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液动阀门系统控制研究与设计 机械电子工程专业 研究生沈雪松指导教师吴荣珍 阀门作为气相、液相管线传输中的主要控制元件之一在工业中获得广泛运 用。阀门的驱动方式有手动、电动、液动及气动四种。液动驱动方式结构简单， 重量轻，输出力矩大，在大口径、单回转阀门中常用。 工业的发展要求控制精确化、智能化。阀门传统的开与关状态的控制量在 某些现场已不能满足要求，手动操作不准确，反应慢，也达不到智能化的要求。 计算机技术，控制技术的发展为此提供了很好的解决方案。本文针对p s a 气体 分离系统中对液动蝶阀组群的动作要求而完成控制系统的分析与设计，提出了 主从分散式控制的整套解决方案。 控制系统采用两级分散方式，第一级为现场控制级，单片机作为中央控制 元件，接收现场管道中的压力信号( 现场有模数转换模块) ，经控制器处理输 出数字量控制信号，在液压驱动叫路中引入数字方向阀作为电机械转换元件， 输出的数字控制信号直接作用于数字阀的步进电机完成控制作用：第二级为远 程监控级，采用稳定性能较好的工控机作监控器直接面对操作员，人机界面设 计，方便信息输入和现场状态监视。 现场级单元控制直接针对量是管道中压力，现场单元中预先给定压力值， 为远程级设定输入，系统运行过程中通过压力变送器采集管道巾的压力值，与 给定值比较后经过软件控制器作用输出控制信号，两值相等时控制输出量为零。 实际上现场级就是一过程闭环控制系统，闭环控制系统中采用了模糊控制技术， 模糊控制对本系统具有几个优点：不需要被控对象的数学模型；易于对非线性 对象的控制：对被控对象的特性参数变化有较强的鲁棒性；对系统干扰有较强 的抑制能力。文中针对本系统特点，依掘相关参考资料，推出了适合本控制系 统的一套模糊控制规则，根据相关推理算法形成一简单的规则表存于现场控制 器上，运行时只需简单的查表，节约在线控制时控制量生成时间及控制器资源。 同时基于基本的模糊控制器系统加入了自适应调整机构，使控制更加智能化、 拟人化，达到更好的控制效果。 系统分散控制两级之间的信息交流通过基于c a n 总线的通信实现，控制 的智能化、信息化要求使传统的集散控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统 ( f c s ) 转化的趋势日渐明显。c a n 总线由德国b o s c h 公司研究提出，最早 运用于汽车控制信号传输中，现在已成了应用最普遍的5 大现场总线之一，在 很多领域都获得了运用。本文把c a n 总线技术应j h ；j 于工业阀门控制系统中， 解决信号及时、可靠、安全地传输的问题，完成了相关通信模块的设计与通信 协议的制定。 关键词：液动阀门数字阀模糊控制c a n 通信 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ec o n t r o la b o u t h y d r a u l i c v a l v es y s t e m m a j o r ：m e c h a t r o n i c s p o s t g r a d u a t e s h e nx u e s o n g s u p e r v i s o r w u r o n g z h e n v a l v ei sap r i m a r ym a n i p u l a t i v ec o m p o n e n to nt r a n s f e r sa b o u tl i q u i do rg a s ， a n du s e dw i d e l yi ni n d u s t r y t h ef a s h i o no fv a l v ed r i v e nh a v ef o u rk i n d s ，a n dt h e y a r ed r i v eu s i n gh a n d s 、e l e c t r i c a l 、h y d r a u l i ca n dp n e u m a t i ce q u i p m e n t t h e h y d r a u l i cd r i v ei su s e dc o m m o n l yo nv a l v ew i t hb i gc a l i b e ra n ds i m p l et u n i n g c h a r a c t e r i s t i cb e c a u s eo fi t ss i m p l ef r a m e 、w e i g h tl i g h t 、g r e a td e f e r e n tp o w e r c o m p a r a t i v e l y t h eg r o w i n gg e n e so fc o n t r o lf i e l do ni n d u s t r ya r ea p t i t u d ea n de x a c t i t u d e t h e t r a d i t i o n a lm a n u a lc o n t r o lo fv a l v ei s n tc o n t e n ti ns o m ep l a c e sd u et oc u r s o r y m e a s u r ea n ds l o wr e a c t i o n ，n o ti n t e l l i g e n tt o o t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n d c o n t r o lt e c h n i q u em a k e si tp o s s i b l et op r o d u c ea ne x c e l l e n tp l a nt os o l v et h a t t h i s a r t i c l ep r o v i d e saw h o l ep r o j e c to nc o n t r o lo fs y s t e m sw i t hd i s p e r s i v es t r u c t u r e ， a i m i n ga tt h ep r o b l e mi np s as y s t e mt h a tv a l v ei nt h i ss y s t e mm u s ta c c o m p l i s h s o m ea c t i o ne n s u r i n gs y s t e m sf u n c t i o n ，a n dc o m p l e t et h ed e s i g no fs y s t e m s s e g m e n t sa n dc o r r e l a t i v ea n a l y s i s t h i sc o n t r o ls y s t e mi sd i s t r i b u t e dw i t ht w og r a d e sa b o u ts t r u c t u r e f i r s tg r a d ei s f i e l dc e l lb a s e do ns c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，a n ds a m p l i n gp r e s s u r es i g n a l i np i p e l i n ea n do u t p u td i g i t a lc o n t r o ls i g n a lp r o c e s s e db yc o n t r o l l e r ，a tt h es f l l t l et i m e ， s y s t e m sc o n t r o lf u n c t i o nc o m e s t r u eb yt h ed i g i t a ls i g n a ld i r e c t l ya c t i n go nt h es t e p e l e c t r i c a ls e ti nt h ed i g i t a ls i m p l i f i e dd i r e c t i o nv a l v e ，w h i c hi nt h eh y d r a u l i cc i r c u i t c o n v e r t st h ee l e c t r i cs i g n a lt om e c h a n i c a la c t i o n ；t h es e c o n dg r a d ei sr e m o t ec o n t r o l c e l li nw h i c hi n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei su s e dt oc o m p l e t e m o n i t o rf u n c t i o nf o rf i e l dc e l l a n dd u et oi t sf a v o r a b l em a l l m a c h i n ec o n v e r s a t i o n i n t e r f a c e ，o p e r a t o ro n l yn e e dt oi n p u ti n f o r m a t i o na n dm o n i t o r e s t a t eo ff i e l ds i m p l y t h ec o n t r o lo ff i e l dc e l li s a d j u s t i n gp r e s s u r e i nt h ep i p e l i n eb a s e do n b e f o r e h a n di n p u tv a l u et h r o u g hr e m o t ec e l l t h ef i e l dc o n t r o l l e rs i m p l e st h ep r e s s u r e i nt h ep i p e l i n ec i r c u l a r l ya n dc o m p a r e si tw i t he n a c t m e n t so n e ，a n do u t p u tc o n t r o l s i g n a lb ys o m ea r i t h m e t i cp r o g r a ma n dd r i v ed i g i t a lv a l v et i l lt h et w ov a l u e sa r e e q u a l i t y t h i si sac o n t r o lc i r c u i ti nt h ef i e l dc e l l ，a n df u z z yc o n t r o lt e c h n i q u ei s a p p l i e di ni t f u z z yc o n t r o ls y s t e mh a ss o m em e r i t s ：n o tn e e dm a t h e m a t i c sm o d e lo f c o n t r o l l e ds y s t e m ；e a s i l yc o n t r o lf o rs y s t e mw i t hn o n l i n e a r i t yf a c t o r ；p o s s e s s i n g s t r o n g e rt o l e r a n c ef o rt h ec h a n g eo fp a r a m e t e ro fs y s t e m si d e n t i t y ；p o s s e s s i n g s t r o n g e rr e s t r a i nc a p a b i l i t yf o rd i s t u r bo ns y s t e m a c c o r d i n ga st h ec h a r a c t e r i s t i co f s y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e r , r e f e r e n c i n gc o r r e l a t i o nd a t u m ，t h ea u t h o rb r i n g s f o r w a r daf u z z yc o n t r o lf o r m u l a ef i t t i n gt h i ss y s t e m ，a n dm a k e sas i m p l er e g u l a t i o n t a b l ed e p o s i t e di nt h ec o n t r o l l e rw i t hp r o g r a mf o r m ，w h i c hc a ns a v et i m ea n d c o n t r o l l e r ss t o r a g es p a c ew h e ns y s t e mr u n f o rt h es a k eo fb e t t e rc o n t r o le f f e c tw i t h b r a i n p o w e ra n dp e r s o n i f i c a t i o n ，t h es i m p l ef u z z yc o n t r o l l e ri se q u i p e dw i t ha d a p t i v e m e c h a n i s m t h es y s t e m st w od i s t r i b u t e dg r a d e sc o m p l e t ec o m m u n i o no fi n f o r m a t i o nb y c a n ( c o n t r o la r e an e t ) ，a n dt h er e q u i r eo f b r a i n p o w e ra n dp e r s o n i f i c a t i o no nc o n t r o l s y s t e m sm a k et h ec u r r e n to u tm a r k e d l yw h i c hd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m sa r e r e p l a c i n gb yf i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m s t h ef i e l d - b u so fc a nw a ss t u d i e da n d b r o w nf o r w a r do r i g i n a l l yb yb o s c ho fg e r m a n y , u s e do nt r a n s m i to fc o n t r o ls i g n a l i nc a r , n o w , b e i n go n eo ft h em o s tp r e v a l e n tf i e l d - b u si ti sb e i n gu s e dw i d e l yi n m a n yd o m a i n s i nt h i sp a p e r , c a ni sd e s i g n e di nt h ec o n t r o ls y s t e mf o ri n d u s t r y v a l v e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e si sp r o j e c t e da n dc o n s u l t a t i v eo fc o m m u n i c a t i o n s b e i n gm a d e ，t h es i g n a lt r a n s m i t t i n gb e t w e e nt h et w oc e l l si st i m e l y , r e l i a b l ea n ds a f e k e yw o r d s ：v a l v ed r i v e nb yh y d r a u l i ce q u i p m e n t ；d i g i t a lv a l v e ；f u z z y c o n t r o l ；c o m m u n i c a t i o nb yf i e l d b u so fc a n 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息 技术，对工业生产过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加 产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自 动化软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为2 0 世纪现代制造 领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统 本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。 我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化 吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用 都有了很大发展，我国工业计算机系统行业已经形成。当前工业控制自动化技 术正向智能化、网络化和集成化方向发展i i j 。 1 1 阀门及蝶阀的运用 阀门是流体输送系统的重要控制元件，它主要有五大功能：接通或截断流 体通路；调节与节流；防止倒流；调节压力或释放过剩的压力。从一般的化工 及石油天然气工程开发，到高端的导弹、先进飞机、超音速实验装置以及宇宙 飞船的设计与研制过程中，流体系统的控制都是要解决的一个主要问题，而作 为控制元件的阀门在流体输送与控制系统中其作用决定了整个系统的功能。工 业生产中阀门的重要性尤为突出，在烃类和天然气工业中，购买阀门的费用占 到了一个新建工厂投资的8 ，而它的维修更换费用要占到设备维护总费用的 1 0 。在一些发达国家，阀门的产值占机械工业总产值的5 以上，在通用机 械产品中它的产值往往要超过泵、风机及压缩机的总和1 2 】。 阀门按原理和结构分类时常用的是蝶阀和闸阀，其它还有球阀、止回阀、 排气阀、旋塞阀、隔膜阀、截止阀等。随着我国经济建设的蓬勃发展，阀门行 业也展现了欣欣向荣的生机。现有几千家阀门厂，产品达3 0 0 0 多个型号，近 3 0 0 0 0 个规格。在密封性能、强度要求、调节功能、动作性能和流通性能上都 四川大学硕上学位论文第一章绪论 有了长足进步，树脂砂铸、奥氏体不锈钢阀轴、硬密封阀座、防腐涂料都获得 广泛运用，密封结构设计及材质问题不少厂家已经掌握，有些厂家的产品已接 近或达到国际先进水平，取代了进口产品，或出口国外，整体水平也在不断提 高，和国外先进水平差距进一步缩小【3 1 。 蝶阀由其阀芯开合呈蝴蝶形而得名。3 0 年代美国人发明了蝶阀，7 0 年代 开始在我国推广。蝶阀具有开闭时间短，操作力矩小，安装空间小和重量轻等 特点，一般在d n 3 0 0 毫米以上已逐渐取代了闸阀。蝶阀按结构形式可有不同 的分法，按密封形式有软密封与硬密封之分，按轴线形式可分为中线蝶阀和偏 心蝶阀。软密封应用于低压介质场合，中线蝶阀由于摩擦磨损原因要求开关次 数少，对泄漏要求不严的情况，目前的发展方向是偏心结构的硬密封蝶阀，偏 心是为减小或避免阀芯与阀体之间的摩擦。金属硬密封蝶阀是通用软密封蝶阀 向中压中高温领域的延伸和发展，它除具有原有蝶阀的优点外，还具有抗老化， 经久耐用，耐高温高压等特点。广泛应用于热力管道，锅炉辅机系统，在石油 化工和冶金行业中，用来切断和调节各种非腐蚀性和腐蚀性介质。 1 2 阀门控制系统发展状况 1 2 1 阀门驱动及控制 阀门的控制伴随阀门的出现而出现，阀门的丌启和关闭就是一种控制。从 手动到气动、液动及电动，控制方式根据具体情况而不同，相应有不同的自动 化程度。对阀门具体的开度或流通量的控制在早期由手动或者模拟电路控制器 来完成，手动只能是一个直观的大概量或依据量表实现，但对波动无法及时反 应：模拟电路控制器主要部分是一个模拟电路板，上面一系列晶体管元件，完 成输入信号的接收，处理，驱动执行器件，在原来的调节阀，如芯型调节阀或 蝶型调节阀上都有运用。模拟控制器电路复杂，完成的控制也比较简单，处理 速度较慢，系统抗干扰能力差，运用比较少，上世纪8 0 年代开始已逐渐被运 用集成芯片的数字控制器取代。控制器包括硬件的电路和控制芯片里的程序软 件部分，作用于下层的电动执行器或气液动执行器。 阀门及驱动控制装置作为一个整体看待就是自动调节阀。电动调节阀和气 动调节阀市场需求比较大，国际上已有系列产品，国内在引进的同时也在积极 开发，形成自己的专利技术。但国内调节阀的设计水平与国外先进国家相比较 四川大学颁士学位论文 第一章绪论 有一定差距，计算、选型不全面，造成产品的先天结构缺陷；生产厂家的产品 单一，无法满足各种需求。液动调节阀国内开发很少，几乎空白，这是由于液 动执行装置需要单独的液压泵站，运用较少。但在某些场合，特别是阀门大口 径、大力矩情况，液动装置具有独特优势：结构简单、重量轻、输出力矩大a 本文所涉及的情况就属此类，三偏心硬密封蝶阀，大1 3 径具多，需力矩较大， 而且大多数应用情况是多个阀门组群，这样共用一个液压泵站投资也不算大。 1 2 2 集散控制系统与现场总线控制系统 计算机技术，通信技术的发展也带动了控制系统的技术前进。1 9 7 5 年美 国h o n e y w e l l 公司推出了t d c - - 2 0 0 0 集散控制系统，其后随着生产发展与科 技进步，集散控制系统不断发展，功能不断增强，性能逐步完善，性能价格 比日益提高i4 1 。集散控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控 制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通信网络为纽带的集中显示、操 作、管理、控制相对分散的多级计算机网络控制系统。 集散控制系统的体系结构通常分为三级：第级为直接过程控制级，第二 级为集中操作监视级，第三级为综合管理级，各级之间由通信网络连接，级内 各站或单元由本级的通信网络进行通信联系。集散控制系统的主要功能：完成 现场信号的采集、处理、显示、存储、传递等；收集现场设备过程量，按确定 算法进行控制：根据输入输出信号和反馈控制状态信号，按预先设定的顺序和 控制条件，对被控对象的各阶段进行顺序控制；根据生产及当前设备运行情况， 采用先进控制技术与算法协调各控制站的运行，使生产最优化：对异常状态 报警及各种状态的画面显示。集散控制系统特点：控制功能齐全，实行分散控 制，每个控制单元控制相应的现场过程，具有独立性；集中监视、管理，人机 联系好：采用局部网络通信技术，系统扩展方便；安全可靠性高等。 现场总线是应用在生产现场，在测量控制设备之问实现双向、串行、多节 点、多变量数字通信的系统。现场总线是将现场设备及仪表与控制室连接起来 的全数字化、双向通信网络，它用数字信号取代模拟信号，提高了系统的可靠 性、精确度和抗干扰能力，延长了信息传输距离。现场总线网络的每一个节点 都有一台仪表，包括变送器、执行器、检测仪表等现场仪表和控制室内仪表装 置。这些仪表装置都遵循统一的标准和规范，按照系统化和开放性的要求，实 ，1 四川i 大学顾l 学位论文 第一章绪论 现智能化、数字化、标准化，并且增加远距离操作、故障自诊断和就地控制功 能，构成新一代自动化仪表的先进体系。 现场总线控制系统是一种新型的网络集成式全分布控制系统，把控制功能 彻底放到现场，依靠现场智能设备便可实现基本控制功能。在现场总线的环境 下，借助设备的计算、通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分 散在现场的完整的控制系统，提高了控制系统的运行可靠性。还可借助现场总 线网络以及与之有通信连接的其它网络，实现网络远程控制。现场总线控制系 统沿用了分布式结构和分散控制原理，既是对集散控制系统的继承，又是对集 散控制系统的延伸和发展，更适合工厂自动化要求”1 。 由于种种原因，现场总线所采用的通信协议各公司并不统一，形成了目前 的4 0 多种现场总线技术，这就要求国内厂商在开发时要根据应用的场合选择 既充分发挥现场总线优势又符合发展潮流的现场总线。现场总线技术应用到阀 门控制领域，国内外都有发展，形成了一定的产品系列，但基本是针对电动装 置，针对液动装置的国内几乎是空白，一些市场化的产品也处于进一步开发提 高阶段，但从集散控制系统完全过渡到现场总线控制系统，这是发展趋势所必 然。 1 3 论文背景来源、研究目的及主要内容 1 3 1 论文来源、背景及目的 阀门在工业上有广泛的运用，在化工行业的大型变压吸附气体分离装置中 结构简单的蝶阀由于其独特优势而居垄断地位。成都华西化工研究所从上世纪 8 0 年代开始从事气体分离技术及装置的研究和丌发，是国家科委审查认定的 高新技术企业，公司具备完整的利用变压吸附制氧、制氢、制氮及二氧化碳等 气体装置的研发与生产能力。变压吸附( p s a ) 技术是近3 0 多年才发展起来 的一项新型气体分离与净化技术，原理是利用变压吸附原理特定的吸附剂对 不同气体分子的吸附速率和吸附容量存在差异，加压吸附，减压脱附，完成气 体分离。 发展大型变压吸附装置的关键技术主要有：一是大口径程控阀门的开发： 二是高效吸附剂的开发。近年来，我国先后开发出分离系数高、吸附容量大、 使用寿命长的新型吸附剂。但目前大口径、高频率程控蝶阀，仍是我国发展大 4 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 型变压吸附制气装置的“绊脚石”。大型变压吸附装置不仅要求阀门具有寿命 长、密封性能好的特点，而且要求其开关速度快( 小于2 秒) ，这对于小口径气 动蝶阀容易做到，而口径较大的程控蝶阀却难以做到1 6 j 。 另外，目前我国变压吸附装置所配阀门大多采用双偏心软密封蝶阀，其 润滑是通过在仪表内添加润滑油，在阀门高速运转过程中，微量的润滑油很难 起到润滑作用，容易造成缸头密封件摩擦损坏，使故障增多。华西化工研究所 1 9 9 8 年已开发出三偏心硬密封蝶阀。开关寿命与密封水平已达国际先进水平。 在阀门的自动调节控制上，目前采用了国外进口的技术及装备，p l c 的阀门 轴位移控制方式。本文的目的是探讨一种新的控制结构及方式，基于单片机的 控制器完成调节阀功能，对压力的模糊控制，运用总线技术和与上位控制室的 通信完成远程现场控制，进一步的发展可以网络信息化。 1 3 2 论文完成的主要工作及内容 基于目前的阀门控制发展情况，及具体的现场所需控制要求，论文完成了 p s a 变压吸附气体分离装置中对液动蝶阀组群( 可同样适用于液动球阀) 的 智能控制系统的设计及探讨。主要工作是： 1 把数字方向阀运用于液动执行装置中，采用步进电机的增量式数字阀接 收数字信号输出机械位移，作电一机械转换元件，和液压缸及泵站回路 构成整体驱动结构的机械部分。完成结构设计和原理分析。 2 控制器以单片机为核心，扩展外围a d 转换电路接收压力传感器信号， 扩展输出驱动电路，完成现场自动控制单元设计及分析。 3 运用模糊控制技术，依据现场具体控制情况，推导控制规则，制成模糊 控制规则表，编制控制程序，完成模糊控制器软件设计。 4 远程监控级以工业p c 为基础，运用现场总线技术，实现远程通信及信 息交流，选择通信接口卡，编制人机界面程序，控制过程可视化，操作 简单。 5 分析与设计基于c a n 总线的通信实现，包括现场级单元的通信软件和 硬件的设计，远程级主要的软件形成。 四川i 大学硕士学位论文第二章系统整体设计与分析 第二章系统的整体设计与分析 本章介绍系统的总体构架，系统采用分散结构，现场控制级承担主要的 在线控制任务，远程级主要起监控作用，适应控制系统发展的要求。本章分析 了系统要求具有的功能，根据现场情况从硬件和软件上提出整体的解决方案。 2 1 系统功能 阀门原有的液压驱动装置控制阀门的全开或全闭，阀门轴与阀体之间安装 感应式传感器“感知”阀板开闭达到位置。过转矩保护由液压油路提供，回路 中加入溢流阀控制液压油压力，使转矩在一定范围。几个阀门构成一组共用一 台p l c 现场控制，阀f j i l 页序开关或面板输入具体某个阀门启闭。整个系统功 能简单，管段上的各个阀门只有开关两种状态；反馈信息少，无远程监控。 这样的系统可以实现对管道中介质的分流导向或导通截止功能，无法达到对 管道中介质的压力或流量进行比较精确控制的要求，而解决这个问题就是本论 文的初衷。基于上述要求，设计系统的主体思想准备采用主从方式，远程一 主机，现场各个阀门为从级，它们各自成为独立节点对所流经介质进行控制， 且各节点带有信号采集单元。各现场节点用一个基于单片机的控制器完成阀门 的在线调节，以至对流经介质的控制，同时具有和主机交换信息的通信功能。 综合上述分析，在原有液压驱动基础上新设计系统要求达到如下功能： ( 1 ) 信息采集功能：本系统中现场控制所需的信息是管道中介质的压力，远 程监视端需得到的信息除介质压力外还有各阀门的开关状态。压力信号传输到 远程级时必须是数字信号，阀门开关信号也是数字信号传输到上位控制室。 ( 2 ) 控制功- h a c l ! , ：控制分现场控制和远程控制：现场端实现的功能是根据给定 压力值，接收管道中介质压力值，两者差值经过控制程序转换输出控制量，最 终使介质压力与给定值相等；远程端控制是根据需要给现场端压力值，实现对 系统各管段的压力给定赋值功能。 ( 3 ) 监视功能：远程监视具备人机界面，现场阀门状态与参数可视化，可视 四川大学硕上学位论义 第二章系统整体设计与分析 界面友好，具有报警信息提示。 ( 4 ) 通信功能：通信体现在现场与远程之间的信息交换，包括向控制室传输 的管道压力信息和阀门状态信息，控制室向现场各阀门输出的控制信息。串行 双向通信，单线接口避免现场连线过多。 ( 5 ) 存储功能：现场传输到远程控制室的数据做成单独的信息统计表，保存 到硬盘，打印输出或以后调用查看。 2 2 系统构架 2 2 1 系统整体设计 i 。 ，!j j4 2 ， 1 一_ i 一一lj - ，1 _ - 1 1 17 h 3 i 1 ! 一ij 一“。“一 l l jl 叫 。一 ir 1 。 芷二二0 j i 6r 、? 5 7 _ 一 i ! _ = ；f | j。l _ 一五8 一一i l 。一 v 一。 ：， 1 压力传感器2 液压缸3 蝶阀4 数字换向阀5 单向阀 6 溢流阀7 控制器8 液压泵 图21 系统结构原理图 图2 1 为本液动阀门控制系统结构原理图。系统采用分布式控制：现场级 控制和远程级控制。系统设计思想是现场级控制单元尽可能的智能化，完成阀 门的动作控制与参数变化时的在线闭环反馈控制，对各种信息进行实时采集和 及时输出，包括阀门的开关状态信息和管道内介质压力：远程级控制器主动地 向现场级控制单元请求数据和发送命令，并完成对系统内阀门运行信息的记 一 一 一器一 l f j 二 二j m 榴一薹|二 二j 燃蕊 四川大学硕士学位论文销_ 二章系统整体设计与分析 录、各管道压力的监控与状态记录、报警信息的生成、报表的生成打印和数据 库的管理等。现场单元与远程控制级通过总线连接，信息能及时、准确地在两 级之间传输。 本课题的主要任务是现场控制单元的硬件和软件的选取及设计，远程控制 级的软件设计，总线通信的设计与探讨。 2 2 2 系统硬件设计 现场级硬件 图2 2 为以单片机为主控器的现场控制单元硬件结构框图。主控单元为一 a t 8 9 c 5 1 芯片，作为现场级控制模块中央枢纽，接收输入信息后经过控制算 法程序输出控制量，完成各外接模块之间的逻辑联系，与上位控制室的通信处 理等。信号采集单元负责采集管道中压力和阀门开关状态，采用了模拟传感器， 中间经放大、滤波和a d 转换环节把信号输出给单片机。输出驱动单元完成 单片机输出信号的放大及对阀门动作的驱动等工作，包括信号放大电路、数字 阀、供油回路和阀门驱动液压缸等。通信单元的功能使上位控制室微机通过总 线向现场控制器请求数据时，能将现场的信息及时送出。电源监视单元检测控 制器供电情况，电压过低时就转为备用电池供电，同时也可完成控制芯片的复 位。 f 一_ 1 i 信号采集单元- 一叫 k 一 主控制单元 输出驱动单冗k 一- 一 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 通信单元 l u 源监视单元i j 图2 2 现场控制单元硬件结构框图 远程级硬件 远程级以控制室微机为核心，微机选用可靠性较好，市场信誉度较高的研 华工控机。具体选用型号i p c 一6 1 0 ，i p c 6 1 0 采用1 9 ”上架式工业计算机机箱， 专为关键任务应用而设计。此机箱可容纳一个1 4 槽p c i i s a 总线无源底板 r 四川大学硕士学位论文 第二章系统整体设计与分析 或者标准a t x 主板并支持各种电源。可上锁的面板门可防止在未经许可的 情况下对机箱进行访问。一个热插拔过滤冷却风扇能够使整个机箱内的空气保 持正压。通过其螺丝夹和防振安装的驱动器托架，i p c 6 1 0 能够在冲击、振动 和灰尘较多的恶劣环境下工作。同时为通信考虑主机配有一块p c i 形式的通 信接口卡保证两级间的信息传输在上层的实现。 2 2 3 系统软件设计 现场级软件 现场级软件主要用单片机汇编语言编写，单片机汇编语言直接针对硬件物 理地址，程序精简，易于理解。程序主要完成管道压力信号和阀门全开或全闭 报警状态信号的采集、阀门的模糊控制以及和远程级的通信。通过这些软件， 最终现场控制器能够依据远程输入值形成阀门的过程控制，同时将有关数据通 过总线传送给远程监控级。 软件主要是涉及a t 8 9 c 5 1 芯片的程序设计，主程序流程图如图2 3 所示。 程序初始化完成相关位置初值，如阀位归零、通信准备等。现场系统是依据压 力控制的闭环系统，需要不断地检测输入信号以监视压力值变化而作出相应动 作，故主程序是一循环程序。传感器检测到压力信号传输给控制器，控制器把 此压力信号值与远程输入给定值比较并计算差值，此差值经过模糊控制算法程 序后给出驱动数字阀步进电机的控制量，步进电机转动进一步带动数字阀阀芯 左右移动进而实现对液压油路的流量控制及通断功能。模糊控制算法程序是现 场级控制软件的核心部分。模糊控制能将操作者或专家的控制经验和知识表示 成语言变量描述的控制规则，它可以忽略控制系统的精确数学模型，不考虑具 体元件在动作过程中的参数反应，只着重给出的控制量与获得的控制结果的关 系。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知、复杂的非线性控制系统。 本系统中存在机、电、液多方面的因素，系统模型复杂，特别是液压流体 中动态变化参数多，阀门开启与管道中介质的压力变化有非线性因素，所以采 用了模糊控制策略。模糊控制规则算法实际上就是对输入量的识别判断，给出 控制量的过程，经过相关的分类定义，根据总结出的规则生成控制规则表，表 中给出输入到输出的简单控制准则，控制软件程序的编制也就简单化为一查表 程序的生成。并且本程序可根据差值的大小自动调整步进电机步数，控制阀门 凹川1 人学硕士学位论文 第二审系统整体设计与分析 的开届速度，减小系统振荡过程快速稳定。 嘶蠡酊 甄参蔓哪甄通 r 。：缝一 i 锱馨卜1 鳓照蜩1 d 亏诅 o ：一 。 r 堕 ：每吵 、1 i h q x i 模糊蠢毳蓐? 谚进电机驱动程序 图2 3 现场级软件主程序流程框图 监控级软件 本系统中处于监控级的工控机需要完成的任务是对现场控制器输出控制 参量，接收现场输入的数据，界面显示及相关数据存储。软件由运用广泛的 v i s u a lc + + 来设计完成，v c + + 开发的软件操作界面友好，功能强大，对开发 人员来说是很好的编程工具。监控级软件总体上可分为系统操作部分、数据库 操作部分和阀门控制部分。阀门控制部分是核心，通过c a n 总线控制器 s j a l 0 0 0 对现场控制单元的数据传输来实现。还有就是一些界面程序，有关详 述可见后续章节。 四川丈学硕士学位论文 第三章系统现场级实现 第三章系统现场级实现 现场控制以单片机为控制器，完成压力信号量的接收处理及向上位传输和 控制量生成等。控制器外围器件为压力传感器和液压驱动回路，完成信号的测 量及输出和依据控制量的相应动作。本章就这两方面及构成软件作相关论述。 3 1 控制器外围器件组成及分析 3 1 1 压力传感器”1 压力传感器是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称。压 力传感器的种类甚多，按结构特点分有应变式传感器、电容式传感器、压电式 传感器及压阻式传感器。应变式传感器是利用电阻式应变片作为变换元件，将 被测量转换成电阻输出的传感器，它属于物性型，具有精度高的特点：电容式 传感器是利用弹性电极在输入力作用下产生位移，使电容量变化而输出的一种 传感器，它具有良好的动态特性；压电式传感器是利用压电材料的压电效应， 将被测量转换成电荷输出的传感器：压阻式传感器是利用半导体材料的压阻效 应，在半导体基片上采用集成电路制造工艺制成的一种输出电阻变化的固体传 感器。 本系统中采用宝鸡市渭滨华瑞传感器技术研究所的c y - y z l 0 2 型扩散硅 压阻式压力传感器1 8 】，量程o - 1 m p a ( 不同气体分离装置介质压力不一样，需 相应选取) ，允许过载2 0 0 ，零位漂移0 1 m v ，灵敏度1 _ 5 x l o c f s ，非 线性o 1 5 f s ，响应时间1 毫秒，不重复性迟滞o i f s ，介质温度一4 0 c - - - + 8 0 c 。扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高，所以它的灵敏度高， 此传感器无机械动件连接转换环节，因此不重复性和迟滞误差很小，硅材料本 身耐腐蚀，可靠性好。 3 1 2 液压驱动回路 本篇中现场阀门驱动方式为液动，液压驱动方式相对于气动和电动应用较 四川大学硕士学位论文 第三章系统现场级实现 少，但它有独特优势，装置小，输出力矩大。石化行业中要求的大1 ：3 径阀门中 常用到液动方式，本系统的液压回路在原有基础上作了过程控制要求的相关改 造，主要是用数字方向阀替代原来的电磁换向阀，增加了对液压油传输的精确 流量控制，达到控制阀门开度的目的。 璺4 t i 6 1 液压缸2 数宇换向阀3 蓄能器4 单向阀5 溢流阀6 液压泵 图3 1 液动回路原理图 图3 1 给出了液压驱动回路原理“。图中液压缸1 通过齿轮齿条机构带动 蝶阀阀轴转动，实现阀门的开度控制液压缸活塞轴上齿条，阀轴上扇形齿轮， 相应座体固定联接。阀门的开度大小对应管道中不同的压力损失，以致阀后管 道压力的变化，此值由压力传感器“感知”给出电信号，此信号经信号调整电 路放大、滤波，再通过模数转换被主控器获取，主控制器将它与预先给定输 入值比较给出控制信号，控制信号直接作用于图中被控元件数字换向阀2 。 数字换向阀根据控制器给出的信号完成电机械转换，把电信号转化为阀 芯位移，控制液压油路的流量及通断。液压油由油泵6 提供，吸油口处用粗滤 油器对油进行粗滤，泵出口精滤进入数字阀。蓄能器3 吸收压力冲击，减小脉 动。溢流阀5 控制系统中液压油的压力，系统压力过高时，能起安全溢流作用。 由于数字阀可直接与微型计算机或单片机连接，不需要d a 转换。与伺 。甲 j上山 一 翟 四川大学硕士学位论文 第三章系统现场级实现 服阀、比例阀相比较，具有结构简单、工艺性好、价格低廉、抗污染能力强、 重复性好、工作稳定可靠、功耗小等优点。数字阀在系统中起着比较关键的作 用，此处选用了一种性能良好的数字方向阀，由浙江大学机电工程学院研制， 1 9 9 7 年通过浙江省产品质量检测中心检测，达到国际先进水平，目前已产业 化，投入批量生产。 图3 2 为数字换向阀的结构原理图。步进电机通过传动机构驱动阀芯在一 定的角度范围内e 、反向转动。在阀芯的左端台肩上轴对称地开设两对与进 油相通的高压孔和与回油相通的低压孔，在阀孔左端的内表面上轴对称地开 设一对螺旋槽，其左端与阀左腔相通。当阀芯在阀孑l 中处于正常的工作位置时， 高压孔与低压孔分别处于螺旋的两侧，并且与螺旋槽之问形成微小的弓形缝 隙，这两个微小的弓形面积串联而成阻力半桥，阀的右腔与进油相通。其面积 为阀芯左端面一半。当阀芯相对静止时，阀左腔的压力近似为进油压力的1 2 ， 这时高低压孔与螺旋槽之间所形成的微小的弓形面积相等。当步进电机驱动阀 芯转动使得高压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积增大、低压孔与螺旋槽之间形 成的弓形面积减小，则左敏感腔的压力升高，阀芯所受的轴向力失去平衡， 阀芯向右移动直到高低压孔又回到静止时与螺旋槽之间所处的相对位置。当步 进电机驱动阀芯反方向转动，则左敏感腔的压力下降、阀芯左移i l o ，“j 。 此阀按功能由主阀和定差溢流阀组成。主阀通过轴向位移控制液压回路液 压油的流向和流量位移由伺服螺旋机构实现，步进电机通过传动机构控制阀 芯的转动角度可得到精确的阀芯轴向位移。定差溢流阀保证阀的进口与负载口 的压力差为恒定使得通过主阀的液压油流量不随压力的变化而变化i i “。 图3 2 数字方向阀原理图 四川大学碗七学位论文 第三章系统现场级实现 表3 1数字阀的主要技术参数 额定流量3 u m i n相电流 1 2 a 最大r 作压力2 4 m p a脉冲当量 1 0 节流口压力 1 5 m p a步进电机最大j ：作频率2 4 0 0 h z 工作电压2 4 v步进电机静转矩 0 2 n m 丁：作步数8 3 2 控制器设计及