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電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的開關(guān)量控制
上海申弘閥門有限公司
之前介紹高壓減壓閥，現(xiàn)在介紹電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的開關(guān)量控制利用DCS實(shí)現(xiàn)風(fēng)閥電動(dòng)執(zhí)行器的開關(guān)量控制
0 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的開關(guān)量控制前言
浮法玻璃生產(chǎn)線退火窯溫度靠控制冷卻風(fēng)閥的氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)，該執(zhí)行器能否穩(wěn)定運(yùn)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)線的退火窯采用的是法國(guó)Bergard公司的電動(dòng)執(zhí)行器，但因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度過高，造成執(zhí)行器的伺服系統(tǒng)元器件老化，伺服放大器經(jīng)常出現(xiàn)不動(dòng)作、振蕩等故障，嚴(yán)重時(shí)燒壞執(zhí)行器的電動(dòng)機(jī)，雖經(jīng)多次維修，更換新的伺服模塊或整套執(zhí)行器，但都難以在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，使設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本大大增加，還給生產(chǎn)帶來較大影響，為此，決定對(duì)15臺(tái)執(zhí)行器進(jìn)行技術(shù)改造。儀表控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的異動(dòng)將給生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)帶來嚴(yán)重的后果。介紹了一種能夠在線采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的開關(guān)量信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)，再進(jìn)行比較和邏輯處理，進(jìn)而判斷出執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行閥位保持的在線故障檢測(cè)和保護(hù)的電路。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障發(fā)生時(shí)能及時(shí)警告運(yùn)行人員，并自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位功能，利用故障指示燈迅速判別執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障點(diǎn)以提供參考依據(jù)，充分保障了生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1 原系統(tǒng)工作原理
退火窯風(fēng)閥執(zhí)行器受控于DCS系統(tǒng)，我公司DCS采用的是SIEMENS公司的S7-400H冗余系統(tǒng)，各風(fēng)閥開度值由中控室操作人員從上位機(jī)給定，4～20mA電流信號(hào)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(zhí)行器，執(zhí)行器內(nèi)部的伺服放大器將此信號(hào)與位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，再經(jīng)執(zhí)行器減速器減速，帶動(dòng)輸出軸改變轉(zhuǎn)角，輸出軸轉(zhuǎn)角的變化又使新的位置信號(hào)反饋給伺服放大器比較，直至偏差信號(hào)小于死區(qū)位置，此時(shí)輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角位置上，原理如圖1所示。
圖1原系統(tǒng)原理圖
根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常出現(xiàn)故障的部位集中體現(xiàn)在電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)部的伺服放大器部分，伺服放大器雖然接收的是模擬信號(hào)，但zui終控制執(zhí)行器伺服電機(jī)的確是開關(guān)量信號(hào)（數(shù)字信號(hào)），我們能否去掉因不能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的伺服放大器，而改由DCS系統(tǒng)直接控制伺服電機(jī)的動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)伺服放大器的功能呢[2]？答案是肯定的。結(jié)構(gòu)說明
1、電動(dòng)機(jī)：戶外型采用YDF型，隔爆型采用YBDF型閥門三相異步電動(dòng)機(jī)。
2、減速機(jī)構(gòu)：由一對(duì)直齒輪和蝸輪副兩級(jí)傳動(dòng)組成。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)減速機(jī)構(gòu)傳遞給輸出軸。
3、力矩控制機(jī)構(gòu)：當(dāng)輸出軸上受到一定轉(zhuǎn)矩后，蝸桿除旋轉(zhuǎn)外還產(chǎn)生軸向位移，帶動(dòng)曲拐，曲拐直接（或通過撞塊）帶動(dòng)支架產(chǎn)生角位移。當(dāng)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩增大到整定轉(zhuǎn)矩時(shí)，則支架產(chǎn)生的位移量使微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，從而切斷電機(jī)電源，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)矩的控制，達(dá)到保護(hù)電動(dòng)閥門的目的。
4、行程控制機(jī)構(gòu)：
采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理，又稱為計(jì)數(shù)器，控制精度高，結(jié)構(gòu)見圖7。其工作原理為：由減速箱內(nèi)的一對(duì)大小傘齒輪帶動(dòng)中傳小齒輪，再帶動(dòng)行程控制機(jī)構(gòu)工作。如果行程控制器按閥門開、關(guān)的位置已調(diào)整好，當(dāng)控制器隨輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)先調(diào)整好的位置（圈數(shù)）時(shí)，則凸輪將轉(zhuǎn)動(dòng)90°，迫使微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，切斷電動(dòng)機(jī)電源，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)裝置行程（轉(zhuǎn)圈數(shù)）的控制。
注1：為了控制較多轉(zhuǎn)圈數(shù)的閥門，可調(diào)整凸輪轉(zhuǎn)180°或270°再壓迫微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作。
5、開度指示機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)見圖8。輸入齒輪由計(jì)數(shù)器個(gè)位齒輪帶動(dòng)，經(jīng)減速后，指示盤隨閥門的開關(guān)過程同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，以指示閥門的開關(guān)量，電位器軸和指示盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)，供遠(yuǎn)傳開度指示用。移動(dòng)轉(zhuǎn)圈數(shù)調(diào)整齒輪可以改變轉(zhuǎn)圈數(shù)。開度指示機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)一微動(dòng)開關(guān)和凸輪，當(dāng)電動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)凸輪周期性地使微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，其頻率為輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈動(dòng)作一次或二次，可供閃光信號(hào)等使用。
6、手—電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)：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(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)時(shí)則自動(dòng)運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)見圖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(dāng)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，切換完成即可放開手柄，使用手輪進(jìn)行操作。而需電動(dòng)操作時(shí)，電動(dòng)機(jī)將帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)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，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到電動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
注意：1.電動(dòng)運(yùn)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(yīng)邊轉(zhuǎn)動(dòng)手輪邊推動(dòng)手柄！
四、DQW1600T 一體化電動(dòng)執(zhí)行器訂貨須知
1、 請(qǐng)按型號(hào)表示方法寫明型號(hào)，如有特殊要求，訂貨時(shí)必須說明，若不說明則按本公司規(guī)定提供。
2、 環(huán)境具有爆炸性氣體必須說明，并必須符合本說明書中防爆標(biāo)志的規(guī)定。
3、 請(qǐng)寫明連接尺寸標(biāo)準(zhǔn)，閥桿直徑及伸出長(zhǎng)度，若連接尺寸與本說明書不符，可與本公司協(xié)商解決。
4、 手輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為關(guān)閥，如與此相反必須說明。
5、 推力型的閥桿螺母螺紋一般由用戶加工，本公司只加工一預(yù)制孔。若需本公司加工，請(qǐng)?zhí)峁┞菁y的尺寸。
6、 本公司還可按用戶要求，提供其他轉(zhuǎn)速的電動(dòng)裝置。
2 改造措施
2.1 硬件構(gòu)成
在原來的S7-400H系統(tǒng)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(shù)字量輸出模塊SM322，出于安全考慮，我們不用數(shù)字量輸出模塊直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而是增設(shè)歐姆龍24V繼電器用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并保留原限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的硬件保護(hù)。模擬量輸入模塊的輸入信號(hào)種類用安裝在模塊側(cè)面的量程卡（或稱量程模塊）來設(shè)置，模塊每?jī)蓚€(gè)通道為一組，共用一個(gè)量程卡，將所有量程卡均設(shè)置在B位置，即量程卡上的標(biāo)記B旁邊的三角形箭頭應(yīng)對(duì)準(zhǔn)模塊上的標(biāo)記，B位置包括4種電壓輸入，量程為+/-10V。位置反饋信號(hào)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(hào)通過屏蔽電纜接至模擬量輸入模塊SM331，屏蔽層在柜內(nèi)要可靠接地。改造后的系統(tǒng)原理如圖2所示。
圖2 改造后的系統(tǒng)原理圖
2.2 軟件組態(tài)
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：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西門子公司的PLC編程軟件Step7對(duì)新的硬件系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和參數(shù)設(shè)置，以確保模塊正常工作。
（1）擬量輸入模塊SM331要在參數(shù)設(shè)置中設(shè)為允許診斷中斷和模擬值超過限制值的硬件中斷，并將各通道產(chǎn)生超限中斷的上限值和下限值設(shè)為10V和0.1V。
（2）SM331各通道的測(cè)量種類均選擇為“E”表示測(cè)量種類為電壓，量程選項(xiàng)均選+/-10V，要確保量程卡的位置與step7中的設(shè)置保持一致，否則模塊不能正常工作。
（3）下面我們要編制plc程序來實(shí)現(xiàn)原伺服放大器的功能，0～10V的“位置反饋信號(hào)”由模擬量輸入模塊SM332接入dcs，經(jīng)SM332內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量對(duì)應(yīng)為0～27648，dcs將此值即程序中的過程變量“position”與設(shè)定的上下限閥值比較，如超限則電機(jī)停轉(zhuǎn)，鎖定閥位，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制信號(hào)只能反向輸出，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的軟件保護(hù)，上下限閥值根據(jù)實(shí)際情況選為60～27586，對(duì)應(yīng)實(shí)際閥位為0.2～89.8°；如未超過上下限值，dcs將此信號(hào)與給定值（程序中的“DB4.MAN1”）比較后控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別需要指出的是，由于反饋信號(hào)不可避免地混有噪聲信號(hào)，所以為了避免電機(jī)頻繁動(dòng)作，在控制程序中必須加入不靈敏區(qū)即：“死區(qū)”，并合理設(shè)值。以正轉(zhuǎn)為例部分程序如下：
?
Network3：
AN #protect_R //正轉(zhuǎn)保護(hù)未動(dòng)作
JNB_0c2 //如保護(hù)動(dòng)作跳轉(zhuǎn)結(jié)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(qū)值
>R //比較，若差值大于死區(qū)值
=
? #FWD //輸出正轉(zhuǎn)信號(hào)
從上述程序可以看出，當(dāng)位置信號(hào)#position小于給定值"DB4".MAN1，且偏差#difference大于死區(qū)設(shè)定值#d_zone時(shí)，執(zhí)行器正傳（#FWD=1），隨著執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，位置反饋信號(hào)將逐步增加（減少）當(dāng)偏差值小于死區(qū)的設(shè)定值時(shí)，給執(zhí)行器斷電，利用執(zhí)行器的慣性保持偏差進(jìn)一步縮小。如果死區(qū)值設(shè)置過大，則會(huì)使執(zhí)行器輸出不能很好地跟蹤輸入信號(hào)，降低控制精度。若死區(qū)值設(shè)置過小當(dāng)電動(dòng)機(jī)斷電時(shí)，由于慣性惰走，反饋增大使偏差值反向越過死區(qū)，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如此反復(fù)動(dòng)作，出現(xiàn)自振蕩故障，對(duì)系統(tǒng)危害較大。我們實(shí)際調(diào)試時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)后因慣量前沖，反饋信號(hào)還有約0.02V左右的變化，因此我們將信號(hào)死區(qū)值定為0.05V，程序中對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為27648/10×0.05=138.24，實(shí)際對(duì)應(yīng)閥位變化約為0.45°。風(fēng)閥轉(zhuǎn)角有0.45°的不靈敏區(qū)對(duì)風(fēng)量控制基本沒有影響，因此將程序中的死區(qū)定值在138，即d_zone＝138。另外，盡量減小執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械配合間隙，也是避免振蕩、提高控制精度的有效手段。
3 結(jié)束語
利用dcs系統(tǒng)靈活、強(qiáng)大的編程功能，通過軟件實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器的開關(guān)量控制，去除了成本昂對(duì)、故障率高的伺服驅(qū)動(dòng)器，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，減小了維修量，降低了維修成本。自09年該項(xiàng)目技改調(diào)試成功后，退火風(fēng)閥控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為提高退火質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。 與本文相關(guān)的論文：調(diào)節(jié)閥流通能力Kv值
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