深度探讨双闭环阀门控制器在热电厂的应用

2022-09-11

在热电厂的生产过程中, 为了控制压力、流量的参数量使之符合工艺流程的需要, 要安装调节机构对各种参数进行调节。调节机构利用阀门的开度改变流通面积, 对控制量做出调节。热电厂中的鼓风机、转化器、预热器、锅炉热水等都要用阀门控制, 它们的安全直接关系到生产的正常进行。阀门控制器是一个安装在电动执行器内部用来驱动阀门开方向旋转或关方向旋转的装置。生产中的阀门是各式各样的, 但它们的驱动可采用统一的驱动方式以达到集中控制的目的。

本文介绍了采用MCU的单相交流电机控制器, 对控制器从软件和硬件两方面进行了深入的研究, 并结合实际使用情况, 设计了更加人性化的界面, 适用于一般性工业控制领域中。

1 系统概述

阀门控制器的驱动电压一般是220V或380 V, 为强电信号, 而系统控制器At me ga88的控制信号为弱电信号, 为了整个系统使用和维护方便, 根据信号控制的特点把它分成了两部分, 分别做在了两块电路板上, 用来完成不同功能。其中驱动板的功能主要是为整个电路和驱动机构提供各种电源, 包括AC220V, DC±12V, DC+5V等, 并提供内部和外部的信号接口, 主控板的功能是处理外部信号和对阀门进行精确控制。

装置包括主控板和驱动板, 板间连接用绝缘端子连接。阀门控制器是由外部信号驱动的, 在工业控制上, 变送器的远程通信一般不使用数字总线, 如485总线, 而是采用电压或电流信号, 其中使用较广泛的是4~20m A的电流信号, 它是通用的国际标准, 如果把4~20m A电流等分100就可以代表阀门控制器的开度0%~100%了。由于A/D变换一般采集的是电压信号, 所以要把电流信号经过电流/电压变换, 使4~20m A的电流对应到模数转换器的转换范围之内, 再由系统控制器处理就可以知道外部指令要控制的阀门开度了。

电机位置传感器是一个多圈电位器, 它的机械部分与阀门主轴或与主轴的减速机构直接相连, 通过各种方式将阀门的开关位置量在转动时变换成一个多圈电位器的抽头阻值变化量。当给多圈电位器加电源时, 多圈电位器阻值的变化引起电压量的变化, 模数转换器采集这个电压值发送到系统控制器可以得知阀门的实际位置。

系统控制器计算出当前阀门的位置后, 可以把阀门的位置以反馈指令的形式返回给远程控制端, 远程端由此可以得知本次发出的指令是否已经把阀门调节到位、是否还需做进一步的调节等。系统还检测阀门控制器的温度, 如果温度异常, 系统会控制电机停转以便进行检修。

2 控制策略的实现

阀门控制器是一个安装在电动执行器内部的信号控制装置, 输入信号为远程指令, 一般为DC4~20m A的指令电流, 输出信号为220V或380V电压, 用来驱动交流电机向开方向或关方向转动, 使阀门运行到控制指令要求的位置。

本系统有正常运行和设置两个工作状态。在正常工作状态下, 控制器用两种工作模式来控制电机的正转和反转, 远控模式时可由远程指令来控制阀门的开度, 就地模式时可由用户按下键盘上的键调节阀门的位置。当控制器在设置状态下, 控制器使阀门停到原来的位置, 进入系统参数设置这时不能对阀门的位置进行改变。

为了使系统精确而又快速的调节阀门, 本系统采用了双闭环控制方法。外环的输入信号是指令电流, 而反馈信号是由控制根据电机位置返回的指令电流, 内环的输入信号是控制器根据指令发出的使电机正转或反转的开关量信号, 反馈信号是对多圈电位器上的电压采集信号以判断电机是否使阀门旋转到指定位置。

由于电机本身特性原因, 控制器的输出开度与阀门的位置是一个非线性关系尤其是在电机起停时, 阀门位置变化率比较大, 容易形成过调节。在受到外部干扰时, 电机的转速与阀门也会有系统误差。为了提高控制精度, 加快系统响应能力, 本系统采用双闭环自适应控制策略。首先根据热电厂阀门的运行特点做出对系统反向调整的曲线, 使电机在起停时变化平缓而在运行时速度较高, 取得两个实测数据 (远控电流命令和电机位置参数) , 并求取偏差值, 再按系统预置的调整系数和调整阶数把调整阀门的时间分成n等分, 用PID控制得到控制器输出参数, 在每一段时间通过双闭环对系统的进行细调, 直到阀门到达指定位置为止, 最后调整系统的自适应参数, 准备下次调节。

3 功能电路

3.1 4~20m A电流转换

远控命令是以4~20m A电流形式出现的, 而数模转换一般只能转换电压信号, 因此要对信号做预处理, 使之能被系统控制器识别。

外部信号由运放的同相输入端输入, 经过一个接地的50Ω电阻后, 在电阻上形成一个200mv~1V压降, 另一个1k的电阻和一个104电容组成一个一阶电路将信号滤波, 使信号更加稳定。运放OP07的反相端输入是两个比例电阻, 它的作用是把输入的信号进行同相放大。输入信号的压降范围很小, 而A/D转换器的转换范围是0~5V, 有很大一部分转换范围没有使用, 不能达到系统控制精度, 也不能为了把信号转换成0~5V而提高信号输入电路的内阻, 因为这会影响远控电路的输出。为了实现转换, 在运放的反相端给原输入信号放大合适的倍数, 使之处在0~5V之间。

3.2 阀门开关信号控制电路

系统控制器根据远控命令和计算反馈的数据控制交流电机带动阀门开关。L、N为交流电的输入, 正转和反转为电机两根信号控制线外接分相电容后, 可使电机的通电方向发生改变, 即可对电机进行正反转的控制。火线和零线上接的对称的电阻和电容用来进行滤波。RV1和RV2是两个压敏电阻, 在电机启停时会产生一个瞬间的高电压会烧毁电机和电路中的器件, 加上压敏电阻后电压过高时压敏电阻的阻值会降低, 形成一个电路通路, 后续电路会切断电源从而保护电路和电机。由于使用的是交流电, 因此要用一个双向可控硅或两个正反相接的单向可控硅 (Q2, Q4) 来使电机在交流电的正半周和负半周都能运行, 本设计使用了两个单向可控硅, 因为两个单向可控硅并联后它的耐压值更高。控制电机正转和反转的四个可控硅是对称的。使能正转或反转的器件是光电过零触发器, 它可以由单片机直接控制, 并且与弱电信号隔离, 保证了系统的安全性。