基于智能一體化控制的電動閥門裝置的研究

［摘 要］電動閥門是工業(yè)生產(chǎn)中的一類常用設備，是流體輸送系統(tǒng)中的重要控制部件，具有調(diào)節(jié)、截止、穩(wěn)壓等功能。近年來，隨著應用場景對高精度控制要求的日益提升，傳統(tǒng)的電動閥門難以應對現(xiàn)代工業(yè)化需求，迫切需要通過應用智能一體化技術，全面提升電動閥門的智能化水平。文章基于智能一體化控制技術，分別從基本結(jié)構和組成、主要特征、總體設計方案、軟硬件設計、抗干擾設計方面對智能一體化電動閥門裝置進行了分析與說明，實現(xiàn)了該電動閥門的控制過程計算機化、通訊功能數(shù)字化、監(jiān)測操作遠程化、故障維修透明化。

［關鍵詞］智能一體化；電動閥門；控制系統(tǒng)

［中圖分類號］TH134 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0001–03

閥門是流體輸送系統(tǒng)中的核心部件，具有導流、調(diào)節(jié)等多重功能，并具有多種控制方式，如液動、氣動、電動等。其中電動閥門由電動執(zhí)行器和閥門組成，利用電能作為動力并通過電動執(zhí)行器來驅(qū)動閥門，實現(xiàn)閥門的開關動作。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化水平的不斷提高，電動閥門作為流體控制系統(tǒng)中的重要組成部分，對其性能和控制精度的要求也日益提高。傳統(tǒng)的閥門控制系統(tǒng)通常存在操作不便、響應速度慢、精度不高等問題，為解決該類問題，智能一體化電動閥門裝置得到了迅速發(fā)展，智能一體化電動閥門裝置具有通信數(shù)字化、控制科學化、診斷智能化、構造一體化等特點，研究人員針對該技術開展了大量的研究工作，以提升電動閥門的高效性和穩(wěn)定性。

在現(xiàn)代生產(chǎn)實際應用場景中，亟需更智能化的過程控制系統(tǒng)。文章提出了一種基于智能一體化控制的電動閥門裝置，系統(tǒng)設計堅持可靠性、穩(wěn)定性、適用性原則，以應對工業(yè)環(huán)境的實際需求，以期為電動閥門裝置的智能化應用提供一種新的解決方案，推動工業(yè)自動化水平的不斷提升。

1 智能一體化電動閥門裝置的基本結(jié)構和組成

智能一體化電動閥門裝置以其先進的設計和智能化特征，為流體控制系統(tǒng)帶來了全新的性能升級。智能一體化電動閥門裝置主要包括電動執(zhí)行器、傳感器系統(tǒng)、智能控制單元以及通信模塊等。

（1）電動執(zhí)行器。主要實現(xiàn)對閥門的精準操控。

（2）傳感器。主要有壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等。這些傳感器實時采集工作環(huán)境的各項參數(shù)，智能控制單元進行分析處理，為系統(tǒng)提供準確的工況信息，使閥門能夠智能響應不同工況的需求。

（3）智能控制單元。對傳感器數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，控制單元能夠迅速響應并調(diào)整電動執(zhí)行器，實現(xiàn)對閥門位置的精準控制。該控制單元還支持多種控制策略，以適應不同工業(yè)場景的需求。

（4）通信模塊。利用現(xiàn)代通信技術，將裝置與上位監(jiān)控系統(tǒng)、云平臺等連接，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制指令下發(fā)，提高了系統(tǒng)的可遠程管理性和靈活性。

2 智能一體化電動閥門裝置的主要特征

2.1 數(shù)字化通訊

智能化電動閥門的運作是通過電波與上位機建立連接。采用數(shù)字通信協(xié)議實現(xiàn)與其他系統(tǒng)或設備的高效連接，例如，使用現(xiàn)代工業(yè)標準的通信協(xié)議（如Modbus、Profibus、CAN 等）。上位機利用已有的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生可尋址的數(shù)字信號，并將其傳送至智能一體化電動閥門。電動閥門作為電力執(zhí)行機構，根據(jù)接收到的信號進行相應的開關與運行控制。與傳統(tǒng)的電動閥門運作方式相比，智能一體化電動閥門通過數(shù)字通信方式獲取控制指令，這樣做有助于降低人力成本，使得電動閥門的工作更具靈活性。這一數(shù)字化通訊的方式不僅提高了效率，還增強了系統(tǒng)的智能性。

2.2 科技化控制

在傳統(tǒng)的工作模式中，閥門的流量和壓力調(diào)節(jié)主要依賴于內(nèi)部的執(zhí)行機構。微處理器發(fā)出控制信號后，執(zhí)行機構會有效地調(diào)節(jié)以驅(qū)動閥門。在電動執(zhí)行機構中增設伺服放大器可實現(xiàn)對閥門的控制。在傳統(tǒng)模式下，進行閥門力矩的優(yōu)化調(diào)整需要先拆卸密封外殼，然后使用調(diào)節(jié)彈簧來完成。然而，智能一體化電動閥門集成先進的控制算法，如PID（比例– 積分– 微分）控制，以確保對流量、壓力等參數(shù)的高效調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制。其還具備自適應控制功能，可根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)整控制策略，提高系統(tǒng)的適應性和性能。隨著電動閥門的科技化發(fā)展，利用計算機技術可直接實現(xiàn)對閥門的調(diào)節(jié)和控制，無需繁瑣的手動操作。這一科技化的發(fā)展不僅提高了操作的便捷性，還為系統(tǒng)提供了更為靈活和高效的控制手段。

2.3 智能化診斷

傳統(tǒng)式電動閥門在發(fā)生機械故障時，通常需要系統(tǒng)進行故障處理、診斷與維護，以保證電動閥門的穩(wěn)定性。而智能一體化電動閥門采用更先進的自診斷系統(tǒng)，能夠自動檢測電動閥門的運行狀態(tài)，并實時識別潛在的故障或異常情況。在發(fā)生故障或異常時，能夠生成準確的故障報警信息，并提供詳細的報告，便于快速定位和解決問題。通過將感應器設置在驅(qū)動裝置上，感應器能夠接收異常數(shù)據(jù)信號，并進行詳細的分析和診斷。一旦檢測到運行命令與設備自身狀態(tài)存在差異，系統(tǒng)會立即展開對異常狀況的檢測。這種自動診斷系統(tǒng)有助于提高對電動閥門運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，快速識別任何潛在問題，從而有效降低系統(tǒng)發(fā)生故障的風險。

2.4 一體化結(jié)構

智能一體化電動閥門采用一體化結(jié)構設計，將控制元件、執(zhí)行機構及傳感器等集成在同一體系中，提高整體系統(tǒng)的緊湊性和可靠性。在實現(xiàn)電動閥門智能一體化的過程中，應保證電動閥門和自動執(zhí)行機構同步，以保障電動閥門智能化水平。另外，電動閥門采用一體化的結(jié)構，將其與整個控制回路一同設計優(yōu)化，不僅確保了系統(tǒng)的整體性，同時也有助于控制系統(tǒng)的方便安裝和操作。通過將電動閥門與控制回路集成在一起，有助于簡化安裝和維護過程，減少不同部件之間的連接點，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性。

3 智能一體化電動閥門裝置總體設計方案

3.1 工作原理

文章設計的智能一體化電動閥門裝置主要應用于煤礦防塵供水體系，以井底壓力值為主要依據(jù)，對閥門開合角度進行智能化的精準控制，使得井上供水與井底用水量實現(xiàn)均衡，保證管路中水量始終保持在一定高度，保證水壓穩(wěn)定。水壓數(shù)據(jù)主要通過壓力傳感器進行獲取，壓力信息數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后傳輸至智能控制系統(tǒng)，通過計算壓力差，產(chǎn)生控制信號，進而驅(qū)動電動執(zhí)行器，實現(xiàn)閥門開度的智能化調(diào)節(jié)。

3.2 總體結(jié)構

智能一體化電動閥門裝置主要包括壓力傳感器、控制裝置、手動蝶閥、光纖轉(zhuǎn)換模塊、壓力顯示模塊、線性調(diào)節(jié)閥門、供水管道。壓力傳感器將管道水壓信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)壓力顯示模塊處理后供巡檢人員檢測水壓；再通過光纖轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為光信號，并傳送至智能控制裝置；將實測壓力值與預定壓力值進行對比，采用PID 和模糊控制算法，計算電動調(diào)節(jié)閥的需要的脈沖數(shù)，利用PLC 驅(qū)動器，根據(jù)智能裝置發(fā)出的信號帶動調(diào)節(jié)閥運動；控制裝置進行遠程控制，手動蝶閥主要起保護功能。

3.3 控制策略

PID 控制算法是結(jié)合比例、積分及微分3 種環(huán)節(jié)于一體的控制算法，其是連續(xù)系統(tǒng)中技術最為成熟、應用最為廣泛的一種控制算法，具有使用簡單、響應速度快、控制精度高等特點。在應用該算法時，需要控制參數(shù)在特定范圍內(nèi)，一旦超出范圍，會導致PID控制失效。模糊控制完全獨立于系統(tǒng)模型，具有動態(tài)性、魯棒性、非線性等特性，通常單獨應用該算法時穩(wěn)定性較差。鑒于此，文章將PID 控制與模糊控制算法聯(lián)合應用，將兩者的優(yōu)勢高效發(fā)揮出來，進而達到精確控制的效果。

4 智能一體化電動閥門裝置硬件設計

4.1 硬件設計原則

智能一體化電動閥門裝置硬件設計是一項復雜、細致的工作，涵蓋選件、各個功能模塊的調(diào)試、整體兼容性調(diào)試、抗抗干擾性分析等工作。因此，在硬件設計環(huán)節(jié)，應堅持復用原則和標準化原則。

4.1.1 復用原則

在設計硬件時，應考慮長遠，盡可能把一次設計工作用于未來的設計中，減小硬件的改動。因此，在硬件設計前需考慮到未來的復用需求，減小設計時間和成本。

4.1.2 標準化原則

標準化原則指在硬件設計中采用行業(yè)或國際標準，確保設計和組件符合通用規(guī)范。標準化有助于提高裝置的兼容性，降低整體成本。通過使用標準接口和協(xié)議，裝置更容易與其他設備和系統(tǒng)進行集成。此外，標準化還有助于降低維護成本，使得設計更加規(guī)范、科學、合理。

4.2 硬件設計

井下控制器：PSoCCY8C29466 型；井上控制器：CPU226 型；液晶顯示模塊：LCD1602 型；運用模糊PID 組合控制算法來調(diào)節(jié)閥門的開度；壓力傳感器：GPD10 型（壓力量程為0～6 MPa）；隔離器：WS15242D 型，主要作用是實現(xiàn)壓力信號的隔離、轉(zhuǎn)換和分配；線性閥門電動裝置：LC-150 型，電位器：導電塑料型電位器，以提高閥門開度的檢測精度；閥門驅(qū)動器：MSa-3H110M 型。

5 電動閥門智能控制系統(tǒng)軟件設計

智能一體化電動閥門裝置軟件設計過程可采取“自下而上”的設計方法，即先設計底層接口，再設計各功能模塊，然后逐步組合這些模塊以構建更復雜的系統(tǒng)。在設計過程中，要注重減小模塊間的耦合度，以提高系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。要求對所有信號在采納之后立即進行分析和處理，全部解析完成之后進行分類，然后將信號轉(zhuǎn)換成脈沖輸出，控制電動節(jié)流閥的運動，以便實時根據(jù)井下供水管道壓力調(diào)節(jié)電動節(jié)流閥的開度，并將系統(tǒng)狀態(tài)顯示在顯示屏上。軟件設計主要根據(jù)控制策略，以達到控制井下供水的目的。

主控裝置軟件主要包括：模擬量處理、模糊PID運算控制、報警保護3 個部分。

（1）模擬量處理。模擬量處理部分的作用是將模擬量信號轉(zhuǎn)換為運算所需的數(shù)值，以便于數(shù)字信號處理或運算，該過程通常包括模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D 轉(zhuǎn)換）和可能的信號調(diào)理階段。A/D 轉(zhuǎn)換是模擬量處理的核心部分，這個過程涉及采樣和量化兩個主要步驟；在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前或之后，需要進行一些信號調(diào)理操作，以確保模擬信號的范圍、幅度、噪聲水平等符合系統(tǒng)要求。例如，放大、濾波、去噪等操作。

（2）模糊PID 運算控制。模糊PID 運算控制是整個控制部分的核心內(nèi)容，主要功能是維持水壓在特定數(shù)值范圍內(nèi)。模糊PID 運算控制主要原理在于對實際水壓進行反饋，并與設定標準進行比較。比較結(jié)果觸發(fā)脈沖信號的生成，PLC 負責執(zhí)行相關任務。通過這一過程，控制節(jié)流閥的運動，進而調(diào)控水流的開關，以實現(xiàn)對供水水流大小的精確控制。

（3）報警保護。在實際運行過程中，報警部分主要作用是保護設備穩(wěn)定運作，避免出現(xiàn)嚴重問題。

6 智能一體化電動閥門裝置抗干擾設計

在智能一體化電動閥門裝置電路中，引入干擾信號主要有3 個主要途徑，即電磁感應、傳輸通道和電源線。通常情況下，通過電磁感應進入系統(tǒng)電路的干擾信號在強度上通常遠小于從傳輸通道和電源線進入的干擾信號。對于電磁感應產(chǎn)生的干擾，可采取屏蔽和接地的方式來解決。因此，抗干擾的主要策略是使用電磁屏蔽材料、優(yōu)化傳輸通道布局，進行電源線濾波和接地設計。通過降低這兩種途徑引入的干擾，系統(tǒng)可更有效地保持信號的穩(wěn)定性和可靠性。

文章采取的電源抗干擾措施如下。

（1）制板抗干擾設計。布線時應優(yōu)先考慮選擇單面板，布線簡單均勻，布線密度應盡可能加寬印制導線間距。

（2）電源抗干擾。采取數(shù)字電路與模擬電路相分割，最后在通過0 歐電阻相連的方法。

（3）光電隔離抗干擾設計。加強受控設備與輸入輸出通道的隔離，可采用光電耦合器。

7 結(jié)束語

在基于智能一體化控制的電動閥門裝置研究中，探討了智能一體化控制技術在閥門控制領域中的應用，通過整合數(shù)字通信、先進控制算法、報警保護和一體化結(jié)構等，實現(xiàn)了電動閥門的智能化水平的提升。通過采用數(shù)字通信協(xié)議，實現(xiàn)了電動閥門與其他系統(tǒng)之間的高效連接。這不僅使得閥門具備遠程監(jiān)控與控制的能力，同時提升了系統(tǒng)的整體通信效率。在控制科技方面，引入了先進PID 控制算法和模糊控制算法，以確保對閥門流量和壓力等參數(shù)的高效調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)更具靈活性和適應性。

智能控制一體化技術的融入為電動閥門提供了自動故障檢測和故障報警的能力，這不僅提高了系統(tǒng)的安全性，也減少了維護成本。總之，通過一體化設計，將控制元件、執(zhí)行機構和傳感器等集成在同一體系中，不僅提高了緊湊性和可靠性，還簡化了安裝與維護的過程。

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