带三断保护的智能定位器的设计与实现-集成电路工程专业毕业论文

第 一 章绪 论圣1 .唯 问 题 的提 出气 动 调 节 阀一、气 动 执 行 机 构 是 十 分 常 见 的执 行 器 ，它 在 众 多 的 工 业 过 程 控 制 系 统 装 置 中 ，尤 其 是 在 电力 ，造 纸 、石 化 、冶 金 等 工 业 的 流 量 控 制 中 发 挥 着 不 可 替 代 的 作 用 。而 阀 门定 位 器 作 为 它 的 主 要 部 件 之 一 ，可 以显 注 改 善 阀 门动 作 特 性 、 提 高 控 制 的精 度 、速 度和 增 加 控 制 的灵 活 性 ，己成 为 流 体 控 制 领 域 十 分 重 要 的研 究 热 点 16。随 着 微 电子 信 息 的迅 猛 发 展 、过 程 工 业 的现 代 化 ，阀 门 定 位 器 从 最 初 的 纯 气 动 、机 械 力 平 衡 式 的 定 位 器 ，发 展 到 后 来 的 使 用 电气 转 换 的 电气 阀 门定 位 器 ，直 到 今 天 的 智 能 型 和 使 用 现 场 总 线 技 术 的 定 位 器 ，其 总 的趋 势 是 电气 化 、 智 能 化 ， 并 且 必 定 要 与 将 来 的数 字 化 工 业 控 制 相 适 应 。传统 的机 械 式 阀 门定 位 器 己经 越 来 越 不 适 应 工 业 控 制 的要 求 。基 于 微 处 理 器 和 先 进 控 制 技 术 的 智 能 型 阀 门 定 位 器 ， 以其 优 良的控 制 功 能 和 强 大 的适 应 性 ，正 受 到 越 来 越 多 的 采 用 月。 多 种 智 能 型 阀 门定 位 器 己广 泛 地 应 用 在 石 油 、 石 化 、 化 工 、 电力 、 冶 金 等 行 业 ，获 得 了 用 户 的 广 泛 认 可 .在 实 际 的工 程 应 用 和 客 户 需 求 中 ，有 很 多 工 艺 位 置 上 的 调 节 阀 出 于 对 控 制 工 艺 的要 求 ，除 了 要 求 定 位 器 具 有 高 智 能 以外 ， 还 需 要 阀 门 定 位 器 具 有 “三 断 保 护 ” 功 能 ，即 在 出现 断 电 、断 信 号 、断 气 源 的 故 障 条 件 下 ，使 调 节 阀 保 持 在 当 前 的 位 置 或 者 某 一 个 安 全 的位 置 (0 % 或 者 100 % 的 阀 门 开 度 ) 不 变 ， 以确 保 工 艺 的 稳定 和 持 续 囚 。比如 在 锅 炉 的 二 次 风 门 调 节 、反 应 釜 的 循 环 水 调 节 的 应 用 中 大 量 的 调 节 阀 都 被 要 求 具 有 “三 断 保 护 ” 的 功 能 。 国外 一 些 著 名 公 司 相 继 都 投 入 大 量 资 金 、人 员来 开 发 这 种 定 位 器 。实 现 了 定 位 器 的数 字 化 、智 能 化 、 网 络 化 ，并 具 有 “三 断 保 护 ”的功 能 ，可 大 大 提 高 阀 门 定 位 器 的控 制 性 能 ，满 足 生 产 实 际 的 需 要 ，代 表 了 阀 门 定 位 器 的 主 流 发 展 方 向 。圣1.1.1 三 断 保 护 功 能 的 定 义一 般 的 ，按 工 艺 的 设 计 不 同 ，对 阀 门有 两 种 不 同 的 功 能 要 求 ， 故 障 安 全 、 故 障 闭锁 。“故 障 一 安 全 ” 的 定 义 : 如 果 断 电或 断 信 号 ， 定 位 器 输 出 l 减 压 ， 气 动 执 行 机 构 回 复 弹 簧 使 阀 门运 行 至 限 定 的 安 全 位 置 。如 果 是 双 作 用 执 行 机 构 ，则 输 出 2 同 时 增 压 。“故 障 一 闭锁 ” 的 定 义 : 如 果 断 电或 断 信 号 ，定 位 器 输 出 1 (和 2 ，如 果 使 用 的话 ) 被 锁 定 ，气 动 执 行 机 构 保 持 阀 门在 当前 位 置 。如 果 气 源 中 断 ，气 动 执 行 机 构 亦 保 持 阀 门在 当前 位 置 。三 断 保 护 : 是 指 断 电 、 断信 号 、 断 气 时 定 位 器 对 阀 门开 度 的保 护 、锁 定 。打 J .2阀 门三 断 保 护 功 能 的传 统 实现 方 法 与 不 足国 际 上 知 名 的 阀 门定 位 器 生 产 商 如 德 国 S iem。n s 公 司 、 日本 山武 公 司 、瑞 士A B B 公司 都 未 推 出 附 带 三 断 保 护 功 能 的 智 能 定 位 器 。但 都 在 研 制 、开 发 过 程 巾 。 在 实 际 的 工 程 应 用 中 ，用 户 为 了确 保 系 统 的 可 靠 运 行 不 仅 需 要 阀 门 定 位 器 能 够 在 断 电 、断 信 号 时 可 靠 定 位 而 且 需 要 在 断 气 时 也 能 实 现 对 阀 门 的 位 置 保 持 ，传 统 的 解 决 方 案 是 在 气 动 执 行 机 构 上 安 装 电流 继 电器 、电磁 阀 ，以 实 现 断 电 、断 信 号 保 护 ， 另 外 再 安 装 一 台 气 锁 阀 以实 现 断 气 保 护 。传 统 的 实 现 阀 门三 断 保 护 的 方 法 。如 图 1. 1 传 统 的 阀 门三 断 保 护 的 示 意 图所 示 : 正 常 工 作 时 ，4 20 mA 经 失 电 比较 器 进 入 定 位 器 ， 失 电 比较 器 同 时 接 通 22 OVA C 给 电磁 阀 ， 电磁 阀得 电后 ，接 通 给 气 锁 阀 的气 源 ，气 锁 阀解 锁 ，定 位 器 根 据 接 收 的 4 20 mA 信 号 的变 化 调 节 气 源 输 出 以 达 到 调 节 阀 门位 置 的 目的 。厂厂 一丁1一、失失电 比较 器器器器器器图 1. 1 传 统 的 阀 门 三 断 保 护 的 示 意 图断 信 号 时 : 当 控 制 系 统 信 号 故 障 时 ，失 电 比较 器 检 测 到 后 ， 失 电 比较 器 切 断 给 电磁 阀 的 22 OVA C 电源 ， 单 电控 电磁 换 向 阀 失 电 ， 单 电 控 电 磁 换 向 阀 内 的 滑 阀 在 复 位 弹 簧 的 作 用 下 滑 动 ，电磁 阀 换 向 ，将 气 动 保 位 阀 的 膜 室 压 力 排 空 ，气 动 保位 阀关 闭 ，将 定 位 器 的输 出 信 号 压 力 锁 定 在 气 动 控 制 阀 的 膜 室 内 ，输 出信 号 压 力 与 控 制 阀 弹 簧 产 生 的 反 力 相 平 衡 ， 气 动 控 制 阀 的 阀 位 保 持 在 故 障 位 置 。断 电 时 : 当 控 制 系 统 电 源 故 障 时 ，失 电 比较 器 控 制 单 电控 电磁 换 向 阀 的 输 出 电 压 消 失 ，单 电控 电磁 换 向 阀 失 电 ，单 电控 电磁 换 向 阀 内 的滑 阀 在 复 位 弹 簧 的 作 用 下 滑 动 ，电磁 阀换 向 ，将 气 动 保 位 阀的 膜 室 压 力 排 空 ，气 动 保 位 阀 关 闭 ，将 定 位 器 的输 出信 号 压 力 锁_定 在 气 动 控 制 阀 的膜 室 内 ，输 出 信 号 压 力 与 控 制 阀弹 簧 产 生 的 反 力 相 平 衡 ，气 动 控 制 阀 的 阀 位 保 持 在 故 障 位 置 。断 气 时 : 当 控 制 系 统 气 源 故 障 时 ，即 当 控 制 信 号 压 力 低 于 2 0K p a 或 动 力 气 源 失 去 时 ，气 锁 阀 自动 关 闭 ，将 定 位 器 的输 出信 号 压 力 锁 定 在 气 动 控 制 阀 的 膜 室 内 ， 输 出信 号 压 力 与 控 制 阀弹 簧 产 生 的 反 力 相 平 衡 ，气 动 控 制 阀 的 阀位 保 持 在 故 障 位 置 。更 详 细 的 说 明请 参 考 2 .4 节“三 断 保 护 ”功 能 的 实 现 。上 述 阀 门三 断 保 护 的 方 法 存 在 的 不 足 :1) .实 现 三 断 保 护 的成 本 高 。 除 了智 能 定 位 器 ，还 需 要 配 置 信 号 比较 器 、 电磁 阀 、气 锁 阀 等 元 器 件 。特 别 是 当 有 防 爆 需 要 时 ，所 支 出 的 成 本 就 会 更 高 。2) .故 障 点 比较 多 。 除 了 定 位 器 ，信 号 比较 器 、 电磁 阀 、气 锁 阀 都 是 潜 在 的 故 障 点 。特 别 是 电磁 阀 ，在 正 常 工 作 时 ， 电磁 阀 需 要 持 续 得 电 ，在 连 续 运 行 2 年 以 后 ，该 电 磁 阀 的 故 障 率 会 大 大 提 高 。3) .施 工 成 本 的增 加 ， 由于 要 给 电磁 阀 供 电 ， 施 工 时 需 要 给 电磁 阀拉 额 外 的电缆 ，增 加 了 成 本 和 施 工 量 。本 课 题 中 的 智 能 阀 门 定 位 器 的 设 计 目的之 一 就 是 要 不 增 加 额 外 的 设 备 (如 电 磁 阀 、 信 号 比较 器 等 )， 定 位 器 自身 就 能 的 实 现 三 断 保 护 。圣1 .2国 内 外 发 展 水 平 概 述我 国 阀 门 定 位 器 早 在 5 0 年 代 中 期 开 始 仿 制 苏 联 的 YI 一 1 型 气 动 阀 门 定 位 器 ， 之 后 仿 制 的 对 象 是 英 国 F 工S H E R 公 司 3 5 60 型 和 日本 横 河 生 产 的 C 型 气 动 阀 门 定 位 器 。 19 6 4 年 我 国 自行 研 发 生 产 出 Z PQ 型 气 动 阀 门 定 位 器 ， 7 0 年 代 ， Z PD 型 电 气阀 门 定 位 器 面 市 ”。改 革 开 放 以 来 ， 国 民经 济 快 速 发 展 ，许 多 大 型 化 、 高 参 数 、 高 可 靠 性 的 工 艺 装 置 如 雨 后 春 笋 般 的 出现 ， 国产 的 定 位 器 山于 性 能 不 佳 、使 用 效 果 不 好 。主 要 以 引 进 国 外 品 牌 定 位 器 技 术 ， 国 内 生 产 的 产 品 和 全 进 口 的 阀 门 定 位 器 填 充 市 场 。国 外 品 牌 的 定 位 器 种 类 很 多 ， 从 本 世 纪 初 开 始 ，以A B B 2、 5 1em e n s ，、Fi :h er 川、日本 山武 2等 一 些 在 工 业 自动 化 领 域 有 着 多 年 经 验 和 雄 厚 技 术 优 势 的大 公 司 为 代 表 ，相 继 开 发 了 多 种 智 能 型 阀 门定 位 器 ，已广 泛 地 应 用 在 石 油 、石 化 、 化 工 、 电力 、 冶 金 等 行 业 ，获 得 了 用 户 的 广 泛 认 可 . 主 要 是 采 用 了模 块 化 的 结 构 和 先 进 的 电子 线 路 ，还 有 多 种 防爆 结 构 。其 中AB B 开 发 了 具 有 断 电 、 断 信 号 保 护 功 能 的 智 能 定 位 器 ，其 成 熟 产 品 已应 用 于 电 力 、造 纸 、冶 金 、石 油 、化 工 等 行 业 的 控 制 系 统 中 。相 对 而 言 ， 国 内在 这 方 面 起 步 较 晚 ，和 国外 的产 品相 比 ，定 位 器 智 能 处 理 水 平 还 存 在 较 大 的差 距 、 定 位 器 也 不 能 实 现 三 断 保 护 。天 津 大 学 的王 化 祥 【习7】，7、 肖素 枝 5、 林 慧 川吕对 智 能 定 位 器 的设 计 的研 究 取 得 较 高 的 水 平 ，发 表 了 多 篇基 于 HA RT 协 议 的 智 能 电气 阀 门定 位 器 的 研 究 开 发 方 面 的 论 文 . 重 庆 川 仪 在 仿 制S ieme n : 定 位 器 、Y am a ta k e 定 位 器 的 基 楚 上 推 出 了 自 己 的 智 能 足 位 器 刚; 清 华 大 学 6、西 安 工 业 大 学 工5!洲、上 海 自动 化 仪 表 研 究 所 U们、等 在 吸 收 国 外 公 司 同类 产 品 先 进 技 术 的 基 础 上 ，对 智 能 二 线 制 阀 门 定 位 器 的 研 制 进 行 了 的 探 索 ，投 入 人 力 、 物 力 和 财 力 进 行 研 制 开 发 各 种 智 能 阀 门 定 位 器 产 品 ，有 的 已经 取 得 了 不 错 的 成果 ，但 和 国外 的产 品 相 比 ，还 存 在 较 大 的 差 距 。比如 天 津 大 学 和 重 庆 川 仪 都 采 用 了压 电陶 瓷 阀 作 为 其 工/ P 转 换 单 元 取 得 了 一 定 的 成 果 。但 是 国 内压 电 陶 瓷 技 术 刚 刚 起 步 ，批 量 生 产 成 本 高 ，性 能 不 够 稳 定 ，导 致 难 以投 入 到 大 规 模 生 产 。而 喷 嘴 挡 板 结 构 的 工/ P 转 换 单 元 是 技 术 比较 成 熟 ，但 精 加 工 要 求 比较 高 22。但 随 着 国 内精 密 加 工 技 术 的普 及 ，批 量 生 产 成 本 相 对 较 低 、性 能 稳 定 。圣1 .3本 设 计 目的 及意 义 -空 气 、蒸 汽 、水 、油 等 流 体 与 工 业 发 展 有 着 密 切 联 系 ，而 流 体 在 工 业 上 的 应 用 离 不 开 管 路 系 统 ， 有 管 路 必 然 需 要 阀 门 ，而 阀 门 的控 制 的 调 节 离 不 开 定 位 器 。 同样 的 ，工 艺 过 程 控 制 的 质 量 很 大 程 度 上 决 定 于 过 程 控 制 仪 表 ，包 括 变 送 器 、调 节 器 、执 行 器 以及 各 种 辅 助 控 制 装 置 。在 某 些 应 用 场 合 ，对 阀 门 的 控 制 不 仅 仅 是 简 单 的 开 关 控 制 ，还 涉 及 到 开 度 控 制 以及 频 繁 地 调 节 控 制 ，这 对 阀 门控 制 器 的 智 能 性 、适 应 性 提 出 了 更 高 的要 求 n 随 着 过 程 控 制 水 平 的提 高 ，阀 门 定 位 器 也 必 须 不 断 发 展 以满 足 现 代 生 产 对 过 程 控 制 的 更 高 要 求 。智 能 阀 门 定 位 器 具 有 高 灵 敏 度 、 高 可 靠 性 以及 自整 定 参 数 可 选 择 性 ， 阀 门动 态 响 应 得 到 很 大 的 改 善 、阀 门 的死 区 大 大 减 小 ，阀 门 行 程 得 到 精 确 和 稳 定 地 控 制 。 与 传 统 的 阀 门 定 位 器 相 比 ，智 能 阀 门定 位 器 有 着 显 著 的优 势 ，更 适 合 现 代 过 程 控 制 的 需 要 ，故 成 为 当 前 阀 门定 位 器 的 研 究 重 点 和 发 展 趋 势 。智 能 阀 门 定 位 器 根 据 原 先 阀 门 定 位 器 的 不 足 之 处 进 行 设 计 ，能 够 改 善 调 节 阀 的 流 量 特 性 ，提 高 调 节 阀 的 工 作 性 能 ，并 且 还 可 以通 过 与 D CS 系 统 或 总 线 设 各 进 行 数 字 信 息 通 讯 ，提 高 企 业 生 产 装 置 的 控 制 能 力 ， 为 装 置 的 安 全 、 稳 定 运 行 提 供 保 障 。为 了提 升 产 品 的竞 争 力 ，高 起 点 的 开 发 智 能 定 位 器 产 品 ，本 课 题 开 发 的 这 种 定 位 器 产 品 ， 它 是 一 种 高 度 集 成 的 产 品 ， 具 有 安 装 方 便 、 结 构 紧 凑 、 调 试 简 单 、 易 于 维 护 、现 场 布 线 简 单 、整 机 成 本 低 等 种 种 优 点 的 智 能 定 位 器 。更 重 要 的 是 定 位 器 本 身 应 具 有 断 电 、 断 信 号 、 断 气 功 能 保 护 ， 它 可 以为 制 造 商 、设备 集 成 商 、 最 终 用 户 节 约 制 造 成 本 获 取 更 大 的 利 润 空 间 ，为 工 艺 过 程 提 供 更 加 稳 定 、可 靠 的 控 制 。传 统 式 阀 门 定 位 器 是 利 用 力 平 衡 原 理 控 制 进 、排 气 量 ，最 终 控 制 执 行 器 定 位 在 所 需 要 的 行 程 上 。传 统 式 阀 门 定 位 器 在 灵 活 性 、抗 震 性 等 方 面 较 差 。而 本 设 计 中 的 智 能 定 位 器 是 利 用 变 化 的 电磁 场 产 生 不 同 的 力 ，控 制 一喷 嘴 与挡 板 的距 离来 改 变 背 压 从 而 达 到 控 制 进 排 气 量 ，同 时 它 利 用 一 个 无 磨 损 ，高 精 度 的 位 移 传 感 器组 成 一 个 闭 环 反 馈 系 统 ，用 一 个 高 速 M CU 进 行 数 据 采 集 、 分 析 和输 出 。新 开 发 智 能 定 位 器 产 品具 有 以下 优 点 :1) . 具 有 三 断 保 护 功 能 : 在 断 电 、 断 信 号 、 断 气 时 定 位 器 输 出锁 定 。2) . 能 够 按 照 偏 差 大 小 进 行 自适 应 调 节 控 制 ， 确 定 响 应 速 度 和 控 制 精 度 。3) . 高 智 能 化自动 设 定 ，对 执 行 机 构 规 格 能 进 行 自动 识 别 ， 并 根 据 规 格 自 动 进 行 最 适 宜 的 调 整 ，具 有 自诊 断 自密 封 功 能 ， 自适 应 死 区 。4) . 超 低 功 耗 ， 静 态 耗 气 量 小 。5) . 可 靠 性 高 ， 能 够 适 应 各 种 复 杂 环 境 ，运 行 可 靠 。6) . 结 构 合 理 ，安 装 方 便 ， 隔 爆 型 与 本 安 型 定 位 器 结 构 相 同 。7) . 易 于 维 修 ， 山于 电气 部 件 与 空 气 回路 部 分 的完 全 隔离 ，从 而 在现 场 可 易于 对 空 气 回 路 实 施 维 修 。8) . 能 够 附 加 阀位 输 出信 号 功 能 ，可 以在 仪 表 室 里 对 带 有 阀位 开 度 信 号 。圣1 .4 市 场 前 景随 着 改 革 开 放 的深 入 发 展 ， 国 内 电力 、石 化 、石 油 、天 然 气 、造 纸 等 各 行 各 业 保 持 高 速 持 续 发 展 ，对 于 各 种 调 节 阀 的 需 求 量 与 日具 增 ，智 能 定 位 器 的 需 求 也 随 之 大 幅 增 长 ，具 有 三 断 保 护 功 能 的 定 位 器 更 是 各 个 知 名 的 阀 门 定 位 器 生 产 商 女1、 德 国 S iem en S 公 司 、 日本 Y am a 七a k e 公 司 、 美 国 F ISh er一R o s em ou n t 公 司 竞 相 投 资 开 发 的 定 位 器 产 品 。由于 国 内 对 智 能 定 位 器 开 发 起 步 较 晚 ， 目前 还 没 有 类 似 附 带 三 断 保 护 功 能 功 能 的 智 能 阀 门 定 位 器 ，虽 然 一 些 阀 门 定 位 器 生 产 厂 家 已经 着 手 开 发 这 样 的 产 品 ，但 还 没 有 推 向市 场 。 因 此 市 场 前 景 非 常 广 阔 。国 家 在 加 大 ，石 化 、化 工 、化 纤 、发 电 等 行 业 领 域 投 入 力 度 的 同 时 ，也 更 加 注 重 环 保 节 能 产 品 和 技 术 的 开 发 与 推 广 应 用 ，智 能 型 阀 门 定 位 器 取 代 机 械 式 阀 门 定 位 器 是 未 来 发 展 的 必 然 趋 势 。据 估 计 ，智 能 型 阀 门 定 位 器 的 年 平 均 需 求 量 ，将 以 高 于10% 的 速 度 递 增 。同 时，具 有 隔爆 、液 晶显 示 、支 持 Ha : t 协 议 和 FF 总 线 功 能 的高 档 智 能 型 阀 门 定 位 器 必 将 成 为 未 来 定 位 器 市 场 的 主 流 产 品 ，智 能 型 阀 门 定 位 器 正 面 临 新 的 发 展 机 遇 。与 常 规 定 位 器 相 比，本 课 题 设 计 的 定 位 器 具 有 高 智 能 、控 制 精 度 高 、能 耗 低 、 调 整 方 便 、适 用 范 围广 及 可 任 意 选 择 调 节 阀流 量 特 性 和 分 程 范 围 等 优 点 ， 并 能 实 现 断 电 、断 信 号 、断 气 的保 护 ，同 时 该 定 位 器 还 具 有 阀位 显 示 和 故 障 报 警 等 功 能 ， 有 着 广 泛 的 市 场 需 求 ，并 将 在 相 当长 的 一 段 时 间 内发 挥 主 导 作 用 。批 量 生 产 后 ， 成 本 将 大 大 下 降 ， 功 能 强 大 价 格 适 中 的 定 位 器 将 成 为 市 场 的 宠 儿 。第 二 章系 统 概 述圣2 .，定 位 器 闭环 控 制 工 作 原 理智 能 定 位 器 的 闭环 控 制 工 作 整 个 控 制 过 程 如 下 R1) .接 收 来 自上 位 机 的 4 20 mA 电流 信 号 ，假 设 值 为 S e tp 。in t ，这 个 值 经过 A D 转 换 后 送 给 微 处 理 器 。2) .微 处 理 器 根 据 预 先 设 定 的 参 数 以及 在 系 统 自整 定 过 程 中 得 到 的 参 数 对S e tp o in t 值 进 行 处 理 ， 如 正 、 反 作 用 转 换 ， 流 量 特 性 等 。3) . 阀位 信 号 F ee dba Ck 经 反 馈 机 构 并 经 AD 转 换 模 块 转 化 为 数 字 信 号 后 送 给微 处 理 器 。4) . 在 微 处 理 器 中 ，将 阀位 信 号 F e eb a ck 经 过 必 要 的 修 正 后 ， 与 设 定 值 S e tp 。in t 进 行 比较 ，得 到 误 差 信 号 D eV ia 七i。n 。5) .根 据 误 差 信 号 D ev ia t i。n 的 正 负 决 定 动 作 方 向 是 进 气 还 是 排 气 ; 根 据 定位 器 在 自动 测 试 过 程 中 获 得 气 动 调 节 阀 的特 性 参 数 ，如 : 正 反 作 用 形 式 、行 程 大 小 、 死 区 、膜 头 大 小 等 一 些 数 据 ， 结 合 一 定 的 P ID 算 法 自动 计 算 决 定 动 作 类 型 。 当 误 差 信 号 的值 小 于 死 区 的设 定 值 时 ，输 出信 号 不 变 ， 既 不 进 气 也 不 排 气 。6) .气 动 执 行 机 构 根 据 定 位 器 的 气 压 大 小 来 推 动 调 节 阀 向上 或 向下 移 动 。 阀 位 电位 器 将 推 杆 的 位 移 信 号 转 化 为 电压 信 号 反 馈 给 定 位 器 来 控 制 调 节 阀 的 下 一 步 动 作 ， 这 样 就 组 成 了 一 个 闭 环 反 馈 系 统 。圣2 .1.1阀 门 定 位 器 与 过 程 控 制 系 统智 能 阀 门 定 位 器 是 现 代 气 动 调 节 阀 的 主 要 附 件 ，在 工 控 系 统 中 ，DC S 控 制 器 、 智 能 阀 门 定 位 器 、气 动 执 行 机 构 、阀 门和 一 次 测 量 元 件 等 组 成 了 双 重 闭 环 负 反 馈 控 制 网 络 。 如 图 所 示 为 阀 门 定 位 器 与 过 程 控 制 系 统 的 示 意 框 图 :气气气气气气气气气气气气动执行机构构工哄工 换及功率放大大大(膜头、气缸) )图 2 . 1阀 门 定 位 器 与 过 程 控 制 系 统其 中 ，智 能 阀 门定 位 器 ，由负 责 数 据 采 集 与 处 理 的控 制 电路 单 元 、工/P 转 换 器 、 气 动 功 率 放 大 器 、位 置 传 感 器 等 几 部 分 组 成 。定 位 器 、气 动 执 行 机 构 、 阀 门 、位 置 反 馈 部 件 ，组 成 了 内层 闭环 负 反 馈 控 制 回 路 4。图 中 : a 为 被 控 工 艺 参 数 的 设 定 值 ，如 温 度 、 压 力 、 流 量 、 液 位 等 ; b 为 被 控 工 艺 参 数 的 实 际值 ，如 温 度 、压 力 、流 量 、液 位 等 ; C 为 来 自 DC S 调 节 器 的 阀 位 控 制 信 号 ; d 为 气 动 执 行 机 构 的输 出 行 程 ; e 为 位 置 反 馈 信 号 :虚 线 内为 定 位 器部 扩 。:。圣2 .L 2阀 门定 位 器 的 闭环 负 反 馈智 能 阀 门 定 位 器 正 是 利 用 位 置 反 馈 信 号 ，构 成 了 一 个 闭 环 负 反 馈 控 制 系 统 。C 与 e 在 定 位 器 的 C PU 中 进 行 比较 ，根 据 其 极 性 及 偏 差 的 大 小 ， 经 过 特 定 控 制 算 法 运 算 ，控 制 微 处 理 器 的输 出信 号 。该 信 号 再 经 过 I/ P 转 换 和 气 路 放 大 器 ，完 成 电 气 转 换 和 功 率 放 大 ，最 终 通 过 气 动 执 行 机 构 驱 动 执 行 元 件 ， 实 现 对 调 节 阀 的精 确 定 位 控 制 .夸2. 2定 位 器 的 构 成圣2.2 .1硬 件 构 成智 能 阀 门定 位 器 山控 制 电路 单 元 、 电气 转 换 工/P 单 元 、 阀 位 检 测 反 馈 执 行 单 元 3 部 分 及 其 它 可 选 附件 组 成 。来 自外 调 节 仪 表 或 控 制 系 统 的 4 一20 毗 电 流 信 号 送 入 智 能 阀 门 定 位 器 ， 定 位 器 取 出其 中 一 部 分 的 电流 信 号 作 为 工 作 电源 ，其 余 的 电流 信 号 经 运 算 放 大 器 等 电 路 处 理 后 送 入 微 处 理 器 。微 处 理 器 以 调 节 阀 位 置 反 馈 信 号 作 为 控 制 的 变 量 ，将 它 与 给 定 信 号 进 行 比较 处 理 ，通 过 偏 差 信 号 来 控 制 工/P 转 换 单 元 的 输 出 压 力 ，此 压 力 通 过 气 路 放 大 器 调 节 进 入 气 缸 的 气 量 ，从 而 推 动 执 行 机 构 计 算 后 可 得 设 定 的 阀 门 定 位 信 号 仁7。以 T 工公 司 M S P4 3 O 作 为 主 微 处 理 器 ， D CS 设 定 信 号 与 实 际 阀 门 位 置 信 号 的 差 值 经 采 样 后 ，通 过 工0 输 出控 制 1P 模 块 的 输 出 气 容 量 。同 时 用 4 个 按 键 来 对 定 位 器 的 状 态 进 行 控 制 ，并 用 LCD 显 示 定 位 器 的 状 态 和 阀 门 所 处 的 当 前 位 置 。它 主 要 是 针 对 单 、双 作 用 气 动 调 节 阀 ，用 喷 嘴 挡 板 原 理 控 制 定 位 器 的 出 气 量 和 气 路 通 断 ， 用 一 个 高 精 度 的 位 移 传 感 器 对 阀位 进 行 反 馈 ，定 位 器 采 用 的 设 计 实 现 了 二 线 制 供电 ， 能 够 满 足 H AR T 通 讯 功 耗 要 求 。具 有 控 制 精 度 高 ，适 用 性 强 ，调 校 方 便 ，控 制 灵 活 等 特 点 。在 定 位 器 主 板 设 计 上 ，设 计 的难 点 是 如 何 满 足 回 路 供 电对 低 功 耗 的 要 求 。为 此 ，选 用 微 处 理 器 时 ，本 课 题 着 重 考 虑 能 耗 低 的处 理 器 。圈圈UU黔黔黔UUUU创创黔黔黔黔黔创兰 徽 兰荡人式排诀月门门门门门门门门门门门门 . . 金金金金。校拟位轰反性性性扬人式校块用少少亚 口比BB巴S二日日日日日日日日日日日日日日到到令令令令4 一20m AA AAA安位位位位位位位位位位位位位位位位位全跪 关) )一北 安全全擂擂擂擂擂擂擂擂擂擂入 士艾板 坎 用 JJJ JJJJ数 手 了立置 反 摆摆摆摆摆摆摆摆摆摆摆摆衫衫衫以衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫 式 位 五 才旨示示缉缉缉缉叠叠叠叠叠叠.恢器近经升诊诊关位置灰悦悦悦悦悦悦悦悦悦悦悦悦，组 男男男2 4 V 激 井 笑 脸 置置llll扭lll黄矛专感器器器. 斗.狡饮续封封带带户3校位块块块3通阀的的的龚均铸旅奋淤工已蒸淤臼溺益护护)护护护护护护护护护护护). .洲 尸尸可选 2 7 0度 旋 转 纪度图 2 . 2阀 门 定 位 器 的 组 成 【2为 了 降 低 系 统 的 功 耗 和 提 高 定 位 器 的 可 靠 性 ，设 计 制 造 出 一 个 功 耗 低 、稳 定 性 好 且 具 有 断 电 、 断 信 号 锁 位 功 能 的 电气 转 换 器 是 此 次 课 题 的 工 作 重 点 和 难 点 ， 经 过 反 复 实 验 选 用 了 喷 嘴 挡 板 原 理 的 电气 转 换 器 ，采 用 了 一 种 在 弱 磁 场 下 具 有 最 高 的 磁 导 率 、低 的轿 顽 力 和 磁 胜温 度 稳 定 性 较 好 的软 磁 合 金 用 于 制 做 喷 嘴 、挡 板 的 器 件 。定 位 器 是 一 个 闭 环 控 制 系 统 反 馈 单 元 是 整 机 组 成 的 一 个 重 要 部 分 ，定 位 器 对 阀 门 的控 制 精 度 为 0 .5 % ，这 就 要 求 反 馈 电位 器 的 精 度 优 于 0 . 1 % ， 同 时 定 位 器 要 求 反 馈 装 置 的 体 积 不 能 够 太 大 ，高 精 度 、耐 磨 损 、抗 震 动 的 电位 器 ，本 课 题 采 样 进 口精 密 级 电位 器 ， 以满 足 定 位 器 的 整 体 设 计 要 求 。圣2.2.2软 件 构 成充 分 利 用 MS P4 30 微 处 理 器 的 超 低 功 耗 特 性 ，在 软 件 设 计 中 ，采 用 了低 功 耗 工 作 模 式 。在 软 件 设 计 中 ，定 位 器 自动 测 试 执 行 机 构 的大 小 和 阻 力 自动 分 析 计 算 整 定 P 、 工、 D 参 数 和 控 制 死 区 以 克 服 振 荡 使 阀 门快 速 可 靠 定 位 是 软 件 设 计 的难 点 。 经 过 了 大 量 的 理 论 分 析 和 实 验 室 的 反 复 测 试 最 终 确 定 了一 些 重 要 的 算 法 ，最 终 很 好 的 解 决 了这 一 难 题 。根根据变量 参数进 入相应 的运行模 式式手手动开 /关关切切换换图 2 . 3主 程 序 流 程 图主 程 序 流 程 如 图 2 .3 所 示 ，主 要 完 成 微 处 理 器 及 周 围模 块 的 初 始 化 工 作 ，同 时 开 启 中 断 ，进 入 低 功 耗 等 待 状 态 。 在 工 程 应 用 中 ，利 用 S P 7O 6R 芯 片 设 计 了 片 外 看 门狗 电路 ，通 过 软 件 实 现 启 动 与 复 位 。圣2 .3定 位 器核 心 部 件 与 关 键 技 术圣2.3 .1电气 转 换 器(I于 转 换 器 )工/P 转 换 器 是 智 能 阀 门定 位 器 的核 心 部 件 之 一 ，其 加 工 制 造 工 艺 、装 调 测 试 技 术 比较 复 杂 。 区 别 于 压 电陶 瓷 式 电气 转 换 器 ，喷 嘴 挡 板 式 的 电气 转 换 器 是 在 控 制 电流 的驱 动 下 ，靠 喷 嘴 与 挡 板 的微 距 离 变 换 ，来 实 现 对 喷 嘴 气 流 的调 节 ，控 制 气 动 放 大 器 输 出气 量 的 大 小 、方 向，实 现 对 气 动 执 行 机 构 的 调 节 与 控 制 翅。 由于 喷 嘴 挡 板 的 最 大 微 位 移 不 超 过 1二 ，所 以，对 于 工/P 转 换 器 中组 件 材 料 的 选 择 (譬 如 软 磁 合 金 、 无磁 不 锈 钢 、特 殊 塑 料 等 ) 以及 特 殊 铆 接 设 备 和 铆 接 工 艺 、 精 密 装 调 手 段 都 提 出 了很 高 的要 求 。该 部 件 一 次 性 合 格 率 较 低 ， 还 有 待 进 一 步 提 高 。设 计 的 电气 转 换 器 ( 工P 模 块 ) 应 具 有 以下 功 能 : 1) . 气 源 输 出 的 启 停 控 制2) . 气 源 输 出 的 正 反 向控 制3) . 断 信 号 的 闭锁 控 制4 ) . 断 电 的 闭锁 控 制5) . 断 气 的 闭锁 控 制圣2 .3 .2高 精 度 阀 门位 置 反 馈 检 测位 置 传 感 器 是 获 取 阀 门 实 时位 置 反 馈 信 号 的核 心 部 件 ，本 产 品采 用 了进 口精 密 级 电 位 器 。 电位 器 输 出 的 信 号 ，经 过 放 大 、 A /D 采 样 ，快 速 数 据 处 理 ，最 后 送 入 比较 和 控 制 程 序 。 由于 采 用 了 精 密 电位 器 无 间 隙 反 馈 结 构 ，也 保 证 了 阀 杆 正 反 方 向运 动 的 一 致 性 。图 2 .4定 位 器 中 的 位 置 传 感 器夸2.3.3P ID 优 化 控 制 算 法 与 自适 应 功 能为 了 实 现 气 动 调 节 阀 的 快 速 准 确 定 位 ，减 少 超 调 量 ，控 制 软 件 中采 用 了 P 工D 综 合 控 制 算 法 ，其 巾之 一 便 是 “积 分 分 离 ”模 糊 控 制 算 法 。即在 控 制 运 算 中，实 时采 集 、比 较 ，位 置 反 馈 与 系 统 控 制 信 号 差 值 的大 小 。当 该 差 值 较 大 时 ，取 消 P 工D 运 算 中 的积 分 项 ，以免 进 入 积 分 饱 和 区 ，同 时适 当增 大 比例 项 的系 数 ，加 快 调 节 速 度 ; 当 该 差 值 进 入 较 小 范 围之 内 时 ，积 分 项 重 新 投 入 运 算 ，以消 除 静 差 【洲。采 用 优 化 的 P 工D 控 制 算 法 以后 ，消 除 了输 出超 调 量 较 大 、 震 荡 、 系 统 不 稳 定 等 不 良现 象 。荟2.王4低 功 耗 技 术在 电 路 设 计 中 ，大 量 采 用 低 功 耗 元 器 件 ，包 括 MS P4 3O F 系 列 具 有 超 低 功 耗 特 性的 C PU 芯 片 ，片 外 电路 和 软 件 设 计 等 均 尽 量 采 用 超 低 功 耗 工 作 模 式 。虽2.4“三 断 保 护 ”功 能 的 实 现自动 控 制 系 统 及 其 设 备 应 确 保 工 艺 过 程 安 全 ，可 靠 和 环 保 ，对 控 制 阀而 言 要 充 分 考 虑 当 系 统 出现 断 气 源 、断 电源 、断 信 号 (智 能 定 位 器 的输 入 信 号 ) 等 突 发 故 障 时 如 何 实 现 安 全 阀位 保 护 。断 电 、断 气 、断 信 号 的系 统 故 障 简 称 为 “三 断 ”， 可 能 单 独 出现 也 可 能 同 时 出现 。控 制 阀根 据 生 产 工 艺 和 过 程 安 全 要 求 应 实现 全开 、全 关 还 是 保 持 原 阀位 。下 文 中 介 绍 了 传 统 的 “三 断 保 护 ”功 能 的 方 法 和 用 定 位 器 实 现 “三 断保 护 ”功 能 的 方 法 。夸2.4 .1 传 统 的 “三 断 保 护 ”功 能 的 实 现 方 法如 下 图 所 示 : 为 传 统 的 “三 断 保 护 ”功 能 的 方 法 。信 号 源 、 电源 、 气 源 正 常 时 ， 开 关 电路 有 电压 输 出 二 位 三 通 电磁 阀带 电 一 一 气 控 阀 1 、 气 控 阀 2 有 控 制 气 源 ，工 作 口与 进 气 口相 通 ; 工 作 口与 排 气 口切 断 一 一 执 行 机 构 的 动 作 由 阀 门 定 位 器 根 据 输 入 信 号 进 行 控 制 ，。故 障 时 :1) . 断 信 号 源 保 位 : 输 入 信 号 断 一 一 保 护 电路 无 输 出 电压 一 一 二 位 三 通 电磁 阀 失 电 ，无 气 源 输 出 一 一 气 控 阀 1 、气 控 阀 2 无 控 制 气 源 ， 工 作 口与 排 气 口相 同 ;工 作 口与 进 气 口切 断 一 一 由 于 气 控 阀 1 、气 控 阀 2 的 排 气 口被 堵 上 一 一 执 行 机 构 气 缸 内 的气 压 不 能 排 出 ， 阀 门保 持 原 位 。关阳 举举二二位三 通通通通通通通通通电电硬如如如11 二犷1111111111111公。研研、集集出出出匆匆电电压压压压压压压压压开开关 电路路一淘一汽定位畏畏图 2 .5 传 统 的 “三 断 保 护 ”功 能 的 方 法 ，12 ) . 断 电源 保 位 : 二 位 三 通 电磁 阀 失 电 ，无 气 源 输 出 一 一 气 控 阀 1 、气 控 阀2 无 控 制 气 源 ，工 作 口与 排 气 口相 同 ; 工 作 口与 进 气 口切 断 一 一 由于 气 控 阀 1 、 气 控 阀 2 的排 气 口被 堵 上 一 一 执 行 机 构 气 缸 内 的 气 压 不 能 排 出 ，阀 门保 持 原 位 。3) . 断 气 源 保 位 : 气 控 阀 1 、气 控 阀 2 无 控 制 气 源 ，工 作 口与 排 气 口相 通 ; 工 作 口与 进 气 口切 断 一 一 由于 气 控 阀 1 、气 控 阀 2 的排 气 口被 堵 上 一 一 执 行 机 构 气 缸 内 的 气 压 不 能 排 出 ， 阀 门保 持 原 位 。由 以上 的 分 析 ，可 以得 到 : 在 系 统 需 要 保 位 时 ，最 终 要 切 断 执 行 机 构 的 两 个 工 作 口 ，使 气 缸 内 的气 压 不 能 排 出 。故 图 中 的 两 个 气 控 阀也 可 以用 一 个 双 作 用 的 保 位 阀 / 气 锁 阀 替 代 。洛2.4-12 用 定 位 器 实现 “三 断 保 护 ”功 能 的 方 法上 面 介 绍 的 传 统 “三 断 保 护 ”功 能 的 方 法 ，使 用 了 气 锁 阀 、 电磁 阀 、 信 号 比 较 器 ( 开 关 电 路 ) ， 不 仅 增 加 了 系 统 的 成 本 ， 而 且 使 得 复 杂 性 增 加 ， 故 障 点 的 增 加 。本 课 题 设 计 的 智 能 定 位 器 具 有 断 电 、断 信 号 、断 气 保 护 。所 以 当 发 生 故 障 ( 断 电 、断 信 号 、断 气 ) 时 定 位 器 切 断 执 行 机 构 的 两 个 工 作 口 ，使 气 缸 内气 压 不 能 排 出 ， 以实 现 系 统 的 保 位 。过过滤滤 减减压 阀阀手球动观平街伞手甲用动机构关关关关关关关关关闭 端端角、4 一2 0 m A阀阀门 定 位 器器器器器器器器.开. 启端端图 2 . 6 用 定 位 器 实 现 “三 断 保 护 ” 功 能 的 方 法第 三 章智 能 定 位 器 的 原 理 和 功 能 设 计圣3 .1 工 作 原 理 及 其 组 成智 能 定 位 器 是 一 个 与 多 学 科相 关 的产 品 ， 是 综 合 了机 械 、 电子 、 电磁 技 术 、 气 动 技 术 ，基 于 二 线 制一的机 电一 体 化 产 品 。来 自 D CS 或 者 PLC 系 统 的 性一 20 mA 电流 信 号 ，经 过 瞬 时 脉 冲 保 护 、滤 波 、 限 压 等 电路 后 ，产 生 8.ZV 左 右