氣動控制閥定位器在鍋爐應用

                                 氣動控制閥定位器在鍋爐應用

                                   上海申弘閥門有限公司

之前介紹臺車爐通風系統方形蝶閥，現在介紹氣動控制閥定位器在鍋爐應用現目前，工業鍋爐是我國重要的熱能動力設備，年耗煤量占全國原煤產量的1/3。但大多數工業鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環境污染嚴重等生產狀態，需要進行技術改造。作者所研究的智能氣動調節閥定位器為鍋爐改造及相似應用提供了支持。主要研究內容為：使用開關閥控制氣缸，采取適當的控制策略，以較低的成本，構造了具有一定控制精度、能夠適應較為惡劣的外部環境并具有很好魯棒性的閥門定位器，為工業鍋爐的節能改造及類似應用提供硬件支持。 氣動程控閥具有密封性能好，雙向耐壓零泄漏；無磨損、無沖擊、壽命長；抗分子篩粉塵。以來，氣動程控閥在使用過程中我們不斷*和發展這種類型的閥門，現在它的結構簡單可靠、密封良好、動作時間短、密封壽命長。



 ◆氣動控制閥定位器在鍋爐應用氣動程控閥   產品特點：

1、閥桿與活塞桿合二為一，確保上下對中，使閥門密封可靠而且長久； 

2、采用*的低流阻閥體、流線型流道設計，精密細致的鑄造表面，功能特別的導流片，使流阻大大減小； 

3、采用內平衡原理：采用內平衡結構，抵消介質壓力，使閥門的使用壓差得到提高，具有良好的雙向承壓能力。閥門正、反向使用時，具有相同的密封副比壓，使密封片壽命提高，并減小了執行機構，使閥門整體體積縮小。

4、直觀可靠的閥位狀態現場指示，配閥位檢測信號裝置，可實現信號遠程傳輸功能； 

5、可靠的外密封：采用空心V型填料，具有良好的自密封性能。填料采用炭纖維增強填充聚四氟乙烯材料，添加有減摩成份，提高耐磨性。填料組具有彈簧 補償結構，在填料磨損后能進行自動補償。經二十余年使用證明，該填料組結構密封非常可靠，使用壽命很長；

6、的密封片： 使用PEEK密封片。它是一種高分子材料，具有較高的硬度及機械強度，良好的回彈性。使用這種密封片，使閥門壽命大大提高；

7、*的防沖刷結構：在工藝管道中的氣體介質內，可能存在一定量的雜質，在高速氣流的推動下，這些雜質會急聚沖刷密封片。一定時間后，一般結構的      閥門密封片會出現一些坑洞，造成閥門內漏。本閥門設計有密封片防沖刷裝置，能使95%以上的氣體沖刷在防沖刷裝置上，并使氣體流向有一定的導向作用，保護密封片。用該防沖刷裝置和密封片可有效地保證密封片的壽命達到開關100萬次以上。



 ◆氣動程控閥   產品性能：

1、密封性能好，達到零泄漏標準； 

2、閥門開關速度快DN150以下≤2S,DN150以上≤3S以內；

3、壽命長，可經受頻繁開關；

4、具備雙向耐壓性和抗高速氣流沖刷性能；

5、能用于氫氣、一氧化碳等易燃易爆、有毒和粉塵等惡劣環境；

6、具備雙向耐壓性和抗高速氣流沖刷性能；

7、氣動開關，具有閥位狀態現場指示和開關信號反饋。


1 系統構成及特點
1.1 系統構成
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥系統構成如圖1所示。氣缸用于驅動閥門插板，4個高速開關閥控制氣缸。控制器根據安裝在氣缸上的位移傳感器控制氣缸活塞桿的位移，從而達到控制閥門開度的目的。
在圖1中，位移傳感器用于測量氣缸的位移；氣缸控制閥門開度；開關閥驅動電路用于控制開關閥；變送器用于將傳感器采集到的微弱的信號放大，以便轉送或啟動控制元件，或將傳感器輸入的非電量轉換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源，根據需要還可將模擬量變換為數字量；位置指令用于向系統輸入位置指令；外部數字指令接受外部非程序性指令，主要起保護系統的作用；控制器主要實現控制策略；4～20mA閥位信號通信接口用于將閥口的位置信號上傳至遠程控制中心。



氣閥門定位器特征：
       在5~200Hz范圍內無共振現象。
       不用更換零件,簡單操作即可進行1／2范圍內的分程控制。
       零調節和量程調節非常簡單。
       正作用和反作用可方便轉換。
       反饋桿連接非常簡單。
       反應速度快而準確。
       空氣消耗量小，經濟性好。
       在小型執行器也可利用定位器的節流孔來防止振動現象。
       可方便進行管道連接。



圖1 閥門定位系統的構成
1.2 開關閥式氣動位置系統特點
（1）開關閥動作速度快、結構簡單，所以開關閥式氣動伺服系統具有頻響較高、抗干擾能力強、結構簡單、成本低廉和對環境要求不高等優點。
（2）由于閥處于全開或全關狀態，過流面積大減少了污染物堵塞的可能性，可靠性高，消除多種非線性因素如干摩擦等的影響。
（3）閥的加工精度低，成本低。
（4）由于開關閥始終工作在開或者關的狀態，存在著一定的開關死區，所以容易在平衡點附近產生極限環振蕩。
從上面的敘述可以看出，開關閥具有結構簡單、價格便宜、抗污染能力強、容易維護等優點，雖然閥的開關動作產生流量脈動會影響系統的精度、閥的開關切換特性會形成零位死區，但其本身所具有的特點再加上控制策略的彌補，應用仍較廣泛。
2 系統控制器的設計
2.1 控制器的硬件設計
控制器功能結構見圖2所示，可分為4個模塊。



圖2 控制器硬件功能結構圖
第1模塊為主體，包括MCU芯片，電源處理、擴展外部存儲器RAM、A/D轉換電路、D/A轉換電路、RS232通信、CAN總線、仿真及邏輯電平轉換等電路，此模塊為控制器的核心部分；第2模塊為顯示與控制，包括液晶顯示、控制指示燈以及控制按鈕，其主要功能是顯示DA輸出的位置、各種工作狀態及系統各參數，完成自動、手動、聯機、復位等功能；第3模塊為遠程控制和提供各種外部接口，包括RS232、復位、仿真以及遠程控制按鈕、遠程控制指示燈操作接口；第4模塊為電源。通過ACDC模塊，將220V交流電壓轉換為+24V、12V和+5V直流電壓。
2.2 控制器的軟件設計
程序采用C語言編程。為了便于程序的維護和修改，縮短程序的開發時間，采用了模塊化的程序設計方法，主要包括主程序、跟蹤D/A、顯示子程序、按鍵處理子程序、液晶跟蹤顯示參數子程序、遠程控制子程序、通信子程序、同步串口子程序、異步串口子程序、定時采樣子程序和A/D中斷（控制算法）子程序。其關系如圖3所示。

技術參數

     型      號         HVP11/12
     輸入信號         4～20mA的模擬信號及數字信號
     輸入負載電壓   11V
     輸入阻抗         550±10Ω
     氣源壓力         0.2MPa～0.55MPa
     耗 氣 量         ≤2.0NL/min
     行      程         10～100mm（轉角60～90°）
     精度等級         0.5級、1.0級（標準型）



     工作環境條件：
      a、環境溫度：－30～+80°C（HVP11）
      b、環境濕度：5%～95%
      c、環境大氣壓：86～106kPa
      d、周圍空氣中無明顯的腐蝕性氣體

     顯 示 器        LCD 
     防爆等級        Ex iaIICT6（本安型）、Ex dIICT6（隔爆型）
     通過本安、防護等級認證，證號：320053009（本安型）、320031180（隔爆型）
     防護等級        IP65
     電氣接頭        M20X1.5-7H（標準）、1/2NPT
     氣源接頭        Rc1/4
     關聯設備        GS8067-Ex(ia)、GS8047-Ex(ia)、GS8011-Ex(ia)隔離式安全柵（本安型用）
     殼體材料        鋁合金ZL102
     重     量         2.0kg（本安型）、3.0kg（隔爆型）



圖3 控制系統軟件結構圖
由于硬件設計大部分采用串口實現這些功能，因此在軟件設計上需要對外部中斷、定時器、SPI、MCBSP、SCI、ECAN模塊等的時鐘頻率合理設置使各串口之間能夠協調地工作，另外在編程時需要正確設置中斷源的優先級，以達到實時控制的目的。
3 基于PID的PWM閥門定位器控制策略研究
氣缸的每個腔室連接兩個開關閥，開關閥1和開關閥3從氣源向氣缸提供壓縮氣體，開關閥2和開關閥4把氣缸內的壓縮氣體釋放到大氣中。控制開關閥適時的打開和關閉，進而控制氣缸兩腔充氣或放氣，從而推動活塞的往復運動，后使活塞移動到設定位置。一旦活塞到達設定位置，關閉所有的開關閥，使氣缸兩腔封閉，活塞位置不再改變。
開關閥的控制信號采用PWM（脈寬調制）控制。該設計中脈寬周期Tp設定為40ms，開關閥開啟時間Ton在脈寬周期范圍內可變。PWM控制信號的占空比根據關系式：

可以看到占空比可以從0變化到99%。PWM控制稱為脈沖寬度調制控制，其原理是使用一個正弦信號對一個控制信號e（t）進行調制，用調制后的控制信號ze（t）作為新的控制信號，如圖4所示。在一定的時間周期內，這個新的控制信號與原控制信號在控制結果上基本等價，其原因在于大多數系統都是一個低通濾波 器，可以把ze（t）的高頻分量濾掉，終剩下與原控制信號e（t）等價的低頻分量。



圖4 脈沖寬度調制原理圖
控制信號U（t）由PID控制算法來確定，為避免執行器在設定位置附近頻繁地輕微振蕩，當位置偏差e（t）在設定的很小范圍（死區）內時，設置控制信號u（t）為0。

4 實驗及分析
4.1 閥門定位實驗
在所設計的控制器上分別輸入不同的定位位置進行定位實驗，其響應曲線如圖5、6所示。

圖5 閥門定位距離為0.11m處響應曲線


圖6 閥門定位距離為0.05m處響應曲線
4.2 閥門控制器對干擾的響應
控制系統在工作過程中，總會受到外界的干擾。一個良好的控制系統，應對外界干擾有足夠的抵抗能力。在該系統中，給系統突然添加一個干擾力，系統的響應如圖7所示。



圖7 閥門控制器對干擾的響應曲線
4.3 閥門控制器穩定性實驗
該系統要求在很長一段時間內能夠保持一定的位置精度，圖8、9分別是系統在2000s和3500s的時間范圍內位移曲線。

圖8 閥門控制器2000s內的位移曲線響應



圖9 閥門控制器3500s內的位移曲線響應
5 結論
建立了智能氣動閥門定位器控制器，通過試驗對實際系統進行了檢驗，包括系統在不同位置的定位精度檢驗，系統的抗干擾能力以及系統長時穩定性的檢驗等。通過實驗可以證明，作者所完成的工作達到了預期的目標，所設計的控制器可以很好的應用于實際系統，能滿足生產達到控制閥門運行的需要。與本產品相關論文：電動調壓閥加壓力變送器協調工作