CN103256419B - 一种用于普通电动阀门的无振荡高灵敏度控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于普通电动阀门的无振荡高灵敏度控制器及其控制方法，其中该控制器结构为，以单片机为控制核心，外围电路采用包括阀位控制信号输入模块、阀位反馈信号输入模块、存储模块、“WatchDog”模块、电源模块、LED/LCD显示模块、控制参数设置模块、电机驱动模块、阀位反馈信号输出模块分别与单片机连接。本发明能最大限度地提高普通电动阀门的调节灵敏度，而且完全消除了电动阀门在使用过程中出现振荡的可能性，本发明能够从根本上解决了电动阀门调节灵敏度与调节精度两者之间固有的矛盾，特别是在小通径电动阀门的开度调节方面具有同类产品不可比拟的优势。

Description

一种用于普通电动阀门的无振荡高灵敏度控制器及其控制方法

技术领域

本发明属自动化仪表技术领域，具体地说是一种能够对普通电动阀门实现无振荡高灵敏度调节的控制器及其控制方法。

背景技术

电动阀门由阀门和电动执行器（Electronic Actuator）组成，电动执行器由电机、减速机构、限位机构、过力矩保护机构及位置反馈装置等部件组成。电动执行器使用电能作为驱动力，控制阀门完成开关或调节动作，从而实现对管道介质进行开关或调节的目的。

电动阀门具有能源取用方便、信号传输速度快、传输距离远、便于集中控制、灵敏度和精度较高、与电动调节仪表配合方便以及安装接线简单等优点，因此被广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保、轻工、教学和科研设备等行业的工业过程自动控制系统中。

电机是电动阀门开度调节的动力装置，电机按功能划分可分为驱动用电机和控制用电机。控制用电机有伺服电动机和步进电动机等类型，该类电机成本较高，控制接口相对复杂，对使用和维护有较高的要求。驱动用电机成本低，控制接口简单，使用和维护非常方便，因此在实际应用中，以驱动用电机为动力的普通电动阀门占有很大比例。

电动阀门有不同的分类方式，如果按公称通经分类，公称通径DN≤40mm的阀门属于小通径阀门，全行程时间有5秒、10秒、15秒、30秒、60秒、120秒等类型，该类阀门具有体积小、重量轻、连线简单、调节精度较高等特点。

电动阀门控制器是上位控制系统与电动执行器的接口单元，接受上位控制系统输入的4-20mA（1-5V）或0-20mA（0-5V）等标准信号，该信号对应阀门从全关到全开的整个行程。具有开度调节功能的电动阀门使用电位器或标准电流信号作反馈，与可接受电位器反馈信号或标准电流信号的控制器配套使用。

电动阀门控制器通常以单片机为控制核心（如图1所示），通过A/D转换器采集上位控制系统输入的阀门开度控制信号及阀门的位置反馈信号并进行比较。当输入信号大于反馈信号时，电机正转，阀门开度增大；当输入信号小于反馈信号时，电机反转，阀门开度减小；当输入信号与反馈信号相等时（或小于死区时），电机停止转动。在阀门开度的调节过程中，该类控制器采用的是闭环控制的工作方式。

为了保证阀门开关的定位精度，须调节控制器的灵敏度范围。灵敏度范围小，定位精度高，但容易产生振荡。灵敏度范围大，不容易产生振荡，但定位精度低。因此，现有的电动阀门控制器难以同时兼顾控制的灵敏度和定位精度。在实际使用时，只能在两者之间找到相对平衡，但即使是通过调整投入正常使用的阀门，在使用一段时间后，由于机械磨损等原因，阀门的定位精度与灵敏度会发生变化，当阀门的定位精度与灵敏度之间的平衡被破坏后，阀门便难以满足控制要求，严重时电动执行器会出现振荡，结果导致齿轮来回转动、电机发热甚至设备损坏。

发明内容

本发明的目的是针对电动阀门控制技术存在的上述缺陷提出了一种新的解决方案，该解决方案能最大限度地提高普通电动阀门的调节灵敏度，而且完全消除了电动阀门在使用过程中出现振荡的可能性，本发明能够从根本上解决电动阀门调节灵敏度与调节精度两者之间固有的矛盾，特别是在小通径电动阀门的开度调节方面具有同类产品不可比拟的优势。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

一种用于普通电动阀门的无振荡高灵敏度控制器，该控制器以单片机为控制核心，外围电路采用包括阀位控制信号输入模块、阀位反馈信号输入模块、存储模块、“WatchDog”模块、电源模块、LED/LCD显示模块、控制参数设置模块、电机驱动模块、阀位反馈信号输出模块，以上模块分别与单片机连接。

该控制器可接受上位控制系统（如PLC、DCS、计算机、智能仪表等）输入的4-20mA（1-5V）或0-20mA（0-5V）等标准信号，该输入信号对应阀门从全关到全开整个行程的相应位置。

该控制器在进行阀门开度调节时，将本次输入信号与上次输入信号的增减量换算成电机通电时间的长短，通电时间一到立即切断电机的供电电源，从而达到阀门开度调节的目的，在阀门开度的调节过程中，控制器采用的是开环控制的工作方式；控制器在阀门开度调节完成后，再采集阀门的位置反馈信号，并将该信号回传给上位控制系统，上位控制系统将该信号作为下一次阀门开度调节输出信号的基准值。

本发明特点之一是，该控制器通过控制电机的通电时间来实现阀门的开度调节。在进行阀门的开度调节时，控制器将本次输入信号与上次输入信号的增减量换算成电机通电时间的长短，通电时间一到立即切断电机的供电电源，从而达到阀门开度调节的目的。由于控制时间一到便切断了电机的供电电源，所以从根本上消除了电动执行器出现振荡的可能性。

本发明特点之二是，该控制器具有控制参数的设置功能。控制参数主要包括电动阀门的全行程时间、电动阀门的最小动作时间（死区）。由于可以通过控制参数设置模块设置电动阀门的最小动作时间（死区），因此能最大限度地提高电动阀门的控制灵敏度。

本发明特点之三是，该控制器在阀门开度的调节过程中，采用的是开环控制的工作方式。在进行阀门开度调节时，只要电机的通电时间未到，控制器并不采集阀门的位置反馈信号。只有在电机的通电时间到后，即本次阀门开度调节完成后，控制器再采集阀门的位置反馈信号，并将该信号回传给上位控制系统，上位控制系统将该信号作为下一次阀门开度调节输出信号的基准值。

附图说明

图1为现有技术结构示意图（闭环控制）；

图2是本发明的电动阀门无振荡高灵敏度控制器结构示意图（开环控制）。

具体实施方式

如图2所示：本发明的电动阀门无振荡高灵敏度控制器以单片机为控制核心，各功能模块包括阀位控制信号输入模块、阀位反馈信号输入模块、存储模块、“WatchDog”模块、电源模块、LED/LCD显示模块、控制参数设置模块、电机驱动模块、阀位反馈信号输出模块分别与单片机连接。其中，阀位控制信号输入模块及阀位反馈信号输出模块用于和上位机实现阀位信息交换；参数设置模块用于完成电动阀门的全行程时间、电动阀门的最小动作时间（死区）等主要控制参数的设置；电机驱动模块实现单片机对电动阀门的开关控制，是电机的接口控制单元；存储模块用于保存控制器的运行参数；“WatchDog”模块实现控制器防死机功能；LED/LCD显示模块用于显示控制器的工作状态。

本控制器的控制方法是通过阀位控制信号输入模块接受上位控制系统（如PLC、DCS、计算机、智能仪表等）输入的4-20mA（1-5V）或0-20mA（0-5V）等标准信号。由于同一种规格型号的电动阀门开关的全行程时间是相对固定的，因此在进行阀门开度调节时，可以将本次阀门开度调节的信号增量换算成电机通电工作的时间长短，通过控制电机电源的正反向接通时间即可达到阀门开度调节的目的。由于控制时间一到便切断了电机的供电电源，所以从根本上消除了电动执行器出现振荡的可能性。

以全行程时间为30秒的电动阀门为例，假设该电动阀门的最小动作时间设置为t，控制器接受上位控制系统输入的4-20mA（1-5V）标准控制信号，并通过A/D转换器实时采集该信号，假设该信号的增量为ΔV，则电机的通电时间T=|ΔV|×30×1000/4（毫秒）,具体控制算法如下：

1）当ΔV＞0且T＞t时，本控制器控制电机正转，通电时间为T。

2）当ΔV＞0且T≤t时，本控制器控制电机正转，通电时间为t。

3）当ΔV＜0且T＞t时，本控制器控制电机反转，通电时间为T。

4）当ΔV＜0且T≤t时，本控制器控制电机反转，通电时间为t。

5）通电时间一到，即切断电机的供电电源，控制器采集阀门的实际位置反馈信号，并将该信号回传给上位控制系统。

6）上位控制系统将该阀门位置反馈信号作为阀门下一次开度调节输出控制信号的基准值。

Claims (2)

1.一种用于普通电动阀门的无振荡高灵敏度控制器，连接上位控制系统及位置反馈型电动阀门，其特征在于，该控制器由单片机以及与单片机连接的阀位控制信号输入模块、阀位反馈信号输入模块、阀位反馈信号输出模块、存储模块、“WatchDog”模块、电源模块、LED/LCD显示模块、控制参数设置模块、电机驱动模块组成，阀位控制信号输入模块、阀位反馈信号输出模块与上位控制系统连接，电机驱动模块、阀位反馈信号输入模块与驱动阀门的电动执行器连接。

2.一种根据权利要求1所述的用于普通电动阀门的无振荡高灵敏度控制器的控制方法，其特征在于，该控制器在进行阀门开度调节时，将上位控制系统本次输入信号及上次输入信号的增减量换算成电机通电时间的长短，通过控制通电时间达到阀门开度调节的目的，在阀门开度的调节过程中，控制器采用开环控制方式，在阀门开度调节完成后，再采集阀门的位置反馈信号并回传给上位控制系统，上位控制系统将该信号作为下一次阀门开度调节输出信号的基准值。