基于信息技術的閥門智能控制系統的設計與研究

洪 衛，鐘家富，潘益茅，宋吉利，衛 鵬

(浙江中德自控科技股份有限公司，浙江 湖州 313100)

0 引言

工業的發展不斷智能化，閥門控制系統不再局限于機械式手動閥門，傳統的機械式手動閥門控制工作效率低，安全性能差，并且不能進行遠程操作，因此閥門智能控制系統逐漸取代機械式閥門控制系統。現有的閥門智能控制方式通過閥門開度控制策略、智能化以及總線化研究，在閥門智能控制中存在著轉速較慢、精確度不高等問題。

針對上述機械式閥門控制系統的缺陷，相關文獻對閥門智能控制系統也有相應的研究，文獻[1]提出了一種基于PLC PsoC的電動閥門智能控制系統，該系統可實現手動與自動切換，還具有故障判斷的能力，采用系統聯調，解決了調試中出現的問題，并且還具有較強的抗干擾性，但該系統不能進行遠程操作；文獻[2]研究了一種基于磁阻電機的閥門智能控制系統，該系統采用AVR單片機設計了硬件電路，并利用上位機通訊功能和遠程控制功能，實現了控制系統的數字化和智能化，但該系統上位機軟件設計不夠完善，缺乏對控制器和電機工作狀態的監督功能。

基于上述文獻中的問題，該研究提出了信息技術下閥門智能控制的研究，設計了基于信息技術的閥門智能控制系統，硬件包括CAN通信接口、單元控制器和閥門智能控制器節點3大部分，實現了智能閥門的數字控制和智能控制；軟件設計了閥門智能遠程控制系統，實現了遠程與現場自動切換與遠程控制的功能，最后利用自適應控制算法，實現閥門參數的自整定，在此基礎上依據系統的響應，進而實現閥門參數的自校正[3]。

1 基于信息技術的閥門智能控制系統的設計

信息技術應用于各行各業，在閥門智能控制系統中也占了重要的部分，因此該研究設計了基于信息技術的閥門智能控制系統，該系統以控制器為核心，將閥門的檢測、控制、執行、調節等組裝在一起的一體化結構[4]，系統通過反饋機制，通過對比控制信號和反饋信號，進而控制輸出軸、閥門智能控制，基于信息技術的閥門智能控制系統的工作原理如圖1所示。

圖1 基于信息技術的閥門智能控制系統的工作原理

該研究設計的閥門智能控制系統是將控制機體與執行機體組合在一體的，通過控制系統直接啟動遠程控制信號和直接控制電機，既可以實現遠程信號控制的自動操作，同時又可實現現場的控制操作，操作完成后將操作結果上傳至上位機，對操作結果進行判斷，并發送出反饋信號，使閥門的智能控制進行優化[5]。

1.1 硬件設計

閥門智能控制系統的硬件設計包括CAN通信接口、單元控制器和閥門智能控制器節點3大部分。采用微控制器技術，實現了閥門的數字控制和智能控制；利用CAN總線技術，構建兩級總線閥門智能控制系統，實現閥門的集中控制和遠程控制[6]，閥門智能控制系統的硬件設計結構如圖2所示。

圖2 閥門智能控制系統硬件結構圖

本系統采用的是CAN控制器和CAN收發器結合的通信接口，實現單元控制器和智能控制器節點之間的通信。該控制器使用的是SJA1000型號；CAN收發器使用的是PCA82C250型號，能夠快速接受和發送信號；微處理器采用的是AT89C52單片機[7]。該模塊中利用了光電隔離電路，有效地避免了總線的干擾引入系統。

單元控制器模塊利用兩個CPU架構，一級CPU含有兩個CAN接口，與通信系統相連接，分別與一級總線、二級總線相連接，兩個總線上的傳播速率能夠不一樣，在實際應用中根據總線中節點的分布距離進而選取合適的傳送速率，進行CPU顯示驅動和人機接口。

在閥門智能控制器節點的模塊中，通過使用單片機來控制單項異步電動機的正反轉，實現閥門的智能開關響應，在閥門處接入一個開度反饋，實現對閥門的開度準確控制，單片機也是經過CAN通信接口與總線進行通信。雙CPU結構也應用在智能控制節點上，主CPU可以實現閥門的控制和CAN通信的功能。采用看門狗X5045有效地避免了系統的卡頓現象，同時看門狗X5045可以將閥門的重要數據和運行信息保存起來，在系統需要這些信息時，由看門狗X5045傳出。該模塊還采用了模擬I2C總線接口，實現了系統硬件資源的擴展[8]。

此外，還對系統抗干擾進行了設計，采用了光電隔離的抗干擾措施，利用光電耦合器進行對系統消除脈沖和各種噪聲的干擾，使遠程把測控系統與現場只有信號的通信，從而提高輸入輸出通道上的信噪比。利用光電耦合器，使輸入與輸出之間的分布電容極小，并且絕緣電阻很大，因此在信號傳輸中一端的干擾不易傳輸至另一端，因此光電耦合器既能夠傳輸有效的信號，又能夠抑制干擾信號。

在系統硬件設計中，考慮到閥門智能控制在較大壓力下信號處理與傳輸的能力，在硬件系統中設計有大壓力信號處理與傳輸系統，采用壓力傳感器，在不同壓力下進行輸出不同的信號，該系統分為兩組信號，在大壓力環境下進行輸出1～5 V信號，通過對模擬量信號處理后，采用AI通道與信號采集模塊相連接，并將采集到的信號進行轉換，通過LCD顯示屏進行顯示，發生故障時，會有故障報警功能；另一路信號則是在正常環境下輸出4～20 mA信號，通過模擬量光端機將信號轉換為光信號，再由接收器將信號轉換為電流信號為裝置提供電流使用。

在信號處理與傳輸中采用的壓力傳感器為GDP 10型礦用壓力變速器，可承受0～6 MPa的壓力，該傳感器結構一體化，易于安裝，并且在易燃易爆的環境中可使用。由于在壓力環境下，避免信號的干擾采用了壓力信號隔離器，該壓力信號隔離器采用的是WS15242D型號，來實現壓力信號的隔離、轉換與分配。該模塊中設置有報警系統，當壓力傳感器發生斷線、斷路或壓力過高、過低時，模塊通過連接口發出報警信息，報警器采用KXH18(A)型聲光報警器，實現故障時報警的功能。

1.2 閥門智能遠程控制的軟件設計

基于上述閥門智能控制的硬件設計，為了更方便閥門的控制，該研究進行研究了閥門智能遠程控制的方法，設計了閥門智能遠程控制系統的軟件，軟件系統包括客戶監控端、網絡云服務端、無線通信模塊、局域網控制器和控制元件5大部分[9]。閥門智能遠程控制的軟件設計結構如圖3所示。

圖3 閥門智能遠程控制軟件結構圖

該系統在遠程控制方面利用了PLC中央處理器及遠程控制模塊的方式。遠程控制模塊通過對閥門運行狀態的采集，利用互聯網等無線遠程通信方式將狀態信號反饋給與互聯網相連的計算機監控端或手機監控端，進而實現閥門遠程運行信號的智能統計，同時向相應的報警功能發出響應，系統響應的做出動作，實現“無人值守”的智能控制[10]。

該系統在無線通信模塊中采用了電話卡、3G、4G網絡，或者與無線網絡直接相連和有限網絡免插卡式上網。并且該系統支持以太網TCP/IP協議、RS485和RS232與PLC通信，且與大部分的PLC通信模式相互兼容，因此該系統的閥門采用了PLC中央處理器通信網絡。遠程智能控制系統的主要配置如表1所示。

表1 遠程控制系統的主要配置

為了能夠很好地實現對閥門各元器件的智能控制以及相關數據的采集，該系統采用了PLC加裝模擬拓展模塊，使用DI/DO口與現場的閥門按鈕和電磁繼電器相連接實現閥門上的電磁鐵和電機的啟動與關閉控制，使用AI/AO口主要完成對傳感器中的數據采集，并通過RS485與現場控制閥門的觸摸屏相連接，進而實現閥門的現場手動智能控制。將遠程模塊與PLC的另一個RS485通信端口相連接，實現互聯網的通入，同時可以完成PLC中寄存器內數據的存儲及修改，進而實現互聯網終端智能手機或計算機對閥門的遠程智能控制[11]。

該系統的軟件程序采用的是PLC編程，主要控制遠程模塊與PLC建立聯系并實現數據采集，PLC編程主要分為遠程和現場，遠程主要由手機或計算機網頁經過互聯網控制，遠程進行控制時近地的按鈕將會不起作用。采用向遠程控制發出脈沖信號復位的操作，進而PLC不會轉換為近地控制。若遠程模塊在1 min內得不到信號響應時，將自動切換到近地的控制[12]。此外采用系統中的UPS緊急電源可進行對斷電設備持續供應短時電能，實現閥門的緊急關閉，并且在所有的遠程控制通信中都能夠實現緊急情況的監控。

該系統在遠程模塊的編程中，采用RS485的coml口與PLC之間建立通信通道，利用COM1端口選取S7-200 PII協議，設定相關的波特率、從機地址等遠程通信的有效參數，根據PLC的各變量寄存器地址值錄入到PLC中，實現遠程控制在網頁中的監控，建立相應的變量組與子變量組，達到有序分類的目的。為了能夠在網頁中分析遠程的各數字變量，在WEB端設置了按鈕操作，在對應功能開狀態時，設置顯示的綠色按鈕；在對應功能關狀態時，設置顯示的為紅色按鈕；并且在閥門自啟動按鈕、手動啟動按鈕和停止按鈕之間需要互鎖狀態，因此遠程模塊箱PLC發送定時脈沖，采用定時器和時間控制器實現遠程控制與近地控制的自動切換。

在軟件部分還設計有監控界面，手機監控界面中設置了設備狀態、遠程控制狀態、系統參數和模塊狀態。設備狀態包括故障狀態、按鈕狀態以及現場觸摸屏的狀態，實現方便觀察閥門智能控制出現故障的原因，以及各種按鈕在各種狀態下的運行狀況，利用手機APP或計算機網頁可對閥門智能控制系統的狀態進行監控，主要監控系統設備的運行參數、溫度承受壓力等信息，實現監控人員在線監視閥門智能控制的運行狀態和遠程預測系統的故障狀態，實現閥門智能系統的實時監控。

2 基于自適應控制算法的閥門參數控制

由于在閥門系統正運行的過程中，每個階段的狀態都有運行的動態特性，同時，閥門所控制的氣源和液源壓力具有不穩定性的特點，并且閥門具有非線性因素，因此該研究使用自適應控制算法，實現閥門參數的自整定，在此基礎上依據系統的響應[13]，進而實現閥門的自校正，自適應控制的工作原理如圖4所示。

圖4 自適應控制的工作原理

該研究采用的是PID技術進行實現閥門參數的自整定，利用插進積分計算的繼電方法，即閥門智能控制系統的輸入頻率、幅值已知的三角波信號，控制系統輸出、等幅振蕩的條件為：

(1)

通過式(1)可有效地控制系統輸出的信號與等幅振蕩。

ω90處頻率響應的幅值為：

(2)

式中，k90表示在ω90處的頻率響應幅值，通過該式子進一步對幅值的控制。

因此，可以計算出PID參數為：

(3)

式中，a表示振幅在測量輸出信號峰值取得，T表示周期在測量系統輸出兩次回到工作點的時間所得，d表示三角波峰值與半周期的比值，j表示常數，ω90表示90°時，頻率響應的幅值，對于閥門控制系統，相位裕度φm取30～50°，幅值裕度Am則取2～5。通過該式能夠實現對參數的初步自整定。

閥門智能控制系統在控制過程中，由于氣源壓力的不穩定性和非線性，要求閥門控制參數通過自整定參數初值，進行實時自校正。

將系統響應誤差分為兩個階段：

當智能閥門系統輸出的值在15%誤差以外時，采用Bang-bang控制，打開或關閉壓點比例閥，全速放氣或充氣進而提升閥門的定位響應速度[14]。

當智能閥門系統誤差在15%誤差范圍內，利用自適應PID控制方法，把誤差e和誤差變化率ec看做輸入，采用模糊規則對PID參數進行整理[15]。

系統通過12位A/D采樣將輸入和反饋變換為量化值0～(212-1)，故e的變化范圍在0～4 095，而ec在0～2 000，對e和ec量化值進行歸一化處理。

(4)

由控制經驗Δkp，Δki，Δkd的變化分別在(-0.4～+0.4)，(-0.8～+0.8)，(-0.25～+0.25)區間內，亦將其歸一化在區間(-5，5)內。

定義系統e′，ec′，Δkp，Δki，Δkd的變化范圍為模糊集的論域，則：

e′，ec′，Δkp，Δki，Δkd=

{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}

(5)

模糊子集為：

e′，ec′，Δkp，Δki，Δkd=

{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}

(6)

根據控制經驗建立Δkp，Δki，Δkd的模糊規則表[16]，定義e′，ec′，Δkp，Δki，Δkd，并服從正態分布，確定論域內各元素對模糊變量的隸屬度，建立模糊控制表。采用重心法去模糊化，得到PID參數的修改正確的值[17]，利用查詢表的方法在微控制器中完成智能閥門的參數控制，即：

(7)

式(7)中，將Δkp，Δki，Δkd的變化分別控制在(-0.4～+0.4)，(-0.8～+0.8)，(-0.25～+0.25)范圍內，則可實現智能閥門的參數控制，進而提高智能閥門的安全性能[18]。通過對Δkp，Δki，Δkd模糊指標的控制，進而實現閥門參數的智能控制，首先通過對相位與幅值的取值，采用PID控制參數初始化，利用式(7)檢測獲得相應曲線，得到閥門開度的局部放大，實現更好的抑制系統的超調能力，實現閥門參數的自整定與實時校正[19]。

3 實驗結果與分析

系統的實驗與調試是完成系統必不可少的一個步驟，該研究通過實驗進行對系統的調試，并驗證系統在實際應用中的可行性，實驗前首先對實驗做出準備，進行對實驗平臺的搭建，利用SiliconLaboratories IDE作為實驗的開發平臺，該開發平臺既能夠實現對硬件的仿真，又能實現對軟件程序的編程[20]。本次實驗的實驗環境參數如表2所示。

表2 實驗環境參數

實驗架構如圖5所示。

圖5 實驗架構示意圖

進行實驗時采用的實驗數據為某水電廠的智能閥門運行數據[21]，實驗數據如表3所示。

表3 實驗數據

基于實驗前的準備，接著進行對實驗的驗證，首先進行對閥門智能控制的誤差進行測試，測試結果與文獻[1]和文獻[2]的結果進行對比[22]，實驗結果對比如圖6所示。

圖6 實驗結果對比圖

由圖6可知，該研究的系統在進行閥門智能控制位置測量的誤差實驗中，在隨著采樣時間的不斷變化中，閥門位置誤差均低于10%，且較穩定，并且誤差最大為9%，智能閥門控制的定位精確度較高[23]；文獻[1]在進行對智能閥門控制位置定位中的測試實驗中，在隨著采樣時間不斷變化時，閥門位置的定位誤差也不斷變化，并且誤差的變化不穩定，最大誤差為35%，與該研究的系統相比存在著較大的差距；文獻[2]在進行對智能閥門控制位置定位中的測試實驗中，在隨著采樣時間不斷變化時，閥門位置的定位誤差也不斷變化，并且誤差的變化也不穩定，最大誤差為25%，與該研究的系統相比存在著很大的不足[24]；由此可見該研究的系統在智能閥門定位控制時精確度較高。

基于上述對智能閥門定位位置誤差的實驗上，對系統遠程控制的響應時間進行測試，實驗結果與文獻[1]和文獻[2]進行對比，實驗結果對比如圖7所示。

圖7 實驗結果對比

由圖7可知，該研究的系統在進行系統遠程控制的響應時間測試中，系統響應時間隨著迭代次數的增多響應時間逐漸上升，并且在迭代次數為900次時，系統響應時間為60 s[25]；文獻[1]在進行對智能閥門遠程控制響應時間測試中，在系統迭代次數為900次時，智能閥門遠程控制響應時間為140 s，與該研究的系統相比存在著較大的缺陷；文獻[2]在進行對智能閥門遠程控制響應時間測試中，在系統迭代次數為900次時，智能閥門遠程控制響應時間為125 s，與該研究的系統相比有一定的差距[26]；由此可見，該研究的系統對于遠程控制中響應速度較快，并且性能較好。

4 結束語

為了解決傳統機械式手動閥門工作效率低，安全性能差的問題，該研究對閥門智能控制進行了研究，設計了基于信息技術的閥門智能控制系統，采用微控制器技術，實現了智能閥門的數字控制和智能控制；利用CAN總線技術，構建兩級總線智能閥門控制系統，實現智能閥門的集中控制，利用軟件系統，進行設計了智能閥門的遠程控制，實現了智能閥門的遠程操作，最后利用自適應控制算法，實現閥門參數的自整定，在此基礎上依據系統的響應，進而實現閥門參數的自校正。

該研究的系統還存在著一定的不足，在進行遠程控制時，由于運行數據量較大，系統會出現發熱現象，因此在今后的研究中會做進一步的改進。