智能阀门定位器设计.docx

摘要摘要:智能阀门定位器具有高灵敏度、高可咏性以及内设整定参数可选择性，使有死区的阀门动态响应汨到很大的改善，并使阀门行程精确和稳定地操作.智能阀门定位器从二卜世纪中期产生至今，经历了几个不同的发展阶段”目前智能式阀门定位是国内外研究和使用的重点。本文主要针对料能式阀门定位沿的硬件部分进行研究设计，并对定位器的硬件控制系统的组成情况以及主要的模块特性进行了系统的分析研究。首先根据目前国内、外对智能阀门定位器的研究，通过深入分析典里智能阀门定位器的结构，工作原理及其实现的功能，制定出系统的设计方案。其次主要从宏观上设计出定位器的结构组成及工作原理，其次对该定位器做出软件设计的规划，包括主程序的设计、反馈信号采样和数据处理模块程序的设计、输入信号采样和数据处理模块程序的设计以及测试模块程序的设计等。最后对定位器硬件系统进行了详细设计.主要包括电源电路设计、信号采样模块的设计、人机交互模块的设计以及串口通讯模块的设计，并采用了功能强大的电路电子仿真软件Pmeus对系统进行了搭建实验.最终率先完成了定位器硬件系统整体设计要求.关键词：阀门定位器：Protcus;电路设计第1章绪论1.1背景及研究意义智能控制是门新兴的理论和技术,它是传统控制发展的高级阶段,主要用来介绍那些用传统方法难以解决的亚杂系统的控制、其中包括智能机器人系统，攵杂工业过程控制系统、航空航天控制系统、交通运输系统等。近十几年来，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃。智能控制技术发展迅速，已提出许多方法，如专家控制、模糊控制、神经网络控制、分层递阶控制、拟人智能控制和基因控制等。其目的是提高系统的也棒性、容错性和解决具有严重非线性和不确定性系统的控制问题。在应用方面，其研窕重点集中在智能控制元件、系统的智能控制方法和智能控制器的实时实现方面。面对现代化工业的特点和要求，一个理想的智能控制系统应具备以卜.一些的功能将点：(D学习功能。系统具有自行改善自身性能的能力，即在经历某种变化后，系统性能应优于变化前的系统性能.(2)适应功能。系统应具仃适应受控对象动力学特性变化、环境变化和运动条件变化的能力。(3)组织功能。对丁笑杂的任务和分散的传感信息具有自行组织和协调功能.该组织功能还表现为系统具T相应的主动性和灵活性,并满足多目标和高性能指标要求。(4)鲁棒性。系统性能应对环境干扰和不确定性等诸因素不域感。(5)容错性。系统对各类故障具有屏蔽和自修发的功能。(6)实时性.实时性是智能控制的生命，系统应具有相当的在线实时响应的能力.智能控制系统需要实时监控、实时处理、实时学习和实时动态推理。我们之所以在定位器中提出智能控制的概念，这说明我们之前的定位器是不具备智能的特点，这绐逐步发达的工业领域带来了极大的不便，面对些人工无法完成，计算庞大而艰涩的难超，对于传统的以力平衡为原理的阀门就显得有些力不从心了，面对这样的局面智能阀门的出现可以说是解决人们无能为力的问题，开拓了工业控制领域的新局面，给工业自动化带来了新的深刻变革，代表了气动执行耦的发展方向。智能阀门定位器辅助调节阀实现流量的控制，在工业控制领域发挥着重要的作用。对流量的控制精度的要求越来越高，对定位器的性能也提出了更高的要求，智能阀门定位器成为工业控制领域的研究热点。阀门定位器发展的趋势是电气化、智能化，并且必将与全数字化工业控制相适应。智能阀门定位器通过自动调校、初始化等操作，进行参数的自整定，比如自动识别执行机构的作用方向、零点和行程范用，应用在不同类型的谢节何匕有利于克服调节阀阀杆所受填料摩擦力、不平衡力的影响，实现调节阀按用户设定的信号准确定位，提高定位精度、线性度.随着智能、网络、通信和控制与管理综合自动化技术的发展，在工业流量控制中对气动调节阀的智能化要求U益迫切。特别是现场总线和开放式控制系统对同门定位器提出了更高的要求，使得原有的阀门定位器无法满足控制要求，开发研制智能同门定位潞是工业自动化发展的必然结果。随着现场总线技术的日趋完善和成熟，加快r智能型定位器产品的研究开发：在国外，智能阀门定位器研究开发较早的有F1.SHER>SIEMENS.ABB,SAMSoN、山武等公司，共成熟产品已广泛应用于冶金、石油、化工、电力等行业的控制系统中。在国内，共主导产品还是基于力平衡原理的机械式和模拟电子技术的电一气阀门定位器，对智能阀门定位器的研究开发还处于起步阶段，行业单位研制开发的数字式阀门定位器等产品，虽然提高了产品技术水平，但不能湎足当今现场总线及开放式控制系统对定位器的要求。HvP系列智能阀门定位器是国家“九五”攻关项目一EHART协议智能阀门定位罂及防爆品种研究开发的科技成果，主要包括HVP1.I“2和HVPo8，09两大类四个品种，是我公司拥有完全自主知识产权的创新产品，它埴补了国内在该领域的空白，其技术水平处于国内领先地位。1.2 国内外研究现状早期的阀门定位器采用力平衡原理,1.P转换部分为喷嘴挡板机构，输入信号为气压信号，输出信号也为气压信号，通过改变喷嘴和挡板的距离从而改变进入气动薄膜气室的气压，调节进气量和排气量，使执行机构的动作，从而进行阀门定位，凸轮的形状决定阀门的流量特性，一种凸轮形状对应一种流量特性，一旦凸轮安装完成，调节阀的流量特性就已经确定，要想使阀门具有多种流量特性,须改变凸轮的形状，重新安装凸轮。电气阀门定位器的诞生，采用了电磁铁，增加r电气转换功能，输入信号是4-2OmA的电流信号，输出信号是气压信号，实现的功能和气动阀门定位器一样。将微处理器应用于电气阀门定位器，发展成智能阀门定位器，采用电平衡原理取代力平衡原理，改善了之前阀门定位器容易受环境干扰、安装调试工作量大等不足，增加了同门定位器的灵活性,实现直行程和角行程的选择，正反作用的选择、流量特性的选择等功能，自动实现调校过程，初始化操作后可自动获得零位和行程范围等参数，提高调节阀的性能。现场总线是一种新型的工业控制方式，数字信号与模拟信号同时传送，互不卜扰，基于现场总线的阀门定位器，通过双向通讯，可实时将阀门定位器信息传送至上位机，查看阶跃响应、动态偏差及执行机构特性等，常见的控制总线有HART、PRoF1.BUS和FF总线等，配有现场总线的阀门定位落是发展的前沿。对智能阀门定位器的优点总结如下：(1)定位精度高与早期的气动阀门定位器相比，智能阀门定位器的可动部件就比较少了，没仃必要反更调节螺检和弹簧，外界振动的卜扰和温度对它的影响也大大减少，这样一来它的稳定性就比较可靠。安装好调节阀之后，摩擦力具行多变性，这主要是因为调节阀参数规格的大小存在差异,相对于智能阀门定位器的调节阀的最佳工作状态，那么喷嘴挡板式的就显得捉襟见肘而智能阀门定位器以微处理器为核心，以电平衡原理进行闭环自动控制，可自动识别调节阀的特性，克服了填料摩擦力，消除不平衡力的影响,还可采用软件方式对阀位反馈非线性进行补偿，提高了定位精度。(2)自调整功能智能阀门定位器通过初始化操作，可自动识别执行机构的正反作用方式、行程范围大小，调整零点和量程参数。阀门的安装调试方便，减少成本，节约安袋调试时间。(3)多流量特性的选择传统的气动阀门定位落通过凸轮的形状取得用户期望的流量特性，若要改变流量特性，需要重新更改反馈凸轮形状，重新安装凸轮。在执行器上安装智能阀门定位器之后，不需要调节机械部件，通过软件编程使调节阀具备多种流量特性，用户通过按键或手持港选择设定流量特性，快槌方便。(4)低功耗在喷嘴挡板式的阀门定位器工作的时候，它的能耗是比较大。这主要是因为要连续不断地供给压缩空气，在阀门定位之后，依然需要气压供给.气源的不干净，环境的污染，这使得喷嘴容易堵塞，因此经常需要清洁，清洁时还需要进行拆装，费时费事。智能阀门定位器在阀门定位之后，耗气量几乎为零。(5)数字通讯功能智能阀门定位器接收数字信号，进行主从双向通讯，不但可以接受来自上位机的发来信号，而且可以将当前的工作状态发送给上位机。所以，用户可以远距离进行阀门定位器的组态、查看当前阀门运行状态,通过远程终端进行操控，可以避免工作人员在恶劣的环境下的操作，避免高危作业。1.3 论文的主要研究内容本课题研究智能二线制电气阀门定位器,以微处理器为核心，将压电技术应用于同门定位器系统，可用于控制直行程或角行程的土构。六课题的研究内容如下所述：U)智能阀门定位器系统的各组成部分的研4：(2)控制主板的硬件电路的设计：(3)软件规划设计.本论文研究中主要工作如下：查阅相关文献，深入了解智能阀门定位器的工作原理，控制系统的构成，明确本文所研究的智能阀门定位罂的功能及要求。以微处理器1.PC2290为核心，进行智能阀门定位器硬件电路的设计与改进，针对硬件电路存在的不足进行优化和改进，使得硬件电路更加的稳定可靠。完成智能阀门定位器按键程序、A心采样程序和液晶显示程序等，进行任务的规划和优先级的安排，最终实现软件程序的规划。第2章智能阀门定位器系统智能定位器是一个基于二线制的机电产品，是一个比较典型的化工仪表，它综合了机械、电子、电磁技术、气动技术等学科内容。智能定位器以微处理器为核心，利用了新型的压电阳代替传统定位器中的喷喷、挡板调压系统来实现时输出压力的调节。它与传统定位瑞从控制规律上基本相同，都是将输入信号与位置反馈进行比较后对输出压力信号进行调节。但在执行元件上智能定位器和传统定位器完全不同，也就是工作方式上二苕完全不同。控制阀是过程控制的终端执行元件，通常配置阀门定位器.这主要是为了使其按照控制指令能更加准确的定位，传统的阀门定位器长期采用机械式的模拟技术，功能单一、结构包杂旦故障率高，也使控制阀整体性能低下，常常不能实现有效控制。近年来，随着自动化技术的发展，在流程工业过程强化、功能安全和现场设备资产管理的强劲需求卜.，控制阀利用计算机技术、通信技术和人工智能技术(智能预估诊断)，嵌入式数字解决方案实现智能化，要点是配置和应用智能阀门定位器。经过智能阀门定位器的数字化数据处理、双向通信以及人工智能应用，控制阀成为智能现场设备并得以功能强化和具有高可用性。智能阀门定位器定义是一种通过数据处理、决策生成和双向通信数字技术来实现其功能的仪表，可以配备附加的传感器和附加的功能来补充其主要功能。智能阀门定位器采用在板微处理器、应用软件和功能模块，可实现定位功能的自适应、自校准、阀位控制和控制阀在线状态监测及离线测试的自诊断，数据处理和通信，还可以本机显示、操作或附加更多功能以及设备集成。2.1智能阀门定位器的结构原理及设计2.1.1智能阀门定位器的结构组成当前趋势是固件依存功能、硬件依存软件,架构相似。因生产厂商不同，智能阀门定位瑞存有各种各样不同的设计，面对众多型号的智能阀门定位器，应按结构化方法去解择和鉴别，可以通过区分硬件模块、外部连接和应用环境，建立起智能阀门定位器物理结构的常规模式，如图2.1所示的方框图1。(1)电源单元大多数智能阀门定位器是二线制仪表，是通过控制系统及仪表的模拟控制信号（电流）来取得工作电源，此时所需的电源转换部分并接在输入上，常规方法是用稳压管取出电压，再使用集成器件转换出CPU及接口的工作电压（例如3VDC）、输出子系统所需驱动电压（例如驱动压电阀的24VDC）,只有少数智能阀门定位器设计有四线制或三线制，需要专门的外部供电，设置电源单元接受外接电源电压。再就是二线制使用数字量控制信号的通过通信接口连接现场总线取得总线供电。翔作AM仪表'对去执行机构的输出压力A数字输出气动即件图2.I智能阀门定位器物理结构的模式（2）人机接口人机接口是用于交互的重要工具，应能读出数据（本机显示）、提供输入组态操作并请求访问数据（本机按键）。只有阀门定位器所产生的数据可与外部交互时,才能归类于智能型。目