王 博湯 偉劉慶立王 樨

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021; 2.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動化研究所，陜西西安，710021)

·定量閥·

國產(chǎn)造紙機用中高精度定量閥的研制

王 博1，2湯 偉1，2劉慶立1，2王 樨2

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021; 2.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動化研究所，陜西西安，710021)

針對目前國內(nèi)造紙機所使用的國外高精度定量閥價格高，國內(nèi)定量閥精度低、難以滿足定量控制要求的現(xiàn)狀，在研究國外產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)點的基礎(chǔ)上研發(fā)了中高精度定量閥。詳細闡述了執(zhí)行器和控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。研發(fā)的定量閥經(jīng)測試具有4000步精度，該定量閥已在浙江富陽某造紙機上應(yīng)用，取得了良好的控制效果和經(jīng)濟效益。

高精度定量閥;電動調(diào)節(jié)閥;步進電機;造紙機定量控制

定量是紙張抄造過程中的重要參數(shù)，常采用定量閥調(diào)節(jié)上網(wǎng)絕干漿量的方法來實現(xiàn)定量控制［1－2］，即在漿濃穩(wěn)定的前提下，通過調(diào)節(jié)中濃漿流量來控制成紙定量。對于車速低于450 m/min的低速造紙機，流送部多配置高位箱，定量調(diào)節(jié)全靠安裝在高位箱出口處的高精度定量閥 (流量閥)來實現(xiàn) (如圖1所示［3］)，定量調(diào)節(jié)精度主要取決于定量閥本身的精度。由于國產(chǎn)定量閥精度較低，一般精度只有100步左右，難以滿足定量調(diào)節(jié)的要求，所以定量控制常采用Metso和BTG等公司生產(chǎn)的高精度定量閥，一般精度為15000～20000步。但該類產(chǎn)品價格十分昂貴，一般每臺售價15萬～20萬元。

對于車速大于450 m/min的中高速造紙機，通常采用變頻器調(diào)節(jié)上漿泵轉(zhuǎn)速 (如圖2所示)，即變頻器精調(diào)和定量閥粗調(diào)的方式調(diào)節(jié)成紙定量。實踐表明，精度為2000～5000步的定量閥便能夠滿足定量調(diào)節(jié)的需求［4］。這種精度的定量閥尚屬空缺，國外罕見，國內(nèi)也難以找到。因此，研制精度為2000～5000步的中高精度定量閥，滿足車速大于450 m/min的中高速造紙機定量控制的要求，具有廣闊的市場前景。

1 國外先進技術(shù)的消化吸收

1.1 國外高精度定量閥的技術(shù)特點

國外高精度定量閥主要為Metso、BTG及Rotork等公司的產(chǎn)品［5］，其中以Metso的Neles ACE定量閥為代表。以國外某型號定量閥為例說明它的原理，該系統(tǒng)由V型或R型調(diào)節(jié)球閥、1個執(zhí)行器和1個控制單元構(gòu)成。在執(zhí)行器中，通過高分辨率的步進電機和精密減速器將旋轉(zhuǎn)運動傳遞到閥芯，以實現(xiàn)閥芯位置的精密調(diào)節(jié);閥門的全開位置檢測和全關(guān)位置檢測由限位開關(guān)實現(xiàn);使用精密電位器實時檢測和反饋閥門開度信息?？刂茊卧邮斩靠刂葡到y(tǒng)發(fā)來的數(shù)字量控制信號自動調(diào)節(jié)閥門開度，也可通過手動開度調(diào)節(jié)，其閥門的機械結(jié)構(gòu)如圖3所示［6］。

圖1 定量閥在帶有高位箱紙機上的應(yīng)用

圖2 上漿泵變頻供漿

執(zhí)行器中精密減速器的減速比為1∶141，執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)角范圍是0～90°，步進電機的轉(zhuǎn)角范圍為32.25圈。驅(qū)動閥門的步進電機內(nèi)部連接為四線兩相模式，步進電機閥門在不細分的情況下，步距角為1.8°，旋轉(zhuǎn)一整圈需要200個脈沖，閥門從全開到全關(guān)需要7050個脈沖;閥門通常在2細分條件下工作，步距角為0.9°，閥門從全開到全關(guān)需要14100個脈沖;如果閥門在4細分條件下工作，步距角為0.45°，閥門從全開到全關(guān)需要28200個脈沖。

研究發(fā)現(xiàn)，定量閥通常由3部分構(gòu)成:執(zhí)行器、控制器以及連接執(zhí)行器上的球形調(diào)節(jié)閥。其中球形調(diào)節(jié)閥多為外購件，核心技術(shù)是控制器和執(zhí)行器。執(zhí)行器的核心技術(shù)是采用步進電機驅(qū)動，經(jīng)過精密減速器減速增力后帶動調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)進行流量調(diào)節(jié);執(zhí)行器使用精密角位移傳感器檢測反饋閥位，同時還具有精密的全開及全關(guān)位置檢測機構(gòu);為了避免閥門過度旋轉(zhuǎn)，通常設(shè)置機械限位裝置。控制器是執(zhí)行器與上位控制系統(tǒng)聯(lián)系的橋梁，接收上位系統(tǒng)發(fā)送的開閥與關(guān)閥信號，控制閥門產(chǎn)生精準的轉(zhuǎn)角，將閥位檢測機構(gòu)的電壓信號轉(zhuǎn)換為實際開度供現(xiàn)場顯示及遠傳。

1.2 中高精度定量閥的研制方案

在研究國外產(chǎn)品技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，針對造紙機定量調(diào)節(jié)的特點，結(jié)合現(xiàn)有機械設(shè)計和制造的水平，定量閥精度定位在2000～5000步之間，造價定位在國外產(chǎn)品的1/3～1/2之間，因此需要自主研發(fā)執(zhí)行器和控制器。執(zhí)行器由驅(qū)動裝置和檢測反饋裝置構(gòu)成，驅(qū)動裝置采用步進電機加精密行星減速器減速增力，使用高剛性聯(lián)軸器將動力傳送至調(diào)節(jié)閥的閥桿，帶動閥芯轉(zhuǎn)動。檢測反饋裝置包括閥位反饋、全開全關(guān)反饋、超程保護等部件?？刂破饔砷y門動作控制單元和步進電機驅(qū)動器組成，鑒于國外產(chǎn)品大批量系列化生產(chǎn)，常采用專用的控制芯片進行控制，技術(shù)壁壘高，難以逾越。在分析定量閥的動作要求后，發(fā)現(xiàn)使用現(xiàn)有的可編程邏輯控制器 (PLC)通過編程即可實現(xiàn)控制功能，因此選用在造紙行業(yè)廣泛使用的Siemens系列的S7－200 PLC作為主控單元，承擔(dān)閥門執(zhí)行器和上位控制系統(tǒng)的橋梁作用［7－8］。本課題設(shè)計的定量閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 國外某智能高精度定量閥執(zhí)行器機械結(jié)構(gòu)

圖4 高精度定量閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 定量閥設(shè)計

2.1 執(zhí)行器設(shè)計

執(zhí)行器由步進電機驅(qū)動，步進電機的輸出軸伸入精密減速機傳動，經(jīng)過減速增力將旋轉(zhuǎn)運動傳遞到閥桿，使閥桿產(chǎn)生0～90°的轉(zhuǎn)角，步進電機后輸出軸的另一端連接盤車手輪，便于在檢修、停電狀況下使用手搖開關(guān)閥。與減速器連接的是上聯(lián)軸器，與上聯(lián)軸器連接的是減速器的傳動軸，傳動軸上安裝與其同步轉(zhuǎn)動的擺臂，傳動軸外部設(shè)有全開位置檢測開關(guān)、全關(guān)位置檢測開關(guān)、正向超程保護開關(guān)、反向超程保護開關(guān)，其中全開位置檢測開關(guān)和全關(guān)位置檢測開關(guān)為光電開關(guān)，二者的光軸間隔為90°，正向超程保護開關(guān)和反向超程保護開關(guān)為機械行程開關(guān)。執(zhí)行器內(nèi)安裝有精密角位移傳感器，將閥位變換成0～10 V的電壓信號傳遞到PLC。本課題研制的中高精度定量閥的執(zhí)行器機械結(jié)構(gòu)和三維造型如圖5所示。

為防止閥門在電氣失靈的情況下過度旋轉(zhuǎn)損壞閥芯和密封裝置，設(shè)置了機械限位裝置。該裝置包括連接在傳動軸上的限位塊，固定在安裝板上的開限位螺栓和關(guān)限位螺栓，通過調(diào)節(jié)螺栓擰入的深度能夠調(diào)整限位的作用點，限位塊異形輪廓線和傳動軸同步轉(zhuǎn)動。圖6(a)為閥門全關(guān)位置限位示意圖，若閥門繼續(xù)向關(guān)的方向旋轉(zhuǎn)，限位塊的關(guān)輪廓線會碰到關(guān)限位螺栓，阻止閥門的繼續(xù)轉(zhuǎn)動。圖6(b)為閥門全開位置限位示意圖，若閥門繼續(xù)向開的方向旋轉(zhuǎn)，限位塊的開輪廓線會碰到開限位螺栓，阻止閥門的繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

2.2 控制器設(shè)計

圖5 中高精度定量閥的執(zhí)行器機械結(jié)構(gòu)及三維視圖

圖6 全開和全關(guān)位置限位示意圖

與國外產(chǎn)品大批量系列化的專用控制單元不同，本課題為了縮短研發(fā)周期，選用通用的控制單元PLC作為控制主機，與步進電機配套的步進驅(qū)動器安裝在一個防護等級較高的控制箱內(nèi)?？刂葡涿姘迳涎b有數(shù)顯測控儀顯示現(xiàn)場閥位，控制箱的三維透視圖及面板布置如圖7所示。使用0～10 kΩ精密角位移傳感器檢測閥位，變送成0～10 V范圍內(nèi)的模擬電壓信號送入PLC模擬量模塊的AI通道，由PLC程序?qū)⑵渥儞Q成數(shù)字信號，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至DCS控制系統(tǒng)，同時經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將閥門開度變換為模擬量信號，再經(jīng)模擬量模塊的輸出通道傳送至數(shù)顯測控儀，指示現(xiàn)場閥位。使用PLC的高速脈沖輸出端口控制步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動閥門產(chǎn)生相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動。

圖7 高精度定量閥控制箱三維透視圖及面板布置

圖8 超程保護電路原理圖

與機械限位對應(yīng)，閥門還具有電氣限位保護電路，如圖8所示。24 V控制電源的一端通過正向超程保護開關(guān)和反向超程保護開關(guān)的常閉觸點與控制器中的一個中間繼電器的線圈一端連接，中間繼電器的一對常開觸點連接在步進電機驅(qū)動器供電的接觸器線圈上。在旋轉(zhuǎn)過程中擺臂，若碰下正向超程行程開關(guān)和反向超程行程開關(guān)之一，行程開關(guān)的常閉觸點斷開，則切斷中間繼電器的電源，中間繼電器斷開;中間繼電器的一對常開觸點斷開，則斷開交流接觸器線圈的電源，交流接觸器斷開后切斷步進驅(qū)動器電源，步進電機則不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，防止了閥芯的過度旋轉(zhuǎn)。為便于操作，設(shè)置了超程解除功能，控制器內(nèi)安裝有超程解除按鈕，超程解除按鈕的一端連接24 V電源正極，另一端直接跨過正向超程行程開關(guān)和反向超程行程開關(guān)的常閉觸點連接到中間繼電器線圈的一端，如果閥門發(fā)生了超程斷電，則按下超程解除按鈕，接通24 V電源，中間繼電器線圈導(dǎo)通，使步進電機驅(qū)動器的電源接通，手動進行反向運動，解除電氣超程保護。

定量閥的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是閥芯按照驅(qū)動電平的時間信號產(chǎn)生嚴格同步的轉(zhuǎn)角，設(shè)計閥門從全開到全關(guān)的操作時間為200 s，在程序上將發(fā)送控制脈沖個數(shù)對應(yīng)的閥門理論轉(zhuǎn)角和由精密電位器反饋測得的閥位進行比較。如果長期運行誤差在2%以內(nèi)，則在數(shù)顯測控儀上正常顯示閥門開度;若誤差超過限度，則啟動報警，提示維護人員查看閥門是否有卡滯故障。

定量閥的傳統(tǒng)控制方式是使用電纜連接DCS系統(tǒng)和閥門控制器，電纜較多，在閥門開關(guān)頻率高的情況下易出現(xiàn)各種干擾，設(shè)備維護也相對復(fù)雜。為了解決這一問題，本課題組將控制器賦予了智能化通信控制的功能。將定量閥控制箱接入Profibus網(wǎng)絡(luò)，使用分布式網(wǎng)絡(luò)進行組態(tài)和監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖9所示。在控制閥門的PLC上加掛EM277 Profibus通信模塊，作為從站加掛在總線上通過網(wǎng)絡(luò)進行控制?？刂浦鳈CCPU315－2DP作為主站，通過DP接口與兩臺高精度定量閥通信，將閥門控制器配置為從站，接收主站的開閥、關(guān)閥信號，并將閥門的信息如閥位、報警信息發(fā)送至主站，組態(tài)監(jiān)控的工控機也掛在DP網(wǎng)絡(luò)上進行整個工段的監(jiān)控［9－10］。

圖9 網(wǎng)絡(luò)控制定量閥示意圖

本課題研制的定量閥控制器能夠采用時間控制模式和脈沖控制模式。在時間控制模式下，控制器接受控制系統(tǒng)發(fā)來的開閥電平信號和關(guān)閥電平信號，閥門開度的變化正比于開閥或關(guān)閥信號作用的時間長短，在西門子控制系統(tǒng)中與程序塊FB42配合使用;脈沖控制模式是控制器直接接受過程控制系統(tǒng)發(fā)來的正轉(zhuǎn)脈沖信號和反轉(zhuǎn)脈沖信號，與程序塊FB43配合使用［11］。目前在定量控制過程中，多采用時間控制模式，閥門在工作時從全開到全關(guān)需要4000個脈沖，執(zhí)行時間為200 s，脈沖頻率為20 Hz，Profibus－DP總線通信速率設(shè)定為1.5 Mbps，通信速率遠高于脈沖頻率，控制閥門的從站能夠完全接收控制信號而不會出現(xiàn)脈沖丟失。測試時將閥門調(diào)在全關(guān)位置，發(fā)送4000個寬度為50 ms的開閥控制脈沖，閥門達到全開位置;然后，再發(fā)送4000個寬度為50 ms關(guān)閥控制脈沖，閥門達到全關(guān)位置，重復(fù)100次，持續(xù)12 h，通過編程計量脈沖數(shù)反算得到的閥位與精密角位移傳感器測的閥位并無明顯差異，誤差在2%以內(nèi)，而且步進電機表面溫度也在許可范圍之內(nèi)。綜合各種測試指標(biāo)，研制的定量閥性能達到了預(yù)期的目標(biāo)。

3 結(jié)語

本課題設(shè)計制造的中高精度定量閥已在浙江富陽某紙板生產(chǎn)線上應(yīng)用，生產(chǎn)的紙張定量滿足工藝設(shè)計要求，證明定量閥的最初設(shè)計能滿足使用要求，綜合考慮機械加工精度水平確定的4000步精度能夠滿足定量調(diào)節(jié)要求，現(xiàn)正進入推廣應(yīng)用階段。定量閥的傳統(tǒng)控制方式為電纜連接，現(xiàn)改為網(wǎng)絡(luò)總線控制，減少了電纜的連接數(shù)量，降低了故障率，提高了控制系統(tǒng)的可靠性?？深A(yù)見網(wǎng)絡(luò)化和總線化控制的智能高精度定量閥將成為主流。

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(責(zé)任編輯:董鳳霞)

Research and Development of M edium H igh-precision Quantitative Valve for BasisW eight Control of Paper M achine

WANG Bo1，2，*TANGWei1，2LIU Qing－li1，2WANG Xi2
(1.Faculty of Light Industry＆Energy of Shaanxi University of Science＆Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021; 2.Industrial Automation Institute of Shaanxi University of Science＆Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021)
(*E－mail:fixany@126.com)

Aiming at the present status that the high precision valves imported from abroad are expensive，while the domestic products are difficult tomeet the control requirements because of the low precision，a design scheme ofmedium high－precision quantitative valve for basis weight control of papermachine was proposed in this paper.This paper expounded the designs of actuator，controller，mechanical position limitation device，electrical position limits circuit＆control bus network.The test result showed that the developed valve reached to a running accuracy of4000 steps.The product developed has been using in a papermachine in Fuyang City，Zhejiang province and satisfactory control performance and economic benefit are obtained.

high precision quantitative valve;electrical valve;steppingmotor;basisweight control of papermachine

王 博先生，在讀博士研究生;主要研究方向:光機電一體化產(chǎn)品研制。

TH137.52+2

A

0254－508X(2014)03－0039－05

2013－08－06(修改稿)

國家國際科技合作計劃 (項目編號:2010DFB43660);陜西省科技統(tǒng)籌計劃 (項目編號:2012KTCQ01－19);西安市未央?yún)^(qū)科技項目 (項目編號:201311);陜西科技大學(xué)?？蒲谢?項目編號:ZX11－25);溫州市對外科技合作交流科技計劃 (項目編號:H20100097)。