CN101858457A

CN101858457A - 一种智能电气阀门定位器及控制系统

Info

Publication number: CN101858457A
Application number: CN 201010132804
Authority: CN
Inventors: 潘辉义; 潘琳琳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-10-13

Abstract

本发明公开了一种智能电气阀门定位器及控制系统，包括外、内闭环控制回路，内闭环控制回路包括PWM脉宽调制输出的整形模块，电压放大模块，压电陶瓷阀，差动薄膜气缸，比较器等，从比较器输出的偏差信号依次经过电压放大模块放大后驱动压电陶瓷阀、压电阀则按驱动电压的高低控制差动薄膜气缸上腔的压力P₁，压差传感器检测差动薄膜气缸上下腔的压力差信号，经过A/D模数转换送入比较器；外闭环控制回路包括位移传感器，驱动气缸，伺服阀，A/D模数转换等，由位移传感器测得的驱动气缸输出轴位置信号经过模数转换后与控制指令信号相比较，得到的偏差信号经过控制算法输入到内闭环控制回路，经过内闭环控制回路响应后再经过主弹板输出到伺服阀控制驱动气缸工作。

Description

一种智能电气阀门定位器及控制系统

技术领域

本发明涉及一种定位器及控制系统，尤其是指一种智能电气阀门定位器及控制系统。

背景技术

在自动控制系统中，电动调节器或DCS输出的控制信号4～20mA DC，经电——气转换，变成气动信号，作用于调节阀膜头上或工作气缸，推动调节阀阀芯动作，执行自动调节功能，阀门定位器的作用在于，将气动调节阀执行器的输出位移反馈回来，随时与其输入量信号进行比较，修正输出，以提高调节系统精确度，消除执行机构中特性不稳定部件对系统特性的影响，克服机械性干摩擦的影响，增加阀杆的移动速度，提高调节系统的响应速度，增加推动作用的动力，以达到改善调节系统的静态特性和动态特性。

目前，西方工业发达国家生产的智能电气阀门定位器内均设有微处理器，支持智能通讯，通讯的方式有HART通信和Profibus、FF总线通信，通过通信，可以把所有智能阀门定位器初始化的参数及其他参数上传到DCS自动控制系统中，并加以保存，智能阀门定位器还具有故障诊断功能，以及防止电磁干扰、参数液晶显示等优势，已经在过程工业，特别是在炼油、化工、轻工、石油化工生产装置中得到广泛地应用。SAMSON的3730、FISHER的DVC6000、DVC2000、METSO NELES的ND9000、SIEMEN的PS2、FOXBORO的SRD991、YAMATAKE、的SVP3000、YOKOGAWA的FVP等市售产品深受欢迎，销量大，市场占有率高，美中不足在于，现有的智能电气阀门定位器的电气转换器和气动放大器容易出故障，在工业生产中，仪表用气源，由于工程设计或生产操作不当，气源中的水、油、尘粒难以除净，由于节流孔的直径仅为0.3mm，喷嘴孔的直径仅为0.9mm，容易堵塞，气体流动不畅，这类阀门定位器运行不好的故障，时有发生，影响生产过程自动化系统的运行。

该项目同类产品国内仅有四家公司生产，其中三家是仿德国西门子公司产品的原理制造，另一家是仿日本山武公司产品制造。世界生产智能电气阀门定位器仅有近十年的历史，现国内所用该类产品基本上是由国外进口。椐调查市场公认的五大家知名智能电气阀门定位器生产厂家有五个，分别是美国的Fisher、Foxboro、德国的Siemens、Samson和芬兰的Neles，而这五家特点分别如下：

A)采用双闭环控制系统的只有芬兰Neles公司，但其内闭环的伺服阀阀芯位置测量是采用位移传感器。其他四家是采用单闭环控制系统。

B)前置放大器(I/P转换器)采用喷嘴挡板加力矩马达的有四家，只有Siemens公司利用压电陶瓷阀(piezo压电阀)。

C)二次放大器采用伺服阀的有美国Fisher和芬兰的Neles，采用比例放大器的有美国的Foxboro和德国的Samson，而Siemens公司是采用双开关阀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能电气阀门定位器及控制系统，内设有CPU，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种智能电气阀门定位器，包括壳体，所述壳体上设有隔爆腔，电缆接头，精密过滤器，减压阀，普通腔，伺服阀，P_b输出接口，Ps气源接口，Pa输出接口，主弹板，差动薄膜气缸，压差传感器，CPU及线路板，液晶显示器，操作键，位移传感器，其特征在于：所述压差传感器，CPU及线路板，液晶显示器，操作键，压电陶瓷阀，位移传感器安装在隔爆腔内，所述减压阀，伺服阀，主弹板，差动薄膜气缸安装在普通腔中。

一种智能电气阀门定位器控制系统，所述系统包括双闭环回路控制系统，所述双闭环回路控制系统包括外闭环控制回路和内闭环控制回路，其特征在于：所述内闭环控制回路包括PWM脉宽调制输出的整形模块，电压放大模块，压电陶瓷阀，差动薄膜气缸，压差传感器，比较器，从所述比较器输出的偏差信号依次经过电压放大模块放大后驱动压电陶瓷阀、压电阀则按驱动电压的高低控制差动薄膜气缸上腔的压力P₁，所述压差传感器检测差动薄膜气缸上下腔的压力差信号，经过A/D模数转换送入比较器；所述外闭环控制回路包括位移传感器，驱动气缸，伺服阀，A/D模数转换，第二比较器，由位移传感器测得的驱动气缸输出轴位置信号经过模数转换后与控制指令信号相比较，得到的偏差信号经过控制算法输入到内闭环控制回路，经过内闭环控制回路响应后再经过主弹簧板输出到伺服阀控制驱动气缸工作。

其中，所述隔爆腔和普通腔通过阻火器隔离。

其中，所述CPU及电路板分别接收位移传感器信号，指令信号，压差传感器信号进行比较和控制算法处理，并与液晶显示器与键盘相连。

其中，所述主弹板的一端铰接在壳体上，另一端与伺服阀阀芯活动连接，所述差动薄膜气缸的驱动杆与所述主弹板的中部活动连接，通过所述差动薄膜气缸的驱动杆的移动使伺服阀阀芯移动。

其中，所述压电陶瓷阀采用比例式压电陶瓷阀。

其中，所述位移传感器为角位移传感器。

其中，所述内闭环回路采用了压差传感器测量伺服阀阀芯位移。

相比于常见的阀门定位器及控制系统，本发明的有益效果在于提供一种智能电气阀门定位器及控制系统，本发明具有自校准、自适应、自诊断功能，内设有CPU，有着其响应迅速，结构小巧、重量轻、耗气少、精度高、工作稳定、使用寿命长的特点，是现代技术和新的电子、气动元件的完美结合，具有很高的推广价值，具有很好的市场前景。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明的零部件布局示意图；

图3是本发明的控制系统示意图；

图4是发明的差动薄膜气缸、主弹板和伺服阀的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图2是本发明的零部件布局示意图，如图2所示，本发明的结构主要包括壳体1，隔爆腔2，电缆接头3，精密过滤器4，减压阀5，普通腔6，伺服阀7，P_b输出接口8，Ps气源接口9，Pa输出接口10，主弹板11，差动薄膜气缸12，压差传感器13，CPU及线路板14，液晶显示器15，操作键16，位移传感器18，其中隔爆腔2位于壳体1的右下角，而壳体1与隔爆腔2之间形成普通腔6，压差传感器13、CPU及线路板14，液晶显示器15，操作键16，压电陶瓷阀17，位移传感器18均安装在隔爆腔2内，减压阀5，伺服阀7，主弹板11，差动薄膜气缸12安装在普通腔6中，这样使伺服阀与电器元器件在布局上相互分开安装，便于伺服阀的安装和拆卸。如图4所示，在普通腔6中，主弹板11的一端铰接在壳体1上，另一端与伺服阀的阀芯19活动连接，所述差动薄膜气缸的驱动杆与所述主弹簧板的中部活动连接，通过所述差动薄膜气缸的驱动杆的移动使伺服阀阀芯移动。

图1是本发明的工作原理示意图，图3是本发明的控制系统示意图；如图1与图3所示，该发明的控制系统采用双闭环控制系统，所述外闭环控制回路包括位移传感器，驱动气缸，伺服阀，A/D模数转换，第二比较器，外界指令信号经过线性化处理、定性处理和限位处理后，输入微处理器中，与由位移传感器测得的驱动气缸输出轴位置信号经过模数转换后的反馈信号相比较得到偏差信号，得到的偏差信号经过控制算法输入到内闭环控制回路，经过内闭环控制回路响应后，再经过差动薄膜气缸与主弹板11输出到伺服阀，从而控制驱动气缸工作，而位移传感器检测驱动气缸的位置信号经过模数转换以后作为反馈信号与指令信号做下一次比较。

内闭环控制回路接收到外闭环输入的偏差信号后，与内闭环的反馈信号进行比较，然后依次经过PWM脉宽调制输出的整形模块，电压放大模块，从而驱动压电陶瓷阀17，而压电陶瓷阀17则按驱动电压的高低控制差动薄膜气缸上腔的压力P₁，从而驱动差动薄膜气缸的驱动杆动作，再经过主弹板11带动伺服阀阀芯19动作，从而将信号传递到外闭环，同时压差传感器13检测差动薄膜气缸12上下腔的压力差信号，并经过模数转换后，作为内闭环的反馈信号，输入到内闭环的比较器中。

在该发明中，外闭环与内闭环指令信号与反馈信号的比较，外闭环中信号经控制算法的处理均在如图3所示的微处理器中完成，同时微处理器还与液晶显示器和键盘连接，以进行相关参数和状态的显示。

本发明在技术上的重要特点，在于定位器的控制系统中采用双闭环控制系统，应用了自制伺服阀7，采用了比例式压电阀17、取代气动节流孔、喷嘴一挡板结构。

压电阀17和差压传感器13体积小、重量轻，装配方便、容易，不仅降低阀门定位器的自身重量，减少其体积，对隔爆结构处理带来了方便。

伺服阀是精度高、响应快、性能稳定、耐用的功率放大元件，适用范围广，伺服阀的阀芯又可更换，对于需要排气量小的系统，可选用φ4mm阀芯的伺服阀，对于需要排气量大的系统，可选用中φ6mm阀芯的伺服阀，不同阀芯尺寸的伺服阀的外形，连接关系，尺寸相同，为定位器的设计、制造、组装带来了方便。

电气阀门定位器所用功率放大器，各个厂家的产品并不相同，如SIEMENS产品采用双开关放大器，容易磨损，难于调整，如SAMSON产品，采用比例放大器，其工作稳定，响应速度慢，精度低，而本发明采用伺服阀7进行功率放大，又设有减压阀5，即在内部加有定值器，其好处不仅工作稳定，响应速度快，故障率降低，又进一步提高了其控制精度。

本发明采用压电阀，不用节流孔、喷嘴、挡板类元件，使其故障率大为降低。市场上销售的PIEZ0压电阀有两种：一种为比例式压电阀、另一种是开关式压电阀。

比例式压电阀的优点是响应速度快，动态性能好，使用寿命长，本发明采用此种压电阀，控制差动薄膜气缸上腔的压力。

市售SIEMENS公司智能电气阀门定位器利用开关式压电阀，而且是采用两只压电阀，每只压电阀控制两个开关阀，一个开关阀控制驱动气缸一端进气，另一个开关阀控制驱动气缸的另一端排气，其作用是一只压电阀控制输出旋转轴正向旋转，而另一只压电阀控制输出旋转轴的反向旋转，共用四个开关阀，两只压电阀交替工作，SIEMENS公司产品采用单闭环控制系统，其功率放大部分由上述四个开关阀完成。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种智能电气阀门定位器，包括壳体(1)，所述壳体(1)上设有隔爆腔(2)，电缆接头(3)，精密过滤器(4)，减压阀(5)，普通腔(6)，伺服阀(7)，P_b输出接口(8)，Ps气源接口(9)，Pa输出接口(10)，主弹板(11)，差动薄膜气缸(12)，压差传感器(13)，CPU及线路板(14)，液晶显示器(15)，操作键(16)，位移传感器(18)，其特征在于：所述压差传感器(13)，CPU及线路板(14)，液晶显示器(15)，操作键(16)，压电陶瓷阀(17)，位移传感器(18)安装在隔爆腔(2)内，所述减压阀(5)，伺服阀(7)，主弹板(11)，差动薄膜气缸(12)安装在普通腔(6)中。

2.一种智能电气阀门定位器控制系统，所述系统包括双闭环回路控制系统，所述双闭环回路控制系统包括外闭环控制回路和内闭环控制回路，其特征在于：所述内闭环控制回路包括PWM脉宽调制输出的整形模块，电压放大模块，压电陶瓷阀(17)，差动薄膜气缸(12)，压差传感器(13)，比较器，从所述比较器输出的偏差信号依次经过电压放大模块放大后驱动压电陶瓷阀(17)、压电陶瓷阀(17)则按驱动电压的高低控制差动薄膜气缸上腔的压力P₁，所述压差传感器检测差动薄膜气缸(12)上下腔的压力差信号，经过A/D模数转换送入比较器；所述外闭环控制回路包括位移传感器，驱动气缸，伺服阀，A/D模数转换，第二比较器，由位移传感器测得的驱动气缸输出轴位置信号经过模数转换后与控制指令信号相比较，得到的偏差信号经过控制算法输入到内闭环控制回路，经过内闭环控制回路响应后再经过主弹簧板输出到伺服阀控制驱动气缸工作。

3.根据权利要求1所述的智能电气阀门定位器，其特征在于：所述隔爆腔(2)和普通腔(6)通过阻火器隔离。

4.根据权利要求1所述的智能电气阀门定位器，其特征在于：所述CPU及电路板(14)分别接收位移传感器(18)，指令信号，压差传感器(13)信号进行比较和控制算法处理，并与液晶显示器(15)和键盘相连。

5.根据权利要求1或3或4所述的智能电气阀门定位器，其特征在于：所述主弹板(11)的一端铰接在壳体(1)上，另一端与伺服阀阀芯(19)活动连接，所述差动薄膜气缸(12)的驱动杆与所述主弹板(11)的中部活动连接，通过所述差动薄膜气缸(12)的驱动杆的移动使伺服阀阀芯(19)移动。

6.根据权利要求2所述的智能电气阀门定位器控制系统，其特征在于：所述压电陶瓷阀(17)采用比例式压电陶瓷阀。

7.根据权利要求1所述的智能电气阀门定位器，其特征在于：所述位移传感器(18)为角位移传感器。

8.根据权利要求2所述的智能电气阀门定位器控制系统，其特征在于：所述位移传感器(18)为角位移传感器。

9.根据权利要求2所述的智能电气阀门定位器控制系统，其特征在于：所述内闭环回路采用了压差传感器测量伺服阀阀芯位移。