BR112018077370B1 - CONTROL SYSTEM FOR AN ELECTRIC ACTUATOR AND METHOD FOR CONTROLLING AN ELECTRIC ACTUATOR OF A CONTROL SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Um sistema de controle (1) é divulgado para um atuador eléctrico que compreende um motor eléctrico (4), uma fonte externa (7) de energia eléctrica, um dispositivo de armazenamento de energia (2) e um primeiro módulo de controle do motor (12) que controla o fornecimento de energia ao motor em operação normal. Um segundo módulo de controle de motor (15) controla o fornecimento de energia para o motor em modo à prova de falhas. O primeiro módulo de controle do motor (12) e o segundo módulo de controle do motor (15) são conectados em paralelo através de um comutador à prova de falhas (13) que é disposto para anular o controle executado pelo primeiro módulo de controle do motor (12) para definir o sistema de controle no modo à prova de falhas pela ativação do segundo módulo de controle do motor (15) em qualquer dos casos de: (i) o nível de energia no dispositivo de armazenamento de energia (2) atingir ou cair abaixo de um valor predeterminado, ou (ii) falha no fornecimento externo de energia (7), ou (iii) em resposta a um comando do operador (14). Um método para controlar um atuador elétrico em um sistema de controle (1) também é divulgado.A control system (1) is disclosed for an electric actuator comprising an electric motor (4), an external source (7) of electrical energy, an energy storage device (2) and a first engine control module ( 12) which controls the power supply to the engine in normal operation. A second engine control module (15) controls power supply to the engine in failsafe mode. The first engine control module (12) and the second engine control module (15) are connected in parallel through a fail-safe switch (13) which is arranged to override the control performed by the first engine control module. engine (12) to set the control system in failsafe mode by activating the second engine control module (15) in either case of: (i) the energy level in the energy storage device (2) reaching or falling below a predetermined value, or (ii) failure of the external power supply (7), or (iii) in response to an operator command (14). A method for controlling an electric actuator in a control system (1) is also disclosed.
Description
[001] A presente invenção refere-se a um sistema de controle para um atuador elétrico incluindo uma função à prova de falhas. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a um sistema de controle para um atuador elétrico que compreende um motor elétrico, um suprimento externo de energia elétrica, um dispositivo de armazenamento de energia carregável e um primeiro módulo de controle de motor que controla o fornecimento de energia ao motor em operação normal. A invenção também se relaciona a um método de controle de fornecimento de funcionalidade à prova de falhas em um atuador elétrico.[001] The present invention relates to a control system for an electric actuator including a failsafe function. More specifically, the present invention relates to a control system for an electric actuator comprising an electric motor, an external supply of electrical energy, a chargeable energy storage device and a first motor control module that controls the supply. power to the engine in normal operation. The invention also relates to a control method of providing fail-safe functionality in an electric actuator.
[002] Em muitas indústrias, não menos importante, quando se trabalha no fundo do mar, é essencial ter bons sistemas à prova de falhas. As Figuras 1 e 2 mostram exemplos de sistemas à prova de falhas conhecidos para válvulas que são usadas no fundo do mar. A Figura 1 mostra um sistema de controle em que a funcionalidade à prova de falhas é à base de código de software e comando de entrada (CMD) que pode ser liberado em conexão com um desligamento de processo (PSD). Pode ser um processo complicado e pesado para obter e atualizar um nível aceitável de segurança em um sistema à prova de falhas à base de software. A Figura 2 mostra um sistema em que a funcionalidade à prova de falhas é baseada em uma mola que conduz a válvula para uma posição à prova de falhas, a pedido de um desligamento do processo. Um sistema à base de molas pode ser complicado de implementar com atuadores giratórios multi-voltas. Além disso, um sistema à base de molas pode consumir espaço o que leva novamente a estruturas geralmente maiores.[002] In many industries, not least when working undersea it is essential to have good fail-safe systems. Figures 1 and 2 show examples of known failsafe systems for valves that are used on the seafloor. Figure 1 shows a control system where the failsafe functionality is based on software code and command input (CMD) that can be released in connection with a process shutdown (PSD). It can be a cumbersome and cumbersome process to get and update an acceptable level of security on a software-based fail-safe system. Figure 2 shows a system where the failsafe functionality is based on a spring that drives the valve into a failsafe position upon request of a process shutdown. A spring-based system can be tricky to implement with multi-turn rotary actuators. Furthermore, a spring-based system can be space consuming which again leads to generally larger structures.
[003] Há uma tendência na indústria submarina movendo em direção ao uso de atuadores elétricos em vez de atuadores hidráulicos. As baterias estão se tornando uma alternativa ao tanque de mola/pressão nos sistemas de segurança.[003] There is a trend in the subsea industry moving towards the use of electric actuators instead of hydraulic actuators. Batteries are becoming an alternative to the spring/pressure tank in security systems.
[004] Nos automóveis, é conhecido usar uma bateria em conexão ao sistema anti-travagem de bloqueio, por exemplo, usando baterias em sistemas de segurança e em sistemas que requerem tempo de atividade ou operação ininterrupta é conhecido. Por exemplo, a indústria de telecomunicações usa baterias como fonte de alimentação de emergência. Também é conhecido o uso de pilhas UPS (fonte de energia ininterrupta) para a operação de emergência.[004] In automobiles, it is known to use a battery in connection with the anti-lock braking system, for example, using batteries in security systems and in systems that require uptime or uninterrupted operation is known. For example, the telecommunications industry uses batteries as an emergency power source. It is also known to use UPS (uninterruptible power supply) batteries for emergency operation.
[005] Na indústria do petróleo, bem como em outros campos industriais, existe um foco maior na economia de custos e no aumento da complexidade das estruturas e sistemas de controle. Como consequência, existe a necessidade de soluções que forneçam estruturas e sistemas simplificados.[005] In the oil industry, as well as in other industrial fields, there is a greater focus on cost savings and on increasing the complexity of structures and control systems. As a consequence, there is a need for solutions that provide simplified structures and systems.
[006] É um objetivo da presente invenção fornecer um sistema de controle melhorado com uma função independente de segurança para atuadores operados eletricamente.[006] It is an object of the present invention to provide an improved control system with an independent safety function for electrically operated actuators.
[007] É um objetivo da presente invenção fornecer um sistema de controle e um método para um atuador elétrico que tenha uma função à prova de falhas que evite os potenciais perigos associados à atualização de software para funcionalidade à prova de falhas baseada em software.[007] It is an object of the present invention to provide a control system and a method for an electric actuator that has a failsafe function that avoids the potential dangers associated with upgrading software to software-based failsafe functionality.
[008] Para ser mais específico, a presente invenção fornece um sistema de controle para um atuador elétrico compreendendo um motor elétrico, um fornecimento externo de energia elétrica, um dispositivo de armazenamento de energia carregável e um primeiro módulo de controle do motor que controla o fornecimento de energia ao motor em operação normal. Um segundo módulo de controle de motor que controla o fornecimento de energia para o motor em modo à prova de falhas é disposto, em que o primeiro módulo de controle do motor e o segundo módulo de controle do motor são conectados em paralelo através de um comutador à prova de falhas que está disposto para anular o controle executado pelo primeiro módulo de controle do motor para definir o sistema de controle no modo à prova de falhas por meio da ativação do segundo módulo de controle do motor em ambos os casos do nível de energia no dispositivo de armazenamento de energia atingindo, ou caindo abaixo, de um valor predeterminado, ou falha no suprimento externo de energia, ou em resposta a um comando do operador.[008] To be more specific, the present invention provides a control system for an electric actuator comprising an electric motor, an external supply of electrical energy, a chargeable energy storage device and a first motor control module that controls the power supply to the engine in normal operation. A second engine control module which controls power supply to the engine in failsafe mode is arranged, wherein the first engine control module and the second engine control module are connected in parallel via a switch failsafe that is arranged to override the control performed by the first engine control module to set the control system in failsafe mode by activating the second engine control module in both power level cases in the energy storage device reaching or falling below a predetermined value, or failure of the external power supply, or in response to an operator command.
[009] Uma forma de realização desta solução prevê que o primeiro módulo de controle do motor está disposto para controlar o fornecimento de energia ao motor através da execução de instruções de software codificados, enquanto que o segundo módulo de controle do motor está disposto para controlar o fornecimento de energia ao motor como pré- determinado pela funcionalidade incorporada de seus componentes.[009] An embodiment of this solution provides that the first engine control module is arranged to control the power supply to the engine by executing coded software instructions, while the second engine control module is arranged to control the power supply to the engine as predetermined by the built-in functionality of its components.
[0010] A presente invenção fornece uma funcionalidade robusta à prova de falhas que opera independentemente do software de controle.[0010] The present invention provides robust failsafe functionality that operates independently of the control software.
[0011] Uma outra forma de realização prevê que um módulo de acionamento do motor é disposto para modulação da energia fornecida para o motor de acordo com a entrada a partir do primeiro módulo de controle do motor implementado por software em funcionamento normal, ou de acordo com a entrada a partir do segundo módulo de controle do motor operado por hardware em modo à prova de falhas.[0011] Another embodiment provides that an engine drive module is arranged for modulating the energy supplied to the engine according to the input from the first software-implemented engine control module in normal operation, or according to with input from the second hardware-operated engine control module in failsafe mode.
[0012] Uma forma de realização prevê que o status do nível de energia no dispositivo de armazenamento de energia é monitorado pelo módulo de acionamento do motor e relatado para o segundo módulo de controle do motor.[0012] One embodiment provides that the status of the energy level in the energy storage device is monitored by the engine drive module and reported to the second engine control module.
[0013] Outra forma de realização prevê que o status do nível de energia no dispositivo de armazenamento de energia é monitorado pelo segundo módulo de controle do motor.[0013] Another embodiment provides that the status of the energy level in the energy storage device is monitored by the second engine control module.
[0014] Em uma forma de realização da invenção, um sensor de efeito Hall é disposto de modo a detectar a posição de rotação do motor ou a posição de rotação de um eixo do motor. Em uma forma de realização da invenção, um módulo de resolução é disposto para detectar a posição de uma transmissão de engrenagem que está disposta para converter a rotação do motor em um movimento rotativo ou linear.[0014] In one embodiment of the invention, a Hall effect sensor is arranged to detect the rotational position of the motor or the rotational position of a motor shaft. In one embodiment of the invention, a resolution module is arranged to detect the position of a gear transmission that is arranged to convert motor rotation into rotary or linear motion.
[0015] A invenção, portanto, refere-se a um sistema de controle compreendendo uma função de segurança ativada em função do nível de energia no dispositivo de armazenamento de energia ou em função da perda de fornecimento de energia ou em resposta a um comando do operador.[0015] The invention therefore relates to a control system comprising a safety function activated as a function of the energy level in the energy storage device or as a function of loss of energy supply or in response to a command from the operator.
[0016] O sistema de controle compreende um módulo de controle de motor, alimentado por um dispositivo de armazenamento de energia, que liga e aciona o motor em uma posição segura em caso de emergência. Um caso de emergência ocorre, por exemplo, se o nível de tensão do dispositivo de armazenamento de energia estiver abaixo de um valor limiar predefinido ou se o suprimento externo de energia para o sistema de controle for perdido. Quando uma condição de emergência é detectada, um sinal de disparo é removido ou gerado, conforme o caso (isto é, equivalente a uma parada de emergência). Este módulo de controle de motor usa um circuito de controle de motor de hardware dedicado para operar o motor em uma posição à prova de falhas. Como o sistema está usando um circuito de hardware separado para controlar o motor no modo à prova de falhas, não é necessário considerar atualizações de software e similares.[0016] The control system comprises an engine control module, powered by an energy storage device, which turns on and drives the engine in a safe position in an emergency. An emergency case occurs, for example, if the voltage level of the energy storage device is below a predefined threshold value or if the external power supply to the control system is lost. When an emergency condition is detected, a trip signal is either removed or generated, as appropriate (ie equivalent to an emergency stop). This engine control module uses a dedicated hardware engine control circuit to operate the engine in a failsafe position. As the system is using a separate hardware circuit to control the motor in failsafe mode, it is not necessary to consider software upgrades and the like.
[0017] Em algumas formas de realização, o circuito de controle de motor de hardware no módulo de controle de motor é acionado eletronicamente.[0017] In some embodiments, the hardware motor control circuit in the motor control module is driven electronically.
[0018] O sistema de controle de válvula pode compreender um dispositivo de armazenamento de energia sendo uma bateria.[0018] The valve control system may comprise an energy storage device being a battery.
[0019] O sistema de controle de válvula pode compreender um dispositivo de armazenamento de energia sendo um supercapacitor.[0019] The valve control system may comprise an energy storage device being a supercapacitor.
[0020] A funcionalidade à prova de falhas pré-determinada do sistema de controle a torna útil para instalação submarina. O sistema de controle da invenção é útil em aplicações de válvulas submarinas ou baseadas em terra. Outras aplicações alternativas incluem, sem limitação, portões ou portas ou escotilhas, pistões ou parafusos, disjuntores, derivações ou comutadores, etc., que podem precisar ser movidos de um modo operativo para um modo de segurança em resposta a um dado parâmetro de processo.[0020] The predetermined failsafe functionality of the control system makes it useful for subsea installation. The control system of the invention is useful in subsea or land-based valve applications. Other alternative applications include, without limitation, gates or doors or hatches, pistons or screws, circuit breakers, taps or switches, etc., which may need to be moved from an operating mode to a safe mode in response to a given process parameter.
[0021] O sistema de controle, conforme descrito acima, permite a implementação de um novo método de controle para um atuador elétrico. Esse método é compreende: - dispor um segundo módulo de controle do motor em paralelo com o primeiro módulo de controle do motor, - configurar o segundo módulo de controle do motor para ser eficaz para controlar o fornecimento de energia ao motor em modo à prova de falhas, - conectar o primeiro e o segundo módulos de controle do motor ao motor por meio de um comutador à prova de falhas que responda ao status monitorado na energia fornecida e - comutação do controle de motor pelo primeiro módulo de controle do motor para o controle do motor pelo segundo módulo de controle do motor em resposta a um dos seguintes: (i) o nível de energia no dispositivo de armazenamento de energia que atinge ou cai abaixo de um valor predeterminado, ou (ii) falha no fornecimento externo de energia, ou (iii) em resposta a um comando do operador.[0021] The control system, as described above, allows the implementation of a new control method for an electric actuator. This method comprises: - arranging a second engine control module in parallel with the first engine control module, - configuring the second engine control module to be effective for controlling the power supply to the engine in a fireproof mode faults, - connecting the first and second engine control modules to the engine via a failsafe switch that responds to the monitored status on the supplied power, and - switching from engine control by the first engine control module to the control of the engine by the second engine control module in response to one of the following: (i) the energy level in the energy storage device reaching or falling below a predetermined value, or (ii) failure of the external energy supply, or (iii) in response to an operator command.
[0022] Formas de realização do método incluem a configuração do segundo módulo de controle de motor com componentes de estado sólido ou semicondutor, com funcionalidade incorporada pré-determinada.[0022] Embodiments of the method include configuring the second engine control module with solid-state or semiconductor components, with predetermined embedded functionality.
[0023] Formas de realização do método incluem a configuração do primeiro módulo de controle de motor para execução de instruções codificadas por software.[0023] Embodiments of the method include configuring the first engine control module to execute software-coded instructions.
[0024] Outras formas de realização incluem a disposição de um módulo de acionamento de motor para modulação de energia fornecida ao motor em resposta a comandos de entrada de um dos primeiro ou segundo módulos de controle de motor, separados no comutador à prova de falhas.[0024] Other embodiments include providing an engine drive module for modulating power supplied to the engine in response to input commands from one of the first or second engine control modules, separated in the failsafe switch.
[0025] Detalhes adicionais, formas de realização e vantagens proporcionadas pela invenção serão discutidos abaixo na descrição detalhada.[0025] Further details, embodiments and advantages provided by the invention will be discussed below in the detailed description.
[0026] A invenção será agora descrita com referência às figuras anexas, onde:[0026] The invention will now be described with reference to the attached figures, where:
[0027] - as Figuras 1 e 2 são dois exemplos do status da técnica que são brevemente discutidos acima, e[0027] - Figures 1 and 2 are two examples of the status of the technique that are briefly discussed above, and
[0028] - a Figura 3 mostra uma forma de realização de um sistema de controle de válvula que compreende a função à prova de falhas da presente invenção.[0028] - Figure 3 shows an embodiment of a valve control system comprising the failsafe function of the present invention.
[0029] A seguir, um sistema de controle para um atuador elétrico com funcionalidade à prova de falhas será descrito em conexão com uma instalação de válvula submarina. Não obstante, deve ser entendido que a presente invenção é útil também em relação a outras aplicações concebidas para fixar um elemento ou um aparelho no modo à prova de falhas.[0029] Below, a control system for an electric actuator with fail-safe functionality will be described in connection with a subsea valve installation. Nevertheless, it should be understood that the present invention is also useful in relation to other applications designed to fix an element or an apparatus in failsafe mode.
[0030] Na Figura 3, nela está representado um sistema de controle para um atuador elétrico em que a energia elétrica é armazenada em um dispositivo de armazenamento de energia (2), sendo a energia usada para acionar um mecanismo que controla a posição de uma haste de válvula em uma válvula (3).[0030] In Figure 3, a control system for an electric actuator is represented in which electrical energy is stored in an energy storage device (2), the energy being used to drive a mechanism that controls the position of a valve stem in a valve (3).
[0031] Um motor (4) é operativamente conectado à válvula (3) através de uma transmissão de engrenagem (5). O motor pode ser um motor de indução ou um motor de corrente contínua sem escovas (BLDC) ou de corrente alternada (BLAC). A transmissão de engrenagem (5) está disposta para conversão do movimento de rotação do motor com o torque e a direção necessária para a regulação da posição da válvula (3) entre posições aberta e fechada. O movimento de abertura ou fechamento pode ser linear ou rotativo conforme necessário em uma válvula de portão ou em uma válvula de estrangulamento, o que for apropriado para uma determinada aplicação.[0031] A motor (4) is operatively connected to the valve (3) through a gear transmission (5). The motor can be an induction motor or a brushless direct current (BLDC) or alternating current (BLAC) motor. The gear transmission (5) is arranged for converting the rotation movement of the engine with the torque and direction necessary for regulating the position of the valve (3) between open and closed positions. The opening or closing movement can be linear or rotary as required in a gate valve or a throttling valve, whichever is appropriate for a given application.
[0032] A liberação de energia para o motor é controlada por um conjunto de módulos compreendendo vários componentes mecânicos e eletrônicos. Estes componentes são configurados de modo a conduzir o motor de maneira controlada a um status e/ou posição pré-definida.[0032] The release of energy to the engine is controlled by a set of modules comprising various mechanical and electronic components. These components are configured so as to drive the motor in a controlled manner to a predefined status and/or position.
[0033] Os componentes eletrônicos têm um nível definido de confiabilidade que garante a disponibilidade necessária do sistema do qual o atuador elétrico de válvula faz parte. Os componentes eletrônicos podem ser testáveis para verificar se a funcionalidade está presente.[0033] The electronic components have a defined level of reliability that guarantees the necessary availability of the system of which the electric valve actuator is part. Electronic components can be testable to verify functionality is present.
[0034] O sistema de controle (1) compreende ainda um gerenciamento de energia (PM) e módulo de carga (6). O PM/módulo de carga (6) recebe energia de uma fonte externa através de uma linha de entrada de energia (7), e transforma esta energia para ser utilizável dentro do sistema de controle para carregar o dispositivo de armazenamento de energia (2). O PM/módulo de carga (6) pode ser disposto para receber energia de entrada de corrente contínua (CC) de um módulo de controle submarino (SCM, não mostrado na Figura 3). O PM/módulo de carga (6) pode conter, alternativamente, por exemplo, um conversor CA/CC e um transformador dispostos para a transformação de energia de entrada em uma tensão e corrente adequadas como alimentação de carregamento.[0034] The control system (1) also comprises an energy management (PM) and load module (6). The PM/load module (6) receives energy from an external source through a power input line (7), and transforms this energy to be usable within the control system to charge the energy storage device (2) . The PM/load module (6) can be arranged to receive direct current (DC) input power from a subsea control module (SCM, not shown in Figure 3). The PM/load module (6) may alternatively contain, for example, an AC/DC converter and a transformer arranged for transforming input power into a suitable voltage and current as a charging supply.
[0035] O dispositivo de armazenamento de energia (2) é realizado na forma de um acumulador (bateria ou capacitor). O dispositivo de armazenamento de energia (2) armazena energia e fornece essa energia, sob demanda, aos módulos e os dispositivos do sistema de controle (1).[0035] The energy storage device (2) is realized in the form of an accumulator (battery or capacitor). The energy storage device (2) stores energy and supplies this energy, on demand, to the modules and devices of the control system (1).
[0036] A distribuição interna de energia para o motor (4) para acionamento é fornecida a partir do dispositivo de armazenamento de energia (2), como ilustrado na Figura 3 por linhas duplas (8).[0036] The internal distribution of energy to the motor (4) for drive is provided from the energy storage device (2), as illustrated in Figure 3 by double lines (8).
[0037] Se apropriado, a distribuição de energia interna pode alternativamente incluir a derivação do dispositivo de armazenamento de energia (2) para uma distribuição direta de energia do PM/módulo de carga (6) para o motor (4) através de um módulo de acionamento de motor (16).[0037] If appropriate, the internal power distribution may alternatively include shunting the energy storage device (2) for a direct power distribution from the PM/load module (6) to the motor (4) via a module motor drive (16).
[0038] No sistema de controle (1), um módulo de controle do sistema (9) contém instruções codificadas por software para receber e executar comandos de um dispositivo externo (submarino ou superior, não mostrado na Figura 3) via linha de comunicação (10). O módulo de controle do sistema (9) é ainda disposto para relatar os dados do sensor detectados e o status da válvula ou do atuador da válvula de volta ao dispositivo externo. Os comandos recebidos no módulo de controle do sistema (9) são distribuídos pelos subsistemas relevantes através de uma rede de comunicação interna (11), por meio do qual os dados de status do sistema também podem ser retornados dos subsistemas para o módulo de controle do sistema (9). O módulo de controle do sistema (9) pode ser configurado para suportar qualquer tipo de protocolo de comunicação disponível para o lado externo e interno, submarino ou superior, módulos e dispositivos. O módulo de controle do sistema (9) pode ser disposto para comunicação externa através de qualquer interface de comunicação como RS-(485), barramento CAN (SIIS-level-(2)) ou Ethernet, por exemplo. A comunicação externa pode incluir, por exemplo, comunicação com um módulo eletrônico submarino (SEM), não mostrado no desenho.[0038] In the control system (1), a system control module (9) contains software-coded instructions for receiving and executing commands from an external device (submarine or higher, not shown in Figure 3) via a communication line ( 10). The system control module (9) is further arranged to report the detected sensor data and the status of the valve or valve actuator back to the external device. Commands received at the system control module (9) are distributed to the relevant subsystems via an internal communication network (11), by means of which system status data can also be returned from the subsystems to the system control module. system (9). The system control module (9) can be configured to support any type of communication protocol available for external and internal side, subsea or superior, modules and devices. The system control module (9) can be arranged for external communication through any communication interface such as RS-(485), CAN bus (SIIS-level-(2)) or Ethernet, for example. External communication may include, for example, communication with a subsea electronics module (SEM), not shown in the drawing.
[0039] O sistema de controle (1) compreende ainda um primeiro módulo de controle de motor implementado por software (12). O primeiro módulo de controle do motor (12) recebe comandos do módulo de controle do sistema (9) para ligar o motor, e assegura que o motor seja operado de acordo com os comandos, controlando o nível de energia fornecida ao motor a partir do dispositivo de armazenamento de energia (2). O primeiro módulo de controle de motor (12) é um controlador à base de software, cuja operação é ditada por código de software.[0039] The control system (1) further comprises a first engine control module implemented by software (12). The first engine control module (12) receives commands from the system control module (9) to start the engine, and ensures that the engine is operated according to the commands, controlling the level of energy supplied to the engine from the energy storage device (2). The first engine control module (12) is a software-based controller whose operation is dictated by software code.
[0040] O sistema de controle (1) compreende ainda um comutador à prova de falhas (13). O comutador à prova de falhas (13) tanto recebe como perde um sinal a partir de um dispositivo externo, e dependendo desta mudança de status do sinal, o comutador (13) garante que o primeiro módulo de controle do motor (12) seja isolado do controle do atuador, o primeiro módulo de controle do motor (12) não sendo mais capaz de executar controle do atuador (ou seja, alimentação do motor e controle da posição de, por exemplo, uma válvula).[0040] The control system (1) further comprises a failsafe switch (13). The failsafe switch (13) either receives or loses a signal from an external device, and depending on this signal status change, the switch (13) ensures that the first engine control module (12) is isolated of actuator control, the first motor control module (12) no longer being able to perform actuator control (i.e. motor power and position control of, for example, a valve).
[0041] O dispositivo externo para configurar o comutador à prova de falhas (13) no modo à prova de falhas pode ser um comando do operador (14).[0041] The external device for setting the failsafe switch (13) in failsafe mode can be an operator command (14).
[0042] O comutador à prova de falhas (13) recebe ainda um sinal ou uma mudança de status de sinal de um segundo módulo de controle do motor (15) para a função à prova de falhas (SIL, Nível de Integridade de Segurança). O segundo módulo de controle de motor (15) compreende um circuito de controle de motor de hardware que, de uma forma pré-determinada, controla a energia fornecida para o motor (4) a partir do dispositivo de armazenamento de energia (2). A função pré-configurada inclui um uso dedicado da energia remanescente no dispositivo de armazenamento de energia (2) após alcance ou passagem de um valor limiar de capacidade, ou um uso dedicado da energia no dispositivo de armazenamento de energia (2) após perda de energia externa (7). Esta função pré-configurada não é, portanto, dependente do software que é normalmente usado para controlar o motor através do primeiro módulo de controle do motor (12).[0042] The failsafe switch (13) further receives a signal or a signal status change from a second engine control module (15) for the failsafe function (SIL, Safety Integrity Level) . The second motor control module (15) comprises a hardware motor control circuit which, in a predetermined manner, controls the energy supplied to the motor (4) from the energy storage device (2). The preconfigured function includes a dedicated use of the energy remaining in the energy storage device (2) after reaching or passing a capacity threshold value, or a dedicated use of the energy in the energy storage device (2) after loss of external power (7). This pre-configured function is therefore not dependent on the software that is normally used to control the engine through the first engine control module (12).
[0043] Em termos gerais, o segundo módulo de controle de motor (15) é um circuito integrado que compreende componentes semicondutores com funcionalidade incorporado. Como usado na invenção, um “circuito de controle de motor de hardware” é para ser entendido brevemente como um controlador do motor, a operação do qual é determinada pela estrutura e funcionalidade incorporada de componentes de estado sólido ou de semicondutores, em vez de um controlador do motor cuja operação é ditada pelo código do software. O circuito de controle do motor do hardware pode incluir relés semicondutores e chaves no segundo módulo de controle do motor (15). O segundo módulo de controle do motor (15) pode ser configurado para fornecer para o motor (4) um torque e sentido de rotação do motor pré- determinados, desde que haja energia restante no dispositivo de armazenamento de energia (2) (bateria ou condensador).[0043] In general terms, the second engine control module (15) is an integrated circuit comprising semiconductor components with built-in functionality. As used in the invention, a "hardware motor control circuit" is to be understood briefly as a motor controller, the operation of which is determined by the structure and embedded functionality of solid state or semiconductor components, rather than a engine controller whose operation is dictated by software code. The hardware motor control circuit may include semiconductor relays and switches in the second motor control module (15). The second engine control module (15) can be configured to provide the engine (4) with a predetermined torque and direction of rotation of the engine, provided that there is energy remaining in the energy storage device (2) (battery or condenser).
[0044] Assim, sob comando do segundo módulo de controle do motor (15), o comutador à prova de falhas (13) realiza uma função pré- determinada que sobrepõe as instruções codificadas no software implementadas no primeiro módulo de controle de motor (12).[0044] Thus, under command of the second engine control module (15), the failsafe switch (13) performs a predetermined function that overrides the instructions encoded in the software implemented in the first engine control module (12) ).
[0045] Em outras palavras, o comutador à prova de falhas (13) é um seletor que é desencadeado por certos níveis de energia ou manualmente ou especial comando de software no modo de segurança, a fim de mudar de controle de motor operado por software para controle de motor operado por hardware.[0045] In other words, the failsafe switch (13) is a selector that is triggered by certain energy levels or manually or special software command in safe mode, in order to switch from software operated motor control for hardware operated motor control.
[0046] Exemplos de eventos que irão desencadear a função de segurança incluem, por exemplo, a perda de fornecimento de energia (possivelmente com um atraso para impedir eventos falsos), ou mediante o alcance ou a passagem de um nível mínimo de energia no dispositivo de armazenamento de energia (2) necessário para acionar a válvula para uma posição segura.[0046] Examples of events that will trigger the safety function include, for example, loss of power supply (possibly with a delay to prevent false events), or upon reaching or passing a minimum power level in the device energy storage device (2) required to drive the valve to a safe position.
[0047] O sistema de controle (1) compreende ainda um módulo de acionamento do motor (16) que modula a energia proveniente do dispositivo de armazenamento de energia (2) através da linha (8) e sendo fornecida ao motor (4) através de uma linha de fornecimento de energia (17).[0047] The control system (1) further comprises an engine drive module (16) that modulates the energy from the energy storage device (2) through the line (8) and being supplied to the engine (4) through from a power supply line (17).
[0048] O módulo de acionamento do motor (16) aplica a energia para o motor (4), quer de acordo com o sinal de entrada (19) a partir do primeiro módulo de controle de motor implementado por software (12) em operação normal, ou de acordo com a entrada de sinal (20) do módulo de controle de motor implementado por hardware (15) para a função de SIL em modo à prova de falhas, ou de acordo com a entrada do sinal de comando do operador (14). Os comandos de entrada de sinal (14, 19, 20) são encaminhados para o módulo da unidade de motor (16) por meio do comutador à prova de falhas (13) e uma linha de sinal (18). O comutador à prova de falhas (13), assim, bloqueia o trajeto de sinal (19) do primeiro módulo de controle do motor (12) se este receber, ou perder, um sinal do segundo módulo de controle do motor (15) através do trajeto (20) do sinal. Consequentemente, o primeiro módulo de controle do motor (12) e o segundo módulo de controle do motor (15) controlam, separadamente e individualmente, o fornecimento de energia ao motor (4) na dependência da posição do comutador à prova de falhas (13).[0048] The motor drive module (16) applies power to the motor (4) either according to the input signal (19) from the first software-implemented motor control module (12) in operation normal, or in accordance with the signal input (20) of the hardware-implemented engine control module (15) for the SIL function in failsafe mode, or in accordance with the operator command signal input ( 14). Signal input commands (14, 19, 20) are routed to the motor drive module (16) via the failsafe switch (13) and a signal line (18). The failsafe switch (13) thus blocks the signal path (19) from the first engine control module (12) if it receives, or loses, a signal from the second engine control module (15) via of the signal path (20). Consequently, the first engine control module (12) and the second engine control module (15) separately and individually control the power supply to the engine (4) depending on the position of the failsafe switch (13 ).
[0049] O módulo de acionamento do motor (16) pode ser disposto para regulação da direção rotacional, torque e velocidade do motor (4). Se o motor (4) for realizado como um motor BLDC por exemplo, o módulo de acionamento motorizado (16) pode incluir um controlador de corrente para regulação do torque, e um controlador de velocidade para regulação de amplitude na tensão aplicada. Assim, sem limitação, o módulo de acionamento de motor (16) pode compreender um módulo de modulação de largura de pulso, um conversor analógico-digital, temporizador, periféricos de comunicação, etc., como é conhecido no status da técnica dos controladores de sinal digital.[0049] The motor drive module (16) can be arranged to regulate the rotational direction, torque and speed of the motor (4). If the motor (4) is realized as a BLDC motor for example, the motor drive module (16) can include a current controller for torque regulation, and a speed controller for amplitude regulation in the applied voltage. Thus, without limitation, the motor drive module (16) may comprise a pulse width modulation module, an analog-to-digital converter, timer, communication peripherals, etc., as is known in the state of the art of drive controllers. digital signal.
[0050] O status operacional do módulo de acionamento motorizado (16) pode ser reportado de volta ao primeiro e ao segundo módulos de controle de motor (12 e 15) através das linhas de sinal de realimentação (21 e 22).[0050] The operational status of the motor drive module (16) can be reported back to the first and second motor control modules (12 and 15) through the feedback signal lines (21 and 22).
[0051] O status e o nível de energia no dispositivo de armazenamento de energia (2) podem ser relatados, através da rede de comunicação interna (11), para monitoramento pelo segundo módulo de controle de motor (15), como ilustrado através de linhas pontilhadas na Figura 3.[0051] The status and energy level in the energy storage device (2) can be reported, through the internal communication network (11), for monitoring by the second engine control module (15), as illustrated by dotted lines in Figure 3.
[0052] O módulo de acionamento de motor (16) pode, alternativamente, ser o meio físico que monitora o nível de energia disponível que pode ser entregue a partir do dispositivo de armazenamento de energia (2). O status do dispositivo de armazenamento de energia (2) pode então ser relatado ao primeiro e ao segundo módulos de controle de motor (12 e 15) através das linhas de sinal (21, 22).[0052] The motor drive module (16) may alternatively be the physical medium that monitors the level of available energy that can be delivered from the energy storage device (2). The status of the energy storage device (2) can then be reported to the first and second engine control modules (12 and 15) via signal lines (21, 22).
[0053] Embora aqui divulgados como unidades separadas fisicamente, o primeiro módulo de controle do motor (12), o segundo módulo de controle do motor (15) e o comutador à prova de falhas (13) podem, na prática, ser incorporados na mesma placa de circuitos. Um sensor Hall (23) pode ser arranjado para detectar a posição das partes rotativas do motor (4) ou do eixo do motor (24), e transmitir esta informação para o primeiro módulo de controle do motor (12) através de uma linha de sinal (25) para implementação no módulo de acionamento de motor (16) através da entrada (19) para o comutador à prova de falhas (13).[0053] Although disclosed here as physically separate units, the first engine control module (12), the second engine control module (15) and the failsafe switch (13) can, in practice, be incorporated into the same circuit board. A Hall sensor (23) can be arranged to detect the position of the rotating parts of the motor (4) or of the motor shaft (24), and transmit this information to the first motor control module (12) through a transmission line. signal (25) for implementation in the motor drive module (16) via the input (19) to the failsafe switch (13).
[0054] Um módulo de resolução (26) pode ser arranjado para detectar a posição giratória ou linear da transmissão da engrenagem (5), e transmitir esta informação para o primeiro módulo de controle do motor (12) através da linha de sinal (25) para implementação no módulo de acionamento do motor (16) através da entrada (19) para o comutador à prova de falhas (13).[0054] A resolution module (26) can be arranged to detect the rotary or linear position of the gear transmission (5), and transmit this information to the first engine control module (12) through the signal line (25 ) for implementation in the motor drive module (16) via the input (19) to the failsafe switch (13).
[0055] O sistema de controle de válvula e o método fornecem várias vantagens, como: - a função de segurança opera independentemente do software e, portanto, não pode ser substituída pelo mesmo software, - a função de segurança é pré-definida antes da atuação de uma válvula em posição à prova de falhas, - o software do sistema de controle não precisa ser qualificado para a funcionalidade SIL, - não é necessário considerar as atualizações de software para manter o SIL em uma função à prova de falhas.[0055] The valve control system and method provide several advantages, such as: - the safety function operates independently of the software and therefore cannot be replaced by the same software, - the safety function is pre-set before the actuation of a valve in a failsafe position, - the control system software does not need to be qualified for SIL functionality, - it is not necessary to consider software upgrades to keep the SIL in a failsafe function.
[0056] Do exposto acima, será apreciado que a invenção pode ser aplicada com sucesso a um atuador de válvula elétrica em uma instalação submarina, ou a um atuador de válvula elétrica em uma instalação terrestre. Será também prontamente apreciado que a invenção também pode ser aplicada com sucesso a um atuador elétrico para uma comporta, um pistão, uma válvula de esfera, uma válvula de encaixe ou um disjuntor, etc.[0056] From the above, it will be appreciated that the invention can be successfully applied to an electric valve actuator in a subsea installation, or to an electric valve actuator in an onshore installation. It will also be readily appreciated that the invention can also be successfully applied to an electric actuator for a gate, a piston, a ball valve, a plug valve or a circuit breaker, etc.
[0057] A partir da leitura da invenção, um técnico no assunto entenderá que a modificação da invenção na linguagem e no texto das reivindicações é possível e que qualquer modificação, mesmo que não esteja literalmente cumprindo a linguagem da reivindicação, é coberta pelo escopo de proteção conforme definido e permitido pelas reivindicações.[0057] From reading the invention, a person skilled in the art will understand that modification of the invention in the language and text of the claims is possible and that any modification, even if not literally complying with the language of the claim, is covered by the scope of protection as defined and permitted by the claims.
Claims (11)
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20161153 | 2016-07-11 | ||
| NO20161153 | 2016-07-11 | ||
| NO20171029 | 2017-06-23 | ||
| NO20171029A NO342871B1 (en) | 2016-07-11 | 2017-06-23 | Control system and method for an electric actuator with fail-safe functionality |
| PCT/EP2017/067290 WO2018011150A1 (en) | 2016-07-11 | 2017-07-10 | Control system and method for an electric actuator with fail-safe functionality |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BR112018077370A2 BR112018077370A2 (en) | 2019-07-16 |
| BR112018077370B1 true BR112018077370B1 (en) | 2023-07-04 |
Family
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