毕业设计阀流量的智能控制2.docx

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毕业设计阀流量的智能控制2

阀流量的智能控制

1绪论

1.1流量控制阀的发展历史及我国现状

我国的流量控制阀生产行业起步较晚，国内70年代自行设计和生产的直通单座阀、直通双座阀、三通流量控制阀、高压流量控制阀、蝶阀、长行程执行机构和阀门定位器等传统产品直至90年代仍在生产和使用。

我国流量控制阀的飞跃是从80年代开始，流量控制阀在系列化、标准化等方面得到了进一步完善，缩小了与国外产品的差距，成为目前国内执行器行业流量控制阀的主流产品。

其技术水平为国际80年代末或90年代初的水平，依然落后于国际先进水平，现在已不能满足国内及国际市场的需求。

从技术上分析主要表现在以下几个方面：

1.1.1性能

直动阀分为单座阀和笼式双座阀，单座阀的密封性能较好，可达ANSI标准Ⅳ级，但是由于结构上的特点，其允许压差比较小，要满足允许压差，则其推力比较大，需要的执行机构（动力源）较大。

而笼式双座阀则相反，由于其结构上的原因，阀的密封性较差，一般为ANSI标准Ⅱ级，但由于压力平衡的结构，允许压差较大，因此所配的执行机构较小。

1.1.2结构

70年代以前，我国流量控制阀采用“统一设计产品”都是仿苏联的阀门结构型式，即四法兰型式。

这种型式的特点是采用上、下导向，由于导向坚固，其抗振动、耐压差性能较好，缺点是由于有下法兰，而增加了一个泄漏点，且结构复杂，从70年代以来西欧、日本、美国相继发展了三法兰的型式。

一个泄漏点，因此被广泛采用，以至成为阀门的主流，当今世界各大公司的阀门，基本采用此种型式，但由于少了一个导向，使得阀门的抗振动性能及允许压差性能受到影响，因此，双导向、四法兰型式的阀门仍然存在，只是数量较少。

1.1.3控制系统

流量控制阀与控制系统接口是通过电动执行机构和阀门定位器实现的，国内流量控制阀生产企业，主要还是以先前引进或仿制的电气阀门定位器为主，虽然国内的研究机构和生产企业，也在智能定位器和智能电动执行机构开发上下了很大功夫，产品也有推向市场，但目前智能型及总线定位器和电动执行机构仍然以进口产品为主。

1.1.4可靠性

国内流量控制阀产品不论内在质量还是外观质量，在可靠性方面考虑的比较少，外置式定位器和其他附件，可靠性差。

在产品性能可靠性设计上更是少有研究。

1.1.5专有技术

国外流量控制阀企业在特殊材料和特殊工艺手段上都有自己多年的积累，能够满足高温、高压差、抗；中刷、强耐磨、耐强腐蚀的极端工况条件，已形成他们专有技术，占据了高端市场。

而我们在这方面投入的技术攻关和研究经费远远不够，我们还处于拼价格的阶段。

1.2现代工业对流量控制阀的最新要求

先进的现代化工业是以生产自动化为标志的。

人们已经不再满足于传统的生产方式，开始用数字化、微机化等先进技术进行革新。

智能仪表的研制和使用更为工业自动化开创了美好的未来。

另外，随着现代化工业的大规模发展，对工业品的要求也越来越高，范围也越来越广。

作为工业自动化控制系统的手脚——流量控制阀也将面临新的课题有待创新、提高。

1.2.1高质量、高可靠性

在过程控制中，流量控制阀直接控制流体，它的质量好坏将会直接影响到整个系统，一旦发生故障，后果不堪设想。

在石油天然气工业中，从油田到炼油厂，各种生产装置都大规模地集中监测和控制，大部分操作条件都是在高温或高压中进行，介质都是易燃、易爆的油、气，因此流量控制阀的质量与可靠性被提到了首位。

在化学工业中，过程的多样性及工艺条件的变化，对温度、压力、流量、液位四大热工变量的控制中，都有很多特殊问题要求流量控制阀能够适应。

在电力工业中，发电厂要对锅炉进行控制，锅炉调节系统中保持水位的正常非常关键，避免流量控制阀的误开、误关、失灵等故障的发生是何等的重要。

1.2.2保护环境

随着工业的快速发展，环境污染也日趋严重，人们的健康及生态环境面临着极大的威胁，各个国家都在积极地制定相应的法律、法规以减少环境污染，并保护公众的健康和生态平衡，因此环保已成为企业产品设计所要考虑的关键问题之一。

流量控制阀对环境造成的危害主要表现为噪声和因外泄漏导致大气污染等，公众和社会对此都有强烈的要求，而作为流量控制阀制造厂就必须作出响应。

1.2.3节约能源

经济的高速增长必然引起能源的极大损耗，然而地球的资源是有限的。

原材料供不应求，石油、煤、水资源的消耗和短缺已成为目前及今后相当长的时期内所面临的问题。

因此用于流体控制的阀门，在其设计、使用过程中要与节能问题相联系。

这就要求，我们的流量控制阀不但要满足恶劣工况调节需求，更要求阀门在关闭的情况下泄漏率要控制在最低，甚至是不漏的。

1.2.4适用于新领域

随着新技术、新工艺的突破，传统的工业生产过程也将向着更深、更新的领域发展，如超超临界高温、高压差、低温、强烈摩擦、气蚀或固体颗粒冲刷磨损等，而与之相适应的流量控制阀则等待我们去研究、开发。

1.3流量控制阀的发展方向

1.3.1模块化设计

（1）定位器及电磁阀与执行机构配套设计，采用无管路连接，使调节阀具有更高的抗振性、坚固性及安装的多样性、灵活性，同时使得流量控制阀的安装空间大大缩小，附件安装简捷、迅速，应了现场对流量控制阀的极高要求；

（2）打破传统的设计模式，采用模块化设计，使得零件的通用性大大提高，产品更加多样化，功能更完善，效率更高，节约了制造成本、维修成本及原材料，缩短了产品的交货期。

采用这种最新结构模式可使流量控制阀的零件总数比传统的流量控制阀减少25％，成本降低20％，可组配的流量控制阀品种规格却增加了40％，对制造厂而言，工装模具的制造量少了近50％，半成品库和成品库的存量可大大减少，使采用零库存的管理模式成为可能。

同样的道理，对用户而言，也可大大减少备件库存量，例如：

正反作用流量控制阀可很方便地更换。

1.3.2智能化设计

流量控制阀不论是气动还是电动，都可以智能化。

流量控制阀通过阀门定位器和电动执行机构实现更多的就地数字控制和通信。

随着现场总线的开发与应用，数字式智能定位器及电机动执行机构也早已问世，未来流量控制阀还要向着无线通信的数字式智能化的方向发展。

1.3.3高可靠性

可靠性将作为第一设计要素，以使流量控制阀的早期故障率降得更低，并且将早期故障发生控制在装配调试期，确保流量控制阀在工作期间的故障率趋于零，运行更加可靠。

1.3.4符合最新的环保要求

（1）防止大气污染

流量控制阀的泄漏可分为内漏和外漏，内漏主要在阀座，外漏主要在填料，因此解决流量控制阀的泄漏问题也要从这两个方面人手。

①改变传统的螺纹压紧式结构，采用新型可双面使用的直压式阀座结构，这不仅便于维修、装配、延长使用寿命，更重要的是提高了阀座的密封性能，防止介质泄漏，同时保证密封元件不因过载而破坏；

②采用新型填料密封箱设计：

其一，采用特殊材料及特殊设计的Ⅴ型填料提高填料的密封性能；其二，增加微型密封圈及防尘圈防止密封元件的损坏，确保填料密封可靠；其三，改变填料函材质，延长填料函的使用寿命。

（2）防止噪声

在过程装置中，产生噪声的各种设备很多，其中流量控制阀是产生噪声的主要设备之一，因此流量控制阀噪音的治理就显得非常重要。

当前能降低噪声的流量控制阀种类很多，诸如多孔套筒式低噪声阀、多级套筒式低噪声阀、迷宫式阀等，也只能降低10—20dB，而在许多场合噪声仍然超过环保的要求。

因此开发出新型低噪音阀也是今后流量控制阀发展所要注重的一个方面。

另外，因为现场超声设备的使用，所以也有必要研究超声噪声对流量控制阀的影响。

1.3.5．提高效益

（1）提高的密封性能。

流量控制阀的泄漏不仅造成环境污染，而且造成能源的损耗。

另一方面，泄漏还会引起系统压力的下降造成动力损失。

传统的流量控制阀的泄漏等级一般单座阀为Ⅳ级，笼式双座阀为Ⅱ级，已远远不能满足使用要求，今后流量控制阀的泄漏等级将会提高到Ⅴ级甚至更高。

（2）减少定位器的耗气量。

目前，大部分定位器由于它采用的是喷嘴挡板原理，耗气量为连续排放，一般在300L／h，而且直接排入大气，浪费了大量的压缩空气及能源。

而另外一种全新的数字式智能定位器已经诞生，它采用的不是喷嘴挡板原理，而是硅微流量控制阀原理。

这种定位器的耗气是间断性的，只有在定位器动作时才向外排气，其余时间排气口处于关闭状态。

它的耗气量非常小，只有20L／h。

因此这种全新的数字式智能定位器必将受到客户的青睐，占据市场的主导地位。

（3）开发出具有喷气装置的多弹簧

气动执行机构，以保护执行机构内部不受环境腐蚀，这不仅可以延长执行机构的使用寿命，同时还可以双倍利用辅助能源。

其设计原理是将定位器所消耗的压缩空气直接排入到执行机构膜室腔，防止具有腐蚀性的大气吸入执行机构膜腔，从而保护执行机构内部不被腐蚀。

1.3.6特殊材质和特殊工艺处理手段

要想在高端阀门市场有所作为，就必须要研究出专门用于阀门行业的特殊专用材质，可能前期投入很高，但得到的回报也必然很高。

国内的市场，用户用20％的资金买了80％的国产阀门，而用80％的资金买了20％的进口阀门，由此可见，我们在特殊材质和特殊工艺处理手段上开展工作的必要性和紧迫性。

展望未来，我们要面临的问题会更多，社会将对提高生产力和改善工作条件提出更高的要求，环境保护及人类生活质量提高的呼声也将更高。

要解决这些问题，就要对旧的过程控制系统进行改造，或者创造出更新更先进的过程控制方法，而新的系统对流量控制阀的要求将会更高。

1.4研究内容

本设计主要完成主要集中在阀门流量的模块化和智能化设计。

主要完成以下几方面的设计：

流量控制球阀的设计和选用；

压差传感器的压力检测；

A/D转换器的数据采集；

单片机的数字处理；

单片机和计数器实现PWM信号的输出；

舵机的可控化转角带动球阀实现开度的控制；

角位移传感器实现阀体转动角度的反馈。

2阀流量的智能控制原理

2.1器件和原理

阀门的流量

为

式中

——流量系数;

——阀口的面积,mm2

——阀门前后的压力差，MPa.

本设计的目的是为了得到一定的流量，即当负载变化时流量保持不变。

那么就要调节压力和阀口面积，其中压力我们可以用压差传感器测得，然后根据公式调整阀口面积既可，即调节阀柄转角。

其具体流为程单片机接收A/D转化器转换的压差传感器传来的压力信号，经过计算，模拟出PWM信号，精确控制脉宽的变化，从而控制舵机的转角，带动球阀阀柄转动，实现流量的调节。

其流程图如图2-1。

图2-1流量阀智能控制流程图

本设计所需要的主要器件有舵机，89C51单片机，差压传感器，角位移传感器，A/D转化器，锁存器以及8253计数器。

表2-1主要器件和数量

名称

FUTABA-S3003舵机

89c51单片机

通用差压传感器（CYX-28系列）

Vert-X_13E_e角位移传感器

AD0809A/D转化器

8253计数器

数量

1

1

1

1

1

1

2.2压力与开度的数据处理

压力和开度的关系有实验推得。

实验实验系统由电磁流量计、电动球阀、标准容器、U形管差压计、计时器、流量标准装置组成。

实验温度t=18℃,阀门通径D=50×10-3m,实验介质的运动粘度v=1.0672×10-2cm2/s,管道压力P=0.35MPa。

其数据如表1-2、表1-3。

表2-2　Φ50mm阀门实验数据（开度由小到大）

阀门开度

k

流量

qv/m3·h-1

压差（阀前后）

Δp/kPa

30%

3.45

8.63

2.186

9.919

40%

3.55

17.65

22.62

0.48

9.066

15.065

50%

4.63

18.66

29.65

0.427

3.52

8.559

60%

4.63

18.59

30.25

0.107

1.12

2.986

70%

5.09

17.74

29.58

0.053

0.587

1.545

80%

5.1

17.78

29.75

0.027

0.32

0.853

90%

5.15

18.1

29.86

0.027

0.213

0.48

表2-3　Φ50mm阀门实验数据及分析（开度由小到大）

阀门开度

k

流量

qv/m3·h-1

压差（阀前后）

Δp/kPa

30%

5.1

0.027

18.35

0.213

40%

30.85

0.56

5.09

0.027

17.77

0.213

50%

30

0.533

5.64

0.053

18.29

0.267

60%

29.94

0.693

5.64

0.053

17.93

0.533

70%

30.3

1.573

5.29

0.16

18.25

1.387

80%

29.45

3.706

5.26

0.347

17.8

3.786

90%

29.8

10.586

5.65

1.573

17.86

15.039

由以上数据可得出：

阀的开度由小到大调节时,在各开度点,随压力从大到小变化时,各对应的压力值变化较大，说明这时阀的调节作用较明显,对流量的控制能力较强；阀的开度由大到小调节时,在各开度点,随压力从小到大变化时,各对应的压力值变化没有开度由小到大调节时的变化大，说明这种阀开度的调节法,对流量的控制能力较弱；在开度k=30%～60%时,压力从大到小变化时,各对应的压力值值变化较大,说明在这段中阀流量控制能力较强，而在开度k=70%～90%时,压力变化不大,说明在这段中阀流量控制能力较弱。

具体数据及其关系由另行论文得出，本文不对此部分研究。

2.3舵机的输出特点

2.3.1舵机的工作原理

舵机可以再微机电系统和航模系统中作为基本的输出执行机构。

其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。

单片机系统的舵机控制具备精确定位和工作可靠地特点。

舵机由一个小型的直流单机驱动。

电机随着极性的改变而变换旋转方向。

舵机的内部电路如图2-2所示。

图2-2舵机内部电路

舵机的工作原理是：

PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA66881的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。

该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。

该输出送人电机驱动集成电路BA6686，以驱动电机正反转。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器R旋转，直到电压差为O，电机停止转动。

舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。

2.3.2舵机的控制方法

标准的舵机有3条导线，分别是：

电源线、地线、控制线，如图2-3所示。

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源。

电压通常介于4～6V，一般取5V。

注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。

控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为18ms。

当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

舵机的极限转角变化和舵机的静止中立点所对应的控制信号脉冲图如图2-4所示。

图2-3舵机接线图

图2-4控制舵机的PWM信号

在图中，舵机处于3种极限位置时的脉宽信号如下。

舵机静止

控制信号的周期T2=18.00（ms），脉宽T1=1.5（ms）

舵机右极限位置

控制信号的周期T2=18.00（ms），脉宽T3=1.1（ms）

舵机左极限位置

控制信号的周期T2=18.00（ms），脉宽T4=1.9（ms）

2.4单片机系统中如何实现对舵机转角的控制

可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。

对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz（周期是20ms）的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。

5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。

  也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。

单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。

  单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：

首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生18ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。

  单片机模拟数字PWM信号的方法是脉冲计数，其原理是单片机指定计数器输出脉宽信号的脉宽和周期，信号的脉宽反映了舵机的转角变化所对应的控制指令。

其功能由单片机和计数器共同完成，如图2-5所示。

图2-5数字信号的数字处理方法原理

脉冲计数可以利用51单片机的内部计数器来实现，但是从软件系统的稳定性和程序结构的合理性看，宜使用外部的计数器，还可以提高CPU的工作效率。

实验后从精度上考虑，对于FUTABA系列的接收机，当采用1MHz的外部晶振时，其控制电压幅值的变化为0.6mV，而且不会出现误差积累，可以满足控制舵机的要求。

最后考虑数字系统的离散误差，经估算误差的范围在±0.3%内，所以采用单片机和8253、8254这样的计数器芯片的PWM信号产生电路是可靠的。

2.5单片机和计数器控制舵机的转角

如上文所述，单片机本身对信号的处理过程并不复杂，完成测控模块的关键在于使用合适的方法和合适的外围芯片处理和输出信号。

本设计采用单片机的外部计数芯片8253作为专用的计数器，单片机通过对外部计数芯片的操作，完成PWM信号的输出。

在输出控制指令时，由于使用了外部的计数器芯片，单片机只需要向8253芯片的寄存器中发送控制脉宽的计数器，计数器能自动的根据计数指调节电平的高低变化，从而模拟PWM信号输出。

单片机对8253芯片的操作过程如下：

利用外部的晶振电路产生一定频率的技术脉冲。

将该频率的计数脉冲作为外部计数器的计数脉冲，而将需要测量的脉宽信号作为外部芯片的门控信号，外部芯片在该门控周期内对计数脉冲进行计数。

计数脉冲的频率依靠外部的晶振频率，当然该晶振频率可以进行分频。

尽管外部晶振的频率越高越有助于提高脉宽计数的精度，但是最终输入到外部计数器的脉冲频率最好不要超过10MHz。

8253芯片的通道及控制字寄存器的状态与8253端口地址的对应关系如表2-4所示。

表2-48253芯片的通道及控制字寄存器的状态与8253端口地址的对应关系

A1

A0

寄存器

0

0

0＃通道

0

1

1＃通道

1

0

2＃通道

1

1

控制端口

2.6C51程序控制PWM信号的脉宽

单片机写入8253的控制字和读取8253寄存器中的计数值，都需要对8253的寄存器单元进行操作。

8253寄存器在单片机程序中的和单片机片外的存储器一样。

单片机对8253的操作主要是通过以下步骤完成的。

寄存器地址的定义

根据输入/输出的地址连接线，对8253的寄存器地址定义如下：

//定义8253的寄存器地址

//定义8253的控制字寄存器地址

#defineCOMIXBYTE[0x3100]

//定义8253的计数器0寄存器地址

#defineC0IXBYTE[0x0100]

控制字的写入

8253计数器的工作方式由编程设定，将控制字写入控制字寄存器，用以选择每个计数器的工作方式，控制字的格式如表2-5所示。

表2-5控制字的格式

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

SC1

SC0

RL1

RL0

M2

M1

MO

BCD

8253中写入控制字代码：

//向8253中的控制字寄存器中选择计数器0，并赋初值0

COMI=0x30;

C0I=0;C0I=0;

片外数据的读取

读取8253计数器中的计数值时，和读取片外存储器中的单元内容一样。

代码如下：

ucharl

COMI=0x30;

l=C0I;

3机械结构设计

球阀的基本参数，公称压力（PN）=1.63MPa,公称直径（DN）=50mm,工作温度为0-150℃，工作介质为油品。

球阀的整体结构和重要零件图。

3.1球阀装配图

图3-1球阀装配图

3.2阀体

图3-2阀体

3.3左阀体

图3-3左阀体

3.4右阀体

图3-4右阀体

3.5阀柄

图3-5阀柄

4电路设计

电路图部分主要有单片机、A/D转化器和8253计数器三部分组成。

图4-1电路图

5程序设计

5.1程序功能

本设计的程序主要包括三方面关键内容，一是A/D转换器数据的采集，而是数据的处理，三是PWM信号的模拟。

其中PWM信号的模拟还包括8253寄存器的地址定义，控制字的写入和数据读取三方面内容。

5.2A/D转换器数据采集部分

此部分用到的器件是ADC0809A/D转换器和74LS373锁存器，其功能是把压差传感器传来的电压信号转化成数字信号并存入数组ad中。

5.3数据处理部分工作原理

在这一部分把A/D转换器数据采集的数据进行处理，其原理是把数组ad中的值代入公式，经计算得出阀柄转动角度，数学处理换算成计数器的计数值。

5.4PWM信号模拟部分

此部分所用的主要器件就是8253芯片。

以下主要对程序中的函数和变量进行说明。

5.4.18253的片选信号

P2.2为单片机的片选信号，其输出对应的8253的片选地址如表5-1所示。

表5-18253的片选地址

P2.2

片选地址

器件

0

0xX200H

8253

5.4.28253的控制字的定义

P2.5、P2.6为单片机的地址线，分别连接8253的A0、A1。

8253的A0、A1是8253的寄存器地址。

单片机通过对8253的片选地址A0、A1的选择，确定对8253控制字的写入对寄存器计数值的读取，其寄存器地址如表5-2所示。

表5-2寄存器地址

P2.5

P2.6

地址

寄存器

1

1

0x3100H

控制字

0

0

0x0100H

计数器0

5.4.3变量和函数的定义

本程序中用到的变量及说明如表5-3所示。

表5-3变量及说明

变量

说明

COMI

定义8253的控制字寄存器地址

C0I

定义8253的计数器0寄存器地址

BUF810

定义8253的计数器0寄存器数据

Sendflag

发送信号的标志位

5.5程序流程图

5.5程序代码

//定义头文件和寄存器地址，以及全局变量

#include

#include

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

//定义通道和寄存器地址

#defineIN0XBYTE[0x7ff8]//设置AD0809的通道0地址

#defineCOMIXBYTE[0x3100]//定义8253的控制字寄存器地址

#defineC0IXBYTE[0x0100]//定义8253的计数器0寄存器地址

sbitad_busy=P3^3;//即EOC状态

sbit