【文章內(nèi)容簡介】 故障發(fā)生時直接切斷該機構(gòu)在電氣控制回路中的對應(yīng)常閉觸點來斷開電機電源的方式。 由電機來帶動閥門的開閉及整個過程。 本課題由故障檢測和開度控制兩部分組成， 故障檢測包括相序檢測及自動調(diào)整環(huán)節(jié)、斷相檢測環(huán)節(jié)、電機過熱檢測環(huán)節(jié)及極限位置檢測等，開度控制包括控制電機正反轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)和開度顯示環(huán)節(jié)等，主 要功能包括本地控制和遠(yuǎn)程控制兩個方面，本地控制使用旋鈕控制電動執(zhí)行器開度，遠(yuǎn)程控制使用 420mA標(biāo)準(zhǔn)信號控制執(zhí)行器開度，輸出需要顯示電機開度，同時使用指示燈顯示電機狀態(tài)。 通過傳感器實現(xiàn)行程和轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)實時采集行程和轉(zhuǎn)矩信息并以電信號的形式傳至 MSP430單片機并 分析處理， MSP430單片機 根據(jù)處理結(jié)果實時刷新開度指示模塊的開度顯示，并通過電機驅(qū)動模塊控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；狀態(tài)檢測模塊在系統(tǒng)上電后即對電機電源的相序正反、是否缺相、電機溫度過熱等狀態(tài)實時監(jiān)控，異常時向 MSP430單片機 發(fā)出相應(yīng)的故障 信號， MSP430單片機 及時做出故障處理（如通過電機驅(qū)動模塊使電機停止等），并通過開度指示模塊顯示故障報警信息 。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 第二章 調(diào)節(jié)型 電動執(zhí)行器控制閥門的總體設(shè)計 本章分析了國內(nèi)普通閥門電動裝置對閥門位置控制（簡稱行程控制）和閥門轉(zhuǎn)矩控制（簡稱轉(zhuǎn)矩控制）機械開關(guān)式控制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及普通閥門電動裝置控制器的功能特點，針對 調(diào)節(jié)型 非侵入的要求從總體設(shè)計上提出了 調(diào)節(jié)型 閥門控制器系統(tǒng)的解決方案。引入微機控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和電子技術(shù)，分別利用絕對值光電編碼器和測力傳感器替代行程控制機構(gòu)及轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)實現(xiàn) 對行程和轉(zhuǎn)矩信號的連續(xù)采集，并提交單片機系統(tǒng)構(gòu)成的 調(diào)節(jié)型 中央處理單元分析處理，同時也通過各種處理電路豐富和完善了故障檢測和報警功能及遠(yuǎn)程開關(guān)控制和狀態(tài)聯(lián)動功能，提供了人性化的 LCD漢字顯示界面，并使結(jié)構(gòu)上達(dá)到了操作時非侵入的要求，使得該 調(diào)節(jié)型 閥門控制器實現(xiàn)了對信息采集的數(shù)字化，控制處理的精確化，人機交互的人性化、 調(diào)節(jié)型 化以及操作設(shè)置的安全化。 普通閥門電動裝置對于行程和轉(zhuǎn)矩的控制均由機械開關(guān)式行程和轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)實現(xiàn)。如圖 ，包括機械開關(guān)式行程控制機構(gòu)、可調(diào) 式開度指示器和機械開關(guān)式蝶簧組及轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)，用以控制閥門的開啟、關(guān)閉及閥門位置的開度指示和開關(guān)閥門過程中的轉(zhuǎn)矩保護(hù)。 圖 普通閥門電動裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. Structure of ordinary valve 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 機械開關(guān)式行程控制機構(gòu)：由十進(jìn)位齒輪組、頂桿、凸輪和微動開關(guān)組成 ，簡稱計數(shù)器。其工作原理是由減速箱內(nèi)的一主動小齒輪帶動計數(shù)器工作。如果計數(shù)器按閥門開或關(guān)的位置已調(diào)整好，當(dāng)計數(shù)器隨輸出軸轉(zhuǎn)到預(yù)先調(diào)整好的位置（圈數(shù)）時，則凸輪將被轉(zhuǎn)動 90176。 ，壓迫微動開關(guān)動作，切斷電源，電機停轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對電動裝置行程的控制，為了控制較多圈數(shù)（多回轉(zhuǎn)）的閥門，可調(diào)整凸輪轉(zhuǎn) 180176。 或 270176。 再迫使微動開關(guān)動作。同時其指針式閥門開度指示由可調(diào)式開度指示器實現(xiàn)，其由減速齒輪組、調(diào)節(jié)齒輪、閥門開度表盤、凸輪、微動開關(guān)及電位器組成。在現(xiàn)場調(diào)試時根據(jù)所配閥門開關(guān)的圈數(shù)，將調(diào)節(jié)齒輪調(diào)整到所需位置，并與減速齒 輪組嚙合。當(dāng)閥門在開啟或關(guān)閉過程中，開度盤經(jīng)減速后轉(zhuǎn)動，指示閥門的開度值，指示角度與閥門開度值同步。 機械開關(guān)式轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)：由曲柄、碰塊、凸輪、分度盤、支板和微動開關(guān)組成。當(dāng)輸出軸受到一定的阻力轉(zhuǎn)矩后，蝸桿除旋轉(zhuǎn)外，還產(chǎn)生軸向位移，帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，同時使碰塊也產(chǎn)生一定角位移，從而壓迫凸輪，使支板上抬。當(dāng)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩增大到預(yù)定值時，則支板上抬到直至微動開關(guān)動作，切斷電源，電機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對電動裝置輸出轉(zhuǎn)矩的控制。 通過以上描述可見，機械開關(guān)式行程和轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)存在著安裝設(shè)置調(diào)整繁瑣、控制精度不高，不易實現(xiàn)閥門 開度的電子式數(shù)字顯示，轉(zhuǎn)矩只能針對某個具體值進(jìn)行控制，無法實現(xiàn)連續(xù)的采集和控制等弊端。 另外，普通型閥門電動裝置是靠三相異步電機通過傳動機構(gòu)來帶動閥門的啟停，電機靠交流接觸器控制，除電氣控制回路外，還有各種保護(hù)電路，例如熔斷器、熱繼電器、過轉(zhuǎn)矩保護(hù)等。這種閥門電動裝置控制回路簡單，可靠性較好，但所提供的故障信息較少，使用維護(hù)不便，也無法實現(xiàn)聯(lián)動功能。 閥門控制器總體設(shè)計方案 閥門控制器設(shè)計要求 調(diào)節(jié)型 電動執(zhí)行器是以單片機為核心的控制電路，要求其使用時性能穩(wěn)定可靠、控制部分緊湊 合理、各功能單元既相互獨立又互有接口、方便維修和在線擴展等優(yōu)點。具體設(shè)計要求如下： 1． 完成三相異步電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的控制。 ，防止電源間的短路。 3. 能實現(xiàn)對三相電源進(jìn)行缺相、相序檢測，避免因缺相帶來的電機過熱。 4 .接受開關(guān)量控制 :通過操作面板上開關(guān)或遠(yuǎn)程的開閥 /關(guān)閥開關(guān)控制，開關(guān)閉合時，電機立即啟動，開關(guān)斷開時，立即停止。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 5. 完成對閥門開度檢測，并進(jìn)行反饋控制，同時實現(xiàn)變送 420mA電流信號信號輸出。 6. 完成對閥門力矩檢測，并進(jìn)行反饋控制，檢測閥門的 行程上 /下限和力矩上 /下限。 7. 控制面板上有本地、停止、遠(yuǎn)程三種模式選擇開關(guān)和本地模式下開、關(guān)操作旋轉(zhuǎn)開關(guān)。在遠(yuǎn)程模式下，可進(jìn)行模擬量和開關(guān)量控制。 8 .顯示部分采用液晶背光型 ： 默認(rèn)設(shè)置下可顯示閥門開度、閥門力矩、故障報警代碼、操作模式、電流大小。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時，顯示各種設(shè)置參數(shù)符號。 9 .電機的過熱保護(hù)采用熱保護(hù)器，電機內(nèi)埋入 PT100熱電阻，可用通過程序進(jìn)行 (80，150℃ )內(nèi)的任意溫度設(shè)定，起電機保護(hù)作用。 10 .分辨率 :1%； 元器件選用工業(yè)級。 11. 具有較強抗干擾能力 (例如 :電磁干擾 、噪聲干擾、溫度影響 ) 閥門控制器功能分析 在充分理解和分析國外先進(jìn) 調(diào)節(jié)型 閥門電動裝置及其控制器的基礎(chǔ)上，提出本設(shè)計中的 調(diào)節(jié)型 非侵入式閥門電動裝置控制器應(yīng)具有以下功能： 系統(tǒng)要求電機能夠正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)控制，因此系統(tǒng)采用了帶互鎖的繼電器控制電機，并配合元件互鎖，保證電機安全、可靠工作；在繼電器進(jìn)線端采用了光電耦合，實現(xiàn)強電與弱電的隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 為了實現(xiàn)對閥門開度的檢測，系統(tǒng)需要檢測閥門的轉(zhuǎn)動位置，通過 420mA 標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絾纹瑱C，從而對電機開度進(jìn)行實時的檢測 ，實現(xiàn)電機的開度控制和顯示。 為了實現(xiàn)對閥門力矩的檢測，系統(tǒng)需要檢測電機的三相電流，按照相應(yīng)的換算關(guān)系間接檢測力矩的大小。 由于開度和力矩值需要變送輸出，因此系統(tǒng)要設(shè)計開度和力矩的變送模塊。 為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程模擬量的控制，系統(tǒng)需要檢測遠(yuǎn)程模擬量值，經(jīng)過 A /D 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電動機在對應(yīng)控制信號位置時停止。 另外設(shè)置的參數(shù)要在液晶屏上顯示，系統(tǒng)還需要設(shè)計顯示模塊。 為了使系統(tǒng)在掉電后能夠長時間工作，系統(tǒng)還需要選用一款低功耗單片機來檢測和記錄開度，其他電路都保持掉電狀態(tài)。 針對電機內(nèi)部溫度過熱的現(xiàn) 象，系統(tǒng)設(shè)計了溫度檢側(cè)模塊來實時檢測電機的溫度值。 調(diào)節(jié)型 閥門控制器基本原理 根據(jù)前面對普通閥門電動裝置的結(jié)構(gòu)、功能特點及 調(diào)節(jié)型 閥門控制器的功能要求的分析，本著對現(xiàn)有普通閥門電動裝置結(jié)構(gòu)上改動最小即可實現(xiàn) 調(diào)節(jié)型 化的原則，針對直接開關(guān)位置控制方式，開發(fā)實用的、符合我國國情的 調(diào)節(jié)型 非侵入式閥門電動裝置控制器，用于驅(qū)動和控制多回轉(zhuǎn)閥門裝置，提出的總體設(shè)計方案如下： 本設(shè)計將微機控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和電子技術(shù)引入到閥門的控制系統(tǒng)中，改變了天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 普通閥門電動裝置中通過開關(guān)式控制機構(gòu)（包括行程、轉(zhuǎn)矩和故障檢測機構(gòu)） 在行程到位、過轉(zhuǎn)矩或故障發(fā)生時直接切斷該機構(gòu)在電氣控制回路中的對應(yīng)常閉觸點來斷開電機電源的方式。如圖 ，在 調(diào)節(jié)型 閥門控制器中，以 調(diào)節(jié)型 中央處理單元為核心實現(xiàn)對單臺閥門的控制，電機帶動機械傳動機構(gòu)使電動裝置運行，通過傳感器實現(xiàn)的行程和轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)實時采集行程和轉(zhuǎn)矩信息并以電信號的形式傳至中央處理單元分析處理，中央處理單元根據(jù)處理結(jié)果實時刷新開度指示模塊的開度顯示，并通過電機驅(qū)動模塊控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；狀態(tài)檢測模塊在系統(tǒng)上電后即對電機電源的相序正反、是否缺相、電機溫度過熱等狀態(tài)實時監(jiān)控，異常時向 中央處理單元發(fā)出相應(yīng)的故障信號，中央處理單元及時做出故障處理（如通過電機驅(qū)動模塊使電機停止等），并通過開度指示 模塊顯示故障報警信息；中央處理單元通過非侵入現(xiàn)場開關(guān)機構(gòu)接受控制者對控制器的設(shè)置及操作信息，并通過控制其它模塊做出相應(yīng)的動作；遠(yuǎn)程功能模塊通過與中央處理單元交互實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)采集。以下分別對各個模塊的設(shè)計方案和選型進(jìn)行具體闡述。 圖 調(diào)節(jié)型 閥門控制器總體框圖 Fig. Intelligent valve controller general diagram 中央處理單元 如前所述，中央處理單元是 調(diào)節(jié)型 閥門控制器的標(biāo)志與核心，支配系統(tǒng)各個功能模塊協(xié)調(diào)地工作，檢測各種工作狀態(tài)信息和行程、轉(zhuǎn)矩信息，處理后通過開度指示模塊實時更新，接收用戶輸入的控制指令信息，控制電機動作，并根據(jù)狀態(tài)異常情況發(fā)出各種報警信息。因此，該模塊利用可編程的單片機系統(tǒng)實現(xiàn)。 中央處理單元 電機驅(qū)動模塊 M 狀態(tài)檢測模塊 遠(yuǎn)程功能模塊 開度指示模塊 矩形控制結(jié)構(gòu) 電動裝置運行 行程控制系統(tǒng) 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 行程控制機構(gòu) 為了實現(xiàn)中央處理單元對閥門開啟位置的連續(xù)電信號采集，本設(shè)計采用金屬膜精密電位器與閥門同軸作為行程控制機構(gòu)。當(dāng)閥門關(guān)到位時對應(yīng)電阻值最小，當(dāng)閥門開到位時對應(yīng)電 阻值最大。在閥門的極限位置裝有行程開關(guān)，避免電機在閥門到位時堵轉(zhuǎn)，也避免在開 /關(guān)初始位處易出現(xiàn)的開關(guān)不嚴(yán)的現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu) 目前用于閥門電動裝置轉(zhuǎn)矩控制的方式有：通過檢測電機電流折算輸出轉(zhuǎn)矩；通過測力傳感器計算輸出轉(zhuǎn)矩；通過絕對值編碼器檢測變形計算輸出轉(zhuǎn)矩。結(jié)合當(dāng)前閥門電動裝置的特點，考慮到以電機電流方式控制轉(zhuǎn)矩，會受到溫度、電壓等多種因素干擾，不易實現(xiàn)。 因此，本系統(tǒng)采用了極限位置轉(zhuǎn)矩控制方式，即當(dāng)開度達(dá)到滿度時，通過位置開關(guān)強行停止轉(zhuǎn)矩。當(dāng)開度未達(dá)到滿度時，通過電機的啟動、停止來控制轉(zhuǎn)矩的運行。 開度指示模塊 如前所述，傳統(tǒng)的普通型閥門電動裝置都是通過指針式開度指示機構(gòu)來指示當(dāng)前的閥門開度，閥門位置受視角因素以及人為因素的影響，本設(shè)計中使用液晶屏顯示開度，直接接受中央控制單元發(fā)出的控制信號，通過液晶驅(qū)動模塊的驅(qū)動，實現(xiàn)精度更高的數(shù)字化顯示，同時還能提供給用戶更加人性化的界面，除了開度顯示外，用戶可以通過該界面對 調(diào)節(jié)型 閥門控制器的工作方式和遠(yuǎn)程狀態(tài)輸出等進(jìn)行設(shè)置，同時也可清楚地了解電動裝置當(dāng)前的工作狀態(tài)，如是否有報警信號等。另外，本設(shè)計選用 122 32點陣液晶，可顯示兩行每行 7個半漢字，符合國內(nèi) 用戶的使用習(xí)慣。 電機驅(qū)動模塊 閥門電動裝置主要是通過電機驅(qū)動閥門的正反向運轉(zhuǎn)。對于三相異步電機，要實現(xiàn)其可逆運轉(zhuǎn)，只需改變?nèi)嘀骰芈飞先我鈨上嚯娫吹南嘈蚣纯伞Ｒ簿褪且淖冸妱訖C的接線位置，用兩臺交流接觸器交替地給電動機送入 L L L3相序電源和 L L L1相序電源，電動機就可以實現(xiàn)逆向運轉(zhuǎn)。如圖 ，本電路由熔斷器 Fu，正轉(zhuǎn)交流接觸器觸點 KO、反轉(zhuǎn)交流接觸器觸點 KC和電動機 M構(gòu)成主回路。 KO合閘后送入電動機接線柱 U、V、 W的電源相序為 L L L3，電動機正轉(zhuǎn)； KC合閘，送入電動機接線 柱 U、 V、 W的電源相序為 L L L1，電動機反轉(zhuǎn)。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 圖 調(diào)節(jié)型 閥門控制器電機驅(qū)動模塊 Fig. Intelligent valve motor drive controller module 在電氣控制回路中，接入兩個 12V線圈的小型繼電器 J1和 J2的觸點，并且實現(xiàn)硬件上的互鎖結(jié)構(gòu)，如圖 。 J J2分別控制交流接觸器 KO、 KC的通斷，并且 J J2的線圈直接受中央處理單元的開關(guān)量控制信號控制。中央處理單元通過鑒相電路判斷送入電動機接線柱 U、 V、 W的電源相序是否是正序，是的話 按照上一段的描述，則 J1閉合控制電機正轉(zhuǎn)， J2閉合控制電機反轉(zhuǎn)；否則 J1閉合控制電機反轉(zhuǎn)， J2閉合控制電機正轉(zhuǎn)。因此，中央處理單元只要控制 J J2就能實現(xiàn)對電機的正、反轉(zhuǎn)和停止控制，同時實現(xiàn)了自動調(diào)相功能，避免了因為接線相序錯誤而造成危險。 另外，該方案省去了普通閥門控制器控制回路中的急停開關(guān)、電機熱繼電器常閉觸點等器件，而由狀態(tài)檢測電路對上述狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)異常時通知中央處理單元，中央處理單元通過 J J2斷開使電機停轉(zhuǎn)即可。 狀態(tài)檢測模塊 該模塊負(fù)責(zé)檢測除行程和轉(zhuǎn)矩以外的狀態(tài)信息，在閥門電動裝置 除上述兩種外的工作狀態(tài)異常時提供給中央處理單元相應(yīng)的故障信息以便及時處理，該模塊可通過設(shè)