单片机在泵站液压控制蝶阀上的应用

作 者： 许军
摘 要： 为了防止高扬程输水泵站中水锤的产生，采用8031芯片利用PID控制器、高精度智能传感器及其外围设备设计出一种智能型的泵站液控蝶阀系统，该设计可使电机转速与管道压力达到动态平衡，既防止了水锤的产生，又保护了设备的安全。在试运行中，该系统比较好地解决了水锤问题，设备的可靠性有了大幅度地提高，且人工调试简单，能适应各种扬程的输水泵站，可与泵站的自动控制系统相互兼容；但设备各部件投资较大，对部件的可靠性及抗电磁干扰性要求比较高，需要在今后进一步完善。

 目前在高扬程输水泵站中，传统的液压控制蝶阀对水锤的消除和防止效果不佳，且自动化程度低、无故障自检功能、调试复杂，已不能适应现今高度自动化输水泵站的需要。针对这些问题，本文对液压控制蝶阀的控制系统进行了智能型、网络型、自动型的改进，通过程序对蝶阀的开启与关闭进行控制，并设计手动、自动2种操作方式，极大地提高了设备的安全性与可靠性。

    1 设计思想

    由于扬水泵站原有的液压控制蝶阀系统的正常开启与关闭只能靠手动操作或与机组联动，因此在发生紧急事故时，出水液控蝶阀关闭的太快极有可能产生水锤，对出水管道及电机造成极大的危害；出水液控阀关闭太慢，又会使电机的倒转加速损坏电动机，极大地影响泵站机电设备的安全运行。本文所设计的单片机液控蝶阀系统，以进出水管道的高精度压力传感器与电机转速测量传感器为基础，采用单片机控制，通过程序判断来执行动作，以实现蝶阀的自动开启与关闭，从而提高设备的安全性
和可靠性。

    该系统试验点为宁夏固海扩灌八泵站，其设备的动作有正常运行和事故运行2种方式。

    ⑴正常的液控蝶阀开启与关闭有2种途径：①人工操作中央电脑控制系统，通过LOD现场总线向液控蝶阀系统发出控制命令控制蝶阀的开启与关闭；②在正常的输水情况下，水泵与电机启动后液控蝶阀控制系统根据控制程序对传感器的测量参数进行比较、判断之后执行蝶阀的开启与关闭命令。一般设定的正常开启条件为电动机转速S≥95%SN（SN为电机额定转速）和水泵出水口压力P≥0。885MPa。正常的蝶阀关闭不受电机转速与管道压力限制，只根据正常程序流程或控制指令执行。

    ⑵发生突然停机事故时，可通过对液控蝶阀关闭速度的控制来保证输水管道内的压力符合压力管道的承压要求，即液控阀出水管承压≤10MPa，电机倒转速度≤85%SN时，能避免产生极大的水压，防止压力管道的损坏，同时还可以减小电机的倒转速度，防止电机损坏。为了保证控制系统的稳定运行，考虑到供电系统突然停电的特殊情况，该系统采用了双电源。在失去系统电源的情况下，可以用备用的直流电源供电，从而大大提高了设备工作的可靠性。此外，对液控阀的开启与关闭速度设计采用调频电机控制，实现了电机转速的自由控制。

    2 液控蝶阀的控制系统设计

    2.1 控制过程

    ⑴初始化程序。

    ⑵根据水泵的出水压力及电机的转速，自动控制出水液控阀的开启，并通过LOD现场总线向上一级中控机及时反馈液控蝶阀的开启状况、管道压力及电机转速。

    ⑶在执行程序时，不断检测各种传感器信号，执行各种中断程序，保证机电设备的安全运行。中断程序主要包括：①突然停机时对出水液控蝶阀的关闭控制；②中央控制室对液控蝶阀的控制命令；③开机时对液控蝶阀的开启命令；④液控蝶阀系统的自检。

    ⑷按照程序的控制要求，循环不断地执行程序。

    2.2 硬件设计

    该系统硬件由基本系统、驱动电路[1]、采样电路、显示与键盘扫描电路4部分组成。

    ⑴基本系统。该系统设立了5位显示器和6个按键。显示器可以显示设备的工作状态、设置值、各种测量值和信号事故的报警报表；6个按键分别为启动、复位、菜单、置数功能键、手动自动选择模式和上下移动功能键。设计用串行输入、并行输出移位寄存器74LSl64连接LED显示器与键盘。系统原理图如图1所示。

图1 系统示意图

    ⑵驱动电路（图2）。液控阀电动机由8031单片机P1，P2控制，该信号经过74SLS04反向[3]再经过MC1413驱动固态继电器SP2210，控制异步调频电动机。

图2 驱动电路示意图

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    2.3 软件设计

    系统上电复位后从8000H单元开始执行程序。首先进行系统初始化，然后进行显示程序调用、键扫描及按键处理程序调用。系统可对各种控制参数进行调整，当按启动键后，程序进入工作状态，实现对液控蝶阀的各种控制监测（图3）。

图3 主程序

    在设计程序时，利用8031的定时器跟踪程序实现了干扰自动保护。当程序正常时，定时器不断复位；当出现干扰使程序出错时，定时器便使程序返回到出错点，从而使程序继续运行。

    对程序进行初始化后，主程序执行扫描键盘及中断程序，完成系统的复位。中断程序是整个控制系统的主体部分，在接受各种控制命令的同时启动A/D转换，读入采样数据，对采样数据进行计算，当计算值越限时，输出驱动脉冲，通过驱动电路启动液控阀电动机。系统从中断服务程序返回后，便可恢复现场并返回主程序以等待下次中断（图4-5）。图4中，Q为管道设定承受压力，P′为管道测定压力。图5中，P为装在管道上的传感器测定的压力。

图4 事故中断子程序

图5 正常开机中断子程序

    3 设计特点

    ⑴智能型。在事故停机的情况下，为了防止水锤的产生，液控蝶阀的控制系统采用闭环控制，其反馈环节采用模糊参数自适应PID控制器，其特点是结构清晰、参数可调，可无需在事前知道对方数学模型，就能对液控蝶阀闸板的开启与关闭角度进行自动控制，最大可能地防止了水锤的产生。采用智能型传感器对数据进行采集，其单独带有CPU处理器，能对采集的数据进行数字滤波优化处理，提高了数据的准确性及抗干扰性。

    ⑵网络型。①资源共享，液控蝶阀的单片机控制系统能通过LOD现场总线与整个泵站的中央控制计算机系统进行联网，组成泵站的局域网，同时还可以通过泵站的通信交换设备与远方的调度中心实现数据交换等通信功能，实现了资源共享。②超越了空间与时间障碍，实现了远方调度中心对液控阀的调节、控制及状态监测。

    ⑶自动型。单片机对采集的数据进行处理后，利用单片机的执行程序把处理后的数据与设定的参数进行比较，实现了对液控蝶阀的控制与调节[3]。该系统可对液控蝶阀的控制系统进行自检，使系统易于维护与调试，同时单片机的程序带有“看门狗”（watchdog）功能，从而保证了程序的可靠性。

    4 结语

    该系统在固海扬水扩灌八泵站的一台液控蝶阀机组上投入试运行。在运行中能与泵站中央控制系统实现互联互通，可以完成电机转速、压力管道的数据、液控阀故障报警的上传。在正常开机时，电机运行平稳，电流波动小，电机水泵振动小。在模拟的事故停机情况下，该系统能及时可靠的动作，防止了水锤的产生，使电机转速与压力管道承压都能满足设备运行的安全要求。该系统性能可靠，操作也很方便，减轻了水锤对压力管道和机组安全运行的影响，极大地提高了设备的自动化程度。