［摘 要］電動(dòng)閥門是工業(yè)生產(chǎn)中的一類常用設(shè)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(lái)，隨著應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)高精度控制要求的日益提升，傳統(tǒng)的電動(dòng)閥門難以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)化需求，迫切需要通過應(yīng)用智能一體化技術(shù)，全面提升電動(dòng)閥門的智能化水平。文章基于智能一體化控制技術(shù)，分別從基本結(jié)構(gòu)和組成、主要特征、總體設(shè)計(jì)方案、軟硬件設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)方面對(duì)智能一體化電動(dòng)閥門裝置進(jìn)行了分析與說明，實(shí)現(xiàn)了該電動(dòng)閥門的控制過程計(jì)算機(jī)化、通訊功能數(shù)字化、監(jiān)測(cè)操作遠(yuǎn)程化、故障維修透明化。

［關(guān)鍵詞］智能一體化；電動(dòng)閥門；控制系統(tǒng)

［中圖分類號(hào)］TH134 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］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(dǎo)流、調(diào)節(jié)等多重功能，并具有多種控制方式，如液動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)等。其中電動(dòng)閥門由電動(dòng)執(zhí)行器和閥門組成，利用電能作為動(dòng)力并通過電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)動(dòng)作。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，電動(dòng)閥門作為流體控制系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)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(yīng)速度慢、精度不高等問題，為解決該類問題，智能一體化電動(dòng)閥門裝置得到了迅速發(fā)展，智能一體化電動(dòng)閥門裝置具有通信數(shù)字化、控制科學(xué)化、診斷智能化、構(gòu)造一體化等特點(diǎn)，研究人員針對(duì)該技術(shù)開展了大量的研究工作，以提升電動(dòng)閥門的高效性和穩(wěn)定性。

在現(xiàn)代生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)閥門裝置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)堅(jiān)持可靠性、穩(wěn)定性、適用性原則，以應(yīng)對(duì)工業(yè)環(huán)境的實(shí)際需求，以期為電動(dòng)閥門裝置的智能化應(yīng)用提供一種新的解決方案，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提升。

1 智能一體化電動(dòng)閥門裝置的基本結(jié)構(gòu)和組成

智能一體化電動(dòng)閥門裝置以其先進(jìn)的設(shè)計(jì)和智能化特征，為流體控制系統(tǒng)帶來(lái)了全新的性能升級(jí)。智能一體化電動(dòng)閥門裝置主要包括電動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的精準(zhǔn)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(shí)時(shí)采集工作環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，智能控制單元進(jìn)行分析處理，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的工況信息，使閥門能夠智能響應(yīng)不同工況的需求。

（3）智能控制單元。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，控制單元能夠迅速響應(yīng)并調(diào)整電動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門位置的精準(zhǔn)控制。該控制單元還支持多種控制策略，以適應(yīng)不同工業(yè)場(chǎng)景的需求。

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

2 智能一體化電動(dòng)閥門裝置的主要特征

2.1 數(shù)字化通訊

智能化電動(dòng)閥門的運(yùn)作是通過電波與上位機(jī)建立連接。采用數(shù)字通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)或設(shè)備的高效連接，例如，使用現(xiàn)代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議（如Modbus、Profibus、CAN 等）。上位機(jī)利用已有的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生可尋址的數(shù)字信號(hào)，并將其傳送至智能一體化電動(dòng)閥門。電動(dòng)閥門作為電力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)與運(yùn)行控制。與傳統(tǒng)的電動(dòng)閥門運(yùn)作方式相比，智能一體化電動(dòng)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(dòng)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(qiáng)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(jī)構(gòu)。微處理器發(fā)出控制信號(hào)后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)有效地調(diào)節(jié)以驅(qū)動(dòng)閥門。在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中增設(shè)伺服放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制。在傳統(tǒng)模式下，進(jìn)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(lái)完成。然而，智能一體化電動(dòng)閥門集成先進(jìn)的控制算法，如PID（比例– 積分– 微分）控制，以確保對(duì)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(yīng)控制功能，可根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整控制策略，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和性能。隨著電動(dòng)閥門的科技化發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的調(diào)節(jié)和控制，無(wú)需繁瑣的手動(dòng)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(dòng)閥門在發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，通常需要系統(tǒng)進(jìn)行故障處理、診斷與維護(hù)，以保證電動(dòng)閥門的穩(wěn)定性。而智能一體化電動(dòng)閥門采用更先進(jìn)的自診斷系統(tǒng)，能夠自動(dòng)檢測(cè)電動(dòng)閥門的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)識(shí)別潛在的故障或異常情況。在發(fā)生故障或異常時(shí)，能夠生成準(zhǔn)確的故障報(bào)警信息，并提供詳細(xì)的報(bào)告，便于快速定位和解決問題。通過將感應(yīng)器設(shè)置在驅(qū)動(dòng)裝置上，感應(yīng)器能夠接收異常數(shù)據(jù)信號(hào)，并進(jìn)行詳細(xì)的分析和診斷。一旦檢測(cè)到運(yùn)行命令與設(shè)備自身狀態(tài)存在差異，系統(tǒng)會(huì)立即展開對(duì)異常狀況的檢測(cè)。這種自動(dòng)診斷系統(tǒng)有助于提高對(duì)電動(dòng)閥門運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，快速識(shí)別任何潛在問題，從而有效降低系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 一體化結(jié)構(gòu)

智能一體化電動(dòng)閥門采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將控制元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥門智能一體化的過程中，應(yīng)保證電動(dòng)閥門和自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步，以保障電動(dòng)閥門智能化水平。另外，電動(dòng)閥門采用一體化的結(jié)構(gòu)，將其與整個(gè)控制回路一同設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅確保了系統(tǒng)的整體性，同時(shí)也有助于控制系統(tǒng)的方便安裝和操作。通過將電動(dòng)閥門與控制回路集成在一起，有助于簡(jiǎn)化安裝和維護(hù)過程，減少不同部件之間的連接點(diǎn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

3 智能一體化電動(dòng)閥門裝置總體設(shè)計(jì)方案

3.1 工作原理

文章設(shè)計(jì)的智能一體化電動(dòng)閥門裝置主要應(yīng)用于煤礦防塵供水體系，以井底壓力值為主要依據(jù)，對(duì)閥門開合角度進(jìn)行智能化的精準(zhǔn)控制，使得井上供水與井底用水量實(shí)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(jìn)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(jì)算壓力差，產(chǎn)生控制信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)閥門開度的智能化調(diào)節(jié)。

3.2 總體結(jié)構(gòu)

智能一體化電動(dòng)閥門裝置主要包括壓力傳感器、控制裝置、手動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)壓力顯示模塊處理后供巡檢人員檢測(cè)水壓；再通過光纖轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，并傳送至智能控制裝置；將實(shí)測(cè)壓力值與預(yù)定壓力值進(jìn)行對(duì)比，采用PID 和模糊控制算法，計(jì)算電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的需要的脈沖數(shù)，利用PLC 驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)智能裝置發(fā)出的信號(hào)帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)；控制裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，手動(dòng)蝶閥主要起保護(hù)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(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法，具有使用簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、控制精度高等特點(diǎn)。在應(yīng)用該算法時(shí)，需要控制參數(shù)在特定范圍內(nèi)，一旦超出范圍，會(huì)導(dǎo)致PID控制失效。模糊控制完全獨(dú)立于系統(tǒng)模型，具有動(dòng)態(tài)性、魯棒性、非線性等特性，通常單獨(dú)應(yīng)用該算法時(shí)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(yīng)用，將兩者的優(yōu)勢(shì)高效發(fā)揮出來(lái)，進(jìn)而達(dá)到精確控制的效果。

4 智能一體化電動(dòng)閥門裝置硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)原則

智能一體化電動(dòng)閥門裝置硬件設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜、細(xì)致的工作，涵蓋選件、各個(gè)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)堅(jiān)持復(fù)用原則和標(biāo)準(zhǔn)化原則。

4.1.1 復(fù)用原則

在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，應(yīng)考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)，盡可能把一次設(shè)計(jì)工作用于未來(lái)的設(shè)計(jì)中，減小硬件的改動(dòng)。因此，在硬件設(shè)計(jì)前需考慮到未來(lái)的復(fù)用需求，減小設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

4.1.2 標(biāo)準(zhǔn)化原則

標(biāo)準(zhǔn)化原則指在硬件設(shè)計(jì)中采用行業(yè)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)計(jì)和組件符合通用規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)化有助于提高裝置的兼容性，降低整體成本。通過使用標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議，裝置更容易與其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行集成。此外，標(biāo)準(zhǔn)化還有助于降低維護(hù)成本，使得設(shè)計(jì)更加規(guī)范、科學(xué)、合理。

4.2 硬件設(shè)計(jì)

井下控制器：PSoCCY8C29466 型；井上控制器：CPU226 型；液晶顯示模塊：LCD1602 型；運(yùn)用模糊PID 組合控制算法來(lái)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(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的隔離、轉(zhuǎn)換和分配；線性閥門電動(dòng)裝置：LC-150 型，電位器：導(dǎo)電塑料型電位器，以提高閥門開度的檢測(cè)精度；閥門驅(qū)動(dòng)器：MSa-3H110M 型。

5 電動(dòng)閥門智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能一體化電動(dòng)閥門裝置軟件設(shè)計(jì)過程可采取“自下而上”的設(shè)計(jì)方法，即先設(shè)計(jì)底層接口，再設(shè)計(jì)各功能模塊，然后逐步組合這些模塊以構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)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(kuò)展性。要求對(duì)所有信號(hào)在采納之后立即進(jìn)行分析和處理，全部解析完成之后進(jìn)行分類，然后將信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖輸出，控制電動(dòng)節(jié)流閥的運(yùn)動(dòng)，以便實(shí)時(shí)根據(jù)井下供水管道壓力調(diào)節(jié)電動(dòng)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(shè)計(jì)主要根據(jù)控制策略，以達(dá)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(yùn)算控制、報(bào)警保護(hù)3 個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)算所需的數(shù)值，以便于數(shù)字信號(hào)處理或運(yùn)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(hào)調(diào)理階段。A/D 轉(zhuǎn)換是模擬量處理的核心部分，這個(gè)過程涉及采樣和量化兩個(gè)主要步驟；在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前或之后，需要進(jìn)行一些信號(hào)調(diào)理操作，以確保模擬信號(hào)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(yùn)算控制。模糊PID 運(yùn)算控制是整個(gè)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(yùn)算控制主要原理在于對(duì)實(shí)際水壓進(jìn)行反饋，并與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。比較結(jié)果觸發(fā)脈沖信號(hào)的生成，PLC 負(fù)責(zé)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。通過這一過程，控制節(jié)流閥的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)控水流的開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)供水水流大小的精確控制。

（3）報(bào)警保護(hù)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，報(bào)警部分主要作用是保護(hù)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)作，避免出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

6 智能一體化電動(dòng)閥門裝置抗干擾設(shè)計(jì)

在智能一體化電動(dòng)閥門裝置電路中，引入干擾信號(hào)主要有3 個(gè)主要途徑，即電磁感應(yīng)、傳輸通道和電源線。通常情況下，通過電磁感應(yīng)進(jìn)入系統(tǒng)電路的干擾信號(hào)在強(qiáng)度上通常遠(yuǎn)小于從傳輸通道和電源線進(jìn)入的干擾信號(hào)。對(duì)于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾，可采取屏蔽和接地的方式來(lái)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(jìn)行電源線濾波和接地設(shè)計(jì)。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(hào)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(shè)計(jì)。布線時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選擇單面板，布線簡(jiǎn)單均勻，布線密度應(yīng)盡可能加寬印制導(dǎo)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(shè)計(jì)。加強(qiáng)受控設(shè)備與輸入輸出通道的隔離，可采用光電耦合器。

7 結(jié)束語(yǔ)

在基于智能一體化控制的電動(dòng)閥門裝置研究中，探討了智能一體化控制技術(shù)在閥門控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過整合數(shù)字通信、先進(jìn)控制算法、報(bào)警保護(hù)和一體化結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)閥門的智能化水平的提升。通過采用數(shù)字通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)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(yuǎn)程監(jiān)控與控制的能力，同時(shí)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(jìn)PID 控制算法和模糊控制算法，以確保對(duì)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(yīng)性。

智能控制一體化技術(shù)的融入為電動(dòng)閥門提供了自動(dòng)故障檢測(cè)和故障報(bào)警的能力，這不僅提高了系統(tǒng)的安全性，也減少了維護(hù)成本?？傊?，通過一體化設(shè)計(jì)，將控制元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jiǎn)化了安裝與維護(hù)的過程。

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