专利名称：电动阀门智能定位器及其安装自动调试方法
技术领域：
本发明属于工业自动化仪表领域，特别涉及一种可安装在各类普通电动执行机构上进行控制和定位的电动阀门智能定位器结构及其自动辨识自寻优整定的安装自动调试方法。
背景技术：
电动阀门广泛用于电力、冶金、钢铁、造纸、环保、化工、炼油等流程工业行业的自动化控制系统中。传统的电动阀门包括伺服放大器、电动执行机构、调节阀，伺服放大器接受由自动化控制系统中调节器或DCS系统发出的控制信号以及由电动执行机构中的阀位发送模块发出的阀位信号，进行比较运算后发出控制电动执行机构中电机正反转的控制信号，由电动执行机构中电机带动减速机构，进而改变调节阀的开度和被调介质流量。传统的电动阀门缺点是由于伺服放大器安装远处，没有安装在电动执行机构上，造成操作使用不便；伺服放大器功能单一造成品种型号多样，安装调试复杂，控制精度、稳定性、死区和回差很大；电动执行机构中的阀位发送模块需要经过出厂和安装时的专业人员的仔细调整，很不方便。目前有一些电子式电动执行机构或智能电动执行机构如ZL专利号98251222.8、ZL专利号98237308.2等，是把伺服放大器集成在电动执行机构中成为一体化并增加一些智能化功能，智能电动执行机构其突出的缺点是要对国内联合设计的已经标准化定型了的DJK、DJZ系列普通电动执行机构进行改造，增加各自的电控部分而造成产品无统一标准系列，生产复杂，用户选购不便；使用安装调试各不相同，尤其是维护不便，出现问题时或要更换现场时要将整个智能电动执行机构更换，代价很大。
发明内容
本发明是针对传统的电动执行器或电动阀门和智能电动执行机构在结构和功能划分上的不足，提供一种可安装在各类普通电动执行机构上进行控制和定位的电动阀门智能定位器并提供其自动辨识自寻优整定的安装自动调试方法。
本发明采取的技术方案是包括阀位反馈机构和外壳，外壳内固定安装有含监控界面的测控电路板、电源及驱动电路板，安装支架固定在外壳上。阀位反馈机构用于测量电动执行机构和调节阀的阀门开度，包括阀杆，连杆垂直固定在阀杆上，L型反馈连杆的一端通过弹簧压紧在连杆的限位槽内，另一端与传动轴垂直固定连接；主动齿轮和从动齿轮配合成齿轮组设置在外壳内，主动齿轮与传动轴配合连接，从动齿轮与电位器配合连接。测控电路板的输入端分别与外部控制系统信号输出端和电位器导线连接，输出端与电源及驱动电路板的输入端导线连接。
所述的测控电路板包括两路信号滤波及放大，其一端分别与外部控制系统信号输出端和电位器电连接，另一端分别电连接在模数转换A/D输入端上；模数转换A/D的输出端、按键、液晶显示LCD分别电连接到微处理器MPU上；单向串行通讯接口UART输入端与微处理器MPU电连接，输出端与数模转换D/A的输入端电连接，数模转换D/A的输出端与电压电流转换V/I输入端电连接；双向串行通讯接口UART分别与微处理器MPU和现场总线通讯接口电连接。微处理器MPU采用MSP430F149型。
所述的电源及驱动电路板包括电源电路部分和驱动电路部分。电源电路部分包括变压隔离、整流、滤波、稳压。驱动电路部分包括光电耦合(3和固态继电器，光电耦合的输入端与测控电路板的微处理器MPU电连接，输出端与固态继电器输入端电连接。
该电动阀门智能定位器的安装自动调试方法，包括机械行程的自动辨识方法和定位器动作控制参数的自寻优自动整定方法；所述的机械行程的自动辨识方法包括如下步骤
a.微处理器发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合控制正转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作正转运行；b.微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y及其变化率；c.当阀位Y朝一个变化且变化率大于阈值M时控制电机继续正转运行；当阀位变化率小于或等于阈值M时控制电机停转，此时的阀位Y就是机械行程满量程点Ymax，0.2％≤M≤0.5％；d.微处理器发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合控制反转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作反转运行；e.微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y及其变化率；f.当阀位Y朝一个变化且变化率大于阈值M时控制电机继续反转运行；当阀位变化率小于或等于阈值M时控制电机停转，此时的阀位Y就是机械行程零点Ymin，0.2％≤M≤0.5％。
所述的智能电动阀门定位器动作控制参数的自寻优自动整定方法，包括如下步骤a.将20％、50％、80％阀位处的正转刹车动作控制参数Ez20、Ez50、Ez80，以及20％、50％、80％阀位处的反转刹车动作控制参数Ef20、Ef50、Ef80设置为0.1％；b.自寻优自动整定Ez20和Ef20，具体步骤为1、微处理器发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合控制反转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作反转运行；2、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；3、当阀位Y达到10％左右时，控制电机停转；4、由微处理器设定阀位给定为X＝20％，发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合控制正转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作正转运行；5、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；6、当阀位Y＜X且误差D＞Ez20时，控制电机继续正转运行；7、当阀位Y＜X且误差D≤Ez20时，控制电机反接制动刹车；8、当Y＞X时Ez20+0.1％赋值给新的Ez20，并重复1~7步；9、直到当Y≤X时Ez20不变并转到下一步；10、微处理器发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合控制正转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作正转运行；11、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；当阀位Y达到30％左右时，控制电机停转；12、由微处理器设定阀位给定为X＝20％，发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合控制反转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作反转运行；13、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；14、当阀位Y＞X且误差D＞Ef20时，控制电机继续反转运行；15、当阀位Y＞X且误差D＜＝Ef20时，控制电机反接制动刹车；当Y＜X时Ef20+0.1％赋值给新的Ef20，并重复8~14步；16、直到当Y≥X时Ef20不变并转到下一步；c.自寻优自动整定Ez50和Ef50，分别从40％和60％位置开始正转和反转运行到X＝50％，其步骤与步骤b相同；d.自寻优自动整定Ez80和Ef80，分别从70％和90％位置开始正转和反转运行到X＝80％，其步骤与步骤b相同。
本发明的电动阀门智能定位器可安装在各类普通电动执行机构上进行控制和定位，将传统的电动执行器或电动阀门中的伺服放大器的测控功能和设计的阀位反馈机构的阀位测量功能集成为一体并高度智能化，对由于成为独立产品而出现的要适应不同厂家各类普通电动执行机构以及现场生产环境变化问题，设计了自动辨识自寻优整定的安装自动调试功能，完全解决了现有产品存在的问题并且价格低廉。
图1为本发明的结构示意图；图2为图1中阀位反馈机构结构示意图；图3为图1中测控电路板结构方框图；
图4为图1中电源及驱动电路板结构方框图；图5为本发明的机械行程自动辨识方法实现流程图；图6为本发明的动作控制参数的自寻优自动整定方法实现流程图。
具体实施例方式
如图1和图2所示，一种智能电动阀门定位器包括阀位反馈机构和外壳2，外壳2内固定安装有含监控界面的测控电路板3、电源及驱动电路板4，外壳2用安装支架1固定在普通电动执行机构上。阀位反馈机构包括阀杆9，连杆7垂直固定在阀杆9上，L型反馈连杆6的一端通过弹簧压紧在连杆7的限位槽8内，另一端与传动轴5垂直固定连接。主动齿轮10和从动齿轮11配合成齿轮组设置在外壳2内，主动齿轮10与传动轴5配合连接，从动齿轮11与电位器12配合连接。测控电路板3的输入端分别与外部控制系统信号输出端和电位器12导线连接，输出端与电源及驱动电路板4的输入端导线连接。阀杆9的直线位移带动与其固定连接的连杆7做上下直线运动，连接在传动轴5上并以其作为支点的L型反馈连杆6的一端靠弹簧压紧在连杆7的限位槽8内左右活动，并随连杆7的直线运动而做旋转运动，通过传动轴5带动主动齿轮10旋转，依靠齿轮啮合带动从动齿轮11和固定在其上的电位器12旋转，从而将直行程电动执行机构的阀位转换为电位器12的阻值变化。
如图3和图4所示，测控电路板3用于测量、计算、控制、操作、监视，包括两路信号滤波及放大13，其一端分别与外部控制系统信号输出端和电位器12分别电连接，另一端分别电连接在模数转换A/D 14输入端上。模数转换A/D 14的输出端、按键15、液晶显示LCD 16分别电连接到微处理器MPU 17上。单向串行通讯接口UART 18输入端与微处理器MPU 17电连接，输出端与数模转换D/A 19的输入端电连接，数模转换D/A 19的输出端与电压电流转换V/I 20输入端电连接。双向串行通讯接口UART 22分别与微处理器MPU 17和现场总线通讯接口21电连接。电源及驱动电路板4用于产生定位器系统工作电源和用于驱动电动执行机构，包括电源电路部分和驱动电路部分。电源电路部分包括变压隔离23、整流24、滤波25、稳压26。驱动电路部分包括光电耦合27和固态继电器28，光电耦合27的输入端与测控电路板3的微处理器MPU 17电连接，输出端与固态继电器28输入端电连接。
阀位反馈电位器的阻值变化通过加在其上的基准电源转化为电压变化，由自动化控制系统中调节器或DCS系统发出的控制电流信号经取样电阻转化为给定电压，这二者分别通过其信号滤波及放大环节去除干扰，送入A/D转化为数字量，再送给MPU进行正弦函数运算、处理并产生控制电机正反转的控制信号给电源及驱动电路板。MPU将采样处理后的实际阀位通过单向UART与串行D/A通讯并通过V/I获得远程阀位输出信号和诊断故障的远程报警。按键和LCD构成人机交互用监控界面。MPU通过双向UART与现场总线通讯接口连接实现远程数字通讯。220V.AC交流电源经变压隔离并经整流、滤波和稳压电路产生主测控电路板用的稳定的直流电压；从主测控电路板来的控制电机正反转的控制信号经光电耦合隔离后，控制固态继电器的导通与截止，再通过驱动电路控制电动执行机构中电机作正转或反转运动或停止。
如图5所示，本发明安装自动调试方法中机械行程的自动辨识方法包括如下步骤a.微处理器发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合控制正转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作正转运行；b.微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y及其变化率；c.当阀位Y朝一个变化且变化率大于0.2时控制电机继续正转运行；当阀位变化率小于或等于0.2时控制电机停转，此时的阀位Y就是机械行程满量程点Ymax；d.微处理器发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合控制反转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作反转运行；
e.微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y及其变化率；f.当阀位Y朝一个变化且变化率大于0.2时控制电机继续反转运行；当阀位变化率小于或等于0.2时控制电机停转，此时的阀位Y就是机械行程零点Ymin。
如图6所示，本发明安装自动调试方法中的定位器动作控制参数的自寻优自动整定方法包括如下步骤a.将20％、50％、80％阀位处的正转刹车动作控制参数Ez20、Ez50、Ez80，以及20％、50％、80％阀位处的反转刹车动作控制参数Ef20、Ef50、Ef80设置为0.1％；b.自寻优自动整定Ez20和Ef20，具体步骤为1、微处理器发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合控制反转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作反转运行；2、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；3、当阀位Y达到10％左右时，控制电机停转；4、由微处理器设定阀位给定为X＝20％，发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合控制正转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作正转运行；5、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；6、当阀位Y＜X且误差D＞Ez20时，控制电机继续正转运行；7、当阀位Y＜X且误差D≤Ez20时，控制电机反接制动刹车；8、当Y＞X时Ez20+0.1％赋值给新的Ez20，并重复1~7步；9、直到当Y≤X时Ez20不变并转到下一步；10、微处理器发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合控制正转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作正转运行；11、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；当阀位Y达到30％左右时，控制电机停转；12、由微处理器设定阀位给定为X＝20％，发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合控制反转固态继电器导通，经驱动电路控制电动执行机构电机作反转运行；13、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大、模数转换A/D监视阀位Y；14、当阀位Y＞X且误差D＞Ef20时，控制电机继续反转运行；15、当阀位Y＞X且误差D＜＝Ef20时，控制电机反接制动刹车；当Y＜X时Ef20+0.1％赋值给新的Ef20，并重复8~14步；16、直到当Y≥X时Ef20不变并转到下一步；c.自寻优自动整定Ez50和Ef50，分别从40％和60％位置开始正转和反转运行到X＝50％，其步骤与步骤b相同；d.自寻优自动整定Ez80和Ef80，分别从70％和90％位置开始正转和反转运行到X＝80％，其步骤与步骤b相同。
权利要求
1.电动阀门智能定位器，其特征在于该电动阀门定位器包括阀位反馈机构和外壳(2)，外壳(2)内固定安装有含监控界面的测控电路板(3)、电源及驱动电路板(4)，安装支架(1)固定在外壳(2)上；所述的阀位反馈机构包括阀杆(9)，连杆(7)垂直固定在阀杆(9)上，L型反馈连杆(6)的一端通过弹簧压紧在连杆(7)的限位槽(8)内，另一端与传动轴(5)垂直固定连接；主动齿轮(10)和从动齿轮(11)配合成齿轮组设置在外壳(2)内，主动齿轮(10)与传动轴(5)配合连接，从动齿轮(11)与电位器(12)配合连接；所述的测控电路板(3)的输入端分别与外部控制系统信号输出端和电位器(12)导线连接，输出端与电源及驱动电路板(4)的输入端导线连接；所述的测控电路板(3)包括两路信号滤波及放大(13)，其一端分别与外部控制系统信号输出端和电位器(12)电连接，另一端分别电连接在模数转换A/D(14)输入端上；模数转换A/D(14)的输出端、按键(15)、液晶显示LCD(16)分别电连接到微处理器MPU(17)上；单向串行通讯接口UART(18)输入端与微处理器MPU(17)电连接，输出端与数模转换D/A(19)的输入端电连接，数模转换D/A(19)的输出端与电压电流转换V/I(20)输入端电连接；双向串行通讯接口UART(22)分别与微处理器MPU(17)和现场总线通讯接口(21)电连接；所述的电源及驱动电路板(4)包括电源电路部分和驱动电路部分；所述的电源电路部分包括变压隔离(23)、整流(24)、滤波(25)、稳压(26)；所述的驱动电路部分包括光电耦合(27)和固态继电器(28)，光电耦合(27)的输入端与测控电路板(3)的微处理器MPU(17)电连接，输出端与固态继电器(28)输入端电连接。
2.电动阀门智能定位器的安装自动调试方法，其特征在于该方法包括机械行程的自动辨识方法和定位器动作控制参数的自寻优自动整定方法；所述的机械行程的自动辨识方法包括如下步骤a.微处理器发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合(27)控制正转固态继电器(28)导通，控制电动执行机构电机作正转运行；b.微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大(13)、模数转换A/D(14)监视阀位Y及其变化率；c.当阀位Y朝一个变化且变化率大于阈值M时控制电机继续正转运行；当阀位变化率小于或等于阈值M时控制电机停转，此时的阀位Y就是机械行程满量程点Ymax，0.2％≤M≤0.5％；d.微处理器发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合(27)控制反转固态继电器(28)导通，控制电动执行机构电机作反转运行；e.微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大(13)、模数转换A/D(14)监视阀位Y及其变化率；f.当阀位Y朝一个变化且变化率大于阈值M时控制电机继续反转运行；当阀位变化率小于或等于阈值M时控制电机停转，此时的阀位Y就是机械行程零点Ymin，0.2％≤M≤0.5％；所述的智能电动阀门定位器动作控制参数的自寻优自动整定方法，包括如下步骤a.将20％、50％、80％阀位处的正转刹车动作控制参数Ez20、Ez50、Ez80，以及20％、50％、80％阀位处的反转刹车动作控制参数Ef20、Ef50、Ef80设置为0.1％；b.自寻优自动整定Ez20和Ef20，具体步骤为1、微处理器发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合(27)控制反转固态继电器(28)导通，控制电动执行机构电机作反转运行；2、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大(13)、模数转换A/D(14)监视阀位Y；3、当阀位Y达到10％左右时，控制电机停转；4、由微处理器设定阀位给定为X＝20％，发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合(27)控制正转固态继电器(28)导通，控制电动执行机构电机作正转运行；5、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大(13)、模数转换A/D(14)监视阀位Y；6、当阀位Y＜X且误差D＞Ez20时，控制电机继续正转运行；7、当阀位Y＜X且误差D≤Ez20时，控制电机反接制动刹车；8、当Y＞X时Ez20+0.1％赋值给新的Ez20，并重复1~7步；9、直到当Y≤X时Ez20不变并转到下一步；10、微处理器发出控制电机正转信号，该信号经光电耦合(27)控制正转固态继电器(28)导通，控制电动执行机构电机作正转运行；11、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大(13)、模数转换A/D(14)监视阀位Y；当阀位Y达到30％左右时，控制电机停转；12、由微处理器设定阀位给定为X＝20％，发出控制电机反转信号，该信号经光电耦合(27)控制反转固态继电器(28)导通，控制电动执行机构电机作反转运行；13、微处理器通过阀位反馈机构、信号滤波及放大(13)、模数转换A/D(14)监视阀位Y；14、当阀位Y＞X且误差D＞Ef20时，控制电机继续反转运行；15、当阀位Y＞X且误差D＜＝Ef20时，控制电机反接制动刹车；当Y＜X时Ef20+0.1％赋值给新的Ef20，并重复8~14步；16、直到当Y≥X时Ef20不变并转到下一步；c.自寻优自动整定Ez50和Ef50，分别从40％和60％位置开始正转和反转运行到X＝50％，其步骤与步骤b相同；d.自寻优自动整定Ez80和Ef80，分别从70％和90％位置开始正转和反转运行到X＝80％，其步骤与步骤b相同。
全文摘要
本发明属于工业自动化仪表领域，特别涉及一种可安装在普通电动执行机构上进行控制和定位的电动阀门智能定位器结构及其安装自动调试方法。传统的电动执行器或电动阀门操作使用不便、安装调试复杂。本发明包括阀位反馈机构、测控电路板、电源及驱动电路板。该智能电动阀门定位器的安装自动调试方法包括机械行程的自动辨识方法和定位器动作控制参数的自寻优自动整定方法。本发明可安装在各类普通电动执行机构上进行控制和定位，将传统的电动执行器或电动阀门中的伺服放大器的测控功能和设计的阀位反馈机构的阀位测量功能集成为一体并高度智能化。
文档编号G05D3/12GK1710504SQ20051004967
公开日2005年12月21日 申请日期2005年4月27日 优先权日2005年4月27日
发明者尚群立 申请人:杭州电子科技大学