CN101245871A

CN101245871A - 数字电气阀门定位器及其方法

Info

Publication number: CN101245871A
Application number: CNA200810059551XA
Authority: CN
Inventors: 吴宁宁; 吴明光; 栾振华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: CN100575757C

Abstract

本发明公开了一种数字电气阀门定位器及其方法。定位器由控制单元、I/P电气转换单元、阀位反馈单元、故障诊断单元组成。通过对定位器流量特性参数的组态，在提供调节阀整体多种流量特性和作用方向的基础上，针对调节阀压降比变化等因素引起的工作流量特性畸变进行校正；调节阀阀位控制基于Fuzzy－PI双模无扰切换算法；故障诊断依据控制中心设定的阀位给定值、以及阀位反馈值、阀膜头压力三者之间的内在关系，运用规则基知识推理，阀门解卡操作时由用户选择释放或部分释放阀膜头压力实现；阀位反馈单元的阀位移/电气转换借助无接触式磁敏电位器，人机交互采用触摸屏技术，控制单元经以太网接口接入控制网络。

Description

数字电气阀门定位器及其方法

技术领域

本发明属电气调节阀阀门定位器技术范畴，特别是指一种具有调节阀工作流量特性畸变校正和故障诊断功能，阀位基于Fuzzy-PI双模无扰切换算法，阀位反馈采用无接触式阀位移/电气转换器件的数字电气阀门定位器。

背景技术

工业过程的气动执行器由电气阀门定位器、气动执行机构和调节阀组成。电气阀门定位器的基本功能是将控制中心输出的调节阀阀位给定值与调节阀阀位反馈值之间的偏差，按照预先设定的算法去控制气动执行机构和调节阀开度(流量)，同时阀位反馈单元反馈实时阀位值，因此电气阀门定位器与气动执行机构、调节阀组成了一个闭环回路。阀门定位器增大了气动执行机构的输出功率，减少了信号传递的滞后，能够有效克服调节阀移动中产生的摩擦力和阀芯不平衡力，提高了调节阀的精度。近十年来，气动执行器技术领域的技术进步大多与气动执行机构、调节阀无关，主要体现在阀门定位器方面的改进。发达国家的电气阀门定位器已升级到基于电平衡原理，国内的定位器开始从机械平衡原理逐步向电气平衡过渡。德国SIEMENS公司的SIPART PS/PS2，日本YAMATAKE公司的SVP300，美国FISHER公司的DVC5000是国际上最具代表性的数字电气阀门定位器。重庆川仪总厂的HVP、吴忠仪表厂的SEP、杭州电子科技大学的SEVP代表了当今国内数字电气阀门定位器的发展水平。数字电气阀门定位器以微处理器为核心，具有调节阀整体的多种流量特性(等百分比、直线、快开等)以及自动调校、人机交互、工作参数组态设置、故障诊断等一系列技术特征，与传统的基于力平衡原理的电气阀门定位器相比，其技术指标前进了一大步。文献[1]、发明专利[2]从不同角度论述了实现调节阀整体多种流量特性的方法；发明专利[3]提出了与SIEMENS公司SIPART PS/PS2类似的阀门定位器结构，阀位控制沿用SIEMENS公司的5接点开关控制算法(Fuzzy算法)，该专利主要内容涉及的是低功耗电源设计。

目前，数字电气阀门定位器的体系结构虽然日臻完善，但分析工程实践资料不难发现，现有数字电气阀门定位器仍存在亟待改进、进一步完善的不足之处。首先，控制系统以调节阀固有流量特性为设计依据，而调节阀投运后所处的实际工况与固有流量特性测试条件相距甚远，无视调节阀工作流量特性畸变的客观事实，必然导致控制品质的下降；以炼油企业为例，调节阀压降损耗约占企业电力消耗的20％-40％，从节能降耗角度，自然希望调节阀在尽可能低的压降比条件下运行，但随着压降比的下降，工作流量特性畸变更加严重，对控制品质的负面影响是灾难性的。其次，调节阀阀位采用5接点开关控制算法，虽然具有良好的鲁棒和快速动态响应性能，但存在阀位稳态跟踪精度欠佳的缺点。此外，人机交互中键盘输入方式的故障率较高，阀位移/电气转换采用接触式电位器的稳定性和可靠性差强人意；故障诊断，特别是故障处理策略缺乏控制系统的全局观念，以阀位卡死故障为例，因阀位卡死导致阀位反馈值失效，使其与阀位给定位之间的偏差无法消除，因此调节阀膜头压力趋于气源压力上限。一旦故障排除则调节阀全关(气关阀)或全开(气开阀)，不仅使气动执行器工况剧然波动，而且就整个控制系统而言无疑也是重大干扰，甚至引起安全事故。

[1]周红燕，一种用智能型阀门定位器改变调节阀静态特性的方法[J]中国测试技术2005，1

[2]尚群立，智能执行器用阀门流量特性实现方法，发明专利ZL2005100496756

[3]王化祥，一种智能型二线制电气阀门定位器及其控制方法，发明专利申请号：2005100112651

发明内容

本发明的目的是提供一种数字电气阀门定位器及其方法。

数字电气阀门定位器中的控制单元与I/P电气转换单元、微型压力传感器、故障诊断单元相连接，微型压力传感器经气动执行机构与阀位反馈单元、故障诊断单元、控制单元相连接；气动执行机构与调节阀相连接，阀位反馈单元包括相连接的阀位移/电气转换器、阀位移机械传动器，I/P电气转换单元包括相连接的固态继电器、压电阀。

所述的控制单元的内部模块连接关系为：硬件平台基于32位ARM9的S3C2410芯片分别与网络控制芯片CS8900A、AD转换芯片ADC0808、触摸屏LQ30B7DD01、I/P电气转换单元相连接。

所述的阀位移/电气转换器的电路为：第一定值电阻R4经第一可调电阻R2与磁敏电位器R1、第二可调电阻R3、第二定值电阻R5一端相连接，磁敏电位器R1

故障诊断单元由安装在调节阀膜头管线上的内嵌式微型压力传感器，阀位移/电气转换模块组成。

数字电气阀门定位方法通过Fuzzy-PI双模无扰切换方法控制调节阀开度，误差较大时采用Fuzzy方法，误差较小时则采用PI方法，Fuzzy-PI双模无扰切换方法是由Fuzzy-PI判别模块选择，Fuzzy-PI双模方法结果由无扰切换模块处理后，以不同宽度的脉冲形式输出至I/P电气转换单元的固态继电器G3F/G3FD，控制压电阀的占空比；无扰切换模块消除了Fuzzy-PI模式切换时对调节阀开度以及控制系统的干扰。

本发明通过阀工作流量特性畸变的校正，使校正之后的工作流量特性与控制系统设计时所依据的阀固有流量特性吻合，一方面改善了控制系统品质，另一方面调节阀能在较低压降比下运行，可大大降低能耗。Fuzzy-PI双模无扰切换算法，兼顾了阀位控制对动静态两方面指标的要求，无扰切换模块确保两种模式切换时不会对阀位和控制系统造成干扰。触摸屏和无接触式磁敏电位器的应用，则提高了阀门定位器的稳定性、可靠性和定位器的气密性；解卡操作时提供的由用户选择释放或部分释放膜头压力功能，消除了安全隐患，进一步改善了阀位和控制系统的控制品质。

附图说明

图1是典型的闭环过程控制方框图；

图2是数字电气阀门定位器结构图；

图3是数字电气阀门定位器控制单元原理图；

图4-a是线性调节阀的工作流量特性曲线；

图4-b是等百分比调节阀的工作流量特性曲线；

图4-c是压降比s＝0.5条件下线性调节阀工作流量特性畸变及畸变校正后的对比曲线；

图5是Fuzzy-PI双模无扰切换算法原理图；

图6是Fuzzy-PI双模无扰切换算法流程图；

图7是磁敏电位器的电路图；

图8是磁敏电位器等效电路图。

具体实施方式

如图1所示，气动执行机构是闭环过程控制系统的一个环节，其作用就是接受控制中心的调节阀阀位给定值信号，调整调节阀的开度(流量)，使受干扰影响偏离设定值的受控变量回归设定值。因此，在设计气动执行器数字电气阀门定位器时，除考虑气动执行器本身的动静态指标外，必须同时关注整个控制系统的控制品质。

如图2所示，数字电气阀门定位器中的控制单元1与I/P电气转换单元2、微型压力传感器、故障诊断单元4相连接，微型压力传感器经气动执行机构与阀位反馈单元3、故障诊断单元4、控制单元1相连接；气动执行机构与调节阀相连接，阀位反馈单元3包括相连接的阀位移/电气转换器、阀位移机械传动器，I/P电气转换单元2包括相连接的固态继电器、压电阀。故障诊断单元4由安装在调节阀膜头管线上的内嵌式微型压力传感器41，阀位移/电气转换模块32组成。气动执行器由电气阀门定位器、气动执行机构和调节阀组成；电气阀门定位器则由控制单元1、I/P电气转换单元2、阀位反馈单元3、故障诊断单元4组成。控制中心设定的4-20mA阀位给定值42、阀实时位移反馈值32输入控制单元1；经Fuzzy-PI双模无扰抑制切换算法处理后，驱动I/P电气转换单元2的固态继电器21、压电阀22；任何时刻压电阀A，B之间只能有一个开通，而另一个则必须关闭，因此压电阀实际上是气动调节阀的先导阀，若阀A开通，压缩空气进入调节阀膜头，阀杆下移，反之亦然；阀位移由阀位反馈单元3实时反馈至控制单元1。控制单元1依据阀位给定值42调节阀膜头管线压力传感器的膜头压力41、阀位移32进行故障诊断。

如图3所示，控制单元1的内部模块连接关系为：硬件平台基于32位ARM9的S3C2410芯片11分别与网络控制芯片CS8900A(12)、AD转换芯片ADC0808(14)、触摸屏LQ30B7DD01(13)、I/P电气转换单元2相连接。软件平台则基于ARM_Linux。人机交互采用Sharp触摸屏LQ30B7DD01(13)技术代替键盘，控制中心输出的阀位给定值、调节阀阀位反馈值、调节阀膜头压力通过AD转换芯片ADC0808(14)与S3C2410相连；控制单元的运算结果输出至I/P电气转换单元(2)，实现调节阀开度(流量)的控制。CPU S3C2410是一个由Advanced RISC Machines(ARM)有限公司设计的16/32位ARM920T RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，每个都是由8字长的行(line)构成。通过提供一系列完整的系统外围设备，S3C2410大大减少了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的开销，它集成了以下片上功能：

●1.8V/2.0V内核供电，3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电；

●具备16KB的I-Cache和16KB的D-Cache/MMU；

●外部存储控制器(SDRAM控制和片选逻辑)

●LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)提供1通道LCD专用DMA

●4通道DMA并有外部请求引脚。

●3通道UART(IrDA1.0，16字节Tx FIFO，和16字节Rx FIFO)/2通道SPI

●1通道多主IIC-BUS/1通道IIS-BUS控制器。

●兼容SD主接口协议1.0版和MMC协议2.11兼容版。

●2端口USB主机/1端口USB设备(1.1版)

●4通道PWM定时器和1通道内部定时器

●看门狗定时器

●117个通用I/O口和24通道外部中断源。

●功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式。

●8通道10比特ADC和触摸屏接口

●具有日历功能的RTC

●具有PLL片上时钟发生器

如图4-a、4-b所示，根据气动执行器所处工艺环境的实际压降比、工作介质和环境温度，基于调节阀工作流量特性畸变的机理进行工作流量计算、或现场实测阀位与工作流量之间的关系，参照阀位与阀固有流量之间的关系，校正阀门定位器的输入信号，并以校正后的阀位移输入信号修正调节阀阀位，使工作流量特性与固有流量特性吻合。调节阀固有流量特性是在压降比1.0，阀前后压差0.1MPa，工作介质H₂O，环境温度20℃条件下测得的；所谓压降比是指调节阀全开状态下的阀上压降ΔP_vmin与阀所处工艺管域的总压降ΔP_s之比，即S＝ΔP_vmin/ΔP_s。调节阀的固有流量特性归一化表达式Q/Q_max＝f(L/L_max)，式中L、L_max，Q、Q_max分别代表阀开度(阀位)、最大阀开度，阀流量、最大阀流量，流量特性f则与阀芯轮廓曲线有关，常见的有线性、等百分比、快开三种。如图2所示，气动执行器的流量特性＝定位器流量特性*调节阀流量特性，改变定位器流量特性就可以提供气动执行器整体的多种流量特性和作用方向，文献[1][2]对此作了充分叙述，发达国家定位器均将此列入产品标配功能；鉴于工作介质、环境温度对环境流量特性的影响已有充分论述，可参阅流量积标方面的相关专利和文献，上述两点属公知知识范畴；因此本专利仅讨论压降比变化对流量特性畸变的影响。调节阀安装在工艺管线上，本质上是具有可变流量系数的液阻器件，假设工艺管线两端总压降不变，管线沿程阻力和节流器件阻力都会随流量变化。图4-a，b表明，全开时阀上压降与工艺管线总压降值之比S越小，阀工作流量特性畸变越严重。由流体力学原理不难得到阀工作流量F(L/L_max)，固有流量f(L/L_max)，压降比S三者之间的关系：

F (L / L_{\max}) = f (L / L_{\max}) \sqrt{\frac{1}{{(1 - s)}^{2} f^{2} (L / L_{\max}) + s}} - - - (*)

工作流量特性畸变校正的算法如下：

●查阅生产商资料，得到调节阀固有流量特性f(L_i/L_max)，1≤i≤N，L_i+1＞L_i，L_N＝L_max；以表格形式存储结果。

●指定S值，由(*)计算(或实测)工作流量。

●由控制中心的阀位给定值L^*(L^*∝4-20mA信号)，查固有流量特性表，得Q^*/Q_max。

●从指定S值的工作流量特性表查找：Q_i/Q_max＜Q^*/Q_max＜Q_i+1/Q_max，逆推流量特性畸变校正所需要的阀位值

L^{'} = L_{i} + ((L_{(i + 1)} - L_{i}) / (Q_{i + 1} - Q_{i})) * (Q_{i}^{*} - Q_{i}),

用阀位值L′替换L^*作为阀门定位器的阀位输入。

如图4-c所示，曲线(a)为未校正的工作流量畸变值，曲线(b)则为校正后的工作流量特性，显然校正后的工作流量特性的线性度得到明显改善。

下表为某线性阀校正前后工作流量特性数据对比表。

相对开度	L/L_max(％)	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
相对开度	L/L_max(％)	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	未校正	Q/Q_max(％)	4.3	14.5	24.3	33.7	42.0	50.1	56.1	60.2	64.4	66.7	69.3
校正后	Q^*/Q_max(％)	4.0	12.4	18.8	25.8	32.4	38.4	45.7	51.6	59.4	65.6	69.8	未校正	Q/Q_max(％)	4.3	14.5	24.3	33.7	42.0	50.1	56.1	60.2	64.4	66.7	69.3

必须指出：调节阀工作流量特性畸变校正与气动执行机构整体多种流量特性是相容的。如果把调节阀固有流量特性改为另一期望的固有流量特性，此时采取将阀位L₁校正为L₂；如果同时考虑消除工作流量特性畸变，则以L₂为基准将其校正为L₃，即通过对阀位给定值的两次校正达到上述目标。工作介质、环境温度对流量特性影响的校正，其技术思路如出一辙。

如图5所示，数字电气阀门定位方法是通过Fuzzy-PI双模无扰切换方法5控制调节阀开度，阀位控制不仅具有良好的鲁棒和动态响应性能，而且具有精确的稳态跟踪性能。误差较大时采用Fuzzy方法51，误差较小时则采用PI方法52，Fuzzy-PI双模无扰切换方法5是由Fuzzy-PI判别模块53选择，Fuzzy-PI双模方法结果由无扰切换模块54处理后，以不同宽度的脉冲形式输出至I/P电气转换单元2的固态继电器G3F/G3FD(21)，控制压电阀22的占空比；无扰切换模块54消除了Fuzzy-PI模式切换时对调节阀开度以及控制系统的干扰。气动调节阀膜头气压受供气压力和环境温度等外界因素的影响，同时调节阀的工作载荷又具有时变和不确定性，因此建立精确的气动调节阀位数学模型十分困难。借鉴过程控制领域的Fuzzy-PI双模控制算法，使调节阀阀位变量控制具有优异的动态和稳态性能；Fuzzy-PI控制模式切换时的扰动，则由无扰切换模块予以消除。电气阀门定位器的给定值(调节阀阀位)由系统的控制中心输入，并与调节阀阀位测量环节反馈值比较，模糊一比例积分判决环节根据两者的偏差e(e＝r-1)绝对值大小，作出选择模糊控制模式算法，或选择比例积分模式算法。当|e|大于指定阀值时，采用CRI推理查表模糊控制算法；反之则应用比例积分算法。CRI算法以e和e的变化率作为输入变量，因此CRI本质上是一种模糊比例-微分算法，用于控制时变和不确定性的气动调节阀阀杆位移十分有效，其动态控制品质优良，但稳态控制品质欠佳；而比例-积分模式算法正好与CRI相反，将PI和CRI两种策略结合起来的双模算法，兼顾了气动调节阀阀杆位移的动静态控制品质两方面要求。必须指出，CRI和PI控制模式切换时，CRI输出K₁和PI输出的K₂之间的差异会导致对气动调节阀阀位移，以及受控工艺参数的干扰，无扰切换模式跟踪Fuzzy-PI双模控制算法的输出值，通过限制输出量U的改变量Δu的方法实现无扰切换。

如图6所示，初始化中设定P、I参数，PI和Fuzzy模式切换时的偏差阀值；形成Fuzzy控制规则和查询表；|e|＞偏差阀位则进行CRI，反之PI；无扰切换模式输出u，实现固态继电器占空比的控制。

如图7所示，所述的阀位移/电气转换器的电路为：第一定值电阻R4经第一可调电阻R2与磁敏电位器R1、第二可调电阻R3、第二定值电阻R5一端相连接，磁敏电位器R1是一种无接触式电位器。磁敏电位器是由永久磁铁和转盘构成的磁路空隙中，配置二块相互作用的磁敏电阻板，磁敏电阻板是由锑化铟制成的半导体器件，其特性几乎是纯电阻性的，每个磁敏电阻板二极的阻值大小取决与穿过磁敏电阻板的磁场强度，当磁场发生变化时，其阻值与磁场强度成正比变化。其等效电路如图8所示。

故障诊断依据阀位给定位、阀位反馈位、阀膜头压力三者的内在关系，运用规则基知识推理进行。提供解卡操作时由用户选择释放或部分释放模头压力的功能，进一步提高了阀门定位器的稳定性、可靠性以及控制品质。以控制中心的阀位给定值增大而气关调节阀出现阀位卡死故障为例，因阀位偏差无法消除，控制中心的阀位给定值必然不断增大，而阀膜头压力趋向气源压力上限，此时的规则基知识推理如下：

If阀位给定值＞阀值1 and阀膜头压力＞阀值2 and阀位反馈值＜阀值3

then阀位卡死报警

else......

操作工确认故障后，由用户选择释放或部分释放膜头压力，然后进行解卡操作。

Claims

1.一种数字电气阀门定位器，其特征在于控制单元(1)与I/P电气转换单元(2)、微型压力传感器、故障诊断单元(4)相连接，微型压力传感器经气动执行机构与阀位反馈单元(3)、故障诊断单元(4)、控制单元(1)相连接；气动执行机构与调节阀相连接，阀位反馈单元(3)包括相连接的阀位移/电气转换器、阀位移机械传动器，I/P电气转换单元(2)包括相连接的固态继电器、压电阀。

2.根据权利要求1所述的一种数字电气阀门定位器，其特征在于所述的控制单元(1)的内部模块连接关系为：硬件平台基于32位ARM9的S3C2410芯片(11)分别与网络控制芯片CS8900A(12)、AD转换芯片ADC0808(14)、触摸屏LQ30B7DD01(13)、I/P电气转换单元(2)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种数字电气阀门定位器，其特征在于所述的阀位移/电气转换器的电路为：第一定值电阻R4经第一可调电阻R2与磁敏电位器R1、第二可调电阻R3、第二定值电阻R5一端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种数字电气阀门定位器，其特征在于故障诊断单元(4)由安装在调节阀膜头管线上的内嵌式微型压力传感器(41)，阀位移/电气转换模块(32)组成。

5.一种数字电气阀门定位方法，其特征在于通过Fuzzy-PI双模无扰切换方法(5)控制调节阀开度，误差较大时采用Fuzzy方法(51)，误差较小时则采用PI方法(52)，Fuzzy-PI双模无扰切换方法(5)是由Fuzzy-PI判别模块(53)选择，Fuzzy-PI双模方法结果由无扰切换模块(54)处理后，以不同宽度的脉冲形式输出至I/P电气转换单元(2)的固态继电器G3F/G3FD(21)，控制压电阀(22)的占空比；无扰切换模块(54)消除了Fuzzy-PI模式切换时对调节阀开度以及控制系统的干扰。