1 概述
閥門是管道輸送系統中的重要部件,廣泛應用于電力、化工、石油和冶金等行業,對系統壓力、流量和溫度等參數進行調節。電動執行機構是控制和驅動閥門的重要(yao)裝置,是(shi)對閥門實現遠(yuan)程(cheng)控制、集中(zhong)控制和自動(dong)控制的一種必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的執(zhi)(zhi)行(xing)部件。隨著機(ji)電(dian)一體化技術的發(fa)展,電(dian)動(dong)執(zhi)(zhi)行(xing)機(ji)構在工(gong)業(ye)生產中(zhong)體現出巨大的優勢(shi)。閥門電(dian)動(dong)執(zhi)(zhi)行(xing)機(ji)構的可(ke)靠(kao)工(gong)作離不(bu)開(kai)檢測(ce)模塊,性能好和工(gong)作穩定可(ke)靠(kao)的檢測(ce)模塊對閥門電(dian)動(dong)執(zhi)(zhi)行(xing)機(ji)構的安全(quan)穩定運行(xing)至關重要(yao)。
2 系統工作原理
閥門電動執行機構(圖1)主要由人機接口、控制器、電動執行器和檢測模塊組成。人機接口主要包括液晶顯示、按鍵輸入和遠程遙控輸入。電動執行器主要(yao)包括數字信號處(chu)理器(qi)(DSP) 、智能(neng)功率模塊(IPM)和異步電(dian)機(ji)。檢(jian)測模塊包括電(dian)源檢(jian)測、電(dian)機(ji)檢(jian)測和閥門檢(jian)測3部(bu)分。
人(ren)機(ji)(ji)接(jie)(jie)口可(ke)設定運(yun)行(xing)參數(shu),向(xiang)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)發(fa)送控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)信號(hao),同(tong)時可(ke)顯示裝置反饋的各(ge)種信息,完成對系統的實時監(jian)控(kong)(kong)。控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)接(jie)(jie)收(shou)人(ren)機(ji)(ji)接(jie)(jie)口發(fa)送來的控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)信號(hao),根據(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)信號(hao)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)動執行(xing)器(qi)工作,并實時檢測(ce)閥門的位置和行(xing)程等反饋信號(hao),調整相應的控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)指(zhi)令,此(ci)外(wai)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)可(ke)實時向(xiang)人(ren)機(ji)(ji)界面(mian)發(fa)送各(ge)種工作狀態(tai)及故障診斷(duan)信號(hao)。電(dian)動執行(xing)器(qi)是主要的執行(xing)機(ji)(ji)構,DSP 接(jie)(jie)收(shou)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)的指(zhi)令,通過矢量控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)技術(shu)驅動異步(bu)電(dian)機(ji)(ji),電(dian)機(ji)(ji)輸出軸經齒輪減速后(hou)拖動閥門啟閉。
檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)模塊分(fen)別對電(dian)(dian)源、電(dian)(dian)機和(he)(he)閥門(men)的工作狀態進(jin)行(xing)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce),并將檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)到的各(ge)種信(xin)號(hao)經過變(bian)換,變(bian)成控制器可以識(shi)別的數字(zi)信(xin)號(hao)。電(dian)(dian)源檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)主要進(jin)行(xing)電(dian)(dian)源缺相檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce),異步電(dian)(dian)機驅動電(dian)(dian)壓(ya)和(he)(he)電(dian)(dian)流檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce),IPM 模塊溫度檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。電(dian)(dian)機檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)主要進(jin)行(xing)電(dian)(dian)機轉(zhuan)速檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce),電(dian)(dian)機轉(zhuan)子位(wei)置(zhi)(zhi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce),轉(zhuan)矩檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce),電(dian)(dian)機和(he)(he)齒輪箱的溫度檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。閥門(men)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)主要進(jin)行(xing)閥門(men)位(wei)置(zhi)(zhi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce),閥門(men)行(xing)程檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。電(dian)(dian)源檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)和(he)(he)電(dian)(dian)機檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的信(xin)號(hao)反饋(kui)給DSP進(jin)行(xing)處理,閥門(men)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的信(xin)號(hao)反饋(kui)給控制器MSP430進(jin)行(xing)處理。
圖(tu)1 閥門電動(dong)執行機構的(de)結構
3 檢測模塊硬件設計
檢測功能主要由檢測電路(lu)和主控制(zhi)器及電動執行器中的DSP實(shi)現。
3.1 主控制器
主(zhu)控制(zhi)器采用16位(wei)超低功耗、精簡指令集單片(pian)機MSP430。單片(pian)機應處理能力強,運算速度(du)快,片(pian)內集成FLASH存儲(chu)器、16位(wei)A/D和通信接口等。
3.2 電動執行器DSP
電動執行器DSP采用定點32位芯(xin)片TMS320F2812。芯(xin)片應運算能力(li)強,并具有豐富的外設。
3.3 電源檢測
電源檢(jian)測包括電源缺相檢(jian)測、電壓檢(jian)測、電流檢(jian)測和(he)IPM模塊溫度檢(jian)測。
(1)電源缺相檢測
電源(yuan)缺(que)相(xiang)檢(jian)測主要由(you)光(guang)(guang)(guang)耦(ou)和74LS123實現(xian),74LS123是一(yi)種(zhong)雙可(ke)(ke)再觸(chu)發(fa)單穩態多諧振(zhen)蕩器。取三相(xiang)電源(yuan)的A、C相(xiang)為一(yi)組,B、C相(xiang)為一(yi)組,分(fen)別接入兩個光(guang)(guang)(guang)耦(ou)的輸(shu)(shu)入端(duan),光(guang)(guang)(guang)耦(ou)的輸(shu)(shu)出接到74LS123上(shang)。由(you)74LS123的輸(shu)(shu)出狀態可(ke)(ke)判斷三相(xiang)電源(yuan)的缺(que)相(xiang)情況(kuang)。
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(2)電壓檢測
電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)檢測采用霍爾電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)傳感器模塊(kuai)VSM025A,傳感器按照一定的(de)(de)比例將輸入(ru)(ru)的(de)(de)三相(xiang)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)變至輸出,輸出的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)信(xin)(xin)號(hao)經濾波和信(xin)(xin)號(hao)調理后,變成0~ 3.3V的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)信(xin)(xin)號(hao)接入(ru)(ru)DSP的(de)(de)A/D采樣(yang)輸入(ru)(ru)通道(dao),從而獲得異步電(dian)機(ji)三相(xiang)輸入(ru)(ru)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)的(de)(de)反饋信(xin)(xin)號(hao)。
(3)電流檢測
電流(liu)檢測采(cai)用電流(liu)傳感(gan)器LTS25-NP,傳感(gan)器按照一定(ding)的(de)比例將IPM輸(shu)出的(de)三(san)相電流(liu)變至副邊,輸(shu)出的(de)電流(liu)信(xin)號(hao)經過(guo)采(cai)樣(yang)電阻轉換成電壓信(xin)號(hao),再經過(guo)濾(lv)波(bo)和適當的(de)信(xin)號(hao)調理后,變成0~3.3V范圍(wei)內(nei)的(de)電壓信(xin)號(hao)接入(ru)DSP的(de)A/D采(cai)樣(yang)輸(shu)入(ru)通道,從而獲得異步電機三(san)相定(ding)子電流(liu)的(de)反饋信(xin)號(hao)。
(4)IPM模塊溫度檢測
IPM 模塊溫(wen)度(du)檢測(ce)(ce)采用單總線(xian)數(shu)(shu)字(zi)溫(wen)度(du)傳感器DS18B20,該傳感器無需外部元件,可(ke)用單根數(shu)(shu)據總線(xian)供電,測(ce)(ce)溫(wen)精度(du)為(wei)0.5℃ 。測(ce)(ce)量結果為(wei)可(ke)編程的(de)分辨(bian)率為(wei)9~ 12位(wei)的(de)數(shu)(shu)字(zi)信號(hao),其數(shu)(shu)據總線(xian)直接接到DSP的(de)I/O口上,供DSP讀取溫(wen)度(du)信號(hao)。
3.4 電機檢測
電(dian)機(ji)檢(jian)測包括電(dian)機(ji)轉速檢(jian)測、轉子位(wei)置檢(jian)測、轉矩(ju)檢(jian)測、電(dian)機(ji)和(he)齒(chi)輪箱的(de)溫度(du)檢(jian)測。
(1)電機轉速檢測
電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速通(tong)(tong)過光(guang)電(dian)(dian)編碼(ma)(ma)器(qi)檢(jian)測,本系(xi)統(tong)采(cai)用M法測速原(yuan)理,及在(zai)某一采(cai)樣時間內(nei),通(tong)(tong)過對脈(mo)沖的(de)計數來確定電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速的(de)大小(xiao)。光(guang)電(dian)(dian)編碼(ma)(ma)器(qi)輸出兩路相位相差90°的(de)脈(mo)沖信(xin)(xin)(xin)號,這兩路脈(mo)沖信(xin)(xin)(xin)號接入DSP的(de)正交編碼(ma)(ma)電(dian)(dian)路(QEP)檢(jian)測脈(mo)沖信(xin)(xin)(xin)號的(de)上升沿,計算電(dian)(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速。
(2)電機轉子位置檢測
電(dian)機(ji)轉子位(wei)置(zhi)檢(jian)測采用高精度的(de)電(dian)位(wei)器,電(dian)位(wei)器輸(shu)出信(xin)號接到DSP的(de)A/D采樣通道上,由DSP計算電(dian)機(ji)轉子的(de)位(wei)置(zhi)。
(3)轉矩檢測
轉(zhuan)矩檢測采用集成的(de)轉(zhuan)矩傳感(gan)器,傳感(gan)器將執(zhi)行機構的(de)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)轉(zhuan)矩直接轉(zhuan)換(huan)(huan)成相(xiang)應的(de)電(dian)信(xin)號(hao)(hao),該輸(shu)(shu)出(chu)(chu)信(xin)號(hao)(hao)經(jing)過信(xin)號(hao)(hao)調理后(hou)轉(zhuan)換(huan)(huan)成DSP的(de)A/D輸(shu)(shu)入(ru)端允許的(de)輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)壓范(fan)圍(wei),經(jing)A/D轉(zhuan)換(huan)(huan)后(hou)計算(suan)出(chu)(chu)實際的(de)轉(zhuan)矩值。
(4)電機和齒輪箱的溫度檢測
電(dian)機和齒輪箱的溫度檢測(ce)方法與IPM模塊溫度檢測(ce)相同。
3.5 閥門檢測
閥(fa)門(men)檢測包括閥(fa)門(men)位置檢測和閥(fa)門(men)行(xing)程檢測。
(1)閥門位置檢測
閥(fa)門(men)位(wei)(wei)置檢(jian)測采用高(gao)精(jing)度導電(dian)塑(su)料電(dian)位(wei)(wei)器(qi),其(qi)(qi)分(fen)辨(bian)率高(gao),不存(cun)在電(dian)磁(ci)傳(chuan)感器(qi)的磁(ci)滯特性(xing)問題(ti)。電(dian)位(wei)(wei)器(qi)的兩端加5V直流電(dian),在電(dian)機轉動(dong)(dong)時,傳(chuan)動(dong)(dong)裝置帶(dai)動(dong)(dong)電(dian)位(wei)(wei)器(qi)滑動(dong)(dong),改變電(dian)位(wei)(wei)器(qi)的電(dian)阻值,使其(qi)(qi)動(dong)(dong)觸點輸(shu)出0~5V的電(dian)壓,對應閥(fa)門(men)的開(kai)度。電(dian)位(wei)(wei)器(qi)的輸(shu)出信(xin)號(hao)直接接到MSP430單片機的A/D輸(shu)入通(tong)道。
(2)閥門行程檢測
閥(fa)門(men)行(xing)程(cheng)檢(jian)測采用多圈(quan)絕(jue)對值(zhi)編碼器,編碼器的(de)(de)輸出直(zhi)接接到單片(pian)機MSP430的(de)(de)I/O口上,單片(pian)機讀取(qu)二進制碼,通過(guo)計算得(de)到閥(fa)門(men)的(de)(de)行(xing)程(cheng)數值(zhi)。
4 檢測模塊軟件設計
檢測模塊(kuai)功能的(de)良好(hao)實現,不(bu)僅需(xu)要(yao)(yao)合理的(de)硬(ying)件(jian)設計(ji)(ji),軟(ruan)件(jian)設計(ji)(ji)對模塊(kuai)的(de)工作性(xing)能也有很(hen)大影響(xiang)。軟(ruan)件(jian)設計(ji)(ji)過(guo)程中除考慮靈活性(xing)、可(ke)靠性(xing)和通用性(xing)之外,還要(yao)(yao)保證很(hen)好(hao)的(de)實時性(xing)。由于(yu)系統采(cai)用主控(kong)制器加DSP的(de)硬(ying)件(jian)設計(ji)(ji),因此(ci)需(xu)要(yao)(yao)分別設計(ji)(ji)各個微處理器的(de)程序。
4.1 MSP430主程序設計
MSP430單片機負責電動執(zhi)行機構的主(zhu)控任務(wu),因(yin)此在主(zhu)程序中主(zhu)要進行系統的初始化、控制方式(shi)選擇、閥(fa)門位(wei)置和行程檢測(ce)以(yi)及顯示等工作,并(bing)將控制指令及運行參數通(tong)過同步串行口送入(ru)DSP中,具體流程如圖2所示。
圖2 MSP430主程(cheng)(cheng)序流程(cheng)(cheng)圖
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(1)系統初始化
系統(tong)上電(dian)后,首先進(jin)行(xing)初(chu)(chu)始化設(she)置,包括(kuo)I/O初(chu)(chu)始化,A/D初(chu)(chu)始化,SPI初(chu)(chu)始化等,而后從EEP-ROM中讀取(qu)上次運行(xing)設(she)定的參數值,包括(kuo)行(xing)程初(chu)(chu)值、終值、速度(du)、力矩以及控制方式(shi)選擇標志位,并將這些參數存(cun)入(ru)數據寄存(cun)器中。
(2)選擇控制方式
MSP430 根據控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方(fang)式(shi)標志,進入相應的程序分支,可(ke)選控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方(fang)式(shi)有(you)本地遙控(kong)(kong)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)、手操器控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)以及標準4~20mA電流(liu)信號控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)。3種控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方(fang)式(shi)可(ke)根據需要(yao)由控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)者切換,切換方(fang)式(shi)簡(jian)單可(ke)靠。
(3)位置和行程檢測
采(cai)樣位(wei)(wei)(wei)(wei)置(zhi)傳感器上的電壓(ya)信號,獲得執行(xing)機構當前(qian)位(wei)(wei)(wei)(wei)置(zhi),與(yu)給定位(wei)(wei)(wei)(wei)置(zhi)進行(xing)比較(jiao),根據設(she)定的死(si)區(qu)范圍,修改速(su)度參數以及(ji)運行(xing)標(biao)志位(wei)(wei)(wei)(wei)。
(4)發送數據將命令及參數進行串行發送。
(5)顯示及故障處理
每個(ge)分支的(de)(de)循(xun)環中采(cai)樣(yang)位(wei)置(zhi)(zhi)反饋信(xin)(xin)號與(yu)上次(ci)采(cai)樣(yang)值(zhi)比較(jiao),其差值(zhi)轉化(hua)為脈沖數(shu)驅動指(zhi)針(zhen)旋轉,實時跟隨閥位(wei),直到電(dian)機停止,指(zhi)針(zhen)便指(zhi)示當前位(wei)置(zhi)(zhi),掉電(dian)后依(yi)然能夠保(bao)持,旋轉方向由差值(zhi)的(de)(de)符(fu)號決定。當檢測(ce)到故障信(xin)(xin)號時,系統停止運(yun)行(xing)。
4.2 DSP主程序設計
DSP主要負責(ze)按(an)照(zhao)控制指(zhi)令驅動電機工作,且實時檢測(ce)電源和(he)電機的(de)工作狀(zhuang)態(tai),調節控制指(zhi)令并判斷是否出現故(gu)障。
(1)電源與電機檢測
DSP 通過其(qi)A/D采樣通道檢測(ce)IPM電(dian)(dian)(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)(dian)(dian)流、電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)子位置和轉(zhuan)(zhuan)矩,采樣時連續采樣4次后(hou)求(qiu)平均(jun)值,以此濾除部分干擾。電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速(su)的檢測(ce)由(you)DSP的正(zheng)交編碼(ma)電(dian)(dian)(dian)(dian)路實(shi)現(xian),通過在一段時間內記(ji)錄(lu)編碼(ma)器輸(shu)出(chu)脈沖的上升(sheng)沿個數,換算出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的轉(zhuan)(zhuan)速(su)。缺(que)相檢測(ce)僅需DSP檢測(ce)接入(ru)其(qi)I/O口的檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)路高(gao)低電(dian)(dian)(dian)(dian)平,來判斷缺(que)相情況。溫度(du)檢測(ce)由(you)DSP直接讀取(qu)溫度(du)傳(chuan)感器的數字信號,再換算成溫度(du)值。
(2)故障判斷
DSP通過檢測電源和電機的(de)各工作參(can)(can)數(shu),依據預先設定的(de)參(can)(can)數(shu)上(shang)限或(huo)下限,判斷當(dang)前閥門電動執行(xing)機構是(shi)否(fou)出(chu)現故障(zhang),以(yi)及故障(zhang)的(de)類型,并生成相(xiang)應的(de)狀態指(zhi)令,以(yi)發送到主控制器進行(xing)處(chu)理。
(3)數據發送
DSP完(wan)成故障判(pan)斷后,將故障判(pan)斷結果的狀態指令發(fa)送(song)到主(zhu)控制器(qi)(qi),由主(zhu)控制器(qi)(qi)進行顯示(shi)并采(cai)取相應動作。
5 結語
閥門電(dian)動執行機構的檢測(ce)模塊在系(xi)(xi)統的硬件和(he)軟件設計(ji)上(shang)充分(fen)考慮了工(gong)業(ye)現(xian)場的實際環境,采取了完善的抗干擾措(cuo)施和(he)故障保護措(cuo)施,大大地提高了系(xi)(xi)統的可靠性,使(shi)系(xi)(xi)統能適(shi)用于各種工(gong)業(ye)現(xian)場的環境。