周偉，崔錦泉，王智磊，王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266100)

《中國(guó)制造2025》要求把發(fā)展智能制造作為主攻方向，將中國(guó)“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變，使我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)邁向中高端。閥門作為輸流管道的“咽喉”，其控制性能將決定整個(gè)輸流系統(tǒng)的質(zhì)量。面對(duì)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境,傳統(tǒng)的定位器已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。為了提高輸流管道質(zhì)量，智能閥門及其定位器應(yīng)運(yùn)而生。眾多學(xué)者及閥門制造商致力于讓調(diào)節(jié)閥達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越高的精確度、抗干擾能力等要求,同時(shí)在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也成為一個(gè)研究探討的熱點(diǎn)。

1 智能閥門的現(xiàn)狀

與普通控制閥相比，智能閥門由于具有檢測(cè)閥桿/閥芯波動(dòng)幅值和流體壓力、流量等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于冶金、石油、城市給排水的管道輸流等系統(tǒng)中。智能閥門應(yīng)用比較靈活，可以根據(jù)實(shí)際的工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于普通的輸流管道，一般而言都是1個(gè)智能閥控制1條輸流管道，但是在智能閥門的硬件配置上略有不同。若整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性要求比較高，可以將智能閥門的2個(gè)或者多個(gè)電磁閥并聯(lián)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，原則上只要有1個(gè)電磁閥能正常工作，整個(gè)系統(tǒng)就可以正常的運(yùn)行。若要提高系統(tǒng)的安全性，可將多個(gè)電磁閥串聯(lián)，只有所有電磁閥都正常工作，控制系統(tǒng)才可以正常運(yùn)行。

智能閥門定位器作為智能閥門控制系統(tǒng)的核心，其控制方法為整個(gè)研究的重點(diǎn)之處。當(dāng)前市場(chǎng)上閥門定位器基本采用的都是傳統(tǒng)控制算法，如PID控制，非常依賴基于被控過(guò)程或?qū)ο髷?shù)學(xué)模型的精確性。然而在實(shí)際生活中，很大一部分控制對(duì)象不能用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行定量描述。面對(duì)被控對(duì)象的復(fù)雜性，數(shù)學(xué)模型具有很大不確定性，傳統(tǒng)控制方法難以滿足現(xiàn)實(shí)的控制要求。隨著對(duì)智能閥門定位器的深入研究，先后出現(xiàn)滑?？刂?、預(yù)測(cè)控制、基于狀態(tài)觀測(cè)的補(bǔ)償控制。上述不同方法各有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際工況選擇最優(yōu)的控制策略。

目前，各大智能閥門制造商及學(xué)者對(duì)于智能閥門控制的研究幾乎都是“一管一閥”，即1條主管或支管安裝1個(gè)智能閥門，各路智能閥門之間幾乎沒有聯(lián)系，智能閥門的系統(tǒng)性控制研究存在空白。在實(shí)際管道輸流過(guò)程中往往存在這樣一種工況，即同時(shí)向制式相同的多個(gè)儲(chǔ)罐輸流，當(dāng)1個(gè)容器已經(jīng)輸送完成時(shí)，其他還沒有滿罐，不僅浪費(fèi)巡檢人員時(shí)間而且加劇輸流管道的耦合現(xiàn)象。造成這一狀況的原因主要是智能閥門定位器中氣動(dòng)薄膜較為精密易磨損。當(dāng)同一電流控制信號(hào)給出時(shí)，2個(gè)智能閥門實(shí)際開度不同，因此反饋電流也不相同，當(dāng)其與設(shè)定電流進(jìn)行PID運(yùn)算后，各智能閥門單獨(dú)控制在根本上不能解決此問(wèn)題。本文針對(duì)上述類似問(wèn)題提出一種適用于雙支路管道的智能閥門組定位器的設(shè)計(jì)并給出基于偏差耦合的閥門開度控制方法，進(jìn)一步提高閥門定位器控制精度。

2 智能閥門定位器的工作原理

圖1 閥門定位器控制原理圖

智能閥門定位器控制系統(tǒng)采用以微處理芯片為核心的控制單元,它的輸入信號(hào)有2個(gè)，分別為設(shè)定的表示閥門開度的4～20mA的電流信號(hào)和來(lái)自于閥位反饋電路的閥門實(shí)際開度電流信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)輸入到控制單元后經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算比較，輸出偏差信號(hào)控制壓電閥。壓電閥根據(jù)輸入偏差信號(hào)的大小控制壓縮空氣進(jìn)入到氣室，經(jīng)過(guò)彈簧來(lái)推動(dòng)閥芯動(dòng)作。閥門定位器的控制原理如圖1所示。

3 基于偏差耦合法的智能閥門組定位器設(shè)計(jì)

雙支路智能閥門組控制裝置適用于對(duì)2個(gè)儲(chǔ)罐輸流，節(jié)省多儲(chǔ)罐輸流時(shí)間。通過(guò)2支路管道閥位反饋電路所得電流差并輔以調(diào)節(jié)因子來(lái)補(bǔ)償智能閥門閥位反饋電流，削弱多管路輸流管道系統(tǒng)的耦合特性及智能閥門自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固有缺陷，逐漸縮小2支管路實(shí)際閥門開度，保證雙儲(chǔ)罐輸流“同啟同閉”，實(shí)現(xiàn)雙智能閥門組的系統(tǒng)性控制，提高系統(tǒng)抗干擾能力，減輕巡檢工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該控制方法簡(jiǎn)單有效，能夠滿足實(shí)際工業(yè)控制的要求。

3.1 智能閥門組設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的雙支路智能閥門組裝置示意圖見圖2，主要包括泵站、主管手動(dòng)安全閥門、支管智能閥門、儲(chǔ)罐等。主管手動(dòng)安全閥門的作用在于當(dāng)支管路發(fā)生故障時(shí)，可以直接截止主管與各支管的流量。支路流量由2個(gè)智能閥門控制，智能閥門定位器通過(guò)偏差耦合法進(jìn)行均衡補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)閥門組的系統(tǒng)性控制，提高智能閥門的開關(guān)精度。

圖2 雙支路智能閥門組裝置示意圖

3.2 智能閥門組定位器均衡補(bǔ)償控制

圖3所示為本文設(shè)計(jì)的智能閥門組定位器均衡補(bǔ)償控制策略示意圖，包括：預(yù)設(shè)電流信號(hào)I、供氣氣源Ps、智能閥門1配置、智能閥門2配置、反饋補(bǔ)償單元配置。

圖3 智能閥門組定位器均衡補(bǔ)償控制策略示意圖

預(yù)設(shè)電流信號(hào)為智能閥門1配置、智能閥門2配置提供工作電流，同時(shí)，其與反饋補(bǔ)償單元配置輸出的反饋電流的偏差作為控制智能閥門1和智能閥2開度的電流控制信號(hào)，預(yù)設(shè)電流信號(hào)為4～20mA。

供氣氣源Ps為智能閥門1和智能閥門2提供氣源氣壓信號(hào)，大小為0.3Mpa。

智能閥門1配置包括PID控制單元1-1、I/P控制單元1-2、氣室與執(zhí)行單元1-3、調(diào)節(jié)閥1-4。其中，PID控制單元1-1檢測(cè)輸入電流信號(hào)(4～20mA)和閥位反饋信號(hào)并將這2路信號(hào)經(jīng)PID控制器處理后輸出相應(yīng)的電流控制信號(hào)OP1至I/P控制單元1-2，以驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行到指定閥位；I/P控制單元1-2接收來(lái)自于PID控制單元1-1的控制信號(hào)OP1，并在輸入的供氣氣源氣壓信號(hào)Ps的作用下將控制信號(hào)OP1轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)放大器工作的小氣壓信號(hào)Pb1。在氣源氣壓Ps為0.3MPa的情況下，控制信號(hào)OP1與小氣壓信號(hào)Pb1的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。

氣室與執(zhí)行單元1-3將小氣壓信號(hào)Pb1轉(zhuǎn)換成大的氣室氣壓Pout1催動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)修正閥位，建立控制器輸出信號(hào)與閥桿位移信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到閥位開度。具體為小氣壓信號(hào)Pb1與大氣壓信號(hào)Pout1的轉(zhuǎn)換由氣動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)氣動(dòng)放大器的進(jìn)排氣狀態(tài)推動(dòng)閥桿運(yùn)動(dòng)，其關(guān)系如下。

其中，Ps為氣源氣壓；S1、S2、S3分別為氣動(dòng)放大器中膜片有效面積，S4為閥芯有效底面積，S1-S4參數(shù)均可通過(guò)具體的氣動(dòng)放大器型號(hào)測(cè)量得到。

智能閥門2配置與智能閥門1配置相同，此處不再贅述。

為了進(jìn)一步提高智能閥門組的開關(guān)精度，本文還提出一種基于偏差耦合法的閥門開度均衡控制方法具體原理如下。

3.2.1 反饋電流值確定

通過(guò)閥位反饋電路3-1及閥位反饋電路3-2分別得到智能閥門1及智能閥門2的相應(yīng)反饋電流信號(hào)I1/I2，該電流信號(hào)可通過(guò)閥門開度K換算得到，反饋電流與閥門開度的曲線見圖4，其具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。

其中，0 ≤K≤ 100；4mA≤I≤ 20mA。將K1/K2分別代入上式即可得相應(yīng)的電流信號(hào)值I1/I2。

圖4 閥門開度與反饋電流曲線示意圖

3.2.2 補(bǔ)償量確定

通過(guò)（1）所得的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)差值運(yùn)算求得反饋補(bǔ)償量。

其中，ΔI為反饋電流補(bǔ)償量；I1為智能閥門1的反饋電流；I2為智能閥門2的反饋電流；λ為反饋調(diào)節(jié)因子，通過(guò)調(diào)整λ的值將反饋電流I1/I2的差值按一定比例分成兩部分（理性情況下λ=1）。

3.2.3 反饋電流補(bǔ)償

加入反饋電流補(bǔ)償后的智能閥門控制電流信號(hào)如下。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將輸流管道進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，為相關(guān)從業(yè)人員提供一種全新的設(shè)計(jì)思路。在實(shí)際工程中根據(jù)項(xiàng)目需求完全可以考慮多支路輸流管道的模塊化設(shè)計(jì)，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制，提高輸流管道施工的便捷性及可靠性。