阀门执行机构开闭环控制反馈板设计

 贺倩

摘要：阀门执行机构广泛应用于长输油气管道自动化控制终端，开闭环控制反馈板利用N阶多环反馈技术实现开闭环信号控制和利用FPGA的强大功能，多通道输出控制信号。当前，进口开闭环控制反馈板受限于市场因素，出现缺少备件。因此，国产化替换研究显得十分必要，本文研究提出一种经过验证可行的阀门执行机构开闭环控制反馈板。

关键词：执行机构 控制信号 国产化 反馈板

1 引言

长输管道行业的执行机构，以进口伯纳德、利米托克、罗托克系列执行器控制系统为主，标准面积反馈板可连续输出4-20mA比例信号。本文提出一种执行机构阀门开闭环控制反馈板的设计思路。

2 设计方案

实现执行机构阀门开闭环控制反馈，提出手工制作N阶多环反馈、贴片机制作N阶多环反馈和贴片机制做FPGA多通道三种方案。

	方案一：	方案二：	方案三：
备选方案	方案一、手工制作N阶多环反馈	方案二、贴片机制作N阶多环反馈	方案三、贴片机制做FPGA多通道
方案描述	手工制作反馈板→N阶多环控制→完成执行器阀门开闭环控制功能。	制作反馈板→N阶多环控制→完成执行器阀门开闭环控制功能。	制作反馈板→FPGA多通道控制→完成执行器阀门开闭环控制功能。
方案可满足需求	满足伯纳德执行机构内部空间安装尺寸； 实现执行机构开闭环控制功能；	满足伯纳德执行机构内部空间安装尺寸； 实现执行机构开闭环控制功能；	满足伯纳德执行机构内部空间安装尺寸； 实现执行机构开闭环控制功能；
可行性分析	风险：制作安装风险可控	风险：制作安装风险可控	风险：制作安装风险可控
	经济性：总体费用约9万；	经济性：费用较高，预计12万。	经济性：成本较低，约8万元。
	难易度：组装控制模块，安装难度一般。	难易度：组装控制模块，安装难度一般。	难易度：组装控制模块，安装不存在难度。
	控制效果：性能一般。	控制效果：较慢的速度，较差。	控制效果：较快的速度，效果一般。
评估总结	评估结果：整体评估各项指标均可接受。性能一般，费用居中	评估结果：整体指标可接受，但速度是影响使用的关键。	评估结果：整体评估各项指标均可接受，且价格较低。
结论	不采用	不采用	采用

   通过对不同的方案进行可行性分析后，利用贴片机制做FPGA多通道方案具有安全可靠，性能居中，成本适中，认可度高的优势，为此本文确定此方案三为此次研究方案。

3 方案设计:根据选定的方案，将贴片机制做FPGA多通道细化分解，分别进行攻关。

3.1 总体方案：根据系统总体框图，制定本文的总体研制方案及细化分解树图如下：

3.2 实施方案过程

实施一：AD采样

考虑适用温度范围-30℃至60℃，成本低廉，易于采购以及参数达到mA级别等因素，本文采用AD7892芯片采样。

设计AD7892芯片采样电路、程序及采样波形仿真

仿真波形中看，信号存在毛刺，均为几纳秒，对整个系统的影响不大，不需要处理。

实施二：滤波部分,经过20HZ-1KHZ的带通滤波电路滤波。通滤波电路分成两个部分，高通部分和低通部分，此处需要两种电路组合使用。高通和低通滤波设计如下：

1、高通、低通及滤波器滤波器电路

2、推导滤波器传递函数及滤波效果验证

经过调试，小于于20HZ，和大于1KHZ的信号被滤除，措施成功。

实施三：控制部分，采用基于Flash的FPGA，设计如下：

1、配置引脚及配置器件

2、顶层设计测试参数。经过现场测试，数据如下，保证1%的输出电压误差，措施成功。

   

实施四：散热模块

1、程序流程及MAX+PlusⅡ程序

2、效果验证及检查：经过多次连续24小时测试，无死机现象，满足目标，措施成功。

日期	测试值	连续信号	目标值	是否达到预期
11月21日	4-20mA连续		4-20mA	是
11月23日	4-20mA连续		4-20mA	是
11月25日	4-20mA连续		4-20mA	是

对完成后的执行器阀门开闭环控制反馈板研制进行实体试验，可以有效的控制执行机构，数据如下表2所示，由数据可知本文设计达到了预期目标，可以替换进口执行器阀门开闭环控制反馈板达到目标值。

5 技术总结

本文完成的执行器阀门开闭环控制反馈板存在外部供电电源存在弱干扰的问题。为防止电源对电路的干扰，在电源的输入端电容滤掉电源中的高频和低频的干扰。选择灵敏度最高的第八种形式改进，消除负面影响。实现替换停产执行器阀门开闭环控制反馈板的目的。

      

参考文献

杨艺伟，闫学文等. 基于ARM的阀门电动执行机构的研究. 太原科技大学学报 2017

[2]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2001.

[3]张卫华.电动阀门智能测控系统的研制[J].青岛大学学报，2003

作者简介：贺倩，女，1987年生，国家管网集团西部管道公司自动化仪表工程师

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