（机械制造及其自动化专业论文）调节阀智能阀门定位器控制系统的研制.pdf

l 四j i i 大学硕十学位论文 调节阀智能阀门定位器控制系统的研制 机械制造及其自动化专业 研究生 廖正军指导教师 薛心喜 生产过程的自动控制简称过程控制 它在工业生产中占有极其重要的地 位 过程控制的质量很大程度上决定于过程控制仪表 它包括变送器 调节 器 执行器以及各种辅助控制装置 本文讨论的一种辅助控制仪表 阀门 定位器 是各国竞相研究的对象 它在一定程度上决定了过程控制的调节品 质 且随着过程控制水平的发展 定位器也必须不断发展以满足现代生产对 过程控制的要求 目前定位器的研究热点主要在于智能阀门定位器 国外一 些大公司 如西门子 费希尔一罗斯蒙特等 已相继有产品推出 国内这方面 起步较晚 国内目前普遍使用的电气阀门定位器采用的是机械式力平衡原理 存在一些不足且不能满足过程控制发展的需要 而由国外进口的智能型定位 器价格昂贵 因此研究设计智能型电气阀门定位器是十分必要的 智能阀门定位器集合了机械 电子 通讯以及控制理论知识和相关软件 知识 是一个跨学科的智能产品 本课题研制的主要对象是智能阀门定位器 的控制系统 它通过采集从调节器来的设定阀门开度信号和反馈回来的实际 阀门开度信号 在经过偏差与偏差变化率的计算后 通过模糊运算与决策输 出相应的控制信号去控制压电阀的开启时间 从而控制进入调节阀气室的进 气量 以此推动阀芯动作并准确定位 这样 相对传统阀门定位器 该智能 阀门定位器不仅体现出精度提高 能耗降低 功能增多等优点 而且它能集 合一定人类的经验知识 具有一定的思维能力 符合过程控制的发展需要 本课题主要完成以下内容 1 深入了解传统阀门定位器的结构 工作原理 分析传统定位器的主要 不足 跟踪国外智能阀门定位器的发展情况 t 摘要 2 对智能阀门定位器的控制系统迸行总体设计 对系统中的各个芯片进 雩亍选楗 3 在系统的控审 策略方谣 将模糊控制技术应用至 系统中 使系统不仅 不嚣要建立被控对象宠整精确均数学模型 蕊且能够使系统根据人们的经验 知汉作出相应的决策 同时使得本系统具有良好的 鲁棒憔 帮自诊断性 4 对从调节器送来的4 2 0 m a 魄流信号进行拊转换 圆对对转换后的 信号进行a j l 3 转换 对经电位器反馈皤来的滴位信号进行m d 转换 在单片 枧中对以上两路信号进行橱艘变换以及b c d 码的转换 以使于在显涿板上进 行十进帝 数的显示 5 对系绫豹最阻通道进行设计与制作 使单片机输出的微弱的控制信号 篦够逶过固态继电器控箭压电阀静开雇 戳最终控涮进入调节阕气室静避气 量 6 对系统的键懿 显示电路避行设计和肇 作 7 对系统进行数据韵断电保护功能设计 使重翳参数在断电时自 得以保 存 褥辩在来电对 重要参数能得以彦动恢复 对系统进行看霜猕琦麓缒设 计 8 对单片祝输出瓣霹 乙电平信号遴行r s 2 3 2 标难韵转换 馒单片税控 制系缆能与上位机进行串口通讯 对单片机控制系统传送的数据进行a s c l i 弼转换 戳便于上位撬静接收与识别 9 对复位电路 报警镣电路谶行设计 制作 1 0 对整个控瘁8 系统进行程痔编写 以实臻控制系统的各童功能豁实现 控制系统的控制策略 单片机控制系统的程序采用汇编语甯编写 软件中的 鼗摆采露定点数形式 主经枫静串口逶藩程 事菠翅v c 6 0 送行开发 并通 过a c t i v e x 控件 m s c o m m 通信控件来实现数捅传输 透过实验话疆 该方寨是霹霉亍的 与鬻攥定霞器疆辇 该定搜器具有控 制精度高 能耗低 调整方便 适用范围广 能任意选择调节阀的流量特性 等待患 圈对该定位器其肖一定愚维能力 以及穗位显示翻故薄象警 与p c 机进行串口通信等功能 关键询 调节阀智能阀门定位器单片机模糊控制 l i 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo f t h ei n t e l l e e t i v e v a l v ep o s i t i o n e ro nr e g u l a t i n gv a l v e m a j o r m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g a n da u t o m a t i z a t i o n p o s t g r a d u a t e l i a oz h e n g i u n s u p e r v s o t x u ex i n x i t h ea b b r e v i a t i o no ft h ea u t o m a t i cc o n 赶 o lo fm a n u f a c t u r ep r o c e s si sp r o c e s s c o n t r o l i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h ei n d u s t r y i nt h eg r e a td e g r e e t h eq u a l i t yo f p r o c e s sc o n t r o li s d e c i d e db yt h ei n s t r u m e n t a t i o n so fp r o c e s sc o r r t r o lt h a ti n c l u d e t r a n s m i t t e r s c o n t r o l l e r s a c t u a t o ra n dv a r i o u sa s s i s t a n tc o n t r o ld e v i c e s 硒et e x t d i s c u s s e st h ev a l v ep o s i t i o n e r ak i n do fa s s i s t a n tc o n t r e ld e v i c e i ti sc o n t e s t e dt o r e s e a r c hi ne v e r yc o u r x y 弱豫p o s i t i o n e rd e c i d e st h eq u a l i t yo fp r o c e s sc o n t r o li n s o l t i ed e g r e e m a dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h es t a n d a r do f p r o c e s sc o n t r o l i tm u s tb e d e v e l o p e dt om e e tt h er e q i r e m e n to fm o d e m m a n u f a c t u r et ot h ep r o c e s sc o n t r 0 1 n o wt h er e s e a r c h sh o t s p o to f p o s k i o n e rf o c u s e so nt h ei n t e t l e c t i v ev a l v ep o s i t i o n e r s o m ef o r e i g nc o m p a n i e s s u c ha ss i e m e n s f i s h e r r o s e m o n te t c h a v eo r d e r l y d e v e l o p e dt h ei n t e t t e c t i v ev a l v ep o s i t i o n e r b u ti no u rc o u n t r yt h er e s e a r c hi nt h i s f i e l di sb e g u nl a t e n o wt h ee l e c t r o p n e u m a t i cv a l v ep o s i t i o n e r su s e dg e n e r a l l yi no u r c o u n t r ya d o p t st h ef o r c e b a l a n c e d t y p e w h i c hh a ds o m ed i s a d v a n t a g e sa n d 渤 t m e e tt h ed e m a n do ft h e p r o c e s sc o n t r h o w e v e r t h e i m p o r t i n t e l l e c t i v ev a l v e p o s i f i o n e r sa r ev e r ye x p e n s i v e s o t h er e s e a r c ho ft h ei n t e l l e c t i v ev a l v ep o s i t i o n e ri s v e r yn e c e s s a r y m e c h a n i s m e l e c t r o n i c s c o m m u n i c a t i o n t h ek n o w l e d g eo f t h ec o n t r o lt h e o d a n dt h ek n o w l e d g eo fr e l a t i v es o f t w a r ea r ea p p l i e di ni n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r s o i ti sa i n t e l l i g e n tp r o d u c to f m u t t s u b j e c t 孙em a i no b j e c t r e s e a r c h e db yt h i st h e s i si s c o n t r o l s y s t e m o fs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r i t s e n do u t s i g n a l 辆c o n t r o l i 英文摘要 p i e z o e l e c t r i c i t yv a l v ea f t e rc o l l e c t i n gt h ed e s i g n e ds i g n a lo f t h ev a l v ep o s i t i o nf r o m t h ea d j u s t o ra n dt h er e a l s i g n a lo ft h ev a l v ep o s i t i o nf r o mf e e d b a c k a n df u z z i l y d e a l i n gw i t ht h i st w os i g n a l s s ot h a ti t c a nc o n t r o lt h eq u a n t i t yo fg a sw h i c hi s i n j e c t e di n t ot h eg a sc h a m b e r i nt h ec o n t r o lv a l v e w h i c hm a k et h ev a l v es t e mw o r k a n dm a k ei ta t t a i na c c u r a t ep o s i t i o n c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lv a l v e p o s i t i o n e r t h e i n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e rh a s t h ea d v a n t a g e so f e x c e l l e n tc o n t r o l l i n ga c c u r a c y l o w e n e r g yc o n s u p t i o na n dm o r ef u n c t i o n s a n di t m e e tt h ed e m a n do f p r o c e s sc o n t r o l w i t hi t sf u n c t i o n o f t h i n k i n ga n dp o s s e s s i n gs o m ee x p e r i e n c e a n d k n o w l e d g e o f m a n t h i sr e s e a r c hh a s m a i n l ya c c o m p l i s h e dt h ec o n t e n t a sf o l l o w i n g s 1 l e a r nd e e p l ya b o u tt h ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a l v a l v ep o s i t i o n e r a n a l y s et h em a i n d i s a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a lv a l v ep o s i t i o n e ra n d l e a r na b o u tt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no f t h e f o r e i g ni n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r 2 d e s i g nw h o l l y t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h e i n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e r c h o o s e t h er i g h tc h i pw h i c hi si nt h ec o n t r o ls y s t e m 3 a s f o rc o n t r o l l i n gs t r a t e g yo ft h e s y s t e m t h ef u z z y c o n t r o li sa p p l i e di nt h e t h i ss y s t e m s oi ti sn o tn e c e s s a r yt ob eb u i l tt h ew h o l ea n da c c u r a t em a t h e m a t i c m o d e lf o rt h es y s t e m a n dt h es y s t e mc a l lm a k ead e c i s i o na c c o r d i n gt op e o p l e s e x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g e a t t h es a m e t i m e t h es y s t e mp o s s e s s e sg o o dr o b u s t n e s s a n d s e l b d i a g n o s ef u n c t i o n 4 m a k e i vt r a n s f o r mf o rt h ec u r r e n t s i g n a lo f 4 2 0 m a c o m i n g f r o m a d j u s t o r t h e nm a k ea dt r a n s f o r mf o rt h es i g n a lr e c e i v e d j u s t n o w m a k ea dt r a n s f o r mf o r t h es i g n a ld e l e g a t i n gv a l v e p o s i t i o n w h i c hi sf e e db a c k e df r o m t h e p o t e n t i o m e t e r 5 d e s i g n a n dm a n u f a c t u r et h eb a c k p a s s a g eo f t h es y s t e m w h i c h m a k e s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs e n do u tf a i n tc o n t r o l l i n gs i g n a l t oc o n t r o lt h eo n o f fo f p i e z o e l e c t r i c i t y v a l v et h r o u g hs o l i ds t a t er e l a y a sar e s u l t i tc a nc o n t r o lt h e q u a n t i t yo f g a sw h i c h i si n j e c t e di n t ot h eg a sc h a m b e ri nt h ec o n t r o lv a l v e 疆 d e s i g n a n dm a n u f a c t u r et h ek e ya n d s h o w i n g c i r c u i to f t h e s y s t e m 7 d e s i g nt h ef u n c t i o no fp r o t e c t i n gd a t aw h e n n op o w e r w h i c hc a np r o t e c t t h ei m p o r t a n td a t aw h e n p o w e ri so f f a n ds e n dt h ep r o t e c t e dd a t ai n t ot h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r w h e nt h ep o w e ri so n t v 四j i 大学硕士学位论文 8 m a k e at r a n s f o r mf r o m 订l s i g n a l s e n to u tf r o m s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rt or s 2 3 2 w h i c hc a l l m a k et h ec o n t r o ls y s t e mo fs i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rc o m m u n i c a t i n g w i t hp c 9 d e s i g n a n dm a n u f a c t u r et h er e p l a c i n ga n dw a r n i n gc i r c u i t 1 0 c o m p i l e t h ep r o g r a mf o rt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m w h i c hr e a l i z ea l lk i n d s o ff u n c t i o n sa n dt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h es o f t w a r eo ft h e c o n t r o ls y s t e mo fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri sw r i t t e nw i t ha s s e m b l yl a n g u a g e t h ef o r mo ft h ed a t ai nt h es o f t w a r ei st h ef o r mo ft h ef i x e dp o i n td a t a t h ep r o g r a m o fs e r i e sc o m m u n i c a t i o no fp ci sd e v e l o p e dw i 饿v c 6 0 a n dt h ed a t ai s t r a n s f e r r e dt h r o u g ha c t i v e xc o n t r o l 一 m s c o m mc o m m u n i c a t i o nc o n t r 0 1 t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t t h i ss y s t e m i s p r o v e nf e a s i b l e c o m p a r i n g w i t h n o r m a lv a l v ep o s i t i o n e r t h ei n t e l l i g e n tv a l v ep o s i t i o n e rh a ss o m ea d v a n t a g e sa s f o l l o w i n g e x c e l l e n tc o n t r o l l i n ga c c u r a c y l o we n e r g yc o n s u p t i o n c o n v e n i e n t a d j u s t m e n t w i d ea p p l i c a t i o n a b i l i t y t h a ti tc a nc h o o s e a n y f l o wc h a r a c t e r f u r t h e r m o r e i tp o s s e s s e s t h ef u n c t i o no fs h o w i n gt h e p o s i t i o n o fv a l v es t e m a l a r m i n g s e r i e sc o m m u n i c a t i n g w i t hp ca n d t h i n k i n g k e yw o r d s c o n t r o lv a l v e i n t e l l e c t i v ev a l v ep o s i t i o n e r s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r f u z z y c o n a o l v 四j i i 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 过程控制 自2 0 世纪3 0 年代以来 自动化技术获得了惊人的成就 已在工业生产和 国民经济各行各业起着关键的作用 自动化水平已成为衡量各行各业现代化水 平的一个重要标志 过程控制通常是指石油 化工 电力 冶金 轻工 建材 核能等工业生 产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制 它是自动化技术的重 要组成部分 在现代工业生产过程中 过程控制技术正在为实现各种最优的 技术经济指标 提高经济效益和劳动生产率 改善劳动条件 保护生态环境等 方面起着越来越大的作用 过程控制的任务就是在了解 掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性 的基础上 根据控制目标的要求 应用一定的理论对控制系统进行分析和综合 最后采用适宜的技术手段加以实现 l l 1 2 过程控制的基本组成 要对生产过程进行自动控制 至少要有被控过程 检测元件和变送器 控 制器以及执行器四个部分1 5 j 如图l 一1 所示 1 被控过程被控过程指的是自动控制系统中需要实现控制的设备 机器 或生产过程 被控过程可以很复杂 也可以很简单 如化工生产中的各类塔器 反应器 泵 压缩机以及容器 甚至一段输送流体的管道或是整个生产过程等 都可以是被控过程 被控过程内要求保持设定数值 接近恒定值或按预定规律 圈卜1过程控制系统方框图 第一章绪论 变化 的物理量 称为被控变量 如图1 1 中的y 非控制装置操纵而又作用 于过程并引起被控变量变化的因素被称为扰动 即干扰 如图l 一1 中的d 在被控过程中应抑制扰动影响 2 检测元件和变送器检测元件的作用是感受工艺变量的变化 并把它 转换成电信号或气压信号 变送器的作用是将检测元件的检测信号转换成统 标准的气压信号 2 0 1 0 0 k p a 或直流电流信号 0 1 0 m a 或4 2 0 m a 送 往其他控制装置 检测变送装置输出的信号被称为被测量 即y 3 控制器 调节器 控制器是控制系统的核心 在调节系统中起分析 运算 判断决策的作用 生产过程中用的最多的是调节器 它把变送器送来的 测量值y 与设定值r 进行比较得出偏差 根据偏差大小及变化趋势 按预先设 计好的控制规律进行运算后 输出相应的控制信号给执行器 所谓设定值是指 被控变量的预定值 而偏差e 就是设定值r 与被控对象y 的实际值之差 由于 被控变量是测量得到的 因此通常把设定值与测量值之差作为偏差 即e r y 4 执行器执行器接受控制器送来的信号 相应地去改变操纵变量 克服 扰动的影响 最终实现控制要求 所谓操纵变量是指受控制装置操纵 用以使 被控变量保持设定值的物理量 执行器与调节系统中的其它部分不同 它直接 与生产过程相接触 换句话说 执行器要工作在高温 高压 腐蚀 振动等恶 劣的现场环境中 同时要有足够的功率以影响生产过程 对应于不同的调节参 数 执行器可以是风门 步进电机 变频调速器和调节阀等 所谓调节阀 就 是改变流体流量的执行器 由于绝大部分调节系统的调节参数都选为某种介质 的流量 所以调节阀是最常见的一种执行器 1 3 过程控制的发展概况 过程控制的发展 大致经历了以下几个阶段 一 仪表化与局部自动化 5 0 6 0 年代 阶段 5 0 年代前后 过程控制开始得到发展 一些工厂企业实现了仪表化和局部 自动化 这 阶段的主要特点 采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分 单元组合式仪表 而且多数是气动仪表 过程控制系统的结构绝大多数是单输 入 单输出系统 被控参数主要是温度 压力 流量和液位四种工艺参数 控 制的目的主要是保持这些工艺参数的稳定 确保生产安全 过程控制系统分析 四川大学硕士学位论文 综合的理论基础是以频率法和根轨法为主体的经典控制理论 二 综合自动化 6 0 7 0 年代中期 阶段 在6 0 年代 随着工业生产的不断发展 对过程控制提出了新的要求 电子 技术的迅速发展 也为自动化技术工具的不断完善提供了条件 过程控制开始 进入第二阶段 在这一阶段中 工业生产过程出现了一个车间乃至一个工厂的 综合自动化 其主要特点是 大量采用单元组合仪表 包括气动和电动 和组 装式仪表 与此同时 计算机开始应用于过程控制领域 实现了直接数字控制 d d c 和设定值控制 s p c 在过程控制系统的结构方案方面 相继出现了 各种复杂的控制系统 如串级控制 前馈 反馈复合控制 s m i t h 预估控制以及 比值 均匀 选择性控制等 一方面提高了控制质量 另一方面也满足了一些 特殊的控制要求 过程控制系统的分析与综合的理论基础 由经典控制理论发 展到现代控制理论 控制系统由单变量系统转向多变量系统 以解决生产过程 中遇到的更为复杂的问题 三 全盘自动化 7 0 年代中期至今 阶段 7 0 年代中期以来 随着现代工业生产的迅猛发展 微型计算机的开发与应 用使过程控制的发展达到了一个新的水平 实现了全车间 全厂 甚至全企业 无人或很少人参与操作管理 过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合 的方式 即全盘自动化的方式 过程控制发展到现代过程控制的新阶段 这是 过程控制发展的第三阶段 在这一阶段集散控制系统 d c s 问世 d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 集散控制系统是在传统控制系统中引入计算机 技术 利用软件组成各个功能块替代过去传统的电动单元组合 d d z 仪表 使 运算控制策略更容易实现 解决了控制系统所无法实现的控制策略 使用d c s 集教控制系统后 非常方便 灵活 这给控制领域带来了质的飞跃 但是随着时问的推移 计算机 通信 网络等技术的迅猛发展 d c s 各厂 家为了各自的垄断利益使d c s 的发展相对滞后 目前d c s 越来越显现出它自 身的弱点 费用昂贵 d c s 各厂家通讯标准不统一 互不兼容 封闭式的控制 模式阻碍了信息共享 现场总线控制系统 f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 的出现使这一 问题得到了解决 现场总线控制系统 f c s 是当今自动化领域技术发展的热点 之一 被誉为自动化领域的计算机局域网 它的出现标志着工业控制领域又一 个新时代的开始 并将对该领域的发展产生重要影响1 9 1 如果说d c s 替代过去 第一紫缝论 传统便褒是一次瞻前纯领域煎数字革命 那幺f c s 替代d c s 将楚一次蠢动他 镊域瓣傣慧薷衾 璁绥慧线攘零憝游眷建徽巯灌器鏊入襞统酾测餐靛篱8 谈表或 f o 模嫒 健它彳f j 崮都其有数字诗算帮数字避嚣耱力 采簿通谖窀鹱f 常用麓 举羼蔽鞭绞绞 据宅谯连接焱 熬 馕窕翻之阍 宅 j 与诗髀枫之阐髓够熨现 羧据傣羧与镶意交搽 簌露澎成冬萃幸逮艇实黼嚣要瀚鼠凄控蒋 系统 换聪言之 絮毙攀个分数懿溪羹控京l 浚餐燹簸弼缀警点 戳蠛璐总线为髓豢熬它翻连按残 霹班禳嚣淘遗髂怠 共隧宠残蠹浆任务游薅籍系统鸯臻麓黎统 f c s 鲍糖黼 鲶进程控制议袭撬爨了爨磷的鬣浓 帮过穗控制使裁必须糕 藉智鼹稼方两发震考麓满足蹬s 瓣簧惑 1 4 道程控露g 仪表 蜜蠛生产鹣自动能 实醺芏渡垒产懿篷羧攘镂 羧鐾零熬要求之 魏憝螫 掩藏受茨镶鹃龉筇漶蒂篆绥 最原始戆谣苓爱壤是悫a 熬鞭隆 大藤 葶与生 产对象 起拣威繇璃酶入工诵节系统 类议瀚耩仅袋来完成入的自醚礴 大腻霸 手懿功戆 藏霹祷威鑫魂调节系统 完成这些凄蘸鳃铰袭裁糠鸯避程控瓣饺袭 l 进程羧铡嵌衰主袋整掺褒送器 灞繁嚣翻辍纷器 在蠡蕊调节黎统中羧旦 遽三释生簧淤遘程控裁莰袭豁 还鸯黎多耪骧赣整剿蔽衰黟装萋 宅霞整浆蹙 特定燃会下最熬要酌蕊至怒不胃缺少熟 铡如阙 j 定髓器 嚣蕊嚣遘罐蓉制使表广泛蠢惩予避壤鹣滚爨 蓬宓 藕馥 溢魔等互艺参 数的梭测葺f l 撼制 避姻卡年张我豳的道程控制仪袭不龋更新按代 3 0 墩纪5 0 肇我寒麓 主簧慕建耩壤装稻气凌敌袭 国零稷产泛莱霆l 囊毫翡攀露缀合搜 袋 7 0 攀代中期 i l 裂电动攀元缀奄仪表成砖避稷梭测窝控剡的妻溅产品 戮 了s o 攀稳秘 嚣箍袋矮嚣l 型窀港荦元戆台健袭 慧熬憨势整窀魂魄子蔽瀣逐步 毅裁气韵纹褒 鑫祭残奄鼹擒残静瞧穑氆裂坟浚祷邂多取代悫努列露终囊l 成豹 l 琵羹搜袭 嘏年来 鑫凑 芑仪表及靛黉翔蛰耱戆德 数字偬 模块稼 麓精度健和枣 蓬魏黪穷囊凌鼹 冀串磐毅证是蘧羹螫稳嵇点 萼鬻骥歉焱醛邀 餐懿搜襄爨 纛铡慧糖嶷礴 彝动搜疆 嶷动掺磁镶麓和辩诊鞭的辘交 免诲灵灞遗敬变臻 瑟 突溪褰缎接爱 鏊爨终姆骜怒辫蕊经袭 毒 四川大学硕士学位论文 1 5 阀门定位器 1 5 阀门定位器的作用 首先 阀门定位器是用来控制调节阀的阀位的 此外 它能够增大调节阀的 输窭功率 减少诵节售号静傣递滞蜃 加莰阗抒懿移动速度 克骚阕好鳇摩擦 力并消除不平衡力的影响 从而保证调节阀的正确定位 归纳起来 它有以下 作蠲 1 用于高压介质和高 低温处 当调节阅用于高压介质时 为了防止流体从阀秆填料赴泄漏 经常把填料派 盖羼匏 较紧 困姥 对竭抒产生 曼大的静摩擦力 搜阀柽蠢程产生误差 酝 用定位器之后 能够克服这些摩擦力的作用 也能克服流体不平衡力的作用 明显遣改善了基本特毪 当温度过高或过低时 由于阀杆与填料之间的摩擦力增大使调节信母与阀门 的行程之间产生较大豹误差 配用定位器之稻 同样可以克服摩擦力的影响 2 用予高压麓 当调节阀两端的压差 p 大于1 m p a 时 介质对阀芯产生较大的不平衡力 鲢力将破臻原来酶王 乍经鐾 键控裁系统产生技蘑圣筝用 戈其是簿单蹙调节躅 其不平衡力大于双座阀 使用定位器 可以提高输出压力 增大执行机构的输 密力 克服不平衡力豹律用 3 增加执行机构的动作速度 当调节器与调节阀相距较远时 气动信号管比较长 为了克服信号的传递滞 后 可使愿电一气定位器 诖调节嚣输出懿毫流信号直接转换成气压信号去操 作调节阀 在调节器与调节阀的距离越过6 0 m 时 效果比采用继动器要好的多 肆 实蕊调节阀瘦向动作 当一台气关式调节阀需要改成气开式调节阀时 必须把阀芯反装 或采用反 作用式执行机构 在现场这样改装比较麻颓 劳动强度大 而且用户必须育一 定敬冬晶才能进行 如暴利用阀门定位器 把气关改成气开 或者作攘反盼改 变就比较容易 5 改蒜谖节滔熬瀛爨将瞧 调节阀的流量特性可以通过改变反馈凸轮的几何形状来改变 因为反馈凸轮 的凡何形毛瓮不一样 能改变调节溷辩定位器的反馈量 使定位器的输出特往交 第一章鳍论 化 从而改变调节阀的输出信号与调节阀位移之间的关系 即修正了流量特性 6 用于分程控毒l 所谓分程控制 即用一台凋节器控制多个调节阀 每个调节阀只在一定的 控铡癌芍范霭内王佟 1 5 2 传绞溺门定位鼹与智熊姻门定健器的 较 虽然阀门定位器的出现使调节阀的调节品质得到了明显的改善 但是它仍 然存在麓强下几个阅题 1 因采用机械力平衡式原理工作 定位嚣中有很多相互作用的小零件 可动 牛较多 容易受湿度波动的影响 误差较大 2 耐环境性差 采用机械力平衡式原理的定位器翁受到外界振动的影响 舛界振动传到力平衡机构 有时会使定位器难以工作 3 装好的调节阀由于尺寸 衬塾摩擦等楚多变的 若将各种调节阀也俸 相应改变 达到最佳控制状态 难以实现 4 喷嘴本身就是 个潜在的故障源 易被空气中的灰尘或污染颗粒堵住 使定位器不能正常工作 5 能耗大 常舰定位器由喷嘴涟续供给压缩空气 在执行器处于稳定状 态也要供给压缩空气 当工厂使用的执行器较多时 能耗较大 也即所费成本 较大 每台定靛嚣大约每分镩摊放o 3 5 立方英尺的空气 这种空气莉 被平筠每 年大约花费2 0 0 美元 1 9 1 6 常舰定位器筝动谪整时不用专用设备 如减压阀 不中断控稍回路 是不可能的 7 常兢定位器零点和行程静谲箍分剐舔手动调整 需反复进行 穰费融 间 智能阀门定位器不仅麓禳婷缝消酴或减小蔽上闯蹶 丽纛智髓阀门定位器 与普通阀门定位器在性能 使用情况 性能价格比等方面进彳亍比较 肖以下一 些特点 螽表1 1 所捌 阳 此外 智能阀门定位器可以将全部气源压力送到调节阀的执行机构的膜室 傻气源送力褥到充分嗣用 嚣懿提裹了撬嚣辊橡输出力 减少酱逶溺f l 定经器 气动信号的传递滞后 加快动作速度 进一步改善了调节阀的静态特性和动态 6 四川大学硕士学位论文 表t 1 普通瀚门定佼鼯与智雅溺n 鬻缝嚣的诧较 类型配熙蛰通定位嚣的调节阀配餍勰能定位嚣的调节阃 l罄本误差小于全行程的4 2 小于全行稷的 0 s l鲤差 2 0 5 死区 08 0 1 蕊门瓣稳定犍稳定投冀稳定 通过梭骏仪在理场 机框或 谰捩溪臻手磺谴校 与dcs 通讯调梭 售号溪4 2 0 m a 戴气动箍号4 2 0 m a 或数字镑号 耗气量大极小 链裁 徐格鞲 鬣离 遵讯笼稳 安装 调试不方便方便 特性 通过幼能键 智能阀门定位器熊方便的进彳亍流量特性设置 同时它具糟 显示翻攘警璃裁 1 8 课题的来源和主臻任务 琏年 嚣蠹字 市场上筠已搂瘫饕缝变送器 餐靛诱节器 慕巍嚣节瓣泰秘 的消息大多与调节阀本身无关 而与定位器的先进性有关 目前 国外一些农 王登翔动纯领蠛有罄多年经验翻雄霉技术爨势羲大公司 舞话门子 赞幕承一 罗斯蒙特等 相继研制成功了锷能型魏线制 或配农h a r t 总线 f f 总线等现 汤总线接盈的智靛阀门定位器 而国肉在这方面起疹较晚 目前阐肉粥普遍後 躅款楚铰落瑟的z p d 0 1 a 墅饔i t e p 型嘏气阕门定谴器 都是采躅枫槭式力乎攥 原理 即喷嘴一挡板技术 擞然重庆华拣桩棱王程毒辫公蘑露于1 9 9 8 年掩整了新 代产嚣 爱翡 能超辍型调节阀 2 j 它主骚解决了调节阀使用中存在的如调节阀劝能不齐全 可靠滟差 幕重等勰瑟 舆有臻钷齐全 敖秣金功麓 重嚣轻 院单 双座满 套篱蜘等老产品轻7 0 一8 0 比8 0 年代的糖小型阀避轻4 0 一5 0 故称越轻型 高可靠性等特点 但安装常规赢位器俩存在上述问题 无法满飚现代生产对澈 0 第一章绪论 程控制的要求 而由国外进口的智能型电气阀门定位器价格昂贵 为解决这个 矛蓬 肇拣公司提出了这一课鬏 本人所需完成的工作主要包括 1 凝据收集兹资料和已蠢设计方黎对智能阙门寇位器兹控割系统送行改 进和进一步的设计 2 摄据总体方案及餐毙阀门定缀器豹功缝 进行定位器硬件系统 主 要是单片机控制系统 的研制与实验 主要包括单片机系统配置及相关的接口 追鼹的设诗 系统与上位辊之阑串口通信的设计 在控制策赂方面 糨模糊控 制技术威用到本控制系统中 使它能够集合人们一定的经验知识 在一定程度 上摸仿人豹思维 3 根据定位器的工作原理 功能以及硬件系统 进行系统软件设计 主 要包括系统软传模块豹划分 嚣模块稳序流程的详细设计 并用汇编诱言对单 片机控制系统备模块进行详细编制 用软件v c 6 0 进行上位机的串1 7 1 通信稔 l 挚开发 8 四川大学硕士学位论文 第二耄阀门定位器概述 2 1 阀门定位器的基本原理及构成 阀f 定位器燕调节阕兹主要陡传 它与气凌调节耀戮套镬鼷 接受溪节器 的输出信号 然后以阀门定位器的输出信号去控制气动调节阀 当调节阀动作 螽 澜秆静位移又通过瓿械爱镄装饕爱馈笺阗门定位器 鑫魏 这种定位器帮 调节阀组成一个闭环回路 如嘲2 1 所示 i l l 2 0 1 0 0 k p a 图2 1 阀f 定位器作用图 一个定位器 无论是气幼的述 楚电动躬 都 i l 三部分组成 1 输入部分输入部分检测 g 入赘蘩号 控翻蓿号 并楚窀送 入比较装置 2 比较装置比较装麓比较 输入信号和阕位反馈售号 如果检 测到这两个信号之间有差异 就将 驱动阀门静执行极褥妻到爱谈傣号帮羧入信号提匿黧 3 反馈装置反馈装置检测阀位的变化 并把信号传递给输入 比较装黉 一旦反读穰号和输入信芍相等 驱动装置就停止对阀位徽进一步的改交 2 2 阀门定位器的分类 阀门定位器的产品按其缝搦形式裁工偿敷理可以分成气动阀门定位器 瞧一 气阀门定位器和智能阀门定位器 2 2 1 气动阀门定位器 五十多年前 控制 躐自动反馈过程 圈路都鼹气体驱动的 交送器 调节 器和最后控制单元 例如一个调节阀 被连接在一起劳逸过一个2 0 1 k 躲 气动信号相互通讯 这个信号也被作为一个幼力源用来驱动最后控制单元的执 行掇季窀 在诲多方嚣 这薅然憝正确黪 毽在一些猿提下 镶蘩瀛韵位置反斑 或改变速度太慢 较大尺寸的阀所需要的执行机构太大时 再使用象2 0 1 0 0 k p a 一样低静气压信譬就无法达至g 预期静控截莓的窥控铡精菠 为了解决这个问题 9 第二章阀门定位器概述 气动阀门定位器被发展 气动阀门定位器在调节器输出和阀门位置之问扮演容 量调节器 信号放大器和关系控制器的角色 给定位器的气压信号操作一个气 体继动器 气体继动器按顺序操作一个滑阀或喷嘴挡板机构 在定位器中 阀 的位置通过一个凸轮来确定 在最后的控制单元中之所以要应用弹簧 是要在 气压减小时保证执行机构的逆反应 气动阀门定位器有位移平衡式和力 力矩 平衡式两大类p 位移平衡式气 动阀门定位器的动作原理如图2 2 所示 当调节器来的控制信号p 增大时 波 一一一一 一 一一 一 一一 一一一 2 3 i 阀1 4 f 3 定i 位 器i 1 隧土 i t 矽 i 8 7 6 执 行 器 l j j i l 图2 2 气动阀门定位器原理图 l 一波纹管 2 挡板 3 一喷嘴 4 一放大器 5 一反馈凸轮 6 一反馈杆 7 一阀杆 8 一膜头 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 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0 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 2 2 2 电一气阀门定位器 电一气阀门定位器的输入信号为o 1 0 m a 的直流电信号 输出为气压信号 1 0 四川大学硕士学位论文 它能够起到电一气转换器和气动阀门定位器两种作用 它接受电动调节器来的 信号 它和气动调节阀配套使用 电一气阀门定位器可以用于控制气动直行程 或角行程调节阀 同时也适用于有弹簧执行机构的单作用状态和无弹簧执行机 构的双作用状况 它也可为防爆结构和非防爆结构 图2 3 表示一种电一气阀门定位器的动作原理 它是按力矩平衡原理工作 一一一一一一一17 一一一一一一一一一一一一一一一一1 执升 i 行 器i 图2 3 电一气阀门定位器原理图 i阀 咔 门 定 位 j 器 的 它与气动阀门定位器的最大的区别是它把气动阀门定位器的波纹管换成力 矩马达 当信号电流通入到力矩马达的线圈两端时 它与永久磁钢作用后 对 主杠杆产生一个力矩 于是挡板靠近喷嘴 经放大器放大后的输出压力通入到 执行机构的气缸 通过反馈凸轮拉伸反馈弹簧 弹簧对主杠杆的反馈力矩与输 入电流作用在主杠杆上的力矩相平衡时 仪表达到平衡状态 此时 一定的输 入电流就对应一定的阀门位置 2 2 3 智能阀门定位器 随着微电子技术的不断发展 微处理器芯片的集成度越来越高已经可以在 一块芯片上同时集成c p u 存储器 定时器 计数器 并行和串行接口 甚至 a d 转换器等 人们把这种超大规模集成电路芯片称作 单片微控制器 s i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e r 简称为单片机1 1 5 单片机的出现 引起了仪器仪表 结构的根本性变革