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智能型电动执行机构的电气控制系统设计

供稿:cwp_1950 2011/5/12 16:42:00

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  • 关键词: 电动执行机构 非侵入 人机界面
  • 摘要:描述了基于可编程序控制器的智能型电动执行机构的电气控制系统设计原理,并介绍了主要硬件、软件的实现方法。此控制系统具有硬件可靠性高,软件可移植性和可扩充性强的特点。

一、前言
                                  
    执行机构在工业过程控制系统中接受调节器的控制信号,改变操纵变量,使生产过程按预定要求正常执行。执行机构按其能源形式分为气动、液动和电动三大类。相对气动、液动执行机构而言,电动执行机构具有:无需特殊的动力源,即使电源失电时,也能保持原执行位置;可远距离传输信号,电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多,且便于线路检查;与计算机连接方便简捷,更适应采用电子信息新技术。


                                                  图1 智能型电动执行机构三维剖视图

                                  
    随着微电子技术和控制技术的发展,智能型电动执行机构成为一种发展趋势。该产品以微处理器作为主控器件,并配有功率控制单元、故障诊断报警单元、人机对话单元,可进行闭环控制,具有数字通信接口。调试时具有非侵入特性,即在不打开电气箱盖的前提下可设定各种运行控制参数。

二、工艺要求
    

    智能型电动执行机构是用于现场或远距离控制阀门的一种机构。它的作用是在阀门全开、全关或事先调定好的位置处,能自动停车,并发出信号。根据各个控制系统的要求,输出的信号为开关量、模拟量等,并要求现场和远距离开度指示一致,当阀门开或关超过公称额定转矩时,能自动停车,并发出信号。在运行过程中出现故障,能分别在现场的液晶屏上显示故障信号,并能向远距离发出故障信号。同时要满足现场总路线控制需要远程数据采集、远程通信和远程诊断。

 三、硬件结构设计
                                  
    智能型电动执行机构的电气控制系统结构如图2所示,整个系统由专用可编程序控制器、电子行程、电子力矩、电动机驱动模块、功率扩展模块、人机界面(HMI)、红外线控制器、手动操作电路等组成。其中专用可编程序控制器为整个控制系统的核心。它接收各种信号,经过逻辑处理后作出相应的反应,决定是否驱动和如何驱动电动机,并向用户反馈各类状态信号。

                                          图2 智能型电动执行机构的电气控制系统结构

    1.专用可编程序控制器
    专用可编程序控制器是以施耐德公司现有产品TWDLMDA40DTK为基础进行定制开发,完成模拟输入、绝对编码器信号的高速采集、内置Modbus 
    RTU通信协议等专用功能。用于实现对电动执行机构的开和关、现场/远控、故障诊断报警等的控制。在失电情况下,程序和设置参数可保存50年以上。由于采用通用编程语言,使控制系统软件的可移植性和可扩充性得到加强。

2.人机界面(HMI)
                                  
    智能型电动执行机构的人机界面(HMI)是由一块128×64的点阵式液晶显示模块、6个磁控开关以及红外接收器组成,整个人机界面通过RS485接口和专用可编程序控制器进行通信。可把输入指令传递到专用可编程序控制器,并在液晶显示模块上显示相应的状态和提示信息。人机界面也具备二次开发的功能,它采用一个小型的组态软件,在计算机上绘制好各种状态页面,然后下载到人机界面中。此种开发方法具有直观、灵活的特点。

    3.电子力矩
                                  
    电子力矩的实现采用了电阻应变原理。在蜗杆上连接一个贴有4片电阻应变片的弹性变形体,输出力矩的大小反映为弹性变形体的变形量,电阻应变片阻值也相应变化,经处理放大后导致最终输出电压的变化。为了反映开、关向力矩的变化,设计上采用了双向推拉式结构,电子力矩在不受力的情况下输出DC5V电压,开向受力时输出DC5~10V,关向受力时输出DC0~5V。这种电子力矩测量直接、实时,线性度、精度都可达到1%以内,远高于相关标准规定的7%的要求。

 

4.电子行程
                                  
    电子行程与电子力矩一样是实现智能型电动执行机构的非侵入调试的关键部件。国外同类产品一般采用的是增量编码器,这种结构虽然简单,但需要后备电池用于停电时的计数。电池需要定时更换,一旦忘记更换,就会带来数据的紊乱。采用绝对编码器可有效地避免这一问题,它可以保证上电后输出码与机械位置的一致性。输出采用格雷码(Gray Code,简称G码),它是典型的循环码。特点是序号相邻的两组代码只有一位码不同,且具有循环性。上述特点使全部码组按序循环相邻,若以循环码表示一个循环过程中按顺序发生的状态,则任何状态变化只对应有一个变量发生变化,这个特点有助于提高电路的可靠性。机械结构为4-4进位方式,共16位表示0~65535,对应输出轴约1200转(远大于普通机械式行程的500转)。由于在进位时格雷码的码值会出现短暂的误码输出,所以专用可编程序控制器在读入格雷码时应剔除误码,这一般由特定的软件算法完成。

 5.电动机驱动模块
                                  
    电动机驱动模块的作用是接收专用可编程序控制器的指令来驱动电动机的正反转。如果是开关型的电动执行机构可选用两只交流接触器作为驱动元件。为了防止交流接触器的线圈在工作时对专用可编程序控制器和人机界面产生电磁干扰,需要将一只100Ω电阻与一只0.1f电容串联后并接在交流接触器的线包上。如果是调节型的电动执行机构可选用一只三相正反转固态继电器作为驱动元件。

四、软件设计
                                  
    要实现智能型电动执行机构的开关、现场/远控和故障报警的管理与控制,关键在于专用可编程序控制器的程序设计,它直接关系到电动执行机构开、关到位的准确性与实时性。专用可编程序控制器采用施耐德公司的Twidosoft编程软件进行编程,整个程序由主程序和多个子程序组成,程序框图如图4所示。输入到可编程序控制器的信号,有来自上位机的操作命令,也有来自现场电动执行机构的信号,操作人员在现场或监控室都能对电动执行机构进行控制。由程序的不断扫描,实现电动执行机构的开到位、关到位的控制以及电源故障、电动机过热、力矩故障,机械故障的报警功能。可编程序控制器通过RS485接口与人机界面实现通信,用内部寄存器%MW300,%MW301来显示和切换人机界面(HMI)操作页面,同时通过人机界面(HMI)用%MW0低六位来反馈干簧管和红外线控制器的操作信号。该系统还设置了数据查询系统,对电动执行机构的操作次数进行累加,历史上阀门力矩的最大值以及近期的阀位开阀/关阀的力矩最大值数据。并将这些数据放入特定寄存器中,以便通过Modbus
RTU方式,将这些数据传送到远方。程序设计的难点在于数据的过滤及处理,它关系到智能型电动执行机构<

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