智能电动阀控制器的硬件设计.docx

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智能电动阀控制器的硬件设计

石家庄铁道学院四方学院毕业设计

2012届电气工程系

专业

学号

学生姓名

指导教师陈东阳

完成日期2012年5月15日

学生姓名

学号

班级

专业

自动化

毕业设计题目

智能电动阀控制器的硬件设计

指导教师姓名

陈东阳

指导教师职称

教授

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计成绩单

毕业设计任务书

题目

智能电动阀控制器硬件设计

学生姓名

学号

班级

专业

自动化

承担指导任务单位

电气工程系

导师姓名

陈东阳

导师职称

教授

一、项目简介

电动比例调节阀在控制形式上，是通过阀门开启角度大小来实现控制开度和截面面积，从而控制液体或者水流的流量的设备。

控制过程是在电机转动过程中，通过线性电位器的电阻值的变化，阀门的开度以电压的形式，反馈给控制单元，控制单元根据控制信号和电动调阀的反馈电压值进行比对和判断，使阀门到达目标位置即刻停止动作的原理。

电动比例调节阀由电动控制系统和阀体共同构成一个总成执行单元。

其中控制系统的动力电源一般常用的为：

AC220V或者AC380V，本设计的电源为AC24V。

控制信号最常用的就是4~20mA，同时也有0-10V等弱点信号制式。

控制系统驱动电机，再由电机驱动变速齿轮和蜗杆带动阀门开关，实现阀门的控制调节功能。

电动比例调节阀适用于各种工业自动化过程控制计算机控制系统（DCS）与系统和测量仪表共同构成流量，温度，压力等工艺参数的调节自控设备。

主要应用于：

工业自动化生产过程控制领域。

例如：

石油化工炼油，管道原油输送；发电厂汽轮机组冷却，润滑油供给，燃烧风量调节；环保污水处理中的液体输送切断，开关，流量调节等各种工业自控过程控制。

二、项目要求

本项目要求设计一个电动比例调节阀的控制器，根据控制信号的大小来控制阀门的开、关、停等动作。

设计要求：

系统供电：

交流24V

阀门调节部分电机供电为交流24V，电机功率10W。

阀门控制器的控制信号为电压控制，范围为0V—10V。

控制器能够在0V控制阀门关闭，10V控制阀门完全开启和10V控制阀门关闭，0V控制阀门完全开启两种状态之间切换。

阀门的开度和控制信号的大小成比例关系，比如：

控制信号0V时阀门关闭，控制信号1V时阀门开启10%，控制信号2V时阀门开启20%。

阀门根据控制信号开关到位后，要反馈现在开关程度。

两个按键（阀门校准键，0V10V开关控制切换键），四个指示灯（开关指示，故障，校准）。

单片机电路和交流控制部分要隔离。

要有电机保护，当电机卡死或者旋转到最大和最小时停止电机的转动。

三、项目结构框图

整体可分为四部分，单片机部分，控制与反馈部分，电机部分，电源部分。

单片机部分，采集外界输入电压控制信号，去控制阀门开关，并向外界输出电压信号表示阀门开关比例程度。

控制与反馈部分，根据单片机信号控制电机正反转，并将表示阀门开关比例信号送回单片机处理。

电机，电容分相异步交流电机。

电源部分，一是整流降压稳压供单片机和其他元件使用二是直接给电机供电。

四、参考资料及相关知识。

电动比例调节阀的原理

电容分相式单相异步电机的原理以及实现正反转的方法

交直流转换、直流稳压电源设计

单片机片机及其外围电路的设计，AD，PWM的使用。

资料下载网站WWW.STCMCU.COM，

运放知识，跟随器，放大器。

五、进度计划

第1周—第2周开题报告

第3周—第4周资料收集，方案设计

第5周—第7周系统设计

第8周中期检查

第9周—第12周系统调试和论文撰写

第13周—第十14周论文审核

第15周—第16周答辩

教研室主任签字

时间

年月日

毕业设计开题报告

题目

智能电动阀控制器硬件设计

学生姓名

学号

班级

专业

一、本课题的研究背景

阀门在各个领域上都有相当广的应用。

油气工业现在是且将来也会继续是最大的买主，其次是炼油厂、电力和化工业。

城市污水处理厂排第五位，其后是纸浆和造纸业、和城市供水。

一直以来在其它几个行业也应用甚广。

它们是食品业、钢铁业以及制药业。

剩下的一些行业有：

金属、采矿和半导体业。

在阀门的各种类型中，自动调节控制阀所占比例最大，将占市场总份额的20%以上。

随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，要实现管网系统的工业自动化管理，离不开自动阀门这个管网系统中的执行机构。

阀门的应用相当广泛，当然由于社会的发展需要，就必需要求有自动控制阀门的机构，也就是电动执行器。

由于阀门的应用非常广，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，本设计能够在较安全的情况下工作，而且效率提高了几倍，故设计阀门电动执行器具有实际的意义。

电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置，有体积小、接线方便、精度高、操作简单、智能化的优点,是一种经济实用的产品,具有广阔的市场开发前景。

其能源取用方便、安装调试简单，在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。

二、国内外研究现状

我国的自动化仪表与国外的差距较大。

国内仪表行业的主要执行机构产品是DDZ一工I，DDZ一工II和DDZ一型，产品大量采用分立元件，只能接受输入模拟信号，伺服电机的制动器使用寿命短，可靠性低，使用维修困难。

虽然国内各主要生产厂家投入人力对电动执行机构进行了一些改进和开发，但总是不尽理想，八十年代以来，行业中的几个骨干企业相继引进国外技术，如法国Banard，德国SIEMENS、日本工装、英国ROTORK以及ABB公司RS/RHA等电动执行机构。

通过引进技术、消化吸收，这些产品已成为国内系统配套的主要产品。

但是，这些产品都属于模拟仪表，不具有智能功能，只是在组合化多功能化和集成化方面有所进步。

近年来，我国电动阀门研制行业坚持技术进步，加快新产品开发，涌现出一批各具特色的高新技术产品。

如北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀（拥有专利）、宁波华液公司的电液比例压力流量阀（已申请专利），均为机电一体化的高新技术产品，并己投入批量生产，取得了较好的经济效益。

目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是:

主要技术指标正在向国际90年代初水平看齐，工作死区小于0.8级，回差和基本误差都小于1级。

使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能。

但是，目前国产的执行机构，只能满足一般的冶金、化工、电站等成套工程40%左右的配套，不具备为500万吨炼油、1200立方米高炉、30MW发电机组等大型成套工程的配套能力。

更不能满足当今现场总线及开放式控制系统的要求。

然而，已取得的成果和经验为我们进一步开发基于现场总线的智能执行器提供了一定的基础。

三、研究内容和预期结果

本设计的主要内容如下：

1、系统供电电源设计

2、单片机接口电路设计

3、电机控制电路设计

4、阀门开度显示和电压控制电路设计

本设计预期达到的结果如下：

用开环系统中的阀门的开关闭合的控制实现阀门程控、自控和遥控不可缺少的驱动设备，其运动过程可由行程、转矩或轴向推力的大小来控制。

通常电动执行机构和阀门连接起来，经过安装调试后成为电动阀。

电动阀使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。

从而达到对管道介质的开关或是调节目的。

配合相应的软件来实现阀门根据控制信号来控制和反馈现在开关程度。

指导教师签字

时间

年月日

摘要

由于电动比例调节阀门的应用非常广，是可以自动调节控制管道量度的装置，适用供热、通风和空调系统中对次序、热水的连续调节控制。

如：

空调通风设备的水流量控制，供暖设备的水流量控制。

手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，故设计阀门电动执行器具有实际的意义。

此次设计完成了电动比例调节阀控制器硬件。

主要通过阀门线性电阻的电压反馈信号和控制电压信号的比对，来调节电动机的正反转，由电动机的正反转来带动阀杆控制阀门开度。

这次设计配合相应的软件设计，共同完成了根据控制信号大小来控制阀门的开、关、停等动作以及阀门开度显示，使阀门的开度和控制信号的大小成比例关系，比如：

控制信号0V时阀门关闭，控制信号1V时阀门开启10%，控制信号2V时阀门开启20%。

关键词：

STC12C5204AD电动比例调节阀电动机

Abstract

Becausetheapplicationofelectricvalvestoregulatetheproportionisverywide,iscanautomaticallyadjustthecontrolpipemeasuredevice,itissuitableforheating,ventilationandairconditioningsysteminorder,hotwatertothecontinuousadjustingcontrol.Suchas:

airconditioningventilationequipmentofwatercontrol,centralheatingwatercontrol.Manualmechanicaladjustmentwayonmanyoccasionsalreadynolongerapply,thedesigningvalveelectricimplementinginstrumentshavearealsignificance.

Thisdesigncompletedtheelectricproportionregulatorcontrollerhardware.Mainlythroughthevalvelinearresistorsvoltagefeedbacksignalandthecontrolvoltagesignalcontrast,toadjustthemotorandreversing,theFanZhuanLaiisdrivenbymotorcontrolvalvestemtheopening.

Thedesignofthesoftwarewiththecorrespondingdesign,commonfinishedaccordingtothecontrolsignalsizetocontrolvalveopenandclose,stopsuchactionandvalvesthatopening,thevalveopeningandthecontrolsignalproportionaltothesizeoftherelationship,suchas:

thecontrolsignalwhen0Vvalveclosed,thecontrolsignalwhenthevalveopens1V10%,thecontrolsignal2Vwhenthevalveopens20%.

Keywords：

STC12C5204ADElectricproportionregulatorMotor

第1章绪论

1.1　课题的选题背景和研究意义

电动比例调节阀门在各个领域上都有相当广的应用。

像是发电厂汽轮机组冷却，润滑油供给，石油化工炼油，管道原油输送；燃烧风量调节；环保污水处理；空调、制冷、采暖以及其它楼宇自动控制系统中，可精确调节系统中的介质流量。

油气工业现在是且将来也会继续是最大的买主，其次是炼油厂、电力和化工业。

城市污水处理厂排第五位，其后是纸浆和造纸业、和城市供水。

一直以来在其它几个行业也应用甚广。

它们是食品业、钢铁业以及制药业。

剩下的一些行业有：

金属、采矿和半导体业。

在阀门的各种类型中，电动阀所占比例最大，将占市场总份额的20%以上。

随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，要实现管网系统的工业自动化管理，离不开电动阀门这个管网系统中的执行机构。

电动阀门控制器又称电动执行器，是电动阀门必不可少的一部分，在流体控制行业阀门电动执行器有着重要的作用,电动阀门控制器是现代工业自动化重要的部分。

专业术语称之为电动执行机构,在工业管道阀门行业称之为阀门电动装置，在仪表行业称之为电动执行器，但现在业内已没有很明确的区分,统一称之为电动执行器。

电动比例调节阀门的应用相当广泛，当然由于社会的发展需要，就必需要求有自动控制阀门的机构，也就是电动阀门控制器。

由于电动阀门的应用非常广，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，本设计能够在较安全的情况下工作，而且效率提高了几倍，故设计电动阀门控制器具有实际的意义。

电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置，有体积小、接线方便、精度高、操作简单、智能化的优点,是一种经济实用的产品,具有广阔的市场开发前景。

其能源取用方便、安装调试简单，在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。

1.2　国内外研究概况

我国的自动化仪表与国外的差距较大。

国内仪表行业的主要执行机构产品是DDZ一工I，DDZ一工II和DDZ一型，产品大量采用分立元件，只能接受输入模拟信号，伺服电机的制动器使用寿命短，可靠性低，使用维修困难。

虽然国内各主要生产厂家投入人力对电动执行机构进行了一些改进和开发，但总是不尽理想，八十年代以来，行业中的几个骨干企业相继引进国外技术，如法国Banard，德国SIEMENS、日本工装、英国ROTORK以及ABB公司RS/RHA等电动执行机构。

通过引进技术、消化吸收，这些产品已成为国内系统配套的主要产品。

但是，这些产品都属于模拟仪表，不具有智能功能，只是在组合化多功能化和集成化方面有所进步。

近年来，我国电动比例调节阀门研制行业坚持技术进步，加快新产品开发，涌现出一批各具特色的高新技术产品。

如北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀（拥有专利）、宁波华液公司的电液比例压力流量阀（已申请专利），均为机电一体化的高新技术产品，并己投入批量生产，取得了较好的经济效益。

目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是:

主要技术指标正在向国际90年代初水平看齐，工作死区小于0.8级，回差和基本误差都小于1级。

使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能。

但是，目前国产的电动控制机构，只能满足一般的冶金、化工、电站等成套工程40%左右的配套，不具备为500万吨炼油、1200立方米高炉、30MW发电机组等大型成套工程的配套能力。

更不能满足当今现场总线及开放式控制系统的要求。

然而，已取得的成果和经验为我们进一步开发基于现场总线的智能执行器提供了一定的基础。

1.3　本论文主要研究的内容

1.3.1　主要内容

智能电动阀控制器的硬件设计是从电机、电源、单片机、电压的控制和反馈等几个方面完成的。

通过对电源部分的设计完成对整个控制系统的供电任务，对电机控制电路的设计来达到阀门开度的控制，对电压控制和反馈以及单片机接口电路的设计来完成主要的控制任务。

1.3.2　基本要求

本项目要求设计一个电动比例调节阀的控制器，根据控制信号的大小来控制阀门的开、关、停等动作。

基本要求：

系统供电：

交流24V阀门调节部分电机供电为交流24V，电机功率10W。

阀门控制器的控制信号为电压控制，范围为0V—10V。

控制器能够在0V控制阀门关闭，10V控制阀门完全开启和10V控制阀门关闭，0V控制阀门完全开启两种状态之间切换。

阀门的开度和控制信号的大小成比例关系，比如：

控制信号0V时阀门关闭，控制信号1V时阀门开启10%，控制信号2V时阀门开启20%。

阀门根据控制信号开关到位后，要反馈现在开关程度。

两个按键（阀门校准键，0V10V开关控制切换键），四个指示灯（开关指示，故障，校准）。

单片机电路和交流控制部分要隔离。

要有电机保护，当电机卡死或者旋转到最大和最小时停止电机的转动。

第2章　智能电动阀门控制器的原理和设计思路

2.1　智能电动阀门控制器的原理

2.1.1　阀门的简介

阀门按照驱动方式分可分为自动阀、动力驱动阀和手动阀，而我所用到的阀门VA3200电动比例调节阀是借助电力驱动的阀门，属于动力驱动阀门的一种。

电动比例调节阀是自动调节控制管道量度的装置，适用供热、通风和空调系统中对次序、热水的连续调节控制。

如：

空调通风设备的水路控制，供暖设备的水路控制。

电动比例调节阀从外表上看由阀体、阀盖、阀座、阀瓣及阀杆等零件组成，从结构上由阀门和执行器两部分组成。

电动阀门内部主要的控制阀杆的部分是由电机来完成的。

我所选用的VA3200型电动阀门的内部电机为24V交流电动机，由电动机带动阀杆，在执行器的作用下，阀杆带动阀瓣做上升或下降运动，改变阀瓣与阀座间的流通面积，以便调节并控制介质的流量。

2.1.2　电动阀门的控制原理

电动阀门主要有阀门和执行器两部分组成，阀门的开度大小由执行器来控制，我所设计的是一个电动比例调节阀控制器，根据控制信号的大小来控制阀门的开、关、停等动作。

电动比例调节阀在控制形式上，是通过阀门开启角度大小来实现控制开度和截面面积，从而控制液体或者水流的流量的设备。

控制过程是在电机转动过程中，通过线性电位器的电阻值的变化，阀门的开度以电压的形式，反馈给控制单元，控制单元根据控制信号和电动调节阀的反馈电压值进行比对和判断，使阀门到达目标位置即刻停止动作的原理。

2.2　智能电动阀门控制器的设计思路

智能电动阀门控制器的框图如图2-1。

智能电动阀门控制器是能够自动的控制阀门电机的正反转以及通过阀门上的电阻值的变换，阀门的开度以电压的形式反馈给控制单元从而达到控制阀门开度。

整体可分为四部分系统电源AC24V部分，电机控制电路部分，阀门开度指示和电压信号反

图2-1智能电动阀门控制器的框图设计

馈电路部分，单片机部分。

电机控制电路部分：

单相异步交流电机。

阀门开度指示和电压信号反馈电路部分：

根据控制信号和线性电阻的反馈信号控制电机正反转，并将表示阀门开关比例信号送回单片机处理。

电源部分模块：

一是整流降压稳压供单片机和其他元件使用二是直接给电机供电。

单片机部分：

采集外界输入电压控制信号，去控制阀门开关，并向外界输出电压信号表示阀门开关比例程度。

电动比例调节阀由电动控制系统和阀体共同构成一个总成执行单元。

其中控制系统的动力电源一般常用的为：

AC220V或者AC380V，本设计的电源为AC24V。

控制信号最常用的就是4~20mA，同时也有0-10V等弱点信号制式。

控制系统驱动电机，再由电机驱动变速齿轮和蜗杆带动阀门开关，实现阀门的控制调节功能。

也就是电源设计由AC24V变成DC5v供电电源，然后外加0-10V控制电压控制单片机控制阀门动作达到需要的控制程度。

第3章　智能电动阀门控制器的具体设计方案

3.1　电机部分控制电路设计

3.1.1　单向异步电动机的工作原理

由于我们的阀门需要开关和调整开度大小，所以也就涉及到阀门里边的AC24V单向交流异步电动机。

单相异步电动机的运行原理和普通三相异步电动机基本相同，但有其自身的特点。

单相异步电动机通常在定子上有两相绕组，转子是普通鼠笼型的。

两相绕组在定子上的分布以及供电情况的不同，可以产生不同的起动特性和运行特性。

单相异步电动机定子两相绕组是主绕组m及副绕组a，它们一般是相差90空间电角度的两个分布绕组，通电时主绕组及副绕组都要产生空间分布的磁动势。

在定字绕组中通入单向相交流电，使定子铁芯产生旋转磁场，而转子切割磁力线产生的感应电流与旋转磁场相互作用，使单相异步电机转动起来。

单相异步电机只有主副两组绕组。

副绕组用来使转子启动称为启动绕组，主绕组使转子持续运转。

称为运转绕组。

当电机的主绕组超前副绕组90度时候电机正转，当电机主绕组滞后副绕组90度时候电机反转。

3.1.2　单向异步电动机的启动方式

单相异步电动机的主要优点是使用单相交流电源，但是单相异步电动机起动时又要求在两相绕组中通入相位不同的两相电流。

如何把定子绕组中的电流相位分开即“分相”是单相异步电动机必须解决的首要问题。

根据分相方法的不同就有不同类型的单相异步电动机。

（1）电阻分相起动异步电动机

电阻分相起动异步电动机的副绕组通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上，如图3-1所示。

为使定子两相绕组中电流存在相位差，在设计上使两相绕组的阻抗不等，接在同一电源上可导致副绕组中电流的相位超前主绕组中电流的相位，达到分相的目的。

这种异步电动机由于受到绕组的制约两相绕组中电流的相位差不大，因而起动转矩不大。

（2）电容分相起动异步电动机

电容分相起动异步电动机是在副绕组中串联电容再通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上。

由于电容的作用副绕组回路的阻抗呈容性，而主绕组回路的阻抗呈感性，从而导致两相绕组中电流的相位差较大。

因此电容分相起动异步电动机具有较大的起动转矩。

电容分相起动异步电动机改变转子旋转方向的方法与电阻分相起动异步电动机的一样。

图3-1　电阻分相启动

在此次设计中我用的是电容分相起动异步电动机电容启动的原理（启动电容也叫裂相电容），目的是让两个绕组的电流有相位差。

我们之所以单相电机要加电容启动是因为绕组启动的绕组会很多，电机设计也复杂，成本高。

但是为了更好了利用单片机起到控制电机正反转，我们用到了MOC3021光电耦合器和BT136双向可控硅。

图3-2MOC3021管脚图

1、MOC3021

（1）反向耐压值：

Vr:

3V正向导通最大连续电流：

If=60mA导通正向压降：

max1.5Typ:

1.15

（2）导通压降：

10最大反向耐压值：

max3Typ1.8最大工作电流：

100nA

如图3-2所示的MOC3021的简单应用电路：

MOC内部由发光二极管和双向触发管组成。

低压侧由5V直流电源供电，使发光二极管持续发光，相当于双向触发管的触发端；两个反向发光二极管分别工作在正弦波的正负周期，同时避免单个二极管反向电压过大。

从而达到使用的作用。

2、BT136双向可控硅，三个管脚T1、T2为阳极，T3为控制级G当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。

此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。

因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。

此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。

这个电流又流回到BG2的基极，表示正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。

1）断态峰值电压：

600V,

断态峰值电流：

10uA

通态峰值电压：

1.7V

通态平均电流：

4A

2）控制极触发电流：

6mA/15mA

控制极触发电流：

1.5V/1.8V

3）导通维持电流：

15mA

BT136双向可控硅的简单应用原理：

当g两端的电压达到双向触发管的导通电压时，双向触