CN103383577A - 一种调压阀压力调节控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种调压阀压力调节控制系统，包括压力调节控制上位计算机、压力调节cRIO实时控制器、调压阀压力传感器、调压阀开度传感器、调压阀电液伺服阀、液压总电磁阀和直流电源。本发明通过实时控制器CPU根据采集到的传感器数据与调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作比较，再通过D/A模块向调压阀电液伺服阀发送指令，改变调压阀阀门开度，从而调节调压阀阀后压力，实现调压阀阀后压力快速稳定和精确调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种调压阀压力调节控制系统，适用于液压驱动型调压阀阀后压力调节。
背景技术
大型风洞或流体设备中，一般配置有大型调压阀进行快速且精确压力调节。由于阀门口径较大，阀门驱动形式一般采用液压进行驱动。而目前调压阀压力调节控制系统多直接采用工控机或PLC进行控制。
调压阀压力调节控制系统直接采用工控机进行控制方式，通常将普通工控机放置于中心控制间内，将所有信号直接引入中心控制间，测控任务均由工控机来独立完成，这种类型的系统叫做集中控制系统。这种集中控制系统完全能满足小型风洞的测控需要。现如今建造的大型风洞，风洞试验室的面积大，测量与控制对象比较分散，离中心控制间比较远，如果仍然采用集中控制系统进行控制，就会存在以下几方面的问题：
①测量与控制电缆均需进出中心控制间，电缆数量多，距离长，造价高，而且给风洞调试与检修带来不便；
②模拟信号经过长距离传输，线路损失大，而且难以解决信号的干扰问题，降低了系统工作的可靠性；
③工控机插槽十分有限，不利于测控系统进行扩充，因而造成测控系统的扩展性差。
调压阀压力调节控制系统直接采用PLC进行现场控制方式，可以解决大型设备带来上述问题，但是PLC由于浮点计算能力较弱，不能很好地进行复杂的闭环控制算法，难于实现调压阀快速和精确压力调节。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种调压阀压力调节控制系统，既满足大型风洞控制系统要求，又能提供高性能实时闭环控制，能够很好地解决调压阀快速和精确的压力调节。
本发明的技术解决方案是：
一种调压阀压力调节控制系统，包括：压力调节控制上位计算机、压力调节cRIO实时控制器、调压阀压力传感器、调压阀开度传感器、调压阀电液伺服阀、液压总电磁阀和直流电源；
压力调节控制上位计算机包括参数设置模块、TCP/IP数据通信模块和存储模块；压力调节cRIO实时控制器包括实时控制器CPU、A/D模块、D/A模块、DI模块和DO模块；
直流电源为压力调节cRIO实时控制器、调压阀压力传感器和调压阀开度传感器提供电源。
DI模块采集外部输入的使能信号并输出给实时控制器CPU，实时控制器CPU将该使能信号发送给压力调节控制上位计算机，压力调节控制上位计算机接收到使能信号之后，向实时控制器CPU发送启动信号、调压阀开度目标值和调压阀压力目标值，实时控制器CPU先通过DO模块控制液压总电磁阀开启液压油路，之后再通过A/D模块采集调压阀压力传感器和调压阀开度传感器的数据，与调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作比较，再通过D/A模块向调压阀电液伺服阀发送指令调节调压阀的开度和压力，从而实现对调压阀的调节控制。
所述调压阀压力传感器安装在调压阀后方流体管道上，调压阀开度传感器安装在调压阀驱动液压伺服油缸上，为磁致型位移传感器。
压力调节控制上位计算机通过TCP/IP数据通信模块与压力调节cRIO实时控制器中的实时控制器CPU进行基于TCP/IP协议的数据交互。
所述调压阀开度目标值和调压阀压力目标值通过参数设置模块输入。
所述压力调节控制上位计算机通过TCP/IP数据通信模块与压力调节cRIO实时控制器中的实时控制器CPU进行基于TCP/IP协议的数据交互通过如下步骤进行：
（1）判断压力调节控制上位计算机与压力调节cRIO实时控制器的以太网端口是否连接成功，若连接成功，则进入步骤（2），否则TCP/IP数据通信模块停止工作；
（2）将参数设置模块中输入的调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作为下行数据，写入到压力调节cRIO实时控制器的以太网端口中；
（3）压力调节控制上位计算机从压力调节cRIO实时控制器的以太网端口中读取上行数据，并判断所述上行数据是否为空，若不为空，则将所述上行数据写入到存储模块中，之后进入步骤（4）；
（4）若压力调节控制上位计算机与压力调节cRIO实时控制器之间的通信正常，则返回到步骤（2），否则终止。
所述实时控制器CPU根据采集到的传感器数据与调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作比较，再通过D/A模块向调压阀电液伺服阀发送指令调节调压阀的开度和压力，从而实现对调压阀的调节控制包括两种调节方式。
一种调节方式为：实时控制器CPU将调压阀压力目标值与采集到的调压阀压力传感器数据进行差值计算，根据得到的差值，通过PID算法对调压阀电液伺服阀进行控制，从而实现对调压阀开度的调整，进而实现对调压阀压力的调整。
另一种调节方式为：实时控制器CPU将调压阀开度目标值与采集到的调压阀开度传感器数据进行差值计算，根据得到的差值，通过PID算法对调压阀电液伺服阀进行控制，从而实现对调压阀开度的调整。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明可能实现调压阀阀后压力的快速稳定，对于风洞和试验台等设备能节省压力稳定时间，减少调节前期能源损失，具有十分重要意义。
（2）本发明采用实时控制器作为控制核心，具有高可靠性，能满足高可靠性设备使用。
（3）本发明具有较好的扩展性，在以太网下可连接多个调压阀压力控制系统压力调节cRIO实时控制器，适用于大规模设备建设。
附图说明
图1为本发明系统原理结构示意图；
图2为本发明压力调节控制上位计算机TCP/IP数据通信模块流程图；
图3为本发明压力调节cRIO实时控制器调节过程示意图；
图4为本发明压力调节cRIO实时控制器多段压力调节流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提供一种调压阀压力调节控制系统，用于大型风洞或流体设备中液压驱动型调压阀阀后压力调节，确保调压阀后压力快速而精确地调节到给定压力。如图1所示为本发明的系统组成，系统主要包括压力调节控制上位计算机、压力调节cRIO实时控制器、调压阀压力传感器、调压阀开度传感器、调压阀电液伺服阀、液压总电磁阀和直流电源；
压力调节控制上位计算机包括参数设置模块、TCP/IP数据通信模块和存储模块；压力调节cRIO实时控制器包括实时控制器CPU、A/D模块、D/A模块、DI模块和DO模块；
调压阀压力传感器安装在调压阀后方流体管道上，调压阀开度传感器安装在调压阀驱动液压伺服油缸上，为磁致型位移传感器。直流电源为压力调节cRIO实时控制器、调压阀压力传感器和调压阀开度传感器提供电源。
DI模块采集外部输入的使能信号并输出给实时控制器CPU，实时控制器CPU将该使能信号发送给压力调节控制上位计算机，压力调节控制上位计算机接收到使能信号之后，向实时控制器CPU发送启动信号、调压阀开度目标值和调压阀压力目标值，实时控制器CPU先通过DO模块控制液压总电磁阀开启液压油路，之后再通过A/D模块采集调压阀压力传感器和调压阀开度传感器的数据，与调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作比较，再通过D/A模块向调压阀电液伺服阀发送指令调节调压阀的开度和压力，从而实现对调压阀的调节控制。
本发明压力调节控制上位计算机采用研华工控机，安装Windows XP操作系统，自带10/100Mbps以太网接口。工控机放置于控制间内部。上位机软件采用美国NI公司LabVIEW2012软件进行开发。包括参数设置模块、TCP/IP数据通信模块和存储模块：参数设置模块主要用于输入外部预设的参数值，比如预设的调压阀开度目标值、调压阀压力目标值和启动指令等等。
压力调节控制上位计算机通过TCP/IP数据通信模块与压力调节cRIO实时控制器中的实时控制器CPU进行基于TCP/IP协议的数据交互，通过如下步骤进行，如图2所示：
（1）判断压力调节控制上位计算机与压力调节cRIO实时控制器的以太网端口是否连接成功，若连接成功，则进入步骤（2），否则TCP/IP数据通信模块停止工作；
（2）将参数设置模块中输入的调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作为下行数据，写入到压力调节cRIO实时控制器的以太网端口中；
（3）压力调节控制上位计算机从压力调节cRIO实时控制器的以太网端口中读取上行数据，并判断所述上行数据是否为空，若不为空，则将所述上行数据写入到存储模块中，之后进入步骤（4）；
（4）若压力调节控制上位计算机与压力调节cRIO实时控制器之间的通信正常，则返回到步骤（2），否则终止。
按周期为100ms定时重复上述写/读压力调节cRIO实时控制器以太网端口数据过程即可。
压力调节cRIO实时控制器包括实时控制器CPU、A/D模块、D/A模块、DI模块和DO模块。CPU负责运行实时操作系统，进行数据采集、处理与存储，并负责TCP/IP数据交换。A/D模块进行数据采集，完成压力与开度信号的采集。D/A模块输出电信号对调压阀电液伺服阀进行控制。DI模块对使能信号进行采集，当使能信号为直流24V时，系统才能进行调节。DO模块输出开关量信对液压总电磁阀进行控制，实现开启/关断液压油路功能。
本发明中，压力调节cRIO实时控制器选用美国NI公司cRIO系列产品。实时控制器CPU选用9022，533MHz，256M内存（需配置9116机架）。A/D模块选用9203，8通道4-20mA输入，16位A/D转换器。D/A模块选用9265，4通道4-20mA输出，16位D/A转换器。DO模块选用9481，4通道干触点继电器。
如图3所示，压力调节cRIO实时控制器采用位置（开度）调节和压力调节双闭环的数字PID控制方法控制调压阀的阀门开度，进而调节风洞前室的压力。在压力调节的过程中采用先位置（开度）调节，再压力调节的方式，即先对调压阀的阀芯进行“L”定位调节，然后再转入“P”压力调节的过程，会有效缩短了压力稳定时间，使调压阀能快速稳定到给定压力上。
实时控制器CPU根据采集到的传感器数据与调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作比较，再通过D/A模块向调压阀电液伺服阀发送指令调节调压阀的开度和压力，从而实现对调压阀的调节控制包括两种调节方式。
一种调节方式P为：实时控制器CPU将调压阀压力目标值与采集到的调压阀压力传感器数据进行差值计算，根据得到的差值，通过PID算法对调压阀电液伺服阀进行控制，从而实现对调压阀开度的调整，进而实现对调压阀压力的调整。
另一种调节方式L为：实时控制器CPU将调压阀开度目标值与采集到的调压阀开度传感器数据进行差值计算，根据得到的差值，通过PID算法对调压阀电液伺服阀进行控制，从而实现对调压阀开度的调整。
为了提高压力调节的精度，将压力调节过程分成多段PID方式进行精细调节，如图4所示。即在压力调节控制上位计算机中参数设置模块中设置多个调节过程，每个调节过程给定值均相同，而PID参数不同，根据每个调节过程设置调节结束条件。
在压力调节的过程中，压力调节cRIO实时控制器还可以检测阀后超压等危险情况，并及时发出关阀指令。
本发明选用调压阀压力传感器选用美国GE生产PTX50型压力传感器，精度为0.04%，传感器输出信号为二线制4-20mA，该信号可直接接入压力调节cRIO实时控制器A/D模块上。
调压阀开度传感器安装在调压阀驱动液压伺服油缸上，为高精度磁致型位移传感器，该传感器精度为0.02%FS，输出为4-20mA，需单独供给直流24V电源，该传感器随着调压阀驱动液压伺服油缸伸出或缩回改变输出电信号量，接入压力调节cRIO实时控制器A/D模块上，用于反馈阀门开度。
调压阀需配置液压驱动油源、驱动液压伺服油缸、电液伺服阀和液压总电磁阀。电液伺服阀为二位四通电磁阀，改变调压阀电液伺服阀控制信号，调压阀驱动液压伺服油缸伸出或缩回，从而改变内部阀芯位置，阀门开度也随之改变。液压总电磁阀用于开启/关断液压油路，液压总电磁阀在得电状态下，液压驱动油源能接入电液伺服阀；在失电状态下，液压驱动油源接入驱动液压伺服油缸关调压阀端，实现自动关阀功能。
本发明中液压驱动油源压力为21MPa。驱动液压伺服油缸为意大利ATOS公司CKM伺服油缸产品。电液伺服阀选用美国MOOG公司生产D633系列产品，控制信号为4-20mA，需另外接直流24V电源。液压总电磁阀为ATOS公司产品，为直流24V控制。当电压为直流24V时，电磁阀导通；当电压为直流0V时，电磁阀关闭。
直流电源为压力调节cRIO实时控制器、各种传感器提供电源。为了减少传感器输出信号干扰，本发明不使用开关型直流电源，而选用直流线性电源。本发明中直流线性电源电压为直流24V，最大输出电流10A。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (6)
1.一种调压阀压力调节控制系统，其特征在于包括：压力调节控制上位计算机、压力调节cRIO实时控制器、调压阀压力传感器、调压阀开度传感器、调压阀电液伺服阀、液压总电磁阀和直流电源；
压力调节控制上位计算机包括参数设置模块、TCP/IP数据通信模块和存储模块；压力调节cRIO实时控制器包括实时控制器CPU、A/D模块、D/A模块、DI模块和DO模块；
直流电源为压力调节cRIO实时控制器、调压阀压力传感器和调压阀开度传感器提供电源。
DI模块采集外部输入的使能信号并输出给实时控制器CPU，实时控制器CPU将该使能信号发送给压力调节控制上位计算机，压力调节控制上位计算机接收到使能信号之后，向实时控制器CPU发送启动信号、调压阀开度目标值和调压阀压力目标值，实时控制器CPU先通过DO模块控制液压总电磁阀开启液压油路，之后再通过A/D模块采集调压阀压力传感器和调压阀开度传感器的数据，与调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作比较，再通过D/A模块向调压阀电液伺服阀发送指令调节调压阀的开度和压力，从而实现对调压阀的调节控制。
2.根据权利要求1所述的一种调压阀压力调节控制系统，其特征在于：所述调压阀压力传感器安装在调压阀后方流体管道上，调压阀开度传感器安装在调压阀驱动液压伺服油缸上，为磁致型位移传感器。
3.根据权利要求1所述的一种调压阀压力调节控制系统，其特征在于：压力调节控制上位计算机通过TCP/IP数据通信模块与压力调节cRIO实时控制器中的实时控制器CPU进行基于TCP/IP协议的数据交互。
4.根据权利要求1所述的一种调压阀压力调节控制系统，其特征在于：所述调压阀开度目标值和调压阀压力目标值通过参数设置模块输入。
5.根据权利要求3所述的一种调压阀压力调节控制系统，其特征在于：所述压力调节控制上位计算机通过TCP/IP数据通信模块与压力调节cRIO实时控制器中的实时控制器CPU进行基于TCP/IP协议的数据交互通过如下步骤进行：
（1）判断压力调节控制上位计算机与压力调节cRIO实时控制器的以太网端口是否连接成功，若连接成功，则进入步骤（2），否则TCP/IP数据通信模块停止工作；
（2）将参数设置模块中输入的调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作为下行数据，写入到压力调节cRIO实时控制器的以太网端口中；
（3）压力调节控制上位计算机从压力调节cRIO实时控制器的以太网端口中读取上行数据，并判断所述上行数据是否为空，若不为空，则将所述上行数据写入到存储模块中，之后进入步骤（4）；
（4）若压力调节控制上位计算机与压力调节cRIO实时控制器之间的通信正常，则返回到步骤（2），否则终止。
6.根据权利要求1所述的一种调压阀压力调节控制系统，其特征在于：所述实时控制器CPU根据采集到的传感器数据与调压阀开度目标值和调压阀压力目标值作比较，再通过D/A模块向调压阀电液伺服阀发送指令调节调压阀的开度和压力，从而实现对调压阀的调节控制包括两种调节方式。
一种调节方式为：实时控制器CPU将调压阀压力目标值与采集到的调压阀压力传感器数据进行差值计算，根据得到的差值，通过PID算法对调压阀电液伺服阀进行控制，从而实现对调压阀开度的调整，进而实现对调压阀压力的调整。
另一种调节方式为：实时控制器CPU将调压阀开度目标值与采集到的调压阀开度传感器数据进行差值计算，根据得到的差值，通过PID算法对调压阀电液伺服阀进行控制，从而实现对调压阀开度的调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |