智能型阀门电动执行机构控制器的研制.pdf

2 0 08钲 第 1期 管 道 技 木 -5 设 备 P i p e l i n e Te c h n i q ue a nd Equ i p me n t 2 o o8 No ．1 智 能型 阀门 电动 执行 机 构控 制 器 的研 制 王 晓明 ， 刘 大为 ， 孙 力 ， 张 云 哈尔滨工业大学电磁 驱动与控 制研 究所 ， 黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 介绍了一种具有新型的阀门电动执行机构的智能控制器的设计与开发。该控制器采用 D S P作为主控制单元， 采用矢量控制策略控制感应电动机， 组成了一个集本地控制、 远程控制、 状态指示等功能于一体的智能系统， 适用于各类 工 业控 制 阀 。 关键词 矢量控制 ； 电动执行机 构； D S P ； 阀门 中图分类号 T H1 3 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 1 0 0 2 2 0 2 De s i g n o f Ne w Ty pe o f I nt e l l i g e nt Co n t r o l l e r f o r El e c t r i c Ac t ua t o r s W ANG Xi a o mi ng，LI U Da we i ， S UN Li ， ZHANG Yu n T h e L a b o f E l e c t r o ma g n e t i s m Dr i v e a n d Co n t r o l ， Ha r b i n I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Abs t r ac t Th e d e s i g n a n d d e v e l o p me nt o f t h e i n t e l l i g e nt c o n t r o l l e r wi t h a n e w s t r a t e g y f o r t h e v a l v e e l e c t ric a c t u a t o r we r e i n t r o du c e d．Th e c o n t r o l l e r u s e s t he DS P a s t he ma i n c o n t r o l u n i t a n d driv e s AC mo t o r wi t h t h e v e c t o r co ntro l s t r a t e gy ．Th e s y s t e m i s p r o v i d e d w i t h i n t e g r a t e d s f u n c t i o n s o f l o c al c o n t r o l a n d r e mo t e c o n t r o l a n d C an s h o w the s t a t e o f v alv e ．T h e s y s t e m i s a p p l i c a b l e t o ma n y k i n d s o f i n d u s t r i al v alv e s ． Ke y wo r d s v e c t o r c o n t rol ；e l e c t ri c a c t u a t o r ； DS P； v alv e 0引言 智能型电动执行机构是将微电子技术以及通信技术应用到 阀门的控制系统中， 实现了阀门远程集中控制、 双向通信、 P I D调 节、 在线 自动标定、 自校正与完善的保护等多种控制技术要求的 功能， 有效提高控制水平， 是现代电动执行机构的发展方向。 1 系统控制策略 由于电动执行机构在运行中， 要求有快速开启和制动响 应， 阀门的定位精度要求高， 并且在控制过程中， 需要保持良好 的转矩控制， 因此控制策略的选择关系到系统的整体控制性 能。为解决交流电机转矩控制问题， 2 0世纪 7 0年代初由 B i a s c h k e F首先提出了的异步电机的矢量控制理论， 其原理图如图 1 所示 。通过坐标变换 和磁场定 向控制 ， 把 交流 电动机 的定子 电流分解成磁场定 向坐标 的磁场 电流分量 和与之 相垂直 的坐 标转矩电流分量， 从而实现两者之问的解耦， 得到类似于直流 电机的转矩模型 ， 并可仿 照直流 电机进行 快速 的转矩控 制和磁 通控制， 使系统动态性能得到显著改善 ， 从而使交流电机的调 速技术 取得 了突破性 的进展 。运用矢 量控 制已经成 为 当今交 流变频调速系统的主流， 将这一技术应用到电动执行机构的控 制中来 ， 极大改善了执行机构的控制性能。 图 1 矢量控制原理 图 收稿 日期 2 0 0 7 0 41 1 收修改稿日期 2 0 0 70 8 0 8 2系统硬件 电路设计 系统的硬件原理图如图2所示。 I P M功率 模块 图 2智能电动执行机构系统原理 图 2 ． 1 中央处理单元 选用电机控制专用信号处理芯片 T MS 3 2 0 F 2 4 0 。该 D S P具 有 2 0 m ／ s 的定点处理速度， 片内自带程序和数据存储器、 A ／ D 转换、 P WM波形生成、 通信接 口等。作为电动执行机构的控制 核心， D S P担负着控制系统所有的信号处理 1 接收外部控制信号， 包括红外遥控输入、 D C 4 2 0 m A 或者 D C 1 5 V控制信号、 人机界面的输入。 2 根据接收的信号控制电机的起、 停、 正反转、 电机转速、 输出力矩， 并能进行极限位置在线标定。 3 提供智能功率模块 I P M 的 P WM控制信号 ， 处理 I P M 发出的故障和报警信号。 4 处理电流、 电压和位置检测单元发出的检测信号。 5 实时与人机界面进行异步通信， 显示装置的各种工作 维普资讯 第 1 期 王晓明等 智能型阀门电动执行机构控制器的研制 状态及故障诊断信号。 2 - 2 控 制方式 2 ， 2 ． 1 红外遥控 红外线设定装置可以在不接触执行机构的情况下， 进行系 统参数的设定， 包括设定阀门电动执行机构的阀门开度以及切 换显示状态 。 2 ． 2 ． 2 手操器 采用人机界面 MD 2 0 4 L可编程文本显示器， 按照4 8 5通讯 协议， 与 D S P进行串行通讯 ， 可以设定系统参数， 控制阀门的运 行以及显示执行机构工作状态。 2 ． 2 ． 3标准直流信 号 调节型电动执行机构的特点是能够根据给定信号 自动调 节阀门开度。将 4～ 2 0 mA直流信号作为指示阀门开度的给定 信号， 将阀门的开度转换为 4～ 2 0 m A电流信号 ， 当二者等值时 执行机构停止动作， 当出现偏差时， 电机按照给定速度 、 转矩运 行， 直到二者重新平衡。 2 ． 3 功率单元 智能功率模块 I P M 选用 P M 7 5 C S A 1 2 0， 该 I P M将功率开 关器件和驱动电路集成在一体 ， 内置过压、 欠压、 过流和过热等 故障监测电路， 并具有防静电保护措施， 使得 I P M成为驱动电 机的较理想的功率器件。 2 ． 4 电流 、 速度 以及位置检测 选用电流传感器L T S 2 5一N P检测 I P M三相电流， 采用光电 码盘作为转速检测器件。编码盘与电机同轴连接， 每转能发出 一 定数量信号， 将这些信号送入 D S P的正交编码电路， 同时使 能计数器， 在采样时间内由计数器记下脉冲发生器发出的脉冲 数， 送给 D S P， 就可以算出这段时间内的平均转速。精密电位 器检测电动执行机构的输出轴的位置信号， 转换成电信号后送 入 D S P进行处理。D S P依据检测的电流、 转速和位置信号， 计 算出需要的转矩电流与励磁电流， 经过坐标变换， 调整和控制 I P M的输出。 3系统软件设计 3 ． 1 主程序设 计 控制系统的软件采用中断方式设计。在主程序 中进行系 统的初始化 、 控制方式选择、 位置检测等工作， 在中断服务程序 中完成矢量控制算法与 P WM的输出。 电动执行机构的主程序流程图如图3所示，主程序主要分 成以下几个部分 3 ． 1 ． 1系统 初 始 化 系统上电后， 首先进行初始化设置， 包括 I ／ O初始化、 A ／ D 初始化 、 E V A以及 S C I 初始化等， 而后从 E E R O M中读取上次运 行设定的参数值 ， 包括行程初值、 终值、 速度 、 力矩以及控制方 式选择标志位， 并将这些参数存人数据寄存器中。 3 ． 1 ． 2 选择控制方式 D S P根据控制方式标志， 进入相应的程序分支， 可选本地 遥控控制、 手操器控制以及标准4～ 2 0 mA电流信号控制。3种 控制方式可根据需要由控制者切换， 切换方式简单可靠。 图 3主 程 序 流 程 图 3 ． 1 ， 3 指针 跟随 以及 故障处理 每个分支的循环中采样位置反馈信号， 与上次采样值 比较 作差， 差值转化为脉冲数驱动指针旋转 ， 实时跟随阀位， 直到电 机停止， 指针便指示当前位置， 掉电后依然能够保持， 旋转方向 由差值的符号决定。当检测到故障信号时， 系统停止运行。 3 ． 2 子程序设计 子程序主要包括 矢量变换、 行程在线标定、 A ／ D采样、 S C I 通信、 P WM输出等。矢量变换以及 P WM输出在定时器的中断 服务子程序中实现， 流程图如图4所示。 保护现场 运行标志位判断 运行 C L AR K变换 N 速度检测及调节 转差计算 查s in ，C O S 表 P A R K变换 转矩电流调节 励磁电流调节 P A R K反变换 } 参考电压为 0 P WM 输 出 工 恢复现场 图 4中 断子 程 序 流 程 为适应不同的场合， 阀门的行程要求可调， 用户只要切换 的遥控控制方式下就可自由设置阀门的行程 ， 流程图见图5 。 当系统处于手操器控制时， D S P与手操器遵循 4 8 5协议进 行实时通信， 读取控制参数， 同时显示当前状态。 下转第3 3页 维普资讯 第 1期 李仕 贵阳输油站水击泄压阀误动作原因分析及防范措施 3 3 阀室又分前室、 中室和后室， 见图1 。 通阀前 通阀 逼阀通阀 后 座 前 图 1 先导阀结构示意 图 正常情况下， 管道上游液体压力小于水击泄压阀设定压 力， 此时先导阀提动头在左侧 ， 先导阀中室与前室相通， 中室与 后室隔开， 水击泄压阀阀腔内液体 的压力等于上游液体的压 力 ， 阀塞在阀座弹簧的作用下处于紧闭状态。 当上游液体压力大于水击泄压阀设定压力， 此时先导阀提 动头在液体压力的推动下从左侧移到右侧， 先导阀中室与后室 相通， 中室与前室隔开 如图 1所示位置 ， 水击泄压阀阀腔内 高压液体流到下游管线内， 作用在阀塞上的上游液体的压力大 于弹簧的弹力， 阀塞被顶开， 水击泄压阀开始泄压。 2 ． 2调查 分析 对进出站水击泄压阀的设定值进行了校验， 校验后的设定 值没有发生变化。从而排除了因水击泄压阀的设定值发生了 变化而引起水击泄压阀误动作的可能性。 拆开水击泄压阀引压线上的过滤器检查 ， 过滤器无堵塞现 象。由此排除了因水击泄压阀引压线上的过滤器堵塞引起水 击泄压阀阀腔内液体的压力低于水击泄压阀上游管段内液体 的压力， 而导致水击泄压阀误动作的可能性。 打开进出站水击泄压阀先导阀的排液口， 发现有部分水流 出， 打开水击泄压阀阀腔底部的排污阀， 也有水流出。管道输 油前先进行水联运， 水联运期间水击泄压阀就投用了， 所 以输 油前水击泄压阀的引压管和阀腔内都充满了水， 先导阀的阀室 内也是水。水联运结束后进行油水混合输送， 但进出站水击泄 压阀所处管段是死流段 ， 因而即便油水混合输送结束后， 进出 站水击泄压阀上游段也积存许多水。据贵阳市气象局提供的 气温数据显示 ， 事发当晚贵阳市区最低气温为 一 2℃， 此温度下 水已结冰， 积存在先导阀阀室内的水凝固结冰后体积膨胀， 从 而推动先导阀提动头向右移动， 最终导致水击泄压阀阀塞被打 开， 管线泄压。由于先导阀活塞被“ 冰块” 顶住无法复位， 致使 水击泄压阀阀塞无法复位。 将出站水击泄压阀从管线上折卸下来后检查发现， 阀塞密 封圈有压伤的痕迹， 在阀芯后侧有很多碎石。 从碎石的大小形状和数量来看， 这些碎石肯定是一块或几 块大的石头随油品流经水击泄压阀阀腔时被活塞卡碎的， 这说 明石头曾阻止了阀塞回位。所以说从出站水击泄压阀上游冲 刷下来 的石头卡住了阀塞是造成水击泄压阀误动作后不能及 时 回位 的一个重要原 因。 3 结论 贵阳输油站进出站水击泄压阀误动作且不能及时复位的 一 个原因是先导阀内的积水遇到低温 一 2℃ 结冰致使先导 阀动作， 从而导致水击泄压阀阀塞被打开且不能及时复位。导 致 水击 泄压阀不能及 时复位 的另一个 重要 原因是 上游管道 内 残留的石头随油液流进水击泄压阀时， 对阀塞造成了卡堵。 为防止类似事故再次发生， 贵阳输油管理处加强了对所属 站场水击泄压阀的排凝工作 ， 及时排掉先导阀和引压管内的积 水 ， 同时对水击泄压阀引压管外加保温层 ， 防止冰冻。为了防 止再次出现异物卡阻阀塞 ， 建议在水击泄压阀前加装过滤器。 此次事件对其他输油管道水击泄压阀的使用维护也有很 好的借鉴作用。对于建在冬季气候寒冷地区的输油管道， 在输 油前一定要排尽水击泄压阀内及上游管段内的积水 ， 且要加强 保温工作。设计单位在设计新输油管道时可考虑在水击泄压 阀前增设过 滤器 。 作者简介 李仕 1 9 7 3 一 ， 从事输油管道抢维修技术管理工作 。 上接第2 3页 图 5 行程设定流程图 4 结论 介绍的智能型阀门执行机构功能完善、 操作灵活， 由于将 矢量控制技术应用到执行机构的控制中， 极大改善了控制性 能 ， 在同行业中具有 领先水 平。实验结果 表 明 该 执行机 构操 作简单、 安全可靠， 行程控制、 转矩控制等重要性能指标达到相 关标准的规定， 具有广阔的应用前景。 参考文献 [ 1 ] 祝荣荣 ， 张士文 ， 殳国华 ． 智能型 阀门电动执行机构 控制器设计． 工业仪表与 自动化装 置 ， 2 0 0 5 4 1 3 ． [ 2 ] 杨新志 ， 唐华． 电动执行 机构的变频 调速技术． 电机 与控制应用 ， 2 0 0 6 8 1 4 ． [ 3] 王 晓明， 王玲． 电动机的 D S P控制． 北京 北京航空航 天大学 出版 社 ， 2 0 0 4 1 5 41 6 7 ． [ 4 ] 胡崇岳． 现代交流调 速技术． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ； 2 5 6 2 8 8 ． [ 5 ] 梁云朋． 感应 电机矢 量控 制系统 的研究与仿 真 [ 学位论 文 ] ． 郑 州 郑州大学 ， 2 0 0 5 ． 作者简介 王晓明 1 9 8 2 一 ， 硕士 研究生 ， 主要 研究方 向为 电机 驱动与 控制 。 维普资讯