CN102156423A - 一种非侵入式智能型电动执行机构 - Google Patents
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Abstract
一种非侵入式智能型电动执行机构，包括壳体、动力部件和位置定位器；其特征在于，动力部件的电气控制单元包括有无线遥控装置，壳体外表面设置有与无线遥控装置连接的显示屏；电气控制单元中的过程控制系统包括设置有蓝牙装置的控制器局域网，控制器局域网中的监控系统采用GPRS；三相交流异步电动机的电源采用插件连接；按钮采用磁控操作按钮、电源的插件连接以及无线遥控装置使本发明壳体密封性好、安全可靠，且实现人机交互功能、智能化；控制器局域网为本发明的开放性、操作距离和操作实时性提供强大支持；蓝牙装置实现无线数据读取与控制，使阀门使用场合更广；GPRS技术使监控系统通过带IP的无线网络实现，方便网络化管理。
Description
技术领域
本发明涉及执行机构技术领域，具体来讲是涉及一种电动执行机构，尤其是涉及一种非侵入式智能型电动执行机构。
背景技术
电动执行机构是机械工程学科的工业自动化过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置，它可以将上位控制设备和系统(如调节器、PLC、DCS)给出的电量指令信号转化为相应的位移，驱动最终的控制部分如阀门等系统达到所要求的位置，通过调节和控制流量、风量、温度、压力等过程参数，实现系统的过程控制。
目前，自动化控制越来越多地被应用，以往人工操作工作越来越多地被机械或自动化设备所替代，人们要求电动执行机构能够起到控制系统与最终控制装置如阀门的机械运动之间的界面作用，更要求电动执行机构能够增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，电动执行机构装置的自动化程度的提高能减少人员的伤害。某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，高度自动化的电动执行机构能阻止危险进一步扩散，同时将工厂损失减至最少。
发明内容
针对上述情况，本发明提供一种非侵入式智能型电动执行机构，以DSP为控制核心，通过在电动执行机构中设置红外遥控系统和网络系统以及合理的机构设计，使电动执行机构实现传统功能、保护功能、网络化及智能化功能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种非侵入式智能型电动执行机构，包括壳体、动力部件和位置定位器；所述动力部件包括三相交流异步电动机、由三相异步电动机带动的涡轮蜗杆减速机构、设置于涡轮蜗杆减速机构内部的力矩行程限制器、电气控制单元、手轮、机械限位装置和位置发送器；所述位置定位器包括将控制信号与位置反馈信号进行比较并放大的比较电路、逻辑保护电路、放大驱动电路和功率放大电路；所述壳体包括涡轮蜗杆减速机构所在的阀体、与阀体固定的电气控制箱体和端子盖、设置于阀体内并与端子盖连接的端子盘；所述壳体上设置有方式选择旋钮和就地操作旋钮；其特征在于，
所述电气控制单元包括有一进行参数设定、更改和调试的无线遥控装置，所述无线遥控装置包括发射部分和接收部分，所述发射部分为一手持无线遥控器，所述接收部分设置于电气控制箱体内，所述壳体外表面设置有一与无线遥控装置相连接的显示屏；
所述电气控制单元中的过程控制系统包括控制器局域网，所述控制器局域网中还设置有无线传输信号装置，所述控制器局域网中的监控系统采用GPRS；
所述三相交流异步电动机的电源采用插件进行连接；
所述方式选择旋钮和就地操作旋钮采用磁控操作旋钮。
进一步，所述无线遥控装置为红外遥控装置。
进一步，所述显示屏为液晶显示屏。
进一步，所述无线传输信号装置为蓝牙装置。
本发明的有益效果是，无线遥控装置的设置使电动执行机构实现了人机交互功能，使电动执行机构的操作实现智能化。控制器局域网的设置为电气控制系统的开放性、电动执行机构的操作距离和操作实时性提供了强大的支持；GPRS的引入使监控系统对执行机构的控制可通过带IP的无线网络来实现，大大方便了执行机构的网络化管理；蓝牙装置的设置使阀门实现无线数据读取与控制，使阀门能够安装在不方便操作的地方，使用场合更广。电源采用插件连接，大大提高了电动执行机构的安全性能。磁控操作旋钮的使用，避免了壳体为安装旋钮而开孔，从而大大提高壳体的密封性能，使本发明壳体内的元器件免受外界环境的影响，更加安全可靠。
附图说明
图1为本发明一种非侵入式智能型电动执行机构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，一种非侵入式智能型电动执行机构，包括壳体、动力部件和位置定位器；所述动力部件包括三相交流异步电动机1、由三相异步电动机带动的涡轮蜗杆减速机构2、设置于涡轮蜗杆减速机构内部的力矩行程限制器、电气控制单元3、手轮、机械限位装置和位置发送器；所述位置定位器包括将控制信号与位置反馈信号进行比较并放大的比较电路、逻辑保护电路、放大驱动电路和功率放大电路；所述壳体包括涡轮蜗杆减速机构所在的阀体4、与阀体固定的电气控制箱体5和端子盖6、设置于阀体4内并与端子盖6连接的端子盘7；所述位置定位器设置于电气控制箱体5内，所述壳体上设置有方式选择旋钮8和就地操作旋钮9，所述方式选择旋钮8和就地操作旋钮9均采用磁控操作旋钮。
所述电气控制单元3包括有一进行参数设定、更改和调试的无线遥控装置，所述无线遥控装置可以为红外遥控装置，所述红外遥控装置包括发射部分和接收部分，所述发射部分为一手持无线遥控器10，所述接收部分11设置于电气控制箱体内，所述壳体外表面设置有一与无线遥控装置相连接的显示屏12，所述显示屏12可采用液晶显示屏。所述电气控制单元中的过程控制系统包括控制器局域网，所述控制器局域网中还设置有无线传输信号装置，所述无线传输信号装置可以为蓝牙装置。所述控制器局域网中的监控系统采用GPRS；所述三相交流异步电动机1的电源采用插件由端子盘7进行连接。
本发明一种非侵入式智能型电动执行机构的基本技术指标如下：
1)支持1路4mA～20mADC的阀位输入控制信号
2)供电电源：380VAC/50Hz
3)基本阀位误差限：≤1％
4)行程控制机构重复性误差：≤±1％
5)死区：0.1％～9.9％可调
6)防护等级：IP68
7)环境温度：-30℃～+70℃
8)输入输出通道均采作光电隔离
9)输出轴转速：24rpm
10)输出轴额定转矩：204N.m
11)连接方式：A型
12)一路24VDC输出，容量250mA电源
本发明一种非侵入式智能型电动执行机构的总体功能原理如下：
三相交流电源(即供电电源：380VAC/50Hz)驱动三相交流异步电动机1旋转，通过联轴机构直接带动蜗杆2a转动，蜗杆2a带动蜗轮2b转动，再通过离合器带动输出轴转动。当切换手柄13拨在手动位置时，离合器上移，脱开蜗轮2b，输出轴与手轮联接，由手轮驱动输出轴转动。其中，电动操作优先，除非操作手柄被锁定在手动档。在输出轴转动的同时带动一对锥齿轮转动，锥齿轮的轴端连接一绝对编码器，由绝对编码器对阀位进行检测。
本发明一种非侵入式智能型电动执行机构在结构上有以下特点：
1)端子盘与控制系统之间的双密封结构
所述阀体4与端子盖6之间、所述阀体4与端子盘7之间均设置有密封结构。
这种双密封结构使本发明在工程安装或调试阶段，即使机构的端子盖长期打开，灰尘、潮气等也难以进入电机和电气壳体内部，使电机和控制电路免受侵蚀，提高智能型电动执行机构的电机和控制电路的可靠性；同时也避免在工程安装和调试阶段经常拆、装端子盖，从而减小工程安装或调试阶段的工作量。
2)非侵入式结构
所述方式选择旋钮8和就地操作旋钮9均采用磁控操作旋钮，所述磁控操作旋钮摒弃了传统的旋钮贯通轴，使壳体上不必加工旋钮安装孔，通过设置于壳体外部的旋钮本体内的条状磁钢即可控制设置于壳体内的干簧管触点。而执行机构的参数设定、更改、调试都直接通过红外遥装置来实现，也避免了为安装相关操作按钮在壳体上开孔。
以上非侵入式结构在完全与壳体隔离的状态下就可转换现场和远控状态，同时可以完成开关阀等动作，从而用户可以很轻松地控制、操作本发明一种非侵入式智能型电动执行机构。使本发明在完成接线后终身无需开启壳体，大大提高本发明的密封性能，使本发明安全可靠，使电子元件受到永久的保护。
另外，干簧管触点小型轻量，且对电气信号应答迅速，使电动装置的控制更加精确、稳定。红外遥控装置从属于所述磁控操作旋钮的控制，避免了由于红外遥控丢失或者误操作引发电动装置的误动作，进一步增强了电动装置的可靠性。
3)接线盒的插件接线结构
本发明的电源接线盒的接线端子采用插拔式接线端子，所述插拔式接线端子的插槽端设置于电源接线盒本体上，所述插拔式接线端子的插头端设置于电源接线盒盒盖上。
上述接线盒的插件接线结构，当电源接线盒盒盖装配到电源接线盒本体上时，插拔式接线端子的插头自动插入插拔式接线端子的插槽，使插拔式接线端子处的电路形成通路；如需打开电源接线盒盒盖，则插拔式接线端子的插头自动从插拔式接线端子的插槽脱开，从而插拔式接线端子处供电连接同时断电；这大大提高本发明的安全性能。同时也大大简化供电连接断电的过程，使用方便。
4)阀体与各装配件之间的密封结构
阀体与各装配件的结合面长度和间隙按标准要求设计，采用较好的骨架旋转油封、优良的O型圈密封来满足密封要求。这为后期对本发明进行维护时密封配件的更换提供了便利。
5)手动切换、电动优先的电气控制程序
本发明的运转驱动方式中可通过手动和电动切换手柄，实现将执行机构的电动运转切换到手动操作，但如果电机运转，则操作手柄会自动切换到电动运转的方式，确保电动优先。
本发明一种非侵入式智能型电动执行机构的控制功能如下：
1)基本控制功能
①就地控制
当方式选择旋钮在就地位置时，可以用就地操作旋钮来控制本发明的开启或关闭。就地操作可以设定为点动或自保持。
②远程开关量控制
本发明支持内部24VDC为远程控制信号的开关量。
③模拟量控制
本发明支持4-20mA为远程控制信号的模拟量。
④紧急动作控制
若本发明被设定为允许紧急动作，当紧急动作信号触发紧急动作功能后，执行机构将动作到事先设定的安全位置-全关或全开，或保持当前位置。
2)阀位和转矩的检测功能
支持绝对光电编码器的阀位检测和非接触式的转矩检测。
3)防水锤操作功能
防水锤操作是指执行机构在打开和关闭过程中其动作是间歇的(即断续的)，即动作一段时间，停动一段时间，再动作一段时间，本发明通过该功能的设定，来防止水锤效应和流体喘振。
4)电子闩锁功能
执行机构在启动高惯量负荷时很容易出现过转矩的现象。为了能够成功地启动高惯量负荷，本发明在发出激励电机的信号后的数秒时间内暂时禁止转矩保护功能。这即为电子闩锁功能。
5)掉电保存功能
在主电源掉电后，系统自动切换由备用充电池供电，支持阀位信号、液晶显示器和四个状态指示继电器供电；无论是主电源掉电还是更换电池，阀位通过绝对编码器得到保存。
6)DCS系统的信号接入功能
本发明支持4个状态指示继电器，每个继电器无源触点容量为5A/250VAC或5A/30VDC，每个继电器都可以设定为某种状态时吸合或断开。执行机构支持一组容量为5A/250VAC或5A/30VDC的无源切换触点。用于给DCS系统组态监控测点，如：继电器失去激励；电源掉电或缺相；主控制电路出错；方式选择旋钮不在远程位置或热动继电器跳闸灯。
本发明一种非侵入式智能型电动执行机构的保护功能如下：
1)转矩保护
用以防止本发明操作中途过转矩，这个功能既保护阀门，又保护本发明本身，转矩保护值由设定器设定。
2)阀位限位保护
本发明运行到关闭和打开限位位置自动停止(与设定的工作方式有关)。
3)自动相序调整
本发明自动检测接入电源端子的三相电源的相序，通过适当的逻辑运算，决定本发明操作时激励哪一只固态开关，以确保给电机接通正确的相序。
4)瞬时反转保护
当本发明接受向相反方向动作的命令时，自动加上一个时间延迟，防止产生对阀轴和变速箱的不必要的磨损。
5)电源缺相保护
执行机构具有非常完善的电源缺相保护功能。它采用监视电压和电流相结合的方法，既能检测电机静止时发生的电源缺相，也能检测电机运行过程中发生的电源缺相，从而禁止电机运行，避免缺相运行造成电机过热。
6)堵塞保护
无论本发明向打开方向还是关闭方向动作，在发出激励电机的信号之后的5～10秒时间内暂时禁止转矩保护功能(如果在上述5～10秒时间内执行机构没有动作，控制电路则切断电机的供电)。
7)电机过热保护
在电机绕组的端部装有二个热继电器，直接检测电机绕组的温度。当热继电器检测到绕组过热时，控制电路将禁止执行机构动作。
8)丢信保护
丢失输入信号情况下的动作：当输入信号低于低端信号(4mA)的50％时，执行机构判定为信号丢失。丢失信号情况下的动作可以设定为保持原来位置或动作到高端信号对应阀位、或低端信号对应阀位。
本发明一种非侵入式智能型电动执行机构的人机交互功能如下：
1)红外遥控器功能
①关闭时输出轴的转动方向
②打开限位和关闭限位的保护选择
③打开和关闭操作的转矩设定值
④就地控制选择点动还是保持
⑤四个状态指示继电器的触发选择
⑥紧急动作功能选择
⑦远控禁动功能选择
⑧模拟控制信号的设定
⑨查询功能指令
2)液晶显示功能
①本发明自身带有液晶显示，用于提示阀位、相关保护报警信息灯
②经过设定支持反向显示功能
③在开关状态下动作指示灯：绿和红(LED)两色
④故障诊断信号提示：包括过转矩，电机过热保护信号的提示
⑤电池状态(检测)：提示电池工作状态
本发明一种非侵入式智能型电动执行机构的高级选项如下：
1)现场总线接口技术
CAN总线又称控制器局域网，除了具备现场总线的开放式、互操作性、数字化通讯等特点外，还具有以多主机方式工作、采用非破坏性总线仲裁技术、通信介质选择灵活以及很高的可靠性和性能价格比等特点。CAN总线的这些特点使得其能同时满足过程控制，本发明支持CAN总线为系统的开放性、操作距离和操作的实时性提供了强大的支持。
2)无线接口技术
蓝牙技术结合了电路交换与分组交换的特点，可以进行异步数据通信，可以支持多达3个同时进行的同步话音信道，还可以使用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持600kb/秒的同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/秒、另一端速率为57.6kb/秒的不对称连接，也可以支持43.2kb/秒的对称连接。蓝牙的无线通讯方式在本发明中的应用可以将本发明连成一个微微网(Piconet)，多个微微网之间也可以进行互连接，从而实现本发明各设备之间随时随地进行通信。同时通过无线传输，可实现将阀门安装在不方便操作的地方，实现无线数据读取与控制。
3)GPRS技术
GPRS是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。它可以提供高达115Kbps的空中接口传输速率。通过把GPRS网络引入到本发明中，使监控系统对本发明的控制，可通过带IP的无线网络来实现，大大方便了本发明的网络化管理。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (4)
1.一种非侵入式智能型电动执行机构，包括壳体、动力部件和位置定位器；所述动力部件包括三相交流异步电动机、由三相异步电动机带动的涡轮蜗杆减速机构、设置于涡轮蜗杆减速机构内部的力矩行程限制器、电气控制单元、手轮、机械限位装置和位置发送器；所述位置定位器包括将控制信号与位置反馈信号进行比较并放大的比较电路、逻辑保护电路、放大驱动电路和功率放大电路；所述壳体包括涡轮蜗杆减速机构所在的阀体、与阀体固定的电气控制箱体和端子盖、设置于阀体内并与端子盖连接的端子盘；所述壳体上设置有方式选择旋钮和就地操作旋钮；其特征在于，
所述电气控制单元包括有一进行参数设定、更改和调试的无线遥控装置，所述无线遥控装置包括发射部分和接收部分，所述发射部分为一手持无线遥控器，所述接收部分设置于电气控制箱体内，所述壳体外表面设置有一与无线遥控装置相连接的显示屏；
所述电气控制单元中的过程控制系统包括控制器局域网，所述控制器局域网中还设置有无线传输信号装置，所述控制器局域网中的监控系统采用GPRS；
所述三相交流异步电动机的电源采用插件进行连接；
所述方式选择旋钮和就地操作旋钮采用磁控操作旋钮。
2.根据权利要求1所述的一种非侵入式智能型电动执行机构，其特征在于，所述无线遥控装置为红外遥控装置。
3.根据权利要求1所述的一种非侵入式智能型电动执行机构，其特征在于，所述显示屏为液晶显示屏。
4.根据权利要求1所述的一种非侵入式智能型电动执行机构，其特征在于，所述无线传输信号装置为蓝牙装置。
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