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摘要：针对普通型阀门电动装置的阀门开度测量系统的实际使用问题，把以旋转电位器作为传感器的阀门开度测量系统改造为以增量式旋转编码器为传感器的阀门开度测量系统。改造后的阀门开度测量系统克服了旧系统存在的零飘、测量准确度低、使用寿命短等缺点，提高了阀门开度测量的准确度和可靠性。
关键词：增量式旋转编码器；旋转电位器；脉冲计数器；阀门电动装置
Abstract: based on the common type valve electric device valve opening the actual use of the measurement system, the rotation of the valve as the sensor potentiometer opening measurement system to transform for incremental rotary encoder valve opening for sensors measuring system. After the transformation of the valve opening measurement system overcome the old system is zero drift, the measurement accuracy, low use short life shortcomings, improve the valve opening measurement accuracy and reliability.
Keywords: incremental rotary encoder; Rotating potentiometer; Pulse counter; Valve electric device
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1. 背景
广州市西江引水工程自广东省佛山市三水区境内下陈村的西江取水，输水至广州市自来水公司的江村水厂、石门水厂及西村水厂。工程由取水泵站、输水干线、配水泵站、配水支线组成。其中配水泵站功能是将原水通过调度分配给三间水厂，而三间水厂原水水量分配除了通过调度各支线上配水泵组实现外，还可以通过打开和调节原水管线上的各支线超越阀门的开度实现原水量分配。配水泵站管网示意图如图1所示。
图1 配水泵站管网示意图
要实现三间水厂原水量通过超越阀门进行分配，实现配水节能。关键点是超越阀门的开度必须准确、稳定地反馈给计算机，才能按水量有效控制和调节阀门开度。
2. 改造前状况
配水泵站管网所使用的阀门电动装置均为普通型，电动装置有开尽、关进、开过扭、关过扭等开关信號反馈，还有阀门开度反馈信号。该普通型电动装置的阀门开度测量系统工作原理为电动装置齿轮组带动精密旋转电位器，电位器的阻值随着阀门打开或关闭而发生改变，其改变的电阻值输入到变送器转换成4~20mA的模拟量信号，模拟量信号再传送给PLC进行角度转换，从而实现了阀门角度反馈，其结构框图见图2。此种阀门开启角度测量系统结构简单，但由于旋转电位器为机械接触式测量，电动装置安装阀门井内，旋转电阻容易受潮和容易磨损，系统的可靠性差。时间长了，系统在测量过程中还存在零点漂移、测量的准确度低、系统的寿命短等问题。因此，原有阀门电动装置的阀门开度测量系统不能稳定、准确、可靠地反馈阀门的开度，从而不适应配水泵站超越运行的自控要求。
图2 阀门开度测量系统结构框图
3. 解决措施
为了解决目前原有阀门电动装置存在的问题，提出一以下方案进行比较：
1） 把原有普通型阀门电动装置更换为智能型阀门电动装置，智能型阀门电动装置测量控制系统结构复杂，使用环境要求较高，具有总线控制功能，能准确反馈阀位信号，能满足阀门角度自动控制的要求。但该方案投资较大，且原有阀门电动装置变为积压物品，会造成极大浪费。
2） 对原有普通型阀门电动装置进行改造，保留其原有开尽、关进、开过扭、关过扭等开关信号的反馈功能，更换电动装置阀位测量的齿轮组，以增量型旋转编码器替换旋转电阻作为阀位测量的传感器，并将传感器输出的脉冲信号传输到脉冲计数器，由脉冲计数器转换成4~20mA的模拟量信号反馈给PLC进行角度转换。该测量系统测量结构简单，可靠性好、测量的准确度高，系统中增量型旋转编码器和脉冲计数器价格便宜，改造方案的投资小，且原有阀门电动装置通过改造能继续使用。因此，选用增量型旋转编码器和脉冲计数器组成的阀门开度测量系统比较合理、经济。
4. 改造后的阀门开度测量系统的组成及工作原理
4.1阀门开度测量系统的组成
阀门开度测量系统主要由齿轮组、联轴器、增量式旋转编码器、脉冲计数器和PLC组成，其框图见图3。
图3 阀门开度测量系统结构框图
4.2增量式旋转编码器工作原理
增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。增量式旋转编码器原理示意图见图4。
图4 增量式旋转编码器原理示意图
4.3阀门开度测量系统的工作原理
用联轴器将阀门电动装置齿轮组与增量式旋转编码器连接起来，齿轮往复旋转带动旋转编码器旋转，其旋转时旋转编码器的A相或B相所产生的脉冲数字信号送入脉冲计数器进行脉冲数量增或减（脉冲数的增或减即为阀门打开或关闭），脉冲计数器把脉冲数转换为对应的4~20mA电信号送到PLC可编程控制器，由PLC可编程控制器将该模拟量信号转换为角度值输出到人机界面。系统接线原理如图54所示。
图5 新的阀门开度测量系统接线原理图
4.4 旋转编码器的使用注意事项
旋转编码器安装时，不要给转轴施加直接的冲击。旋转编码器与机器的连接，应使用柔性联轴器。在轴上安装联轴器时，不要硬压入，即使使用联轴器，因安装不良，也有可能给轴加上比允许负载更大的负荷，造成拔芯现象。旋转编码器在外壳和电气回路间有500V的耐压，但如果加压方法有误，则可能损坏内部电子电路，因此一般不要用兆欧表进行测试。加在旋转编码器上的振动，往往会成为脉冲误发生的原因，因此对设备场所应加以注意。旋转编码器分辨率越高，越容易受到振动的影响，在选型时也要根据实际情况选用合适分辨率的旋转编码器，避免盲目追求高分辨率的旋转编码器。
4.5旋转编码器输出信号噪声抑制方法
电缆配线不要与动力线平行，不要与动力线安装在同一管道内。避免在电焊机、电炉等附近使用，必要时可以采用屏蔽电缆。
4.6新的阀门开度测量系统使用测量结果
改造后的阀门开度测量系统经过一年的实际运行证明：该系统运行稳定、运行情况良好、经过鉴定测量最大相对误差小于±1%，其运行稳定性、使用寿命和准确度是采用旋转电位器作为传感元件的阀门开度测量系统无法比拟的。
4.7应用推广
改造后的阀门开度测量系统在配水泵站超越阀门上改造应用，使用效果良好，将新的阀门开度测量系统应用到泵组出水阀门电动装置的改造上，实现阀门开度自动调节泵组流量的功能，对开展泵组效率测试有较大帮助，提高工作效率。
5. 小结
新的阀门开度测量系统应用到阀门电动装置改造上，在实际运行中，其测量的准确度和系统的可靠性都有明显的提高，而且为阀门自动化控制提供可靠、准确的反馈。系统的改造具有成本低，结构简单，使用寿命长、维护方便的特点，具有较高的推广价值。
参考文献：
[1] 于晓东，胡大欣.旋转编码器在回转体回转角度测量中的应用[J].林业机械与木工设备.
[2] 戴新敏，陆荣.旋转编码器的应用[j].高新技术.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：增量式旋转编码器；旋转电位器；脉冲计数器；阀门电动装置
Abstract: based on the common type valve electric device valve opening the actual use of the measurement system, the rotation of the valve as the sensor potentiometer opening measurement system to transform for incremental rotary encoder valve opening for sensors measuring system. After the transformation of the valve opening measurement system overcome the old system is zero drift, the measurement accuracy, low use short life shortcomings, improve the valve opening measurement accuracy and reliability.
Keywords: incremental rotary encoder; Rotating potentiometer; Pulse counter; Valve electric device
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
1. 背景
广州市西江引水工程自广东省佛山市三水区境内下陈村的西江取水，输水至广州市自来水公司的江村水厂、石门水厂及西村水厂。工程由取水泵站、输水干线、配水泵站、配水支线组成。其中配水泵站功能是将原水通过调度分配给三间水厂，而三间水厂原水水量分配除了通过调度各支线上配水泵组实现外，还可以通过打开和调节原水管线上的各支线超越阀门的开度实现原水量分配。配水泵站管网示意图如图1所示。
图1 配水泵站管网示意图
要实现三间水厂原水量通过超越阀门进行分配，实现配水节能。关键点是超越阀门的开度必须准确、稳定地反馈给计算机，才能按水量有效控制和调节阀门开度。
2. 改造前状况
配水泵站管网所使用的阀门电动装置均为普通型，电动装置有开尽、关进、开过扭、关过扭等开关信號反馈，还有阀门开度反馈信号。该普通型电动装置的阀门开度测量系统工作原理为电动装置齿轮组带动精密旋转电位器，电位器的阻值随着阀门打开或关闭而发生改变，其改变的电阻值输入到变送器转换成4~20mA的模拟量信号，模拟量信号再传送给PLC进行角度转换，从而实现了阀门角度反馈，其结构框图见图2。此种阀门开启角度测量系统结构简单，但由于旋转电位器为机械接触式测量，电动装置安装阀门井内，旋转电阻容易受潮和容易磨损，系统的可靠性差。时间长了，系统在测量过程中还存在零点漂移、测量的准确度低、系统的寿命短等问题。因此，原有阀门电动装置的阀门开度测量系统不能稳定、准确、可靠地反馈阀门的开度，从而不适应配水泵站超越运行的自控要求。
图2 阀门开度测量系统结构框图
3. 解决措施
为了解决目前原有阀门电动装置存在的问题，提出一以下方案进行比较：
1） 把原有普通型阀门电动装置更换为智能型阀门电动装置，智能型阀门电动装置测量控制系统结构复杂，使用环境要求较高，具有总线控制功能，能准确反馈阀位信号，能满足阀门角度自动控制的要求。但该方案投资较大，且原有阀门电动装置变为积压物品，会造成极大浪费。
2） 对原有普通型阀门电动装置进行改造，保留其原有开尽、关进、开过扭、关过扭等开关信号的反馈功能，更换电动装置阀位测量的齿轮组，以增量型旋转编码器替换旋转电阻作为阀位测量的传感器，并将传感器输出的脉冲信号传输到脉冲计数器，由脉冲计数器转换成4~20mA的模拟量信号反馈给PLC进行角度转换。该测量系统测量结构简单，可靠性好、测量的准确度高，系统中增量型旋转编码器和脉冲计数器价格便宜，改造方案的投资小，且原有阀门电动装置通过改造能继续使用。因此，选用增量型旋转编码器和脉冲计数器组成的阀门开度测量系统比较合理、经济。
4. 改造后的阀门开度测量系统的组成及工作原理
4.1阀门开度测量系统的组成
阀门开度测量系统主要由齿轮组、联轴器、增量式旋转编码器、脉冲计数器和PLC组成，其框图见图3。
图3 阀门开度测量系统结构框图
4.2增量式旋转编码器工作原理
增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。增量式旋转编码器原理示意图见图4。
图4 增量式旋转编码器原理示意图
4.3阀门开度测量系统的工作原理
用联轴器将阀门电动装置齿轮组与增量式旋转编码器连接起来，齿轮往复旋转带动旋转编码器旋转，其旋转时旋转编码器的A相或B相所产生的脉冲数字信号送入脉冲计数器进行脉冲数量增或减（脉冲数的增或减即为阀门打开或关闭），脉冲计数器把脉冲数转换为对应的4~20mA电信号送到PLC可编程控制器，由PLC可编程控制器将该模拟量信号转换为角度值输出到人机界面。系统接线原理如图54所示。
图5 新的阀门开度测量系统接线原理图
4.4 旋转编码器的使用注意事项
旋转编码器安装时，不要给转轴施加直接的冲击。旋转编码器与机器的连接，应使用柔性联轴器。在轴上安装联轴器时，不要硬压入，即使使用联轴器，因安装不良，也有可能给轴加上比允许负载更大的负荷，造成拔芯现象。旋转编码器在外壳和电气回路间有500V的耐压，但如果加压方法有误，则可能损坏内部电子电路，因此一般不要用兆欧表进行测试。加在旋转编码器上的振动，往往会成为脉冲误发生的原因，因此对设备场所应加以注意。旋转编码器分辨率越高，越容易受到振动的影响，在选型时也要根据实际情况选用合适分辨率的旋转编码器，避免盲目追求高分辨率的旋转编码器。
4.5旋转编码器输出信号噪声抑制方法
电缆配线不要与动力线平行，不要与动力线安装在同一管道内。避免在电焊机、电炉等附近使用，必要时可以采用屏蔽电缆。
4.6新的阀门开度测量系统使用测量结果
改造后的阀门开度测量系统经过一年的实际运行证明：该系统运行稳定、运行情况良好、经过鉴定测量最大相对误差小于±1%，其运行稳定性、使用寿命和准确度是采用旋转电位器作为传感元件的阀门开度测量系统无法比拟的。
4.7应用推广
改造后的阀门开度测量系统在配水泵站超越阀门上改造应用，使用效果良好，将新的阀门开度测量系统应用到泵组出水阀门电动装置的改造上，实现阀门开度自动调节泵组流量的功能，对开展泵组效率测试有较大帮助，提高工作效率。
5. 小结
新的阀门开度测量系统应用到阀门电动装置改造上，在实际运行中，其测量的准确度和系统的可靠性都有明显的提高，而且为阀门自动化控制提供可靠、准确的反馈。系统的改造具有成本低，结构简单，使用寿命长、维护方便的特点，具有较高的推广价值。
参考文献：
[1] 于晓东，胡大欣.旋转编码器在回转体回转角度测量中的应用[J].林业机械与木工设备.
[2] 戴新敏，陆荣.旋转编码器的应用[j].高新技术.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。