電動(dòng)調節閥執行器的開(kāi)關(guān)量控制

                              上海申弘閥門(mén)有限公司

之前介紹高壓減壓閥，現在介紹電動(dòng)調節閥執行器的開(kāi)關(guān)量控制利用DCS實(shí)現風(fēng)閥電動(dòng)執行器的開(kāi)關(guān)量控制
    0 電動(dòng)調節閥執行器的開(kāi)關(guān)量控制前言

    浮法玻璃生產(chǎn)線(xiàn)退火窯溫度靠控制冷卻風(fēng)閥的氣動(dòng)或電動(dòng)執行器來(lái)實(shí)現，該執行器能否穩定運行直接關(guān)系到退火窯的作業(yè)制度，是保證玻璃退火質(zhì)量的關(guān)鍵因素。我公司一條浮法生產(chǎn)線(xiàn)的退火窯采用的是法國B(niǎo)ergard公司的電動(dòng)執行器，但因現場(chǎng)環(huán)境溫度過(guò)高，造成執行器的伺服系統元器件老化，伺服放大器經(jīng)常出現不動(dòng)作、振蕩等故障，嚴重時(shí)燒壞執行器的電動(dòng)機，雖經(jīng)多次維修，更換新的伺服模塊或整套執行器，但都難以在高溫環(huán)境下穩定運行，使設備的運行維護成本大大增加，還給生產(chǎn)帶來(lái)較大影響，為此，決定對15臺執行器進(jìn)行技術(shù)改造。儀表控制調節系統中，電動(dòng)執行機構的異動(dòng)將給生產(chǎn)工藝調節帶來(lái)嚴重的后果。介紹了一種能夠在線(xiàn)采集執行機構控制的開(kāi)關(guān)量信號和執行機構的位置反饋信號，再進(jìn)行比較和邏輯處理，進(jìn)而判斷出執行機構故障，并對執行機構進(jìn)行閥位保持的在線(xiàn)故障檢測和保護的電路。當執行機構故障發(fā)生時(shí)能及時(shí)警告運行人員，并自動(dòng)控制執行機構閥位功能，利用故障指示燈迅速判別執行機構的故障點(diǎn)以提供參考依據，充分保障了生產(chǎn)的安全穩定運行。

    1 原系統工作原理

    退火窯風(fēng)閥執行器受控于DCS系統，我公司DCS采用的是SIEMENS公司的S7-400H冗余系統，各風(fēng)閥開(kāi)度值由中控室操作人員從上位機給定，4～20mA電流信號經(jīng)DCS的模擬量輸出模塊SM332輸出到控制風(fēng)閥的電動(dòng)執行器，執行器內部的伺服放大器將此信號與位置反饋信號進(jìn)行比較，得到偏差信號，此信號經(jīng)過(guò)放大，驅動(dòng)伺服電機的正反轉，再經(jīng)執行器減速器減速，帶動(dòng)輸出軸改變轉角，輸出軸轉角的變化又使新的位置信號反饋給伺服放大器比較，直至偏差信號小于死區位置，此時(shí)輸出軸就穩定在與輸入信號相對應的轉角位置上，原理如圖1所示。

圖1原系統原理圖

    根據以往經(jīng)驗經(jīng)常出現故障的部位集中體現在電動(dòng)執行器內部的伺服放大器部分，伺服放大器雖然接收的是模擬信號，但zui終控制執行器伺服電機的確是開(kāi)關(guān)量信號（數字信號），我們能否去掉因不能在高溫環(huán)境下穩定工作的伺服放大器，而改由DCS系統直接控制伺服電機的動(dòng)作從而實(shí)現伺服放大器的功能呢[2]？答案是肯定的。結構說(shuō)明

      1、電動(dòng)機：戶(hù)外型采用YDF型，隔爆型采用YBDF型閥門(mén)三相異步電動(dòng)機。
      2、減速機構：由一對直齒輪和蝸輪副兩級傳動(dòng)組成。電動(dòng)機的動(dòng)力經(jīng)減速機構傳遞給輸出軸。
3、力矩控制機構：當輸出軸上受到一定轉矩后，蝸桿除旋轉外還產(chǎn)生軸向位移，帶動(dòng)曲拐，曲拐直接（或通過(guò)撞塊）帶動(dòng)支架產(chǎn)生角位移。當輸出軸上的轉矩增大到整定轉矩時(shí)，則支架產(chǎn)生的位移量使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而切斷電機電源，電動(dòng)機停轉。以此實(shí)現對電動(dòng)裝置輸出轉矩的控制，達到保護電動(dòng)閥門(mén)的目的。
4、行程控制機構：
采用十進(jìn)制計數器原理，又稱(chēng)為計數器，控制精度高，結構見(jiàn)圖7。其工作原理為：由減速箱內的一對大小傘齒輪帶動(dòng)中傳小齒輪，再帶動(dòng)行程控制機構工作。如果行程控制器按閥門(mén)開(kāi)、關(guān)的位置已調整好，當控制器隨輸出軸轉動(dòng)到預先調整好的位置（圈數）時(shí)，則凸輪將轉動(dòng)90°，迫使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，切斷電動(dòng)機電源，電動(dòng)機停轉，從而實(shí)現對電動(dòng)裝置行程（轉圈數）的控制。
注1：為了控制較多轉圈數的閥門(mén)，可調整凸輪轉180°或270°再壓迫微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
5、開(kāi)度指示機構：結構見(jiàn)圖8。輸入齒輪由計數器個(gè)位齒輪帶動(dòng)，經(jīng)減速后，指示盤(pán)隨閥門(mén)的開(kāi)關(guān)過(guò)程同時(shí)轉動(dòng)，以指示閥門(mén)的開(kāi)關(guān)量，電位器軸和指示盤(pán)同步轉動(dòng)，供遠傳開(kāi)度指示用。移動(dòng)轉圈數調整齒輪可以改變轉圈數。開(kāi)度指示機構內設一微動(dòng)開(kāi)關(guān)和凸輪，當電動(dòng)裝置運轉時(shí)，旋轉凸輪周期性地使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，其頻率為輸出軸轉動(dòng)一圈動(dòng)作一次或二次，可供閃光信號等使用。
6、手—電動(dòng)切換機構：為半自動(dòng)切換，手動(dòng)時(shí)需扳動(dòng)手柄切換，手動(dòng)狀態(tài)轉變?yōu)殡妱?dòng)時(shí)則自動(dòng)運行。其結構見(jiàn)圖9。它由手柄、切換件、直立桿、離合器、壓簧等組成。需手輪操作時(shí)，將手柄向手動(dòng)方向推動(dòng)，切換件使離合器抬高，并壓迫壓簧。當手柄推到一定位置時(shí)，離合器即脫離蝸輪而與手輪嚙合，同時(shí)直立桿在扭簧作用下直立于蝸輪端面，支撐住離合器不致下落，切換完成即可放開(kāi)手柄，使用手輪進(jìn)行操作。而需電動(dòng)操作時(shí)，電動(dòng)機將帶動(dòng)蝸輪轉動(dòng)，支承于蝸輪端面的直立桿即倒下，在壓簧作用下離合器迅速向蝸輪方向移動(dòng)，并與蝸輪嚙合，同時(shí)與手輪脫開(kāi)，自動(dòng)實(shí)現手動(dòng)到電動(dòng)狀態(tài)的轉換。

注意：1.電動(dòng)運行時(shí)切勿扳動(dòng)切換手柄！
      2.切換時(shí)按箭頭方向推（或拉）動(dòng)手柄，若推不到位時(shí)應邊轉動(dòng)手輪邊推動(dòng)手柄！

四、DQW1600T 一體化電動(dòng)執行器訂貨須知
1、 請按型號表示方法寫(xiě)明型號，如有特殊要求，訂貨時(shí)必須說(shuō)明，若不說(shuō)明則按本公司規定提供。
2、 環(huán)境具有爆炸性氣體必須說(shuō)明，并必須符合本說(shuō)明書(shū)中防爆標志的規定。
3、 請寫(xiě)明連接尺寸標準，閥桿直徑及伸出長(cháng)度，若連接尺寸與本說(shuō)明書(shū)不符，可與本公司協(xié)商解決。
4、 手輪順時(shí)針旋轉為關(guān)閥，如與此相反必須說(shuō)明。
5、 推力型的閥桿螺母螺紋一般由用戶(hù)加工，本公司只加工一預制孔。若需本公司加工，請提供螺紋的尺寸。
6、 本公司還可按用戶(hù)要求，提供其他轉速的電動(dòng)裝置。

    2 改造措施

    2.1 硬件構成

    在原來(lái)的S7-400H系統中拆除模擬量輸出模塊SM332，增加二塊8路模擬量輸入模塊SM331，增加一塊16路數字量輸出模塊SM322，出于安全考慮，我們不用數字量輸出模塊直接驅動(dòng)電機，而是增設歐姆龍24V繼電器用于控制電機正反轉，并保留原限位開(kāi)關(guān)實(shí)現電機及傳動(dòng)機構的硬件保護。模擬量輸入模塊的輸入信號種類(lèi)用安裝在模塊側面的量程卡（或稱(chēng)量程模塊）來(lái)設置，模塊每?jì)蓚€(gè)通道為一組，共用一個(gè)量程卡，將所有量程卡均設置在B位置，即量程卡上的標記B旁邊的三角形箭頭應對準模塊上的標記，B位置包括4種電壓輸入，量程為+/-10V。位置反饋信號接入模塊之前，要確保量程卡在正確位置，否則將損壞模擬量輸入模塊。0～10V的位置反饋信號通過(guò)屏蔽電纜接至模擬量輸入模塊SM331，屏蔽層在柜內要可靠接地。改造后的系統原理如圖2所示。

圖2 改造后的系統原理圖

    2.2 軟件組態(tài)

    上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥 波紋管截止閥軟件方面的首要工作就是通過(guò)西門(mén)子公司的PLC編程軟件Step7對新的硬件系統進(jìn)行組態(tài)和參數設置，以確保模塊正常工作。

    （1）擬量輸入模塊SM331要在參數設置中設為允許診斷中斷和模擬值超過(guò)限制值的硬件中斷，并將各通道產(chǎn)生超限中斷的上限值和下限值設為10V和0.1V。

    （2）SM331各通道的測量種類(lèi)均選擇為“E”表示測量種類(lèi)為電壓，量程選項均選+/-10V，要確保量程卡的位置與step7中的設置保持一致，否則模塊不能正常工作。

    （3）下面我們要編制plc程序來(lái)實(shí)現原伺服放大器的功能，0～10V的“位置反饋信號”由模擬量輸入模塊SM332接入dcs，經(jīng)SM332內部的AD轉換器轉換后的數字量對應為0～27648，dcs將此值即程序中的過(guò)程變量“position”與設定的上下限閥值比較，如超限則電機停轉，鎖定閥位，此時(shí)電機轉動(dòng)的控制信號只能反向輸出，從而實(shí)現電機及傳動(dòng)機構的軟件保護，上下限閥值根據實(shí)際情況選為60～27586，對應實(shí)際閥位為0.2～89.8°；如未超過(guò)上下限值，dcs將此信號與給定值（程序中的“DB4.MAN1”）比較后控制電機轉動(dòng)，特別需要指出的是，由于反饋信號不可避免地混有噪聲信號，所以為了避免電機頻繁動(dòng)作，在控制程序中必須加入不靈敏區即：“死區”，并合理設值。以正轉為例部分程序如下：

    ?

    Network3：

    AN         #protect_R        //正轉保護未動(dòng)作

    JNB_0c2                              //如保護動(dòng)作跳轉結束本段程序

    L           "DB4"。MAN1         //閥位人工給定值

    L           #position                 //位置反饋值

    -R                                  //求差

    T#difference                     //得到位置反饋與人工給定的差值  ?

    L           #difference

     L     #d_zone             //死區值

    >R                          //比較，若差值大于死區值

    =

    ?     #FWD                   //輸出正轉信號

    從上述程序可以看出，當位置信號#position小于給定值"DB4".MAN1，且偏差#difference大于死區設定值#d_zone時(shí)，執行器正傳（#FWD=1），隨著(zhù)執行器的運動(dòng)，位置反饋信號將逐步增加（減少）當偏差值小于死區的設定值時(shí)，給執行器斷電，利用執行器的慣性保持偏差進(jìn)一步縮小。如果死區值設置過(guò)大，則會(huì )使執行器輸出不能很好地跟蹤輸入信號，降低控制精度。若死區值設置過(guò)小當電動(dòng)機斷電時(shí)，由于慣性惰走，反饋增大使偏差值反向越過(guò)死區，從而導致電動(dòng)機反向轉動(dòng)，如此反復動(dòng)作，出現自振蕩故障，對系統危害較大。我們實(shí)際調試時(shí)，電機停轉后因慣量前沖，反饋信號還有約0.02V左右的變化，因此我們將信號死區值定為0.05V，程序中對應的數字量為27648/10×0.05=138.24，實(shí)際對應閥位變化約為0.45°。風(fēng)閥轉角有0.45°的不靈敏區對風(fēng)量控制基本沒(méi)有影響，因此將程序中的死區定值在138，即d_zone＝138。另外，盡量減小執行器傳動(dòng)機構的機械配合間隙，也是避免振蕩、提高控制精度的有效手段。

    3  結束語(yǔ)

    利用dcs系統靈活、強大的編程功能，通過(guò)軟件實(shí)現電動(dòng)執行器的開(kāi)關(guān)量控制，去除了成本昂對、故障率高的伺服驅動(dòng)器，提高了控制系統的可靠性，減小了維修量，降低了維修成本。自09年該項目技改調試成功后，退火風(fēng)閥控制系統運行穩定，為提高退火質(zhì)量奠定了基礎。 與本文相關(guān)的論文：調節閥流通能力Kv值