阀门电动执行机构中检测模块的设计

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The Design of Detection M odule for Electric Actuator of ValveQIAN Rong ，ZHAO Zhi-bin(1.North China Electric Power University，Bering 102206，China；2.Yangzhou Electric Power Equipment Manufacture Factory，Yangzhou 225003，China)Abstract：This paper introduces the design and development of a new type of electric actuator of valve，and introduces the hardware design and software design of the detection module in detail.The detectionmodule has the master controller M SP430 and electric actuators DSP as the core.and detects the vari-otis operation parameters of the power supply，motor and valves，then it can monitor the working condi-tion of the electric actuator of valve.The detection module that this paper presents is applicable to allkinds of industrial control valve。

Key words：electric actuator of valve；detection；DSP1 概述阀门是管道输送系统中的重要部件，广泛应用于电力、化工、石油和冶金等行业，对系统压力、流量和温度等参数进行调节。电动执行机构是控制和驱动阀门的重要装置，是对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的-种必不可少的执行部件。随着机电-体化技术的发展，电动执行机构在工业生产中体现出巨大的优势。阀门电动执行机构的可靠工作离不开检测拈，性能好和工作稳定可靠的检测模块对阀门电动执行机构的安全稳定运行至关重要。

2 系统工作原理阀门电动执行机构(图 1)主要由人机接 口、控制器、电动执行器和检测拈组成。人机接口主要包括液晶显示、按键输入和远程邑输入。电动执行器主要包括数字信号处理器(DSP)、智能功率模块(IPM)和异步电机。检测拈包括电源检测、电机检测和阀门检测3部分。

人机接口可设定运行参数，向控制器发送控制信号，同时可显示装置反馈的各种信息，完成对系统的实时监控∝制器接收人机接口发送来的控制信号，根据控制信号控制电动执行器工作，并实时检测阀门的位置和行程等反馈信号，调整相应的控制指令，此外控制器可实时向人机界面发送各种工作状态及故障诊断信号。电动执行器是主要的执行机构，DSP接收控制器的指令，通过矢量控制技术驱动异步电机，电机输出轴经齿轮减速后拖动阀门启闭。

检测拈分别对电源、电机和阀门的工作状态进行检测，并将检测到的各种信号经过变换，变成控制器可以识别的数字信号。电源检测主要进行电源缺相检测，异步电机驱动电压和电流检测，IPM拈温度检测。电机检测主要进行电机转速检测，电机转子位置检测，转矩检测，电机和齿轮箱的温度检作者简介：钱荣(1976-)男，江苏人 ，工程师，现从事机电产品的设计与制造工作。

2013年第2期 阀 门 - 9-测。阀门检测主要进行阀门位置检测，阀门行程检测。电源检测和电机检测的信号反馈给 DSP进行处理，阀门检测的信号反馈给控制器 MSP430进行处理。

图 1 阀门电动执行机构的结构3 检测拈硬件设计检测功能主要由检测电路和主控制器及电动执行器中的 DSP实现。

3.1 主控制器主控制器采用 16位超低功耗、精简指令集单片机 MSP430。单片机应处理能力强，运算速度快，片内集成FLASH存储器、16位A/D和通信接口等。

3.2 电动执行器 DSP电动 执 行 器 DSP 采 用 定 点 32位 芯 片TMS320F2812。芯片应运算能力强，并具有丰富的外设。

3.3 电源检测电源检测包括电源缺相检测、电压检测、电流检测和 IPM拈温度检测。

(1)电源缺相检测电源缺相检测主要 由光耦和 74LS123 实现，74LS123是-种双可再触发单稳态多谐振荡器。取三相电源的A、C相为-组，B、C相为-组，分别接入两个光耦的输入端，光耦的输 出接到 74LS123上。由74LS123的输出状态可判断三相电源的缺相情况。

(2)电压检测电压 检 测 采 用 霍 尔 电 压 传 感 器 模 块VSM025A，传感器按照-定的比例将输入的三相电压变至输出，输出的电压信号经滤波和信号调理后，变成0-3.3V的电压信号接人 DSP的 A/D采样输入通道，从而获得异步电机三相输入电压的反馈信号 。

(3)电流检测电流检测采用电流传感器 LTS25-NP，传感器按照-定的比例将 IPM输出的三相电流变至副边，输出的电流信号经过采样电阻转换成电压信号，再经过滤波和适当的信号调理后，变成 0～3.3V范围内的电压信号接人 DSP的A/D采样输入通道，从而获得异步电机三相定子电流的反馈信号。

(4)IPM 拈温度检测IPM拈温度检测采用单总线数字温度传感器DS18B20，该传感器无需外部元件，可用单根数据总线供电，测温精度为0.5℃。测量结果为可编程的分辨率为9～12位的数字信号，其数据总线直接接到DSP的IZO口上，供 DSP读取温度信号。

3.4 电机检测电机检测包括电机转速检测、转子位置检测、转矩检测、电机和齿轮箱的温度检测。

(1)电机转速检测电机转速通过光电编码器检测，本系统采用 M法测速原理，及在某-采样时问内，通过对脉冲的计数来确定电机转速的大校光电编码器输出两路相位相差 90。的脉冲信号，这两路脉冲信号接人 DSP的正交编码电路(QEP)检测脉冲信号的上升沿，计算电机的转速。

(2)电机转子位置检测电机转子位置检测采用高精度的电位器，电位器输出信号接到 DSP的 A/D采样通道上，由DSP计算电机转子的位置。

(3)转矩检测转矩检测采用集成的转矩传感器，传感器将执行机构的输出转矩直接转换成相应的电信号，该输出信号经过信号调理后转换成 DSP的 A/D输入端允许的输入电压范围，经 A/D转换后计算出实际的转矩值。

(4)电机和齿轮箱的温度检测电机和齿轮箱的温度检测方法与 IPM 拈温度检测相同。

3.5 阀门检测阀门检测包括阀门位置检测和阀门行程检测。

(1)阀门位置检测阀门位置检测采用高精度导电塑料电位器，其分辨率高，不存在电磁传感器的磁滞特性问题。电位器的两端加5V直流电，在电机转动时，传动装置- 10- 阀 门 2013年第2期带动电位器滑动，改变电位器的电阻值，使其动触点输出0～5V的电压，对应阀门的开度。电位器的输出信号直接接到 MSP430单片机的A/D输入通道。

(2)阀门行程检测阀门行程检测采用多圈绝对值编码器，编码器的输出直接接到单片机 MSP430的 I/O口上，单片机读取二进制码，通过计算得到阀门的行程数值。

4 检测拈软件设计检测拈功能的良好实现，不仅需要合理的硬件设计，软件设计对拈的工作性能也有很大影响。

软件设计过程中除考虑灵活性、可靠性和通用性之外，还要保证很好的实时性。由于系统采用主控制器加 DSP的硬件设计，因此需要分别设计各个微处理器的程序。

4.1 MSP430主程序设计MSP430单片机负责电动执行机构的主控任务，因此在主程序中主要进行系统的初始化、控制方式选择、阀门位置和行程检测以及显示等工作，并将控制指令及运行参数通过同步串行口送人 DSP中，具体流程如图2所示。

图2 MSP430主程序流程图(1)系统初始化系统上电后，首先进行初始化设置，包括 I/O初始化，A/D初始化，SPI初始化等，而后从 EEP-ROM 中读取上次运行设定的参数值，包括行程初值、终值、速度、力矩以及控制方式选择标志位，并将这些参数存人数据寄存器中。

(2)选择控制方式MSP430根据控制方式标志，进入相应的程序分支，可沿制方式有本地邑控制、手操器控制以及标准4～20mA电流信号控制。3种控制方式可根据需要由控制者切换，切换方式简单可靠。

(3)位置和行程检测采样位置传感器上的电压信号，获得执行机构当前位置，与给定位置进行比较，根据设定的死区范围，修改速度参数以及运行标志位。

(5)显示及故障处理每个分支的循环中采样位置反馈信号与上次采样值比较，其差值转化为脉冲数驱动指针旋转，实时跟随阀位，直到电机停止，指针便指示当前位置，掉电后依然能够保持，旋转方向由差值的符号决定。

4.2 DSP主程序设计DSP主要负责按照控制指令驱动电机工作，且实时检测电源和电机的工作状态，调节控制指令并判断是否出现故障。

(1)电源与电机检测DSP通过其 A/D采样通道检测 IPM 电压、电流、电机转子位置和转矩，采样时连续采样4次后求平均值，以此滤除部分干扰。电机转速的检测 由DSP的正交编码电路实现，通过在-段时间内记录编码器输出脉冲的上升沿个数，换算出电机的转速。

缺相检测仅需 DSP检测接人其 I/O口的检测电路高低电平，来判断缺相情况。温度检测由DSP直接读取温度传感器的数字信号，再换算成温度值。

(2)故障判断DSP通过检测电源和电机的各工作参数，依据预先设定的参数上限或下限，判断当前阀门电动执行机构是否出现故障，以及故障的类型，并生成相应的状态指令，以发送到主控制器进行处理。

(3)数据发送DSP完成故障判断后，将故障判断结果的状态指令发送到主控制器，由主控制器进行显示并采取相应动作。

5 结语阀门电动执行机构的检测拈在系统的硬件和(下转 16页)- 16- 阀 门 2013年第2期1.外层 2.内层 3.弹簧图3 弹性金属密封圈结构(3)材料选择在低温条件下，金属材料的强度和硬度提高，塑性和韧性降低，呈现出不同程度的低温冷脆现象，严重影响到蝶阀的性能和安全。为了防止材料在低温下的脆断，阀体和蝶板等承压零部件采用奥氏体不锈钢(如304L、316、316L等 )，其中316L的稳定性最好，没有明显的低温冷脆临界温度，在低温条件下，仍能保持较高的韧性，因此阀体和蝶板等承压部件选用316L材料。

3 试验参照 BS 6364、JB/T 7749等相关低温阀门试验标准 ]，搭建了超低温蝶阀试验装置(图4)，通过减压阀和截止阀等组合操作对蝶阀的密封性能进行测试。在试验过程中，通过热电偶监测阀体、阀盖及蝶板等部位的温度，达到试验温度要求后，用低温测试介质氦气进行蝶阀的密封性能试验。

在双偏心蝶板、密封结构以及阀门主要零件选用材料等方面研究成果的基础上，研制了 DN300-PN10超低温双偏心蝶阀，并在试验装置上用氦气对该阀分别进行常温与液氮工况下的密封性能试验。

试验结果表明 DN300.PN10超低温双偏心蝶阀常温下的泄漏量小于 16ml/min。在液氮超低温工况下，该阀泄漏量小于 100ml/min。

4 结语通过双偏心蝶板几何关系研究，提出的数值计1.氦气瓶 2.截止阀 3.减压 嘲 4.压力表5.被测阀 6.酒精瓶 7.流量计图4 蝶阀低温试验装置原理算公式，结合密封结构中所需的密封件压缩量以及综合考虑双偏心蝶板产生的附加静水力矩等方面因素，可以较好的确定双偏心蝶板的结构尺寸。提出的弹性金属密封结构可以较好地减少温度变化带来的材料热胀冷缩对密封性能产生的影响。选用的316L材料作为阀体、蝶板等零件材料应用于超低温工况是适宜的。研制的DN300-PN10超低温双偏心蝶阀的密封性能达到了 ANSI/FCI 70-2中Ⅵ级以及 JB/T 7749中低温蝶阀对密封性能的要求 J。