩是电动机转子被堵住时阀门电动执行机构输出的转矩。 2 控制转矩( t r i p p i n gt o r q u e ) 控制转矩为在开、关两个方向转矩控制机构所能控制的转矩范围值，又称切断转矩。 控制转矩有最大控制转矩和最小控制转矩之分。最大控制转矩即为转矩控制机构所能控 制的最大转矩；最小控制转矩即为转矩控制机构所能控制的最小转矩。 3 输出转速( o u t p u ts p e e d ) 6 第二章阀门电动执行机构调试系统总体方榘 设计给定值为阀门电动执行机构输出轴的转动速度。输出转速决定阀门全行程时 间，若无特殊要求应选择标准规格( 通常为2 0 、2 8 、4 0 、5 6 、8 0 、1 6 0 r m i n ) ，在工艺 流程允许的条件下，尽量选择较低转速，因为在输出转矩一定的情况下，转速越高所需 电机功率越大，如式( 2 1 ) 。 m = r ! ，7 以2 ( 2 1 ) 式中：m 为阀门电动执行机构转矩；r 为电机轴转矩；忍1 为电机异步转速；咒2 为 阀门电动执行机构输出转速；7 7 为传动效率，一般在o 2 3 o 3 5 之间。 4 行程( t r a v e l ) 行程是指阀门电动执行机构电机在转动过程中带动阀杆转动所经历的直线位移或 角位移，用于指示阀门的开度。通常用位移传感器采集行程量。 5 基本误差( i n t r i n s i ce r m r ) 在规定的参比条件下，实际的行程特性曲线与规定的行程特性曲线之间的最大差 值，以额定行程的百分数表示。 6 回差( h y s t e r e s i sp l u sd e a db a n d ) 在额定行程范围内，同一输入信号上升和下降的两个相应行程之间的最大差值，以 额定行程的百分数表示。 7 死区( d e a d b a n d ) 输入信号正反方向变化不致引起行程有任何变化的有限区间，以信号值范围的百分 数表示。 2 4 阀门电动执行机构调试系统功能分析 阀门电动执行机构调试系统利用计算机进行自动控制，只要将阀门电动执行机构固 定在调试台上，按一下启动按钮，整个调试系统会自动完成数据的检测、打印、上传等， 避免人为因素的干扰，而且将大大提高工作效率。 阀门电动执行机构调试简单介绍：嘲 1 最大控制转矩m a b m a x 最大控制转矩值应符合阀门电动执行机构配置参数表的要求，允许偏差为m a b m a x 的 5 。调整时先将转矩限制机构上的凸轮盘调节件转至第1 3 格( 此时凸轮盘与微动开关 滚轮之间的距离最大) ，轻轻旋紧紧固件螺栓，使其与转矩轴无相对转动，然后电动操 作阀门电动执行机构顺时针方向旋转，缓慢加载，直至转矩开关动作，阀门电动执行机 构停止转动，读出此时的转矩值即为最大控制转矩m a b m a x ；若转矩值不符合要求，则松 开紧固件螺栓，调整紧固件至合适位置，轻轻拧紧螺栓，重复上述步骤调试最大控制转 矩；若仍不符合要求，则按以上步骤再次调整，直至符合要求为止。 按上述同样步骤对逆时针方向的最大控制转矩m a b m a x 进行调整。两个方向的最大 控制转矩各调试三次，调试值都应符合要求。 7 东南大学t 程硕十学位论文 2 设置转矩值 此项调试仅在用户提出设置转矩要求时才进行。 设置转矩应符合阀门电动执行机构配置参数表上的设置转矩值，允许偏差为最大控 制转矩m a b m a x 的5 。调整时旋转凸轮盘调节件，电动操作阀门电动执行机构顺时针旋 转，直至转矩限制开关动作，读出此时转矩值，若不符合要求，则调整调节件，直至转 矩值符合要求。若转矩值仍不符合要求，则应按1 中的步骤重新调整最大控制转矩值， 直至设置转矩值和最大转矩值均在其允许偏差范围内。 按上述步骤调整阀门电动执行机构逆时针方向的设置转矩值。两个方向的设置转矩 各调试三次，调试值都应符合要求。 3 最小控制转矩m a b i n 最小控制转矩值m a b m i n 应不大于阀门电动执行机构配置参数表控制转矩的最小值 m a b m i n 。调整时旋转凸轮盘的调节件，直至转矩值不大于参数表控制转矩的最小值为止， 并记录下最小转矩值及其所在刻度位置。顺时针与逆时针的最小控制转矩m a b m i n 调试均 按上述步骤进行。两个方向的最小控制转矩各调试三次，调试值都应符合要求。 4 控制转矩重复偏差 ( 1 ) 将阀门电动执行机构安装在试验台上，将转矩控制机构在开、关方向分别调 至最大控制转矩，在开、关方向别空载启动阀门电动执行机构，逐渐加载直至转矩控制 机构动作，调试输出转矩值； ( 2 ) 开、关方向各调试三次，三次调试的平均值为转矩控制机构的整定基准值， 所调得的最大值为最大实测值，并按式( 2 2 ) 计算控制转矩的重复精度： 60 2 ( m s - m z ) m zx1 0 0 ( 2 2 ) 式中： 6 。一输出转矩的重复精度，； m s _ 一最大实测值，n m ； m z 一转矩控制机构整定值，n m ； 阀门电动执行机构的转矩控制部分应灵敏可靠，并能调整输出控制转矩的大小，控 制转矩的重复精度应符合表2 1 的规定。 表2 1 控制转矩重复精度 阀门电动执行机构类型控制转矩重复精度( ) 多回转 士7 部分回转 士1 0 5 行程检查 在最小控制转矩负载情况下电动操作阀门电动执行机构向顺时针或逆时针方向旋 转，直至相应的行程限位开关动作，记下停止位置，以此位置作为该方向的基准位置。 然后电动操作阀门电动执行机构反向运行，直至另一相应的行程限位开关动作，记下停 止位置，以此位置作为该方向的基准位置。按上述步骤重复三次，三次同方向的位置角 度均应在基准位置的5 。范围内。 8 第二章阀门电动执行机构调试系统总体方案 6 行程控制输出轴角度的重复偏差试验 ( 1 ) 将阀门电动执行机构安装在调试台上，把行程控制机构的开、关调至两个动 作位置( 相当于阀门“全开 和“全关 位置) ； ( 2 ) 启动阀门电动执行机构，加载至最小控制转矩，由行程控制机构使阀门电动 执行机构分别停止在“全开”和“全关 位置，以此位置作为基准； ( 3 ) 启动阀门电动执行机构，载荷不变，全开、全关分别运行三次，每次停止位 置与基准位置偏差均应符合表2 2 的规定。 表2 2 位置重复偏差 阀门电动执行机构类型位置重复偏差 多回转 士5 0 部分回转 士1 0 7 基本误差试验 试验测量点为全行程的0 、2 5 、5 0 、7 5 和1 0 0 五个点。 将输入信号缓慢增大或减少，并在开、关行程方向记录输入信号值和输出的行程值， 按式( 2 3 ) 计算基本误差： 6 ：兰唑1 0 0 三 式中： 6 一基本误差，； 三t 一输出行程的实测值，( 。) ( 部分回转) ，姗( 直行程) ，r ( 多回转) ： 三。一输出行程的约定真值，( 。) ( 部分回转) ，咖( 直行程) ，r ( 多回转) ； 卜一输出额定行程，( 。) ( 部分回转) ，哪( 直行程) ，r ( 多回转) ； 基本误差试验只用于调节型阀门电动执行机构，基本误差应不大于1 。 8 阀门电动执行机构的回差 阀门电动执行机构的回差由7 中所测得的各测量点的开、关行程方向基本误差之间 最大代数差的绝对值来确定。阀门电动执行机构的回差应不大于1 o 。 9 死区试验 比例式阀门电动执行机构的死区应在额定行程2 5 ，5 0 ，7 5 三点上按下列步骤调 试： ( 1 ) 慢改变( 增大或减小) 输入信号， 录此时输入信号值i 。； ( 2 ) 相反方向上缓慢改变输入信号， 录此时输入信号值i ：； ( 3 ) 按式( 2 4 ) 计算死区： 式中： 么死区，； 直至输出轴有一个可觉察的行程变化，并记 直至输出轴有一个可觉察的行程变化，并记 么= ii 。一i ：| i x l 0 0 9 ( 2 4 ) 东雨大学t 程坝士学位论又 i 。、i 。实测输出位置信号，m a ； i 一输出位置信号范围，m a ； 比例式阀门电动执行机构的死区应不大于输入指令信号量程的1 。 1 0 阻尼特性试验 对比例式阀门电动执行机构分别输入量程的2 5 ，5 0 ，7 5 的阶跃信号，观察输出 轴在开、关两个行程方向上摆动的半周期次数。比例式阀门电动执行机构的阻尼特性应 不大于3 次半周期。 2 5 阀门电动执行机构调试系统的构成 2 5 1 调试系统的设计目标 1 实现各种型号阀门电动执行机构的性能调试； 2 实现调试数据采集、处理、上传及在线监测； 3 实现产品合格证打印； 4 实现产品铭牌号、出厂编号等参数打印； 5 提高调试系统自动化水平。 2 5 2 调试系统的架构 调试系统采用总线式结构，如图2 2 所示。上位机作为服务器放在控制中心室，由 一台工控机组成，其功能为数据存储、查询、产品合格证打印、在线监测。调试台( 下 位机) 放在调试现场，由加载机构和控制箱构成，其功能为完成现场产品调试、打印调 试记录表并上传调试数据。 图2 2 调试系统结构图 2 5 3 控制箱的结构 控制箱的原理框图如图2 3 所示，设计方案如下1 ： 1 处理器选用a r m 3 2 位微处理器； 2 选用图形点阵液晶显示模块实现显示功能； 3 选用键盘实现数字输入； 4 选用按钮作为开关量输入； 5 选用字符型点阵微型打印机实现调试记录打印； 1 0 位机 第二章阀门电动执行机构调试系统总体方案 6 选用2 4 位的高精度模数转换器实现模拟信号的采集； 7 选用2 0 0 0 p r 的光电编码器进行转速测量； 8 选用1 6 位的高精度数模转换器实现模拟信号的输出； 9 选用4 8 0 0 门的x c 9 5 2 1 6 实现i o 口的扩展和部分逻辑电路； 1 0 选用具有2 5 6 k 内存的e e p r o m 作数据存储器。 光电编码器 l ft ，1 n 拉压传感器i 卜c a n 总线 上位机l 处理器 力矩开关 打印机 加载机构 行程开关i 卸载机构 卸载限位开关 + + 一i 阚l 1 出矗铀佴士n 桷 剧也到 7 l 删ij 屯训叭1j 1 7 h 1 叫 图2 3 控制箱原理框图 东南火学工程硕士学位论文 第三章阀门电动执行机构调试系统下位机设计与实现m 3 1 调试系统下位机的硬件设计 3 1 1 调试系统的结构组成 阀门电动执行机构调试系统主要分为上位机和下位机两个部分，上位机放在控制 室，由一台工控机构成，实现下位机数据接收、数据查询、数据存储、返回确认信号及 打印产品合格证等功能，下位机放在调试现场，实现阀门电动执行机构调试、上传调试 数据、打印和显示调试结果等功能。系统选用c a n 总线实现与上位机远程实时通讯。阀 门电动执行机构调试系统总体结构如图3 1 所示。调试系统下位机整体外观图如图3 2 所示。 图3 1 阀门电动执行机构调试系统总体结构 图3 - 2调试系统下位机整体外观图 1 2 笙三童堕塑皇垫垫堑塑! 塑塑望至竺! 垡塾堡生皇茎翌 3 1 2 控制箱 控制箱结构框图如图3 3 所示，外观如图3 4 所示。系统选用l p c 2 2 9 2 作为c p u ， x c 9 5 2 1 6 作为i 0 外扩器件实现快速c p u 与慢速的外围器件( 例如：打印机、液晶屏等) 的时序匹配、i o 口的扩展和部分逻辑功能的实现，为完成行程、转矩、基本误差等参 量的调试及数据输出，控制箱的硬件设计必须考虑行程调试电路、模拟信号采集电路、 模拟信号输出电路、开关量输入输出接口、键盘接口、打印机接口、液晶显示接口和c a n 总线通讯接口等设计。嘲阻1 脉冲采样电路 x c 9 5 2 1 6 液晶屏 打印机 指示灯 接触器 a d 采样电路卜_ 1l p c 2 2 9 2 卜_ 叫模拟电路输出 图3 - 3 控制箱结构框图 图3 4 控制箱外观图 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器，并带 有2 5 6 k 字节嵌入的高速f 1 a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位 代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式 将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。由于l p c 2 2 9 2 较小的1 4 4 脚封装、极低 的功耗、