CN100513847C - 变频式智能型阀门电动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频式智能型阀门电动装置。它包括主控制器模块(1)、变频驱动模块(2)、异步电动机(3)、机械传动装置(4)、温度传感器(5)、多圈绝对式编码器(6)、液晶显示(7)和操作方式选择旋钮(8)。其主要特征是用变频驱动模块驱动异步电动机，用电量计算方式检测输出转矩，并用多圈绝对式编码器作为位置传感器，异步电动机中安装温度传感器。控制方式有本地控制，遥控操作，远程开关量控制，远程模拟量控制以及总线控制等多种控制模态。本发明具有体积小，可靠性高，可柔性开启、关闭阀门，有效消除“水锤”现象，转矩保护快速准确，易于网络化控制等优点。

Description

变频式智能型阀门电动装置

(一)技术领域

本发明涉及一种阀门电动装置，具体涉及一种变频式智能型阀门电动装置。

(二)背景技术

目前广泛采用的阀门电动装置，均采用交流电压直接驱动电动机，通过机械传动装置带动阀门运行，造成电动机起动电流成倍上升，同时在整个阀门运行过程中电机转速不变，阀门启闭速度不变，在对管网系统中较大口径的阀门在实施关闭时，极易产生水锤现象，使管网系统出现爆管等危险事故。

另一方面，现有电动装置均采用机械式转矩检测方式，容易受机械结构形变，环境温度变化等问题影响其检测精度，同时造成装置体积复杂。

再有，现有电动装置的阀门位置检测方法大多是采用齿轮传输、计数器放大，再经电位器、凸轮和触点后输出的，经过这样一个复杂的机电过程，其精度会发生很大扭曲，无法实现高精度测量，另外，由于受凸轮上机械触点的数目所限，其输出的检测值只能是断续的模拟信号，而间断的模拟信号无法满足网络化自动控制的要求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小，可靠性高，可柔性开启、关闭阀门，有效消除“水锤”现象，转矩保护快速准确，易于网络化控制的变频式智能型阀门电动装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括主控制器模块1、变频驱动模块2、异步电动机3、机械传动装置4、温度传感器5、多圈绝对式编码器6、液晶显示7和操作方式选择旋钮8，变频驱动模块2的输入端与交流电网相连，输出端与异步电动机3相连，异步电动机3轴端与机械传动装置4相连，其输出端连接阀门，多圈绝对式编码器6轴端与机械传动装置4主轴相连，变频驱动模块2与多圈绝对式编码器6的输出分别与主控制器模块1相连，温度传感器5设置在异步电动机3的内部，输出端与主控制器模块1相连，液晶显示7和操作方式选择旋钮8分别与主控制器模块1相连。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的主控制器模块1包括主处理器，分别连接主处理器的串行通讯接口电路，温度保护电路，SSI接口电路，旋钮开关信号输入隔离电路，遥控信号接收电路，远程控制信号输入隔离电路，电压/电流转换电路，电流/电压转换电路，CAN通信接口电路以及故障指示继电器组，其中，旋钮开关信号输入隔离电路，遥控信号接收电路和远程控制信号输入隔离电路经三个总线收发器连接到主处理器的数据总线上，并分别连接译码器IC5；

2、所述的温度保护电路包括由电容CT2-CT3，电阻RT9、电阻RT11以及基准电压源TL431和射极跟随器IC12A构成的电动机温度保护基准值电路，由电阻RT1-RT4、电阻RT41和放大器IC12B构成的信号放大电路和由比较器IC12C、电阻RT5-RT8构成的滞环比较电路组成，电动机温度保护基准值电路的输出连接比较器IC12C的同相输入端，温度传感器的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接滞环比较电路中比较器IC12C的反相输入端，滞环比较电路的输出端连接主处理器的一个输入接口；

3、所述的遥控信号接收电路包括译码芯片ICR1，连接译码芯片ICR1的振荡电阻RR1，上拉电阻RR2，三极管VT1和红外光信号接收器RVE，上拉电阻RR2的一端连接电源VCC，另一端分别连接译码芯片ICR1和三极管VT1，三极管VT1连接红外光信号接收器RVE，译码芯片ICR1接收红外信号接收器的信号后通过相应的输出管脚与总线收发器IC4B相连；

4、所述的旋钮开关信号输入隔离电路包括电阻RS1-RS3、电阻RS5、分别连接电阻RS1-RS3、电阻RS5的电容CS1-CS3、电容CS5和二极管DS1-DS3、二极管DS5、光电耦合器O1-O3、光电耦合器O5、电阻RO11-RO31、电阻RO51、电阻RO12-RO32、电阻RO52、电容CO1-CO3、电容CO5以及接插件JS1，电阻RS1-RS3、电阻RS5、电容CS1-CS3、电容CS5、二极管DS1-DS3、二极管DS5和光电耦合器O1-O3、光电耦合器O5构成光电隔离电路，电容CS1-CS3、电容CS5、二极管DS1-DS3、二极管DS5和光电耦合器O1-O3、光电耦合器O5分别并联连接，电阻RO11-RO31、电阻RO51、电阻RO12-RO32、电阻RO52和电容CO1-CO3、电容CO5构成低通滤波电路，光电耦合器O1-O3、光电耦合器O5分别连接电阻RO11-RO31、电阻RO51和电阻RO12-RO32、电阻RO52，电阻RO12-RO32、电阻RO52分别连接电容CO1-CO3、电容CO5，操作方式选择旋钮8的输出通过接插件JS1连接主控制器模块1，四路输入信号经光电隔离电路后与总线收发器IC4A的输入端相连；

5、所述的远程控制信号输入隔离电路包括由半波整流二极管DS61-DS121和电容CS61-CS121组成的交直流转换电路，由电阻RS6-RS12、电容CS6-CS12、二极管DS6-12以及光电耦合器O6-O12组成的光电隔离电路，上拉电阻RS61-RS121以及由电阻RS62-RS122和电容CC6-CC12组成的低通滤波电路，交直流转换电路的输出端连接光电隔离电路，光电隔离电路的输出端连接低通滤波电路，这七路信号低通滤波电路的输出端与总线收发器IC4C的输入端相连；

6、所述的变频驱动模块2包括：三相输入整流桥，直流电容，智能功率器件IPM，直流母线电压检测电路，光电隔离电路，输出电流检测电路以及中央处理器IC1和电源转换模块，三相整流桥输入端与电网输出端相连，输出端与直流滤波电容相连，并与智能功率器件IPM的输入端相连，智能功率器件IPM的输出端与异步电动机相连，直流滤波电容的两端并联电压检测电路，电压检测电路连接中央处理器IC1，中央处理器IC1经光电隔离电路连接智能功率器件IPM，智能功率器件IPM的输出端连接异步电动机3，同时经输出电流检测电路连接中央处理器IC1，中央处理器IC1连接主控制器模块1；

7、所述的输出电流检测电路包括电流检测霍尔器件HA，采样电阻RIA1、采样电阻RIA0，电阻RIA2和电容CIA1构成的低通滤波电路，射极跟随器ICH1A，电阻RIA3-RIA6构成的偏置电路，以及由电阻RIA7和锗二极管DIA1构成的限幅电路，交流电源连接霍尔器件，霍尔器件连接采样电阻，采样电阻连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接射极跟随器ICH1A的输入端，偏置电路连接运放ICH1B，运放ICH1B的输出经限幅电路连接中央处理器IC1的模数转换输入接口；

8、所述的直流母线电压检测电路由接插件JUDC，电压检测霍尔器件HVDC，限流电阻R1、限流电阻R5，采样电阻RDC0、采样电阻RDC1，由电阻RDC2和电容CD1组成的低通滤波电路，射极跟随器IC8A以及由电阻RDC3和锗二极管DUDC1组成的限幅电路构成，直流电压电信号连接接插件JUDC与电压检测霍尔器件HVDC，电压检测霍尔器件HVDC和限流电阻R1、限流电阻R5相连，限流电阻R1、限流电阻R5连接采样电阻RDC0、采样电阻RDC1和低通滤波电路，低通滤波电路连接射极跟随器IC8A和限幅电路后连接中央处理器IC1的另一个模数转换模块的输入接口；

9、所述的多圈绝对式编码器6包括单圈绝对式光电编码器和4个带有透光圆弧的减速齿轮以及至少一个光电转换传感器，机械传动装置4的输出主轴通过扇形齿轮与多圈绝对式编码器6的主轴相连，主轴连接单圈绝对式多圈编码器和4个减速齿轮。

本发明的特点有：

1、主控制器模块1与变频驱动模块2之间采用串行异步通讯方式(SCI)，通讯接口标准是RS485串行通讯接口。下行通讯内容包括开阀指令，关阀指令，停机指令，开阀速度，关阀速度，开阀转矩保护值，关阀转矩保护值；上行通讯内容包括阀门运行状态，电机运行电流，以及发生故障时的故障类型等；

2、采用变频驱动模块驱动异步电动机，简化了电动装置结构，并实现阀门的柔性开启与关闭，避免单一运行速度造成的水锤现象，同时转矩检测采用间接方式，即通过检测异步电动机的输入电流和直流母线电压，并采用自抗扰转矩辨识算法。通过计算获得机械传动装置的输出转矩；

3、采用多圈绝对式编码器作为位置传感器，其输出信号与主控制器模块1相连，采用工业同步串行数据通讯(SSI)标准；

4、液晶显示7采用低压低功耗的点阵式液晶模块，为蓝色背景灯，其固定在主控制模块中的电路板上；

5、具有总线控制功能，采用CAN总线通信协议，通过CAN通信接口电路与外部总线电路相连；

6、具有故障指示继电器组，能够通过参数设定，更改继电器信号跳变所对应的指示信息，故障指示继电器组及其驱动控制电路包含在主控制器模块1中。

本发明的优点有：采用高性能中央处理器、高精度传感器、先进的控制算法，具有多种控制模态的光机电一体化产品，有效解决了传统电动装置中的结构复杂、控制精度低、可靠性差、安全性不好等问题。具体体现在以下几方面：

(1)采用高性能中央处理器，实现了复杂的高精度控制算法和丰富的功能，实现了对阀门各种控制参数的可更改性操作，针对用户要求组合出最适合的工作方式；

(2)高精度的位置连续检测和转矩间接检测方式，大大降低了装置体积和成本，并提高了检测和控制精度，大幅提高装置运行可靠性；

(3)采用变频驱动方式驱动异步电动机，轻松实现阀门的柔性启闭，可以有效避免阀门在关闭过程中管网系统产生的水锤现象，从而保证了管网系统的安全运行；

(4)包括本地旋钮控制、遥控操作控制方式、远程模拟量控制方式、远程开关量控制方式以及远程总线控制方式在内的多种控制模态大大增强了装置的适应性，更加符合网络化自动控制的现代化工业生产的需要；

(5)完备的故障检测和多组故障信号输出继电器组，有效保证电动装置及阀门的安全。

本发明主要应用于流体管网的阀门控制，采用变频驱动模块驱动异步电动机，采用电量计算方式检测转矩，并用多圈绝对式编码器作为位置传感器，异步电动机中安装温度传感器。控制方式有本地控制，遥控操作，远程开关量控制，远程模拟量控制以及总线控制等多种控制模态，具有显著的经济和社会效益。

(四)附图说明

图1为变频式智能型阀门电动装置整体框图；

图2为主控制器模块原理框图；

图3为变频驱动模块原理框图；

图4为实施例的温度保护电路原理图；

图5为实施例的外部控制开关量信号隔离电路原理图；

图6-图9为实施例的变频驱动模块电路原理图，其中，图6为功率部分主电路原理图，图7为中央处理器及其外围电路原理图，图8为交流电流检测电路原理图，图9为直流母线电压检测模块的电路原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

结合图1，本实施例包括主控制器模块1、变频驱动模块2、异步电动机3、机械传动装置4、温度传感器5、多圈绝对式编码器6、液晶显示7和操作方式选择旋钮8。

1、变频式智能型阀门电动装置的机械部分：

机械传动装置4仍采用原有的普通型阀门电动装置的机械部分，所不同的是取消了原有机械部分的转矩检测和阀门开度检测两部分的机械部件，只保留了手电动转换机构，减速机构，以及主驱动输出部套。这样有效减小了机械传动装置的复杂程度，提高了机械部分运行的可靠性。同时，只增加一个扇形齿轮，将多圈绝对式编码器的主轴与机械传动装置的输出主轴相连，以便检测阀门位置。转矩检测、过矩保护，阀门开度计算，以及其他所有功能均由电控部分完成。

2、变频式智能型阀门电动装置的电控部分

变频式智能型阀门电动装置的电控部分主要包括主控制器模块1、变频驱动模块2、异步电动机3、温度传感器5、多圈绝对式编码器6、液晶显示7和操作方式选择旋钮8。变频驱动模块2与主控制器模块1相连，以接收运行信号和发送故障信号。多圈绝对式编码器7输出信号与主控制器模块1相连，采样工业同步串行数据通讯标准。温度传感器6安放在异步电动机3的内部，输出端与主控制器模块1相连。液晶显示7和操作方式选择旋钮8分别与主控制器模块1相连，并安放于同一箱体内。变频驱动模块2安放在另一个箱体内，两个箱体和异步电动机共同固定在机械传动装置的外壳上。

结合图2，主控制器模块1包括主处理器DSP芯片TMS320F2812，电源转换芯片，串行通讯接口电路，温度保护电路，SSI接口电路，旋钮开关信号输入隔离电路，遥控信号接收电路，远程控制信号输入隔离电路，电压/电流转换电路，电流/电压转换电路，CAN通信接口电路以及故障指示继电器组。结合图4，温度保护电路中，电容CT2、CT3，电阻RT9、RT11以及基准电压源TL431和射极跟随器IC12A构成了电动机温度保护基准值，输出连接到比较器IC12C的同相输入端；温度传感器为热敏电阻，安装在异步电动机的定子内侧。温度传感器的信号经由电阻RT1-RT4、RT41和放大器IC12B构成的信号放大电路接入比较器IC12C的反相输入端，比较器IC12C和电阻RT5-RT8构成了滞环比较电路，其输出端接到主处理器的一个输入接口上。结合图5，遥控信号接收电路包括译码芯片ICR1，振荡电阻RR1，上拉电阻RR3，三极管VT1和红外光信号接收器RVE。译码芯片ICR1接收红外信号接收器的信号，将其转换为数字量后，通过相应的输出管脚与总线收发器IC4B相连。旋钮开关信号输入隔离电路包括电阻RS1-RS3、RS5，电容CS1-CS3、CS5，二极管DS1-DS3、DS5，光电耦合器O1-O3、O5，电阻RO11-RO31、RO51，RO12-RO32、RO52以及电容CO1-CO3、CO5以及接插件JS1。旋钮信号由接插件JS1接入到主控制器模块1中，四路输入信号经光电隔离电路后与总线收发器IC4A的输入端相连。远程控制信号输入隔离电路包括交直流转换电路(由半波整流二极管DS61-DS121和电容CS61-CS121组成)，光电隔离电路(由电阻RS6-RS12、电容CS6-CS12、二极管DS6-12以及光电耦合器O6-O12组成)，上拉电阻RS61-RS121以及低通滤波电路(由电阻RS62-RS122和电容CC6-CC12组成)，这七路信号与总线收发器IC4C的输入端相连。上述三组信号经三个总线收发器连接到主处理器的数据总线上，并用译码器IC5产生选通信号。

结合图3，变频驱动模块2包括：三相输入整流桥，直流电容，智能功率器件IPM，母线电压检测电路，光电隔离电路，输出电流检测电路以及中央处理器IC1和电源转换模块。三相整流桥输入端与电网输出端相连，输出端与直流滤波电容相连，将交流电压转换为直流电压，并与智能功率器件的输入端相连，IPM的输出端与异步电动机相连。结合图6-图9，图6为功率部分主电路结构，单相或三相交流电压经接插件JAC1接入到电路板中，再由整流电路(由DPO1-6组成)和滤波电容CPO1转换为直流电压，接入到IPM的输入端，IPM的控制信号端与中央处理器IC1的PWM信号输出端口相连，IPM的三路输出端经接插件JMOTOR与异步电动机相连。图7为中央处理器IC1及其外围电路，中央处理器IC1采用DSP芯片TMS320LF2407A，通过MAX488及接插件JDR1与主控制模块相连。图8为交流电流检测电路，由电流检测霍尔器件HA，采样电阻RIA1、RIA0，电阻RIA2和电容CIA1(构成了低通滤波电路)，射极跟随器ICH1A，偏置电路(包括电阻RIA5、RIA3、RIA4和RIA6)，以及由电阻RIA7和锗二极管组成的限幅电路组成一相交流电流检测电路，另一相电路相同。交流电流经霍尔器件转换为小的电流信号，经采样电阻，低通滤波电路，射极跟随器以及偏置电路转换为大于零的正弦电压信号，再经限幅电路被限制在0-3.3伏后连接到中央处理器IC1的模数转换输入接口上；图9为直流母线电压检测模块的电路原理图，它包括接插件JUDC，电压检测霍尔器件HVDC，限流电阻R1、R5，采样电阻RDC0、RDC1，低通滤波电路(由电阻RDC2和电容CD1组成)，射极跟随器IC8A以及限幅电路(由电阻RDC3和锗二极管DUDC1组成)。直流电压经接插件与电压检测霍尔器件和限流电阻相连，转换为微小的电流信号，再经采样电阻和低通滤波电路转换为电压信号，再经射极跟随器和限幅电路后连接到中央处理器IC1的另一个模数转换的输入接口上。中央处理器IC1根据采集的电压电流信号，计算相应的PWM信号控制电机运行。

用多圈绝对式编码器对阀门位置进行检测。多圈绝对式编码器7包括单圈绝对式光电编码器和4个带有透光圆弧的齿轮以及多个光电转换传感器。机械传动装置的输出主轴通过扇形齿轮与编码器的主轴相连，主轴带动单圈绝对式多圈编码器和4个减速齿轮运转。

主控制器模块1与变频驱动模块2之间采用串行异步通讯方式(SCI)，通讯接口标准是RS485串行通讯接口。下行通讯内容包括开阀指令，关阀指令，停机指令，开阀速度，关阀速度，开阀转矩保护值，关阀转矩保护值；上行通讯内容包括阀门运行状态，电机运行电流，以及发生故障时的故障类型等。

本实施例中液晶显示7采用低压低功耗的点阵式液晶模块，为蓝色背景灯，其固定在主控制模块中的电路板上。

3、转矩的检测与控制

输出轴转矩的检测在变频驱动模块中通过电量计算完成，通过检测异步电动机的输入电流和输入电压，采用基于自抗扰控制原理的自抗扰转矩辨识算法，对电动装置输出轴转矩进行计算。其中异步电动机的输入电压为PWM斩波信号，无法直接测量其基波有效值，由于变频驱动模块中的功率器件的驱动信号是由中央处理器基于SVPWM算法计算产生的，因此异步电机输入电压的基波有效值可以通过中央处理器内部产生的逆变电压相对值乘以直流母线电压获得。只需检测母线电压即可，由上述分析可知，本发明硬件部分只增加了电压电流霍尔传感器，大部分工作均在原件中实现，取消了原有的机械式转矩传感器，有效降低了装置体积。而先进的自抗扰转矩辨识算法的引入，大大提高了转矩辨识的准确性和快速性。在每一个PWM斩波周期均对瞬时输出转矩进行辨识，在获得输出轴转矩后，实时与控制转矩进行对比，当连续几次均大于控制转矩，则认为阀门出现故障，立即停机，并将过矩信号上传给主控制器模块。主控制器模块将在液晶屏幕上显示相应信息，该方向上的阀门动作信号将被禁止。

4、变频式智能型阀门电动装置的运行

下面详细说明变频式阀门电动装置的运行过程。本实施例装置中设置了多达近100个参数用于对阀门的控制和监测，包括开阀速度、关阀速度，开阀控制转矩、关阀控制转矩，阀门两个极限位置的设置，以及本地控制方式、远程手动控制方式和模拟量控制等控制方式的参数设置，以及指示继电器组的动作方式设置。主控制器模块主要实现电动装置的启闭控制，以及各种状态的监测，同时将开度以及阀门运行状态和故障状态显示在液晶屏幕上。在用户设定阀门运行必备的重要参数(主要包括开关阀转矩和开关阀速度等)后，主控制器模块中的中央处理器通过内置的SCI串行通讯接口与变频驱动模块通讯，将上述参数值传送给变频驱动模块。阀门开度计算和行程控制由主控制器模块中的中央处理器完成。本地控制方式时，可以选择本地旋钮开关信号控制或者遥控操作，主控制器模块接收到开阀或关阀指令后，首先判断阀门是否处于两个极限位置，若处于全开位置，则不响应开阀操作，若处于全关位置，则不响应关阀操作。若阀门处于中间位置，主控制器将发送相应的阀门动作指令给变频驱动模块，变频驱动模块将按照事先存储的运行速度运行，在阀门运行到极限位置附近时，主控制器发送柔性停机指令给变频驱动模块，变频驱动模块自动降低转速，在阀门运行到极限位置时，异步电动机运行速度变为零，阀门停止动作，即完成了一次启、停操作。远程开关量控制和本地控制时阀门的动作方式是一致的。对于远程模拟量控制，首先由电流电压转换电路将4-20mA电流转换为1.5V电压信号，再接入到中央处理器的模数转换模块的输入接口。中央处理器将其换算成相应的开度值，并作为开度给定，再和当前阀门开度值比较，若当前开度大于给定开度，则执行关阀操作，在阀门接近给定位置时，减速运行，到达给定位置时，阀门速度为零，完成一次自动控制操作。若当前开度小于给定开度，则执行开阀操作。对于CAN总线通讯操作，需要设置本机地址，奇偶校验方式，数据传送格式等。在主控制器模块接收到阀门开度给定后，其执行过程和模拟量控制过程相一致。以上为变频式智能型阀门电动装置的所有控制方式下的运行过程。

5、故障检测与信号输出

本实施例变频式智能型阀门电动装置可以检测阀门及自身的多种运行状况及故障，主要包括：阀门卡死，电机过热，远程控制信号断，变频驱动模块故障等。并通过参数设置，更改各个继电器的指示故障类别和动作方式。当阀门及其装置发生故障时，相应的指示继电器将按事先设置好的方式进行动作。另外，通过电压电流转换电路，可以将当前开度以4-20mA的电流信号输出，以供远程控制室使用。

Claims (2)

1、一种变频式智能型阀门电动装置，它包括主控制器模块(1)、异步电动机(3)、机械传动装置(4)、液晶显示(7)和操作方式选择旋钮(8)，其特征在于它还包括温度传感器(5)、变频驱动模块(2)和多圈绝对式编码器(6)；变频驱动模块(2)的输入端与交流电网相连，输出端与异步电动机(3)相连；异步电动机(3)轴端与机械传动装置(4)相连，机械传动装置(4)的输出端连接阀门；多圈绝对式编码器(6)轴端与机械传动装置(4)主轴相连，多圈绝对式编码器(6)的输出与主控制器模块(1)相连；变频驱动模块(2)还与主控制器模块(1)相连，以接收运行信号和发送故障信号；温度传感器(5)设置在异步电动机(3)的内部，输出端与主控制器模块(1)相连；液晶显示(7)和操作方式选择旋钮(8)分别与主控制器模块(1)相连。

2、根据权利要求1所述的一种变频式智能型阀门电动装置，其特征在于：所述的主控制器模块(1)包括主处理器，分别连接主处理器的串行通讯接口电路，温度保护电路，SSI接口电路，旋钮开关信号输入隔离电路，遥控信号接收电路，远程控制信号输入隔离电路，电压/电流转换电路，电流/电压转换电路，CAN通信接口电路以及故障指示继电器组，其中，旋钮开关信号输入隔离电路，遥控信号接收电路和远程控制信号输入隔离电路分别经三个总线收发器连接到主处理器的数据总线上，并用译码器IC5产生选通信号。

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