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智能型电动执行器的创新设计

来源: 上海阀门 时间: 2012-05-18 点击: 3,674

1.概述

阀门主要应用于石油、化工、市政、燃气、水务、电力、长输管线、造船、医药、食品、军工、核工业、航天等领域的流体控制。由于国民经济的发展需要,推动了阀门电动执行器工业的发展。近年来,在满足各方面高参数新要求的同时,对阀门电动执行器的结构、材料和生产工艺等方面,就如何更好的提高性能、增强可靠性及降低成本等受到更多的关注。智能型阀门电动执行器和传统阀门电动执行器比较,具有使用方便、性能可靠、操作简便灵活、控制精度高、结构紧凑、有可靠的故障自我诊断处理机制和及时的报警机制、人机界面等优点得到广泛的应用,满足了日益高速发展的自动化系统需求。

通过对国内外同类产品的分析研究发现,国内正在使用的各种电动执行装置普遍存在设备庞大,结构匹配不合理,控制精度较低.安全性不好,缺乏完善的故障处理和报警装置,人机对话接口很不方便,难于现场标定和维修等缺陷,已跟不上工业发展的需要。管道系统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用,因而对阀门电动执行器的功能和使用要求也不断提高,迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品,以提高生产效率。

随着微电子技术、电力电子技术、微机控制技术及通讯技术等现代科学技术的发展,国外许多相关厂家相继开发了新一代智能型阀门电动执行器。但国外生产的阀门电动执行器及其控制器价格昂贵,而且很难和国内目前使用的电动执行器相兼容,售后服务不完善,零部件配套困难。因此.运用数字技术、单片机技术、电力电子技术等先进技术,开发研制性能先进、功能完善的新型智能电动阀门执行器,对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制,以满足国内外广大用户生产使用的要求,适合我国工业生产和发展需要,具有十分重要的现实意义。

新型智能电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体,不仅实现了双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能,还增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位显示和故障报警等功能。它可进行现场或远程操作,完成手动操作及手动/自动之问无扰动切换。

新型智能阀门电动执行器的成功开发,有助于提高国内阀门电动执行执行器的产品水平,也有利于提高生产控制的自动化水平,最终实现生产过程的智能化。我公司开发的EXC电动执行器是在采用原有的合理技术基础上,进行大量可靠的技术创新开发形成的,是与国内外同类产品相比具有很多创新的新型高科技光机电一体化产品。

2.开发背景

电动执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用,常被称为实现生产过程自动化的“手足”。电动执行器以电能为动力,接受调节器来的标准信号(模拟量或数字量),通过将这信号变成相对应的机械位移(转角、直线或多转)来自动改变操作变量(调节阀、风门、挡板开度等),以达到对被调参数(温度、压力、流量、液位等)进行自动调节的目的,使生产过程按预定要求进行。所以电动执行器对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响。

2.1 计算机控制

在过程控制中,需要通过调整阀门的开度来调节流量和压力。通常电动执行器,按照外部发来的控制信号驱动阀门,这些控制信号来自控制系统的微处理器。在电动执行机构中,增加带有智能控制的伺服放大器,其后是增加给定值控制功能。先进的阀门电动执行器具有更完善的智能控制,可按给定值自动进行PID调节,控制流量和压力等过程变量。智能化阀门电动执行器能响应外部4—2W模拟信号或经由RS—485通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行PID控制。

2.2 安全措施

智能化阀门电动执行器:具有高度的自身保护及系统保护功能,如装有三相电机的执行机构有可能因为相线接错而反转,导致执行机构和阀门损坏,而智能型的电动执行机构则可以通过监视电源的相序以及输入控制信号的情况确保电机正确起动。此外,在阀门卡死的情况下,保护功能还可以避免电动机被损坏。在电动机通电期间不断检测阀门的动作,若发现一定的时间内不动作,就认为是卡住,控制器就发出命令,切断电动机电源并发出警报。除了有自身保护功能外,智能化阀门电动执行器还具有系统保护功能,即当某些部件出现故障或系统出现其他问题时,会自动采取应急措施以免发生事故。

2.3 通讯功能

智能化阀门电动执行器采用数字通讯的方法与主控制室相连,主控制室送出的可寻址数字信号通过电缆被电动执行器接收,电动执行器的微处理器根据收到的信号对电动执行器进行相应的控制。系统就是采用数字通讯技术将各种设备连接成一个局部网络(LAN),一个典型的系统可以包括电动执行器、计算机阀门控制器(CVC)、网络连线、网络接口部件(NIU)以及主计算机。NIU与主计算机之间采用标准的ASC工工字符码通过串行口进行通讯。此外,智能阀门电动执行器允许工程师在远地对其进行监测、整定和修改参数或算法等。

2.4 智能诊断

在阀门电动执行器上装有一些附加的传感器,专门用于故障诊断,而在电路方面也设置了各种监测功能,如电源相序和后备电池的电压检测。微处理器在运行中连续对整个系统进行监测,一旦发现问题立即执行预定的程序,自动采取应急措施并报警。而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测。当出现故障需要专家协助解决时,有的智能化阀门电动执行器还可以通过调制解调器与专家实时联网,以便及时地诊断和排除故障。

2.5 一体化结构

一体化的结构把整个控制回路装在一个现场仪表之中,使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大为简化,且减少因信号的传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响,提高可靠性。

此外,智能化阀门电动装置在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素,其组件多带有保护涂层以防腐蚀,外壳采用密封式,经得起温度、湿度的大范围变化和振动冲击的考验,保证工作可靠。智能型电动装置带有防水保护和双层密封外壳,工作温度在—30℃~+70℃之间。还可根据实际需要另行设计。

从上述产品特点中,可以看到智能电动执行机构的发展趋势:机电一体化结构逐步取代组合式结构,智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术,运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术,带通信的逐步取代不带通信的,数字控制逐步取代模拟控制。智能电动执行器根据控制电信号,直接操作改变阀的位移,利用微机技术和现场通信技术扩大功能,实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能,有效提高控制水平,是现代电动执行器的发展方向。

3.总体结构

EXC智能型电装从设计到开发以及生产都遵循着面向实际工业应用的目标,因此系统的总体设计也自始至终贯彻“简单实用、操作灵活、技术先进”的原则。

以电动执行器作为最终执行器的自动控制系统中,传统的方法的以调节仪表输出的模拟信号去控制电动执行机构动作。而传统的电动执行机构比较笨重,伺服驱动器和执行器两大部分分成两块,实际应用中很不方便。新型电动执行器则是将位置反馈信号输入计算机,在计算机内与控制中心信号(数字信号)比较,比较后输出开关信号,驱动执行器动作。

EXC阀门电动执行装置主要由控制器和执行器以及人机对话和远程通讯接口组成,是以380V三相交流电源作为驱动电源,接受来自控制中心的数字控制信号,并将其转换为相应的输出轴角位移,去操纵阀门本体。工作原理如图1—1所示,由示意图可看出,阀门电动执行机构的控制过程是一闭环控制,通过设定信号和反馈信号的比较控制电机运转,驱动阀门动作。借鉴现阶段己有的技术,控制器采用专门用于电机控制的PLC控制器为核心、配以相应的外围电路;执行器的驱动电机采用三相交流异步电动机、涡轮蜗杆采用锌铝合金制作,明显简化了系统的结构,降低成本,提高了控制精度。

阀门电动执行装置工作原理

该型电动执行器是在控制器的控制下完成设定动作的机械执行部分。主要由电动机、主传动机构、手/自切换机构等部分组成,它是用于直接驱动阀门的。

控制器,传感器以及人机对话和远程通讯接口部分,其具体的工作原理和系统结构图如图2所示。从图中可以看见,系统主要包括以下几部分:四种信号的检测模块,系统供电电源,核心控制模块,电机开关控制模块(即接触器、灭弧器),人机对话接口模块,远程监控通讯接口模块系统的详细构成,硬件设计和软件设计。

本智能型非侵入式电动执行器,是集绝对式光电旋转编码技术、压电传感技术、微控制器技术、总线控制技术、红外遥控技术、高清晰宽屏液晶显示、磁控开关等多种新型技术和先进制造工艺为一体的光机电一体化产品。本产品包括了电机及机械驱动部分、系统电源部分、信号检测部分、控制模块、远程通讯部分以及人机对话接口部分。检测部分利用四种专门设计的传感器检测电机和机械驱动部分的运行状态和故障信息,为控制部分和人机对话部分提供详细的电动执行器运行数据;控制模块根据用户的指令以及电动执行器的运行状况对电机进行相应的控制;远程通讯部分完成电动执行器向DCS的远程中控室提供电动执行器的运行和故障数据,同时接受来自中控室的控制命令,完成相应动作,同时我们的电动执行器可向远程中控室提供阀位和力矩的4—20mA模拟量信号;人机对话接口部分,是操作者与电装之间的桥梁,操作者可以通过红外遥控器和磁控旋钮对电动执行器进行各种相应的操作,同时通过液晶显示模块监视电装的运行状况,并可以完成对电动执行器的调试和参数设定,我们设计了具有很强亲和力的和谐人机对话接口。

为了满足不同的控制需求,我们为电动执行器提供了以下几种控制方式:远程控制具有双线开、双线关、点动、自保持等四种控制方式,现场控制具有点动和自保持两种控制方式。同时我们的智能型电动执行器还具有如下一些功能:自动相序保护和纠正功能;电机过热保护;掉电信息记忆保护、掉电动作信息储存、电机瞬时逆转保护;过力矩保护;阀门卡塞保护;双速关阀功能;行程、力矩精确测量;不同控制方式下电机的正、反转控制;故障情况处理(电源故障、电机过热、电机过力矩等等)。

控制系统结构图

4.技术概要

高度光机电一体化的电动执行器的开发涉及从硬件到软件,从PLC到单片机,从传感器到控制器,从红外遥控到磁控技术,从模拟技术到数字技术等各方面先进技术,充分体现了现代控制的发展趋势。

传感检测部分技术概要,对于电动执行器而言,力矩和行程是两个重要的检测参数,EXC电动执行器使用了专门设汁的力矩检测机构,以确保对电动装置输出扭矩的控制。在吸收了目前的力矩测量方法基础上,改进了以往产品不注重数据处理的缺点,采用曲线拟合、量程拟合等方法,能根据各台电装的细微不同之处,拟合出适合该电装特性的量程曲线,因此在力矩测量的精度、线性度和重复性上有很大的提高,能达到控制转矩重复误差小于1%的精度。

在行程测量的方法上,EXC系列电动执行器采用了绝对式光电旋转编码的方法采集行程和转速信号,并由电机控制器进行行程控制。绝对式光电旋转编码测量行程的方法属于非接触的绝对式测量方法,掉电仍能记忆位置,是目前最为先进的,精度和可靠性都最高的行程和位置测量方法。目前世界上还没有在电动执行器上使用如此先进的行程测量方法的先例。EXC系列电动执行器在行程测量上可达到30位的绝对测量精度。

系统电源部分技术慨要,电源是系统正常工作所必须具备的基本条件。电动执行器采用的供电方式是三相交流380V或者单相220V。通过专用变压器转换为直流24V电源供内部控制系统使用,在系统内部使用7818和LM336分别提供所需的18V和2.5V直流,使用LM4960提供系统的5V电源。

在主控制模块设计上,首次采用了双控制核心设计,使用了PLC控制器来负责完成电动执行器的控制功能;同时使用了独立的微控制器专门负责完成强大的人机对话接口功能。这样的双核心控制系统不仅保证了电动装置动作的实时性、稳定性,以及故障响应的快速性,而且允许我们在人机对话接口上采用更多新的设计,创造出操作简便的中英文可选操作菜单。

在与中央控制室的信息交换中,不仅提供了数字量和模拟量的数据交换方式,还提供了Profilbus和Modbus两种总线通讯方式,为电动装置接入DCS系统提供了最大的方便。同时系统内部还十分注意与外部的隔离,系统采用了继电器隔离和光耦隔离两种方式。

现代化电动执行器技术的不断发展,对其智能化提出了更高要求。人机对话接口是电动执行器智能化很重要的一部分.这部分担负着操作人员与电动执行器的信息交流,是操作人员实现对电动执行器操控过程的主要环节。简便实用的人机对话接口不仅能提供设备的实用性,更重要的是能节约用户的调试和维护成本。

目前,国内先进的电装大多是直接进口或者在引进国外技术基础上开发的,因此菜单显示内容均是以英文、字符及符号为主,使用起来就相当繁琐,如果能采用图形点阵式液晶屏,通过合理的菜单结构设计和实现,就能实现在小型液晶屏上显示大量的信息,同时可以让设备的最终用户使用最简便的操作方式完成对设备的调试和运行管理,实现国内电动执行器真正的智能化和实用化,因此在国内生产的电动执行器人机接口上采用中文结构化菜单已经成为国内电装生产厂商的当务之急。

EXC智能型电动执行器的设计正是针对目前电动执行器人机对话接口简单、便捷的要求,基于图形点阵式液晶显示技术设计并实现了信息齐全、结构合理、操作简便的中文结构化菜单。使用了串行数据传输方式的宽屏幕液晶模块,利用图形点阵式液晶显示模块显示汉字、图片及滚动闪烁等功能实现菜单的基本要素,采用树状结构的方法使菜单清晰易懂,并且实现了用简单的确认和取消两个按钮来完成复杂菜单的所有操作功能。

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