氣動(dòng)控制閥定位器在鍋爐應(yīng)用

                                 氣動(dòng)控制閥定位器在鍋爐應(yīng)用

                                   上海申弘閥門有限公司

之前介紹臺(tái)車爐通風(fēng)系統(tǒng)方形蝶閥，現(xiàn)在介紹氣動(dòng)控制閥定位器在鍋爐應(yīng)用現(xiàn)目前，工業(yè)鍋爐是我國(guó)重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，年耗煤量占全國(guó)原煤產(chǎn)量的1/3。但大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染嚴(yán)重等生產(chǎn)狀態(tài)，需要進(jìn)行技術(shù)改造。作者所研究的智能氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥定位器為鍋爐改造及相似應(yīng)用提供了支持。主要研究?jī)?nèi)容為：使用開關(guān)閥控制氣缸，采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕暂^低的成本，構(gòu)造了具有一定控制精度、能夠適應(yīng)較為惡劣的外部環(huán)境并具有很好魯棒性的閥門定位器，為工業(yè)鍋爐的節(jié)能改造及類似應(yīng)用提供硬件支持。 氣動(dòng)程控閥具有密封性能好，雙向耐壓零泄漏；無磨損、無沖擊、壽命長(zhǎng)；抗分子篩粉塵。以來，氣動(dòng)程控閥在使用過程中我們不斷完善和發(fā)展這種類型的閥門，現(xiàn)在它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、密封良好、動(dòng)作時(shí)間短、密封壽命長(zhǎng)。



 ◆氣動(dòng)控制閥定位器在鍋爐應(yīng)用氣動(dòng)程控閥   產(chǎn)品特點(diǎn)：

1、閥桿與活塞桿合二為一，確保上下對(duì)中，使閥門密封可靠而且長(zhǎng)久； 

2、采用*的低流阻閥體、流線型流道設(shè)計(jì)，精密細(xì)致的鑄造表面，功能特別的導(dǎo)流片，使流阻大大減小； 

3、采用內(nèi)平衡原理：采用內(nèi)平衡結(jié)構(gòu)，抵消介質(zhì)壓力，使閥門的使用壓差得到提高，具有良好的雙向承壓能力。閥門正、反向使用時(shí)，具有相同的密封副比壓，使密封片壽命提高，并減小了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使閥門整體體積縮小。

4、直觀可靠的閥位狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)指示，配閥位檢測(cè)信號(hào)裝置，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸功能； 

5、可靠的外密封：采用空心V型填料，具有良好的自密封性能。填料采用炭纖維增強(qiáng)填充聚四氟乙烯材料，添加有減摩成份，提高耐磨性。填料組具有彈簧 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在填料磨損后能進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。經(jīng)二十余年使用證明，該填料組結(jié)構(gòu)密封非常可靠，使用壽命很長(zhǎng)；

6、的密封片： 使用PEEK密封片。它是一種高分子材料，具有較高的硬度及機(jī)械強(qiáng)度，良好的回彈性。使用這種密封片，使閥門壽命大大提高；

7、*的防沖刷結(jié)構(gòu)：在工藝管道中的氣體介質(zhì)內(nèi)，可能存在一定量的雜質(zhì)，在高速氣流的推動(dòng)下，這些雜質(zhì)會(huì)急聚沖刷密封片。一定時(shí)間后，一般結(jié)構(gòu)的      閥門密封片會(huì)出現(xiàn)一些坑洞，造成閥門內(nèi)漏。本閥門設(shè)計(jì)有密封片防沖刷裝置，能使95%以上的氣體沖刷在防沖刷裝置上，并使氣體流向有一定的導(dǎo)向作用，保護(hù)密封片。用該防沖刷裝置和密封片可有效地保證密封片的壽命達(dá)到開關(guān)100萬次以上。



 ◆氣動(dòng)程控閥   產(chǎn)品性能：

1、密封性能好，達(dá)到零泄漏標(biāo)準(zhǔn)； 

2、閥門開關(guān)速度快DN150以下≤2S,DN150以上≤3S以內(nèi)；

3、壽命長(zhǎng)，可經(jīng)受頻繁開關(guān)；

4、具備雙向耐壓性和抗高速氣流沖刷性能；

5、能用于氫氣、一氧化碳等易燃易爆、有毒和粉塵等惡劣環(huán)境；

6、具備雙向耐壓性和抗高速氣流沖刷性能；

7、氣動(dòng)開關(guān)，具有閥位狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)指示和開關(guān)信號(hào)反饋。


1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。氣缸用于驅(qū)動(dòng)閥門插板，4個(gè)高速開關(guān)閥控制氣缸。控制器根據(jù)安裝在氣缸上的位移傳感器控制氣缸活塞桿的位移，從而達(dá)到控制閥門開度的目的。
在圖1中，位移傳感器用于測(cè)量氣缸的位移；氣缸控制閥門開度；開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)電路用于控制開關(guān)閥；變送器用于將傳感器采集到的微弱的信號(hào)放大，以便轉(zhuǎn)送或啟動(dòng)控制元件，或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號(hào)同時(shí)放大以便供遠(yuǎn)方測(cè)量和控制的信號(hào)源，根據(jù)需要還可將模擬量變換為數(shù)字量；位置指令用于向系統(tǒng)輸入位置指令；外部數(shù)字指令接受外部非程序性指令，主要起保護(hù)系統(tǒng)的作用；控制器主要實(shí)現(xiàn)控制策略；4～20mA閥位信號(hào)通信接口用于將閥口的位置信號(hào)上傳至遠(yuǎn)程控制中心。



氣閥門定位器特征：
       在5~200Hz范圍內(nèi)無共振現(xiàn)象。
       不用更換零件,簡(jiǎn)單操作即可進(jìn)行1／2范圍內(nèi)的分程控制。
       零調(diào)節(jié)和量程調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單。
       正作用和反作用可方便轉(zhuǎn)換。
       反饋桿連接非常簡(jiǎn)單。
       反應(yīng)速度快而準(zhǔn)確。
       空氣消耗量小，經(jīng)濟(jì)性好。
       在小型執(zhí)行器也可利用定位器的節(jié)流孔來防止振動(dòng)現(xiàn)象。
       可方便進(jìn)行管道連接。



圖1 閥門定位系統(tǒng)的構(gòu)成
1.2 開關(guān)閥式氣動(dòng)位置系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）開關(guān)閥動(dòng)作速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以開關(guān)閥式氣動(dòng)伺服系統(tǒng)具有頻響較高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)。
（2）由于閥處于全開或全關(guān)狀態(tài)，過流面積大減少了污染物堵塞的可能性，可靠性高，消除多種非線性因素如干摩擦等的影響。
（3）閥的加工精度低，成本低。
（4）由于開關(guān)閥始終工作在開或者關(guān)的狀態(tài)，存在著一定的開關(guān)死區(qū)，所以容易在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生極限環(huán)振蕩。
從上面的敘述可以看出，開關(guān)閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、抗污染能力強(qiáng)、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，雖然閥的開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生流量脈動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)的精度、閥的開關(guān)切換特性會(huì)形成零位死區(qū)，但其本身所具有的特點(diǎn)再加上控制策略的彌補(bǔ)，應(yīng)用仍較廣泛。
2 系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)
2.1 控制器的硬件設(shè)計(jì)
控制器功能結(jié)構(gòu)見圖2所示，可分為4個(gè)模塊。



圖2 控制器硬件功能結(jié)構(gòu)圖
第1模塊為主體，包括MCU芯片，電源處理、擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器RAM、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、RS232通信、CAN總線、仿真及邏輯電平轉(zhuǎn)換等電路，此模塊為控制器的核心部分；第2模塊為顯示與控制，包括液晶顯示、控制指示燈以及控制按鈕，其主要功能是顯示DA輸出的位置、各種工作狀態(tài)及系統(tǒng)各參數(shù)，完成自動(dòng)、手動(dòng)、聯(lián)機(jī)、復(fù)位等功能；第3模塊為遠(yuǎn)程控制和提供各種外部接口，包括RS232、復(fù)位、仿真以及遠(yuǎn)程控制按鈕、遠(yuǎn)程控制指示燈操作接口；第4模塊為電源。通過ACDC模塊，將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為+24V、12V和+5V直流電壓。
2.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)
程序采用C語言編程。為了便于程序的維護(hù)和修改，縮短程序的開發(fā)時(shí)間，采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序、跟蹤D/A、顯示子程序、按鍵處理子程序、液晶跟蹤顯示參數(shù)子程序、遠(yuǎn)程控制子程序、通信子程序、同步串口子程序、異步串口子程序、定時(shí)采樣子程序和A/D中斷（控制算法）子程序。其關(guān)系如圖3所示。

技術(shù)參數(shù)

     型      號(hào)         HVP11/12
     輸入信號(hào)         4～20mA的模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)
     輸入負(fù)載電壓   11V
     輸入阻抗         550±10Ω
     氣源壓力         0.2MPa～0.55MPa
     耗 氣 量         ≤2.0NL/min
     行      程         10～100mm（轉(zhuǎn)角60～90°）
     精度等級(jí)         0.5級(jí)、1.0級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)型）



     工作環(huán)境條件：
      a、環(huán)境溫度：－30～+80°C（HVP11）
      b、環(huán)境濕度：5%～95%
      c、環(huán)境大氣壓：86～106kPa
      d、周圍空氣中無明顯的腐蝕性氣體

     顯 示 器        LCD 
     防爆等級(jí)        Ex iaIICT6（本安型）、Ex dIICT6（隔爆型）
     通過本安、防護(hù)等級(jí)認(rèn)證，證號(hào)：320053009（本安型）、320031180（隔爆型）
     防護(hù)等級(jí)        IP65
     電氣接頭        M20X1.5-7H（標(biāo)準(zhǔn)）、1/2NPT
     氣源接頭        Rc1/4
     關(guān)聯(lián)設(shè)備        GS8067-Ex(ia)、GS8047-Ex(ia)、GS8011-Ex(ia)隔離式安全柵（本安型用）
     殼體材料        鋁合金ZL102
     重     量         2.0kg（本安型）、3.0kg（隔爆型）



圖3 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖
由于硬件設(shè)計(jì)大部分采用串口實(shí)現(xiàn)這些功能，因此在軟件設(shè)計(jì)上需要對(duì)外部中斷、定時(shí)器、SPI、MCBSP、SCI、ECAN模塊等的時(shí)鐘頻率合理設(shè)置使各串口之間能夠協(xié)調(diào)地工作，另外在編程時(shí)需要正確設(shè)置中斷源的優(yōu)先級(jí)，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。
3 基于PID的PWM閥門定位器控制策略研究
氣缸的每個(gè)腔室連接兩個(gè)開關(guān)閥，開關(guān)閥1和開關(guān)閥3從氣源向氣缸提供壓縮氣體，開關(guān)閥2和開關(guān)閥4把氣缸內(nèi)的壓縮氣體釋放到大氣中。控制開關(guān)閥適時(shí)的打開和關(guān)閉，進(jìn)而控制氣缸兩腔充氣或放氣，從而推動(dòng)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，后使活塞移動(dòng)到設(shè)定位置。一旦活塞到達(dá)設(shè)定位置，關(guān)閉所有的開關(guān)閥，使氣缸兩腔封閉，活塞位置不再改變。
開關(guān)閥的控制信號(hào)采用PWM（脈寬調(diào)制）控制。該設(shè)計(jì)中脈寬周期Tp設(shè)定為40ms，開關(guān)閥開啟時(shí)間Ton在脈寬周期范圍內(nèi)可變。PWM控制信號(hào)的占空比根據(jù)關(guān)系式：

可以看到占空比可以從0變化到99%。PWM控制稱為脈沖寬度調(diào)制控制，其原理是使用一個(gè)正弦信號(hào)對(duì)一個(gè)控制信號(hào)e（t）進(jìn)行調(diào)制，用調(diào)制后的控制信號(hào)ze（t）作為新的控制信號(hào)，如圖4所示。在一定的時(shí)間周期內(nèi)，這個(gè)新的控制信號(hào)與原控制信號(hào)在控制結(jié)果上基本等價(jià)，其原因在于大多數(shù)系統(tǒng)都是一個(gè)低通濾波 器，可以把ze（t）的高頻分量濾掉，終剩下與原控制信號(hào)e（t）等價(jià)的低頻分量。



圖4 脈沖寬度調(diào)制原理圖
控制信號(hào)U（t）由PID控制算法來確定，為避免執(zhí)行器在設(shè)定位置附近頻繁地輕微振蕩，當(dāng)位置偏差e（t）在設(shè)定的很小范圍（死區(qū)）內(nèi)時(shí)，設(shè)置控制信號(hào)u（t）為0。

4 實(shí)驗(yàn)及分析
4.1 閥門定位實(shí)驗(yàn)
在所設(shè)計(jì)的控制器上分別輸入不同的定位位置進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)曲線如圖5、6所示。

圖5 閥門定位距離為0.11m處響應(yīng)曲線


圖6 閥門定位距離為0.05m處響應(yīng)曲線
4.2 閥門控制器對(duì)干擾的響應(yīng)
控制系統(tǒng)在工作過程中，總會(huì)受到外界的干擾。一個(gè)良好的控制系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)外界干擾有足夠的抵抗能力。在該系統(tǒng)中，給系統(tǒng)突然添加一個(gè)干擾力，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖7所示。



圖7 閥門控制器對(duì)干擾的響應(yīng)曲線
4.3 閥門控制器穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
該系統(tǒng)要求在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)能夠保持一定的位置精度，圖8、9分別是系統(tǒng)在2000s和3500s的時(shí)間范圍內(nèi)位移曲線。

圖8 閥門控制器2000s內(nèi)的位移曲線響應(yīng)



圖9 閥門控制器3500s內(nèi)的位移曲線響應(yīng)
5 結(jié)論
建立了智能氣動(dòng)閥門定位器控制器，通過試驗(yàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)，包括系統(tǒng)在不同位置的定位精度檢驗(yàn)，系統(tǒng)的抗干擾能力以及系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性的檢驗(yàn)等。通過實(shí)驗(yàn)可以證明，作者所完成的工作達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的控制器可以很好的應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，能滿足生產(chǎn)達(dá)到控制閥門運(yùn)行的需要。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：電動(dòng)調(diào)壓閥加壓力變送器協(xié)調(diào)工作