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智能阀门电动执行器设计与测试

摘要：智能阀门在工业上的控制应用已经逐渐取代了机械式阀门控制系统，
由于在工业生产中的应用对阀门控制系统有着迫切的要求，对智能阀门控制精度、
控制速度和控制灵活度都有极高的标准。近年来，国内智能阀门的控制方法使用
机械式阀门定位控制较多，然而国外对智能阀门定位控制的研究，故障发生的频

率较高，使智能阀门在实际因公众较少使用。

关键词：智能阀门;电动执行器设计;测试

引言

阀门广泛应用于电力、水利、化工等行业并发挥着关键作用。其执行机构用
于阀门控制，是提高阀门控制精度、安全系数以及响应速度的关键所在。针对国
内阀门普遍存在的控制精度低、稳定性及安全性差、智能化水平不高的缺陷，国
内外科研机构对阀门电动执行器展开了一系列的研究，在机电一体化、先进控制

策略、智能通信等方面取得了突出成果。

1基于信息技术的阀门智能控制系统的设计

阀门智能控制系统的硬件设计包括CAN通信接口、单元控制器和阀门智能控
制器节点３大部分。采用微控制器技术，实现了阀门的数字控制和智能控制；利

用CAN总线技术，构建两级总线阀门智能控制系统，实现阀门的集中控制和远程
控制。本系统采用的是CAN控制器和CAN收发器结合的通信接口，实现单元控制
器和智能控制器节点之间的通信。该控制器使用的是SJA1000型号；CAN收发器
使用的是PCA82C250型号，能够快速接受和发送信号；微处理器采用的是
AT89C52单片机。该模块中利用了光电隔离电路，有效地避免了总线的干扰引入
系统。单元控制器模块利用两个COU架构，一级CPU含有两个CAN接口，与通信
系统相连接，分别与一级总线、二级总线相连接，两个总线上的传播速率能够不
一样，在实际应用中根据总线中节点的分布距离进而选取合适的传送速率，进行

CPU显示驱动和人机接口。在阀门智能控制器节点的模块中，通过使用单片机来
控制单项异步电动机的正反转，实现阀门的智能开关响应，在阀门处接入一个开

度反馈，实现对阀门的开度准确控制，单片机也是经过CAN通信接口与总线进行
通信。双CPU结构也应用在智能控制节点上，主CPU可以实现阀门的控制和CAN
通信的功能此外，还对系统抗干扰进行了设计，采用了光电隔离的抗干扰措施，
利用光电耦合器进行对系统消除脉冲和各种噪声的干扰，使远程把测控系统与现
场只有信号的通信，从而提高输入输出通道上的信噪比。利用光电耦合器，使输
入与输出之间的分布电容极小，并且绝缘电阻很大，因此在信号传输中一端的干
扰不易传输至另一端，因此光电耦合器既能够传输有效的信号，又能够抑制干扰

信号。

2软件设计

2.1算法设计

阀门电动执行器实际运行时会受到减速器、电机等设备的干扰，影响阀门控
制的稳定性和精度。利用滑模控制方案，将阀门执行机构的运行位置控制在一定
范围之内，并通过设置死区解决阀门电机振荡问题，提升阀门控制精度和稳定性。
基于滑模控制的阀门电动执行器控制原理，在位置环引入滑模控制器，将阀位控

制信号与阀位反馈信号的误差作为滑模控制器的输入并进行阀门位置智能调节。

2.2程序设计

阀门电动执行器软件程序设计基于KeiluVision4软件平台采用C语言编程
实现。根据阀门电动执行器系统设计以及硬件设计原理，将软件程序按照功能划
分为主程序模块、阀门位置控制模块、滑模算法控制模块、功率控制模块、故障
诊断模块、通讯模块以及上位机模块。主程序模块用于控制并顺序调用其他模块，
同时还需完成阀门控制参数设置以及初始化，具体包括:①阀门控制参数:阀门开
速度/时间、阀门开紧急速度/时间、阀门关速度/时间、阀门关紧急速度/时间、
阀门方向、阀门关断模式等;②驱动电机温度参数:电机温度阈值、电机温度过热
极限值、电机温度过低极限值等;③阀门位置参数:阀门开位置、阀门关末端位置、
阀门实时位置采样等。阀门位置控制模块用于控制阀门位置，具体步骤为:采集

阀门位置实时信号并经A/D转为电流信号，与给定阀门位置开度信号进行比较，
若采样电流信号小于给定值，则核心CPU驱动电机正转;反之，则驱动电机反转;
若采样电流信号与给定值的差值位于死区，则控制驱动电机停机。功率控制模块

用于接收核心CPU控制指令并驱动电机运行。在软件部分还设计有监控界面，手
机监控界面中设置了设备状态、远程控制状态、系统参数和模块状态。设备状态
包括故障状态、按钮状态以及现场触摸屏的状态，实现方便观察阀门智能控制出
现故障的原因，以及各种按钮在各种状态下的运行状况，利用手机ＡＰＰ或计算
机网页可对阀门智能控制系统的状态进行监控，主要监控系统设备的运行参数、
温度承受压力等信息，实现监控人员在线监视阀门智能控制的运行状态和远程预

测系统的故障状态，实现阀门智能系统的实时监控。