特殊環境閥門控制器的製作方法
2023-05-26 19:01:01
專利名稱：特殊環境閥門控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能源、化工行業汽輪機進氣快關閥門的控制。主要應用於高溫、高壓、易腐蝕等特殊環境下閥門的精確定位及快速關閉。
背景技術：
目前，我國國內使用的特殊環境閥門控制器多為英國W.H.ALLEN公司產品，而我國現有的W.H.ALLEN公司調節快關閥門控制器為模擬電路產品。這些產品為早期無單片技術時設計的產品，所有調節迴路(包括PID)均採用模擬電路實現，技術落後、故障率高、影響生產運行。而國內已經找不到相應的備件，對原設備進行修復。該公司原設備採用一套設備控制兩個閥門，設備出現故障時兩個閥門均不能控制。同時我國現有市場上的閥門控制產品均為儀表類產品，僅能實現簡單的閥門開關控制，無法實現閥門快關、精確定位及轉速參與控制功能。原模擬電路的閥門控制器功能單一，僅有閉環控制方式。使用電位器調整參數，對於調整參數(PID參數)無法量化。無故障鑑別功能，信號故障後無指示及相應處理。採用單電源供電，若此路電源故障，設備就會被迫停機。人機接口不合理，無法讀取當前實際閥位、閥位指令。
發明內容
本實用新型的目的在於克服上述現有技術的不足之處，研製出一種新型特殊環境閥門控制器。
本實用新型採用的技術路線是應用高性能的單片機為硬體核心，通過軟體實現閥門控制器的各種功能。採用單片機硬體核心將原有模擬電路調節迴路改為數字式調節迴路。對模擬量輸入信號在模擬電路部分進行阻容濾波，再經單片機自帶的A/D(模/數)轉換器進模數轉換，轉換後採用現代數字濾波技術對其進行數字濾波。模擬量輸出迴路採用工業級的集成運算放大器，將單片機D/A(數/模)轉換器輸出的電壓信號轉換為電流輸出。開關量輸入/輸出信號採用光電隔離技術，對所有外接開關量信號進行隔離。採用兩路電源作為設備供電電源，當外部兩路供電電源中任意一路電源故障後，設備仍能正常工作。在單片機上採用軟體方式實現PID調節及各種邏輯功能。採用軟體方式完成參數設定功能，參數設定採用數字輸入，可在線調整。對模擬量輸入信號進行故障監測，當發生故障時進行故障報警。實際閥位、閥位指令及內部參數均通過數碼管進行數字顯示。
本實用新型的目的是這樣實現包括在控制箱體上安裝的主板、操作顯示板、接線板，以工業控制級單片機晶片為核心，輔以多種可編程邏輯晶片及實時控制、中斷控制、通訊技術等軟體部分，即閥位反饋、轉速參考模擬量信號經模入緩衝器後直接送入單片機模擬量輸入引腳，由單片機內部A/D轉換器轉換為數字量信號、閥門控制數據再通過單片機內部D/A轉換器後以電壓方式送至電壓/電流轉換迴路，經電壓/電流轉換後直接控制閥門電液裝置，油壓低、主汽閥全開等開關量信號經光電隔離器後直接送至單片機通用數字量I/O口，單片機通訊接口通過RS485通訊驅動器後轉換為標準RS485接口，實現與其它模塊連網，光柱顯示模塊採用SPI通訊方式直接與單片機SPI接口連接，實現光柱顯示，數碼顯示及數字鍵盤通過數碼顯示驅動及按鍵採集晶片與單片機連接，狀態指示燈、功能按鍵、旋轉開關直接與單片機通用I/O口連接，外部雙路電源經切換迴路切換後作為內部電源，並根據各晶片的需要穩壓為不同的電壓等級。
所述單片機採用集成混合信號系統級單片機C8051F020，數碼顯示驅動及按鍵採集晶片採用CH451S晶片，光柱顯示採用MZ012.008Z光柱顯示模塊。
所述模入緩衝器是由可選擇的120Ω取樣電阻、0.1μ濾波電容、LM224電壓跟隨器組成模入緩衝器，防止外部高壓損壞單機。當輸入為電流信號時選擇有取樣電阻，將電流轉換為電壓信號，當輸入為電壓信號時選擇無取樣電阻，電壓信號經電壓跟隨器後直接送至單片機模擬量輸入接口。
所述模出電壓/電流轉換器是由集成運算放大器LM258、三極體9013、三極體TI P42、三極體9012、二極體1N4148、電阻等組成模出電壓/電流轉換器。AO00為單片機模擬量輸出信號(0～2.48VDC)，AO00經電壓跟隨器U3A後送至U1A-3，再經U1A、R25、R28、R33、Q1在R25上形成一個與AO00成比例的電流信號(0～4.96mA)，該電流信號在R25上形成0～1.24VDC的電壓降。在閥門控制器啟動後開關K2閉合，U1B取該電壓信號經U1B、R29、R37、R38、Q3、K2轉換為EAO00最終輸出電流(0～564mA)，用於驅動控制線圈。
所述開入光電隔離器迴路是由光電隔離器TLP521-4、電阻組成開入光電隔離器迴路，當外部開關量接點閉合時，EDI對0V短接，在光電隔離器TLP521-4激勵側形成6mA電流，使光電隔離器導通，光電隔離器的輸出端DI為低電平，單片機採集DI信號為「0」。當外部開關量接點斷開時，光電隔離器激勵側無電流，光電隔離器輸出斷開，光電隔離器的輸出端DI為高電平，單片機採集DI信號為「1」。
所述開出隔離迴路是由光電隔離器TIL113、黃色發光二極體、輸出繼電器DS-2Y-S-24V、放電二極體1N4148、電阻組成開出隔離迴路。DO為單片機輸出，當單片機輸出為「0」時，使開出指示燈LED-Y點亮，同時在光電隔離器TIL113激勵側形成8.4mA電流，使光電隔離器導通，繼電器DS-2Y-S-24V線圈帶電，繼電器輸出接點閉合。
所述供電電源採用兩路供電電源，該電源採用二極體進行切換，1#電源經一個二極體作為內部電源，2#電源經兩個二極體作為內部電源。
所述控制箱箱體是具有兼容性外形，箱蓋採用1mm鋼板製成，面板採用6mm鋁板製成，面板、箱蓋都採用M3×8沉頭螺釘擰緊在控制箱箱體上，主板印製板、接線端子板通過M3×8螺釘安裝在控制箱箱體上，光柱顯示印製板、數字顯示及按鍵板通過M3×8螺釘安裝在面板上。
本實用新型的控制功能有開環控制、閉環控制兩種。在快關或默認狀態為開環控制方式，在開環控制方式，控制器直接將人工設定的閥位控制指令輸出，控制閥門動作，在此方式無需閥位反饋、轉速參考信號(輔助信號)。在設備啟動後，閥位反饋正常的情況下，可投入閉環控制方式，投入閉環控制方式後，閥門控制器接收人工設定(通過開/關旋鈕或數字設定)的閥位控制指令，與模擬量輸入的閥位反饋之間進行比較，兩者之間出現偏差時，將兩者之差送至PID調節器，經位置式PID調節器後，控制閥門動作。直到閥位反饋與控制指令相同時，PID調節器輸出的閥門控制信號保持不變，使閥門穩定在當前位置。在閉環控制方式還可設定轉速參考參與量(百分比)，當轉速參考信號正常、設定有轉速參考參與量時，用於PID計算的閥位反饋信號＝轉速參考信號×轉速參考參與量+閥位反饋信號×(1-轉速參考參與量)，通過轉速參考信號對閥位反饋信號的補償，實現轉速參與控制，在開啟閥門過程中如果汽輪機轉速快速升高，則將轉速升高的量疊加在閥位反饋中，通過PID調節迫使閥門關小，防止汽輪機轉速快速升高。在閉環控制方式當閥位反饋信號故障後將自動切換至開環控制方式。
本實用新型的有益效果是，該控制器具有閉環、開環控制兩種功能，採用數位化參數設定，可進行故障報警，採用冗餘供電設計，具備閥位及閥位指令的數字顯示，調節迴路採用數字式PID運算，能達閥門的精確定位，可接收快關指令實現閥門快速關閉，可引入轉速信號參與控制，保證被控設備的安全性。採用一套設備控制一個閥門，當有兩個閥門時，需採用兩套獨立設備分別控制，如果一套設備故障僅有一個閥門不能控制，減少事故範圍。可以對原設備的更新換代，提高設備運行穩定性、提高控制精度，縮短用戶設備變更後的調試周期。本實用新型的所有電路均系現有技術、所述元器件均可在市場購買，因而實施容易。
圖1是本實用新型的控制器機箱外形圖。
圖2是圖1中的箱體前面板示意圖。
圖3是圖1中的箱體後面板示意圖。
圖4是本實用新型的閥位調節原理示意圖。
圖5是本實用新型的系統結構示意圖。
圖6是圖5中的模擬量輸入電路原理圖。
圖7是圖5中的模擬量輸出電路原理圖。
圖8是圖5中的開關量輸入電路原理圖。
圖9是圖5中的開關量輸出電路原理圖。
圖10是圖5中的雙電源切換電路原理圖。
圖11是本實用新型的控制流程示意圖。
圖12是圖5中的電源結構示意圖。
具體實施方式
調節快關閥門控制器包括硬體、軟體兩部分。
硬體部分包括機箱結構及電路部分。
參照圖1-圖3，本實用新型的機箱箱體外形能兼容原英國W.H.ALLEN公司產品，可對原英國W.H.ALLEN公司產品進行替換。其箱蓋採用1mm鋼板製成，面板採用6mm鋁板製成。面板、箱蓋都採用M3×8沉頭螺釘擰緊在控制箱箱體上，主板印製板、接線端子板通過M3×8螺釘安裝在控制箱箱體上，光柱顯示印製板、數字顯示及按鍵板通過M3×8螺釘安裝在面板上。
參照圖5，本實用新型由單片機、光柱顯示、數字鍵盤、功能按鍵、旋轉開關、數碼顯示、狀態指示燈、數碼顯示驅動及按鍵採集晶片、RS485通訊驅動器、模入緩衝器、開入光電隔離器、開出隔離、電壓/電流轉換器、電源切換等電源迴路組成。閥位反饋、轉速參考模擬量信號經模入緩衝器後直接送入單片機模擬量輸入引腳，由單片機內部A/D轉換器轉換為數字量信號用於內部計算。單片機將計算後的閥門控制數據通過內部D/A轉換器後以電壓方式送至電壓/電流轉換迴路，經電壓/電流轉換後直接控制閥門電液裝置。油壓低、主汽閥全開等開關量信號經光電隔離器後直接送至單片機通用數字量I/O口。單片機通訊接口通過RS485通訊驅動器後轉換為標準RS485接口，實現與其它模塊連網。光柱顯示模塊採用SPI通訊方式直接與單片機SPI接口連接，實現光柱顯示。數碼顯示及數字鍵盤通過數碼顯示驅動及按鍵採集晶片與單片機連接。狀態指示燈、功能按鍵、旋轉開關直接與單片機通用I/O口連接。外部雙路電源經切換迴路切換後作為內部電源，並根據各晶片的需要穩壓為不同的電壓等級。
單片機採用silicon公司的集成混合信號系統級單片機C8051F020，它集成了8通道12位模入、2通道12位模出、UART串行通訊功能、硬體SPI串行通訊、硬體SMBus/I2C、5個16位定時器、內置64k字節FLASH程序存儲器、內置4k字節內部RAM、多達64個通用I/O口。數碼顯示驅動及按鍵採集晶片採用南京沁恆電子有限公司的CH451S晶片，它集成8位數碼管顯示驅動、64個按鍵掃描、SPI接口。光柱顯示採用德陽瑞能電力科技有限公司的MZ012.008Z光柱顯示模塊，該光柱顯示模塊具有模擬量輸入接口及SPI接口，顯示精度可達到1/104。
參見圖6，模入緩衝器由可選擇的120Ω取樣電阻、0.1μ濾波電容、LM224電壓跟隨器組成，防止外部高壓損壞單機。當輸入為電流信號時選擇有取樣電阻，將電流轉換為電壓信號，當輸入為電壓信號時選擇無取樣電阻，電壓信號經電壓跟隨器後直接送至單片機模擬量輸入接口。
參見圖7，模出電壓/電流轉換器由集成運算放大器LM258、三極體9013、三極體TIP42、三極體9012、二極體1N4148、電阻等組成。AO00為單片機模擬量輸出信號(0～2.48VDC)，AO00經電壓跟隨器U3A後送至U1A-3，再經U1A、R25、R28、R33、Q1在R25上形成一個與AO00成比例的電流信號(0～4.96mA)，該電流信號在R25上形成0～1.24VDC的電壓降。在閥門控制器啟動後開關K2閉合，U1B取該電壓信號經U1B、R29、R37、R38、Q3、K2轉換為EAO00最終輸出電流(0～564mA)，用於驅動控制線圈。如果閥門控制器未啟動時，開關K2斷開，U1B取該電壓信號經U1B、R29、R37、Q3轉換為EAO00最終輸出電流(0～0.62mA)，該電流無法驅動控制線圈，使被控閥保持在全關狀態。在快關時K2斷開，在啟動時K2閉合。U2A、R32、R27、Q5通過檢測R 38兩端的電壓檢測AO00的輸出電流，並將其轉換為電流信號(0～4.96mA)，送至模擬量輸入取樣迴路。
參見圖8，開入光電隔離器迴路由光電隔離器TLP521-4、電阻組成，當外部開關量接點閉合時，EDI對0V短接，在光電隔離器TLP521-4激勵側形成6mA電流，使光電隔離器導通，光電隔離器的輸出端DI為低電平，單片機採集DI信號為「0」。當外部開關量接點斷開時，光電隔離器激勵側無電流，光電隔離器輸出斷開，光電隔離器的輸出端DI為高電平，單片機採集DI信號為「1」。
參見圖9，開出隔離由光電隔離器TIL113、黃色發光二極體、輸出繼電器DS-2Y-S-24V、放電二極體1N4148、電阻組成。DO為單片機輸出，當單片機輸出為「0」時，使開出指示燈LED-Y點亮，同時在光電隔離器TIL113激勵側形成8.4mA電流，使光電隔離器導通，繼電器DS-2Y-S-24V線圈帶電，繼電器輸出接點閉合。
參見圖10、圖12，1#24VA、2#24VA分別為兩路24VDC供電電源，1#24VA經一個二極體作為內部電源，2#24VA經兩個二極體作為內部電源，當外部兩路電源電壓相同或2#24VA電源消失時，由1#24VA作為內部供電電源，當1#24VA消失並且2#24VA電源正常時，2#24VA作為內部供電電源，採用二極體進行切換可達到切換無擾、無延遲。
軟體部分功能包括模擬量輸入數字濾波及故障判斷、閥位調節、邏輯控制及開關量輸入/輸出、按鍵輸入及數字顯示、光柱顯示。
閥門控制器運行過程見圖11控制流程，設備上電初始化，系統讀入初始化參數，置設備的初始狀態(全關狀態)。
設備初始化後進入循環控制程序，採集模擬量輸入信號，為提高模擬量輸入信號的精度，除在電路上對輸入信號進濾波外，同時採用數字濾波技術對模入信號進行處理。進行數字濾波處理後的模擬量信號小於2.5mA時(模擬量輸入為4～20mA)，故障判斷迴路判斷為該模擬量輸入通道故障，光柱下方的指示燈閃爍。
控制器檢測是否有油壓低或快關指令，在任何情況下當有油壓低或按下快關按鈕時，開關量輸出通道DOll使繼電器K2失電，使串連在模擬量輸出迴路的K2接點斷開，控制器輸出將迅速降至0mA，實現閥門的快速關閉。
在油壓正常、無快關指令的情況下，如果當前處於全開鎖定狀態，則判斷是否有釋放按鍵，如果有釋放按鍵則解除全開鎖定狀態僅維持全開狀態。如果當前未處於全開鎖定狀態，則判斷是否有全開按鍵指令，如果有全開按鍵指令、當前閥位反饋大於全開條件，則置設備於全開鎖定狀態，否則維持當前狀態。
在進行釋放及全開鎖定判斷後，如果設備處於全開鎖定狀態，則控制器輸出固定為全開輸出，並保持在100％，無法通過開關指令改變輸出閥位。如果設備未處於全開鎖定狀態，則判斷閥位反饋是否正常，如果不正常則將控制器置於開環控制方式，如果正常則判斷是否已切換至閉環控制方式，如果已切換至閉環控制方式則將控制器置於閉環控制方式，否則將控制器置於開環控制方式。
參照圖4，在閥位閉環控制方式時，閥門控制器接收人工設定(通過開/關旋鈕或數字設定)的閥位控制指令，與模擬量輸入的閥位反饋之間進行比較，兩者之間出現偏差時，將兩者之差送至PID調節器，經位置式PID調節器後，通過模擬量輸出AO00輸出閥門控制信號，控制閥門動作。直到閥位反饋與控制指令相同時，PID調節器輸出的閥門控制信號保持不變，使閥門穩定在當前位置。
在閥位開環控制方式時，直接將人工設定的閥位控制指令輸出，控制閥門動作。
權利要求1.一種用於汽輪機進氣精確定位及轉速參與控制的特殊環境閥門控制器，包括在控制箱體上安裝的主板、操作顯示板、接線板，以工業控制級單片機晶片為核心，輔以多種可編程邏輯晶片及實時控制、中斷控制、通訊技術等軟體部分，其特徵在於閥位反饋、轉速參考模擬量信號經模入緩衝器後直接送入單片機模擬量輸入引腳，由單片機內部A/D轉換器轉換為數字量信號、閥門控制數據再通過單片機內部D/A轉換器後以電壓方式送至電壓/電流轉換迴路，經電壓/電流轉換後直接控制閥門電液裝置，油壓低、主汽閥全開等開關量信號經光電隔離器後直接送至單片機通用數字量I/O口，單片機通訊接口通過RS485通訊驅動器後轉換為標準RS485接口，實現與其它模塊連網，光柱顯示模塊採用SPI通訊方式直接與單片機SPI接口連接，實現光柱顯示，數碼顯示及數字鍵盤通過數碼顯示驅動及按鍵採集晶片與單片機連接，狀態指示燈、功能按鍵、旋轉開關直接與單片機通用I/O口連接，外部雙路電源經切換迴路切換後作為內部電源，並根據各晶片的需要穩壓為不同的電壓等級。
2.根據權利要求1所述的特殊環境閥門控制器，其特徵在於單片機採用集成混合信號系統級單片機C8051F020，數碼顯示驅動及按鍵採集晶片採用CH451S晶片，光柱顯示採用MZ012.008Z光柱顯示模塊。
3.根據權利要求1所述的特殊環境閥門控制器，其特徵在於由可選擇的120Ω取樣電阻、0.1μ濾波電容、LM224電壓跟隨器組成模入緩衝器。
4.根據權利要求1所述的特殊環境閥門控制器，其特徵在於由集成運算放大器LM258、三極體9013、三極體TIP42、三極體9012、二極體1N4148、電阻等組成模出電壓/電流轉換器。
5.根據權利要求1所述的特殊環境閥門控制器，其特徵在於由光電隔離器TLP521-4、電阻組成開入光電隔離器迴路。
6.根據權利要求1所述的特殊環境閥門控制器，其特徵在於由光電隔離器TIL113、黃色發光二極體、輸出繼電器DS-2Y-S-24V、放電二極體1N4148、電阻組成開出隔離迴路。
7.根據權利要求1所述的特殊環境閥門控制器，其特徵在於供電電源採用兩路供電電源，該電源採用二極體進行切換，1#電源經一個二極體作為內部電源，2#電源經兩個二極體作為內部電源。
8.根據權利要求1所述的特殊環境閥門控制器，其特徵在於控制箱箱體是具有兼容性外形，箱蓋採用1mm鋼板製成，面板採用6mm鋁板製成，面板、箱蓋都採用M3×8沉頭螺釘擰緊在控制箱箱體上，主板印製板、接線端子板通過M3×8螺釘安裝在控制箱箱體上，光柱顯示印製板、數字顯示及按鍵板通過M3×8螺釘安裝在面板上。
專利摘要本實用新型提供了一種用於汽輪機進氣精確定位及轉速參與控制的特殊環境閥門控制器。包括在控制箱體上安裝的主板、操作顯示板、接線板，以工業控制級單片機晶片為核心，輔以多種可編程邏輯晶片及實時控制、中斷控制、通訊技術等軟體部分，單片機通訊接口通過RS485通訊驅動器後轉換為標準RS485接口，實現與其它模塊連網，光柱顯示模塊採用SPI通訊方式直接與單片機SPI接口連接，實現光柱顯示，數碼顯示及數字鍵盤通過數碼顯示驅動及按鍵採集晶片與單片機連接，狀態指示燈、功能按鍵、旋轉開關直接與單片機通用I/O口連接，外部雙路電源經切換迴路切換後作為內部電源，並根據各晶片的需要穩壓為不同的電壓等級。本實用新型可對原英國產品進行替換。
文檔編號F16K31/02GK2890543SQ20062003398
公開日2007年4月18日 申請日期2006年4月25日 優先權日2006年4月25日
發明者李 傑, 陸曉陽, 曾令顯, 彭明榮 申請人:德陽伊斯特科技有限公司