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電動調(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)在介紹電動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的開關(guān)量控制利用DCS實現(xiàn)風(fēng)閥電動執(zhí)行器的開關(guān)量控制
0 電動調(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)閥的氣動或電動執(zhí)行器來實現(xiàn)，該執(zhí)行器能否穩(wěn)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)線的退火窯采用的是法國Bergard公司的電動執(zhí)行器，但因現(xiàn)場環(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)不動作、振蕩等故障，嚴(yán)重時燒壞執(zhí)行器的電動機，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)定運行，使設(shè)備的運行維護成本大大增加，還給生產(chǎn)帶來較大影響，為此，決定對15臺執(zhí)行器進行技術(shù)改造。儀表控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電動執(zhí)行機構(gòu)的異動將給生產(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)行機構(gòu)控制的開關(guān)量信號和執(zhí)行機構(gòu)的位置反饋信號，再進行比較和邏輯處理，進而判斷出執(zhí)行機構(gòu)故障，并對執(zhí)行機構(gòu)進行閥位保持的在線故障檢測和保護的電路。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)故障發(fā)生時能及時警告運行人員，并自動控制執(zhí)行機構(gòu)閥位功能，利用故障指示燈迅速判別執(zhí)行機構(gòu)的故障點以提供參考依據(jù)，充分保障了生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行。
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)閥的電動執(zhí)行器，執(zhí)行器內(nèi)部的伺服放大器將此信號與位置反饋信號進行比較，得到偏差信號，此信號經(jīng)過放大，驅(qū)動伺服電機的正反轉(zhuǎn)，再經(jīng)執(zhí)行器減速器減速，帶動輸出軸改變轉(zhuǎn)角，輸出軸轉(zhuǎn)角的變化又使新的位置信號反饋給伺服放大器比較，直至偏差信號小于死區(qū)位置，此時輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(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)驗經(jīng)常出現(xiàn)故障的部位集中體現(xiàn)在電動執(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，但zui終控制執(zhí)行器伺服電機的確是開關(guān)量信號（數(shù)字信號），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)直接控制伺服電機的動作從而實現(xiàn)伺服放大器的功能呢[2]？答案是肯定的。結(jié)構(gòu)說明
1、電動機：戶外型采用YDF型，隔爆型采用YBDF型閥門三相異步電動機。
2、減速機構(gòu)：由一對直齒輪和蝸輪副兩級傳動組成。電動機的動力經(jīng)減速機構(gòu)傳遞給輸出軸。
3、力矩控制機構(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，帶動曲拐，曲拐直接（或通過撞塊）帶動支架產(chǎn)生角位移。當(dāng)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩增大到整定轉(zhuǎn)矩時，則支架產(chǎn)生的位移量使微動開關(guān)動作，從而切斷電機電源，電動機停轉(zhuǎn)。以此實現(xiàn)對電動裝置輸出轉(zhuǎn)矩的控制，達到保護電動閥門的目的。
4、行程控制機構(gòu)：
采用十進制計數(shù)器原理，又稱為計數(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)的一對大小傘齒輪帶動中傳小齒輪，再帶動行程控制機構(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)動到預(yù)先調(diào)整好的位置（圈數(shù)）時，則凸輪將轉(zhuǎn)動90°，迫使微動開關(guān)動作，切斷電動機電源，電動機停轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對電動裝置行程（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°再壓迫微動開關(guān)動作。
5、開度指示機構(gòu)：結(jié)構(gòu)見圖8。輸入齒輪由計數(shù)器個位齒輪帶動，經(jīng)減速后，指示盤隨閥門的開關(guān)過程同時轉(zhuǎn)動，以指示閥門的開關(guān)量，電位器軸和指示盤同步轉(zhuǎn)動，供遠傳開度指示用。移動轉(zhuǎn)圈數(shù)調(diào)整齒輪可以改變轉(zhuǎn)圈數(shù)。開度指示機構(gòu)內(nèi)設(shè)一微動開關(guān)和凸輪，當(dāng)電動裝置運轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)凸輪周期性地使微動開關(guān)動作，其頻率為輸出軸轉(zhuǎn)動一圈動作一次或二次，可供閃光信號等使用。
6、手—電動切換機構(gòu)：為半自動切換，手動時需扳動手柄切換，手動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訒r則自動運行。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，將手柄向手動方向推動，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，離合器即脫離蝸輪而與手輪嚙合，同時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，使用手輪進行操作。而需電動操作時，電動機將帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，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，并與蝸輪嚙合，同時與手輪脫開，自動實現(xiàn)手動到電動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
注意：1.電動運行時切勿扳動切換手柄！
2.切換時按箭頭方向推（或拉）動手柄，若推不到位時應(yīng)邊轉(zhuǎn)動手輪邊推動手柄！
四、DQW1600T 一體化電動執(zhí)行器訂貨須知
1、 請按型號表示方法寫明型號，如有特殊要求，訂貨時必須說明，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、 請寫明連接尺寸標(biāo)準(zhǔn)，閥桿直徑及伸出長度，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?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)動電機，而是增設(shè)歐姆龍24V繼電器用于控制電機正反轉(zhuǎn)，并保留原限位開關(guān)實現(xiàn)電機及傳動機構(gòu)的硬件保護。模擬量輸入模塊的輸入信號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，模塊每兩個通道為一組，共用一個量程卡，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閥門有：截止閥,電動截止閥 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對新的硬件系統(tǒng)進行組態(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各通道的測量種類均選擇為“E”表示測量種類為電壓，量程選項均選+/-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程序來實現(xiàn)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(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量對應(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，如超限則電機停轉(zhuǎn)，鎖定閥位，此時電機轉(zhuǎn)動的控制信號只能反向輸出，從而實現(xiàn)電機及傳動機構(gòu)的軟件保護，上下限閥值根據(jù)實際情況選為60～27586，對應(yīng)實際閥位為0.2～89.8°；如未超過上下限值，dcs將此信號與給定值（程序中的“DB4.MAN1”）比較后控制電機轉(zhuǎn)動，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)保護未動作
JNB_0c2 //如保護動作跳轉(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
從上述程序可以看出，當(dāng)位置信號#position小于給定值"DB4".MAN1，且偏差#difference大于死區(qū)設(shè)定值#d_zone時，執(zhí)行器正傳（#FWD=1），隨著執(zhí)行器的運動，位置反饋信號將逐步增加（減少）當(dāng)偏差值小于死區(qū)的設(shè)定值時，給執(zhí)行器斷電，利用執(zhí)行器的慣性保持偏差進一步縮小。如果死區(qū)值設(shè)置過大，則會使執(zhí)行器輸出不能很好地跟蹤輸入信號，降低控制精度。若死區(qū)值設(shè)置過小當(dāng)電動機斷電時，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)致電動機反向轉(zhuǎn)動，如此反復(fù)動作，出現(xiàn)自振蕩故障，對系統(tǒng)危害較大。我們實際調(diào)試時，電機停轉(zhuǎn)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(qū)值定為0.05V，程序中對應(yīng)的數(shù)字量為27648/10×0.05=138.24，實際對應(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)行器傳動機構(gòu)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(jié)束語
利用dcs系統(tǒng)靈活、強大的編程功能，通過軟件實現(xiàn)電動執(zhí)行器的開關(guān)量控制，去除了成本昂對、故障率高的伺服驅(qū)動器，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年該項目技改調(diào)試成功后，退火風(fēng)閥控制系統(tǒng)運行穩(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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