專(zhuān)利名稱：一種智能電氣閥門(mén)定位器及控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定位器及控制系統(tǒng)，尤其是指一種智能電氣閥門(mén)定位器及控制系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)調(diào)節(jié)器或DCS輸出的控制信號(hào)4 20mA DC，經(jīng)電—— 氣轉(zhuǎn)換，變成氣動(dòng)信號(hào)，作用于調(diào)節(jié)閥膜頭上或工作氣缸，推動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥芯動(dòng)作，執(zhí)行自動(dòng) 調(diào)節(jié)功能，閥門(mén)定位器的作用在于，將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的輸出位移反饋回來(lái)，隨時(shí)與其輸 入量信號(hào)進(jìn)行比較，修正輸出，以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)精確度，消除執(zhí)行機(jī)構(gòu)中特性不穩(wěn)定部件對(duì) 系統(tǒng)特性的影響，克服機(jī)械性干摩擦的影響，增加閥桿的移動(dòng)速度，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速 度，增加推動(dòng)作用的動(dòng)力，以達(dá)到改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。目前，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的智能電氣閥門(mén)定位器內(nèi)均設(shè)有微處理器，支持智 能通訊，通訊的方式有HART通信和Profibus、FF總線通信，通過(guò)通信，可以把所有智能閥 門(mén)定位器初始化的參數(shù)及其他參數(shù)上傳到DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)中，并加以保存，智能閥門(mén)定 位器還具有故障診斷功能，以及防止電磁干擾、參數(shù)液晶顯示等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在過(guò)程工業(yè)，特 別是在煉油、化工、輕工、石油化工生產(chǎn)裝置中得到廣泛地應(yīng)用。SAMSON的3730、FISHER的 DVC6000、DVC2000、METSO NELES 的 ND9000、SIEMEN 的 PS2、F0XB0R0 的 SRD991、YAMATAKE、 的SVP3000、Y0K0GAWA的FVP等市售產(chǎn)品深受歡迎，銷(xiāo)量大，市場(chǎng)占有率高，美中不足在于， 現(xiàn)有的智能電氣閥門(mén)定位器的電氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)放大器容易出故障，在工業(yè)生產(chǎn)中，儀表 用氣源，由于工程設(shè)計(jì)或生產(chǎn)操作不當(dāng)，氣源中的水、油、塵粒難以除凈，由于節(jié)流孔的直徑 僅為0. 3mm，噴嘴孔的直徑僅為0. 9mm，容易堵塞，氣體流動(dòng)不暢，這類(lèi)閥門(mén)定位器運(yùn)行不好 的故障，時(shí)有發(fā)生，影響生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行。該項(xiàng)目同類(lèi)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)僅有四家公司生產(chǎn)，其中三家是仿德國(guó)西門(mén)子公司產(chǎn)品的原 理制造，另一家是仿日本山武公司產(chǎn)品制造。世界生產(chǎn)智能電氣閥門(mén)定位器僅有近十年的 歷史，現(xiàn)國(guó)內(nèi)所用該類(lèi)產(chǎn)品基本上是由國(guó)外進(jìn)口。椐調(diào)查市場(chǎng)公認(rèn)的五大家知名智能電氣 閥門(mén)定位器生產(chǎn)廠家有五個(gè)，分別是美國(guó)的FisheiNFoxboro、德國(guó)的Siemensjamson和芬 蘭的Neles，而這五家特點(diǎn)分別如下A)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的只有芬蘭Neles公司，但其內(nèi)閉環(huán)的伺服閥閥芯位置測(cè) 量是采用位移傳感器。其他四家是采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)。B)前置放大器(I/P轉(zhuǎn)換器)采用噴嘴擋板加力矩馬達(dá)的有四家，只有Siemens公 司利用壓電陶瓷閥(piezo壓電閥)。C) 二次放大器采用伺服閥的有美國(guó)Fisher和芬蘭的Neles，采用比例放大器的有 美國(guó)的Foxboro和德國(guó)的Samson，而Siemens公司是采用雙開(kāi)關(guān)閥。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種智能電氣閥門(mén)定位器及控制系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)有CPU，本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種智能電氣閥門(mén)定位器，包括殼體，所述殼體上設(shè)有隔爆腔，電纜接頭，精密過(guò) 濾器，減壓閥，普通腔，伺服閥，Pb輸出接口，Ps氣源接口，Pa輸出接口，主彈板，差動(dòng)薄膜氣 缸，壓差傳感器，CPU及線路板，液晶顯示器，操作鍵，位移傳感器，其特征在于所述壓差傳 感器，CPU及線路板，液晶顯示器，操作鍵，壓電陶瓷閥，位移傳感器安裝在隔爆腔內(nèi)，所述減 壓閥，伺服閥，主彈板，差動(dòng)薄膜氣缸安裝在普通腔中。一種智能電氣閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括雙閉環(huán)回路控制系統(tǒng)，所述雙 閉環(huán)回路控制系統(tǒng)包括外閉環(huán)控制回路和內(nèi)閉環(huán)控制回路，其特征在于所述內(nèi)閉環(huán)控制 回路包括PWM脈寬調(diào)制輸出的整形模塊，電壓放大模塊，壓電陶瓷閥，差動(dòng)薄膜氣缸，壓差 傳感器，比較器，從所述比較器輸出的偏差信號(hào)依次經(jīng)過(guò)電壓放大模塊放大后驅(qū)動(dòng)壓電陶 瓷閥、壓電閥則按驅(qū)動(dòng)電壓的高低控制差動(dòng)薄膜氣缸上腔的壓力P”所述壓差傳感器檢測(cè) 差動(dòng)薄膜氣缸上下腔的壓力差信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換送入比較器；所述外閉環(huán)控制回路 包括位移傳感器，驅(qū)動(dòng)氣缸，伺服閥，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，第二比較器，由位移傳感器測(cè)得的驅(qū)動(dòng) 氣缸輸出軸位置信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后與控制指令信號(hào)相比較，得到的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制算 法輸入到內(nèi)閉環(huán)控制回路，經(jīng)過(guò)內(nèi)閉環(huán)控制回路響應(yīng)后再經(jīng)過(guò)主彈簧板輸出到伺服閥控制 驅(qū)動(dòng)氣缸工作。其中，所述隔爆腔和普通腔通過(guò)阻火器隔離。其中，所述CPU及電路板分別接收位移傳感器信號(hào)，指令信號(hào)，壓差傳感器信號(hào)進(jìn) 行比較和控制算法處理，并與液晶顯示器與鍵盤(pán)相連。其中，所述主彈板的一端鉸接在殼體上，另一端與伺服閥閥芯活動(dòng)連接，所述差動(dòng) 薄膜氣缸的驅(qū)動(dòng)桿與所述主彈板的中部活動(dòng)連接，通過(guò)所述差動(dòng)薄膜氣缸的驅(qū)動(dòng)桿的移動(dòng) 使伺服閥閥芯移動(dòng)。其中，所述壓電陶瓷閥采用比例式壓電陶瓷閥。其中，所述位移傳感器為角位移傳感器。其中，所述內(nèi)閉環(huán)回路采用了壓差傳感器測(cè)量伺服閥閥芯位移。相比于常見(jiàn)的閥門(mén)定位器及控制系統(tǒng)，本發(fā)明的有益效果在于提供一種智能電氣 閥門(mén)定位器及控制系統(tǒng)，本發(fā)明具有自校準(zhǔn)、自適應(yīng)、自診斷功能，內(nèi)設(shè)有CPU，有著其響應(yīng) 迅速，結(jié)構(gòu)小巧、重量輕、耗氣少、精度高、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是現(xiàn)代技術(shù)和新的 電子、氣動(dòng)元件的完美結(jié)合，具有很高的推廣價(jià)值，具有很好的市場(chǎng)前景。


圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明的零部件布局示意圖；圖3是本發(fā)明的控制系統(tǒng)示意圖；圖4是發(fā)明的差動(dòng)薄膜氣缸、主彈板和伺服閥的連接關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。圖2是本發(fā)明的零部件布局示意圖，如圖2所示，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主要包括殼體1，
4隔爆腔2，電纜接頭3，精密過(guò)濾器4，減壓閥5，普通腔6，伺服閥7，Pb輸出接口 8，Ps氣源 接口 9，Pa輸出接口 10，主彈板11，差動(dòng)薄膜氣缸12，壓差傳感器13，CPU及線路板14，液 晶顯示器15，操作鍵16，位移傳感器18，其中隔爆腔2位于殼體1的右下角，而殼體1與隔 爆腔2之間形成普通腔6，壓差傳感器13、CPU及線路板14，液晶顯示器15，操作鍵16，壓電 陶瓷閥17，位移傳感器18均安裝在隔爆腔2內(nèi)，減壓閥5，伺服閥7，主彈板11，差動(dòng)薄膜氣 缸12安裝在普通腔6中，這樣使伺服閥與電器元器件在布局上相互分開(kāi)安裝，便于伺服閥 的安裝和拆卸。如圖4所示，在普通腔6中，主彈板11的一端鉸接在殼體1上，另一端與伺 服閥的閥芯19活動(dòng)連接，所述差動(dòng)薄膜氣缸的驅(qū)動(dòng)桿與所述主彈簧板的中部活動(dòng)連接，通 過(guò)所述差動(dòng)薄膜氣缸的驅(qū)動(dòng)桿的移動(dòng)使伺服閥閥芯移動(dòng)。圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖，圖3是本發(fā)明的控制系統(tǒng)示意圖；如圖1與圖 3所示，該發(fā)明的控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述外閉環(huán)控制回路包括位移傳感器，驅(qū) 動(dòng)氣缸，伺服閥，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，第二比較器，外界指令信號(hào)經(jīng)過(guò)線性化處理、定性處理和限 位處理后，輸入微處理器中，與由位移傳感器測(cè)得的驅(qū)動(dòng)氣缸輸出軸位置信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn) 換后的反饋信號(hào)相比較得到偏差信號(hào)，得到的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制算法輸入到內(nèi)閉環(huán)控制回 路，經(jīng)過(guò)內(nèi)閉環(huán)控制回路響應(yīng)后，再經(jīng)過(guò)差動(dòng)薄膜氣缸與主彈板11輸出到伺服閥，從而控 制驅(qū)動(dòng)氣缸工作，而位移傳感器檢測(cè)驅(qū)動(dòng)氣缸的位置信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換以后作為反饋信號(hào) 與指令信號(hào)做下一次比較。內(nèi)閉環(huán)控制回路接收到外閉環(huán)輸入的偏差信號(hào)后，與內(nèi)閉環(huán)的反饋信號(hào)進(jìn)行比 較，然后依次經(jīng)過(guò)PWM脈寬調(diào)制輸出的整形模塊，電壓放大模塊，從而驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷閥17， 而壓電陶瓷閥17則按驅(qū)動(dòng)電壓的高低控制差動(dòng)薄膜氣缸上腔的壓力Pi，從而驅(qū)動(dòng)差動(dòng)薄膜 氣缸的驅(qū)動(dòng)桿動(dòng)作，再經(jīng)過(guò)主彈板11帶動(dòng)伺服閥閥芯19動(dòng)作，從而將信號(hào)傳遞到外閉環(huán)， 同時(shí)壓差傳感器13檢測(cè)差動(dòng)薄膜氣缸12上下腔的壓力差信號(hào)，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，作為內(nèi) 閉環(huán)的反饋信號(hào)，輸入到內(nèi)閉環(huán)的比較器中。在該發(fā)明中，外閉環(huán)與內(nèi)閉環(huán)指令信號(hào)與反饋信號(hào)的比較，外閉環(huán)中信號(hào)經(jīng)控制 算法的處理均在如圖3所示的微處理器中完成，同時(shí)微處理器還與液晶顯示器和鍵盤(pán)連 接，以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)和狀態(tài)的顯示。本發(fā)明在技術(shù)上的重要特點(diǎn)，在于定位器的控制系統(tǒng)中采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng) 用了自制伺服閥7，采用了比例式壓電閥17、取代氣動(dòng)節(jié)流孔、噴嘴一擋板結(jié)構(gòu)。壓電閥17和差壓傳感器13體積小、重量輕，裝配方便、容易，不僅降低閥門(mén)定位器 的自身重量，減少其體積，對(duì)隔爆結(jié)構(gòu)處理帶來(lái)了方便。伺服閥是精度高、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定、耐用的功率放大元件，適用范圍廣，伺服閥的 閥芯又可更換，對(duì)于需要排氣量小的系統(tǒng)，可選用6 4mm閥芯的伺服閥，對(duì)于需要排氣量大 的系統(tǒng)，可選用中小6mm閥芯的伺服閥，不同閥芯尺寸的伺服閥的外形，連接關(guān)系，尺寸相 同，為定位器的設(shè)計(jì)、制造、組裝帶來(lái)了方便。電氣閥門(mén)定位器所用功率放大器，各個(gè)廠家的產(chǎn)品并不相同，如SIEMENS產(chǎn)品采 用雙開(kāi)關(guān)放大器，容易磨損，難于調(diào)整，如SAMSON產(chǎn)品，采用比例放大器，其工作穩(wěn)定，響應(yīng) 速度慢，精度低，而本發(fā)明采用伺服閥7進(jìn)行功率放大，又設(shè)有減壓閥5，即在內(nèi)部加有定值 器，其好處不僅工作穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，故障率降低，又進(jìn)一步提高了其控制精度。本發(fā)明采用壓電閥，不用節(jié)流孔、噴嘴、擋板類(lèi)元件，使其故障率大為降低。市場(chǎng)上
5銷(xiāo)售的PIEZ0壓電閥有兩種一種為比例式壓電閥、另一種是開(kāi)關(guān)式壓電閥。比例式壓電閥的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，使用壽命長(zhǎng)，本發(fā)明采用此種壓 電閥，控制差動(dòng)薄膜氣缸上腔的壓力。市售SIEMENS公司智能電氣閥門(mén)定位器利用開(kāi)關(guān)式壓電閥，而且是采用兩只壓電 閥，每只壓電閥控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)閥，一個(gè)開(kāi)關(guān)閥控制驅(qū)動(dòng)氣缸一端進(jìn)氣，另一個(gè)開(kāi)關(guān)閥控制驅(qū) 動(dòng)氣缸的另一端排氣，其作用是一只壓電閥控制輸出旋轉(zhuǎn)軸正向旋轉(zhuǎn)，而另一只壓電閥控 制輸出旋轉(zhuǎn)軸的反向旋轉(zhuǎn)，共用四個(gè)開(kāi)關(guān)閥，兩只壓電閥交替工作，SIEMENS公司產(chǎn)品采用 單閉環(huán)控制系統(tǒng)，其功率放大部分由上述四個(gè)開(kāi)關(guān)閥完成。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其 等效物界定。
權(quán)利要求
一種智能電氣閥門(mén)定位器，包括殼體(1)，所述殼體(1)上設(shè)有隔爆腔(2)，電纜接頭(3)，精密過(guò)濾器(4)，減壓閥(5)，普通腔(6)，伺服閥(7)，Pb輸出接口(8)，Ps氣源接口(9)，Pa輸出接口(10)，主彈板(11)，差動(dòng)薄膜氣缸(12)，壓差傳感器(13)，CPU及線路板(14)，液晶顯示器(15)，操作鍵(16)，位移傳感器(18)，其特征在于所述壓差傳感器(13)，CPU及線路板(14)，液晶顯示器(15)，操作鍵(16)，壓電陶瓷閥(17)，位移傳感器(18)安裝在隔爆腔(2)內(nèi)，所述減壓閥(5)，伺服閥(7)，主彈板(11)，差動(dòng)薄膜氣缸(12)安裝在普通腔(6)中。
2.一種智能電氣閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括雙閉環(huán)回路控制系統(tǒng)，所述雙 閉環(huán)回路控制系統(tǒng)包括外閉環(huán)控制回路和內(nèi)閉環(huán)控制回路，其特征在于所述內(nèi)閉環(huán)控制 回路包括P麗脈寬調(diào)制輸出的整形模塊，電壓放大模塊，壓電陶瓷閥(17)，差動(dòng)薄膜氣缸 (12)，壓差傳感器(13)，比較器，從所述比較器輸出的偏差信號(hào)依次經(jīng)過(guò)電壓放大模塊放大 后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷閥(17)、壓電陶瓷閥(17)則按驅(qū)動(dòng)電壓的高低控制差動(dòng)薄膜氣缸上腔的 壓力Pp所述壓差傳感器檢測(cè)差動(dòng)薄膜氣缸(12)上下腔的壓力差信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換 送入比較器；所述外閉環(huán)控制回路包括位移傳感器，驅(qū)動(dòng)氣缸，伺服閥，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，第二 比較器，由位移傳感器測(cè)得的驅(qū)動(dòng)氣缸輸出軸位置信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后與控制指令信號(hào)相 比較，得到的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制算法輸入到內(nèi)閉環(huán)控制回路，經(jīng)過(guò)內(nèi)閉環(huán)控制回路響應(yīng)后 再經(jīng)過(guò)主彈簧板輸出到伺服閥控制驅(qū)動(dòng)氣缸工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電氣閥門(mén)定位器，其特征在于所述隔爆腔⑵和普通 腔(6)通過(guò)阻火器隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電氣閥門(mén)定位器，其特征在于所述CPU及電路板(14) 分別接收位移傳感器(18)，指令信號(hào)，壓差傳感器(13)信號(hào)進(jìn)行比較和控制算法處理，并 與液晶顯示器(15)和鍵盤(pán)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的智能電氣閥門(mén)定位器，其特征在于所述主彈板(11) 的一端鉸接在殼體(1)上，另一端與伺服閥閥芯(19)活動(dòng)連接，所述差動(dòng)薄膜氣缸(12)的 驅(qū)動(dòng)桿與所述主彈板(11)的中部活動(dòng)連接，通過(guò)所述差動(dòng)薄膜氣缸(12)的驅(qū)動(dòng)桿的移動(dòng) 使伺服閥閥芯(19)移動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能電氣閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)，其特征在于所述壓電陶瓷 閥(17)采用比例式壓電陶瓷閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電氣閥門(mén)定位器，其特征在于所述位移傳感器(18)為 角位移傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能電氣閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)，其特征在于所述位移傳感 器(18)為角位移傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能電氣閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)，其特征在于所述內(nèi)閉環(huán)回 路采用了壓差傳感器測(cè)量伺服閥閥芯位移。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種智能電氣閥門(mén)定位器及控制系統(tǒng)，包括外、內(nèi)閉環(huán)控制回路，內(nèi)閉環(huán)控制回路包括PWM脈寬調(diào)制輸出的整形模塊，電壓放大模塊，壓電陶瓷閥，差動(dòng)薄膜氣缸，比較器等，從比較器輸出的偏差信號(hào)依次經(jīng)過(guò)電壓放大模塊放大后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷閥、壓電閥則按驅(qū)動(dòng)電壓的高低控制差動(dòng)薄膜氣缸上腔的壓力P1，壓差傳感器檢測(cè)差動(dòng)薄膜氣缸上下腔的壓力差信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換送入比較器；外閉環(huán)控制回路包括位移傳感器，驅(qū)動(dòng)氣缸，伺服閥，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換等，由位移傳感器測(cè)得的驅(qū)動(dòng)氣缸輸出軸位置信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后與控制指令信號(hào)相比較，得到的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制算法輸入到內(nèi)閉環(huán)控制回路，經(jīng)過(guò)內(nèi)閉環(huán)控制回路響應(yīng)后再經(jīng)過(guò)主彈板輸出到伺服閥控制驅(qū)動(dòng)氣缸工作。
文檔編號(hào)F16K37/00GK101858457SQ20101013280
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者潘琳琳, 潘輝義 申請(qǐng)人:潘輝義;潘琳琳