CN104455697A - 大型阀门的电动执行机构的实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型阀门的电动执行机构的实时监测方法，先对电动执行机构进行“全扭矩范围、全行程的标定”，得出行程位置值、实时输出扭矩和模数转换值的对应关系；再将电动执行机构与阀门进行加载标定，得到对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表；在实际运行中，通过获取实时的模数转换值和行程位置值，提取对应的电动执行机构的实际输出扭矩值，同时将该实时模数转换值与“行程值&模数转换值”数据表中与相应行程值所对应的模数转换值进行比较，以实时判断阀门的运行状态，对阀门和电动执行机构故障进行预警分析，实现预防性维护，避免重大事故的发生。

Description

大型阀门的电动执行机构的实时监测方法

技术领域

本发明创造涉及大型阀门的电动执行机构的扭矩监测领域，尤其是一种扭矩实时监测的方法。

背景技术

目前越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，因此采用电动执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求电动执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。同样，对电动执行机构的运行状态的实时监测也越来越重要。

对电动执行机构的工作状态进行监测主要是为了保护阀门和电动执行机构，传统的监测方法是：首先对电动执行机构的输出扭矩通过扭矩测试台进行量程校准，测试台进行扭矩加载，电动执行机构中的控制器将采集到的扭矩信息进行模数转换获得与该实际输出扭矩值对应的“模数转换值”，建立实际输出扭矩值和模数转换值(记录在控制器中)的对应关系，然后控制器中预设置一个“扭矩保护值”，当工作时，实际输出扭矩值达到该扭矩保护值时，电动执行机构停止工作，并发出报警。

其中，实际输出扭矩值的实时获取方式是有如下两种，对于独立式的电动执行机构是通过获取蜗杆的轴向反作用力或者通过电机的电流、转速等参数综合计算得出，对于组合式电动执行机构(即含有减速器的电动执行机构)则是针对一级电动执行机构获取输出扭矩，再通过减速器效率计算整机实际输出扭矩值。

而由于实际输出扭矩值与控制器采集的模数转换值之间的对应关系，实际故障检测是通过监控模数转换值来进行的，即先由扭矩测试台输出额定转矩后，控制器记录此时采集到电动执行机构的模数转换值，此模数转换值对应的是额定转矩。如果设定的扭矩保护值是额定转矩的100％，那么当实际运行中检测到模数转换值超过记录的模数转换值，则认为出现扭矩故障；如果设定的扭矩保护值是额定转矩的80％，则线性计算获得80％对应的模数转换值，当实际运行中检测到模数转换值超过此保护值，则认为出现扭矩故障。

上述方法存在的问题是：只是针对100％额定扭矩这一个点进行标定,建立100％额定扭矩和模数转换值的对应关系，其余的百分比的扭矩对应的模数转换值都是通过计算获取。没有考虑到从0到100％额定扭矩之间，由于机械传动效率产生的非线性因素，因此其线性换算获取的扭矩值并不准确，造成保护扭矩也不精确。

同时，这种量程校准方法，没有考虑机械传动在电动执行机构全行程动作过程中不同行程位置的传动效率不同。同一台电动执行机构，在其全行程动作过程中，在不同的位置的传动效率都会有所偏差，同样的输出扭矩，对应的模数转换值会发生变化，因此像上述描述的不考虑行程位置的扭矩量程校准方法是不准确的。

同时，目前对于扭矩保护，对于执行机构全行程动作采用统一的扭矩保护值，这样的扭矩保护并没有考虑到电动执行机构连接阀门后，在驱动阀门的过程中，在阀门的不同阀位，其需要的输出扭矩差别很大，大部分的阀门只是在开启的一瞬间需要一个大扭矩，其余阀位大部分需要的输出扭矩都很小。如果采用最大扭矩值再加裕量设定扭矩保护值，则只能实现针对阀门开启瞬间的有效保护。无法真正意义上实现对电动执行机构和阀门全行程动作过程的保护，更无法实现对于电动执行机构和阀门长期运行过程中的全行程扭矩变化预警和设备预防性保护。也就是说，使用过程中，假如阀门开启中段，阀芯与阀体的内腔间接触部位有小异物，由于阀门开启中段，所需的扭矩很小，这样的小异物的存在，通常不会导致开启阀门所需扭矩超过设定扭矩保护值，因此现有的监测设备是不会报警的，但是，阀芯与阀体的内腔间接触部位的小异物，会加剧阀芯与阀体内腔的磨损，大大缩短阀门的使用寿命。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：

大型阀门的电动执行机构的实时监测方法，包括如下步骤：

步骤一，首先对电动执行机构进行“全扭矩范围、全行程的标定”，即，从额定扭矩值的0％开始至100％的范围内，等间隔分别每次施加一恒定扭矩，对电动执行机构进行一次从全关到全开，再从全开到全关的的全行程加载，并在每次加载过程中，每隔一定行程间隔记录一次模数转换值，形成“模数转换值&行程值-实际输出扭矩值”数据表，该数据表中每个模数转换值同时对应相应的行程位置值和实际输出扭矩值；

步骤二、为了更好的对电动执行机构所匹配的阀门进行预防性维护和扭矩保护，我们用阀门全行程的扭矩特性曲线进行扭矩保护，采用包络线的形式替代单值保护，取代传统的采用全行程固定的扭矩保护值对电动执行机构和阀门进行保护。因此，我们需要：对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定，即对电动执行机构的输出扭矩的加载根据匹配的阀门的特性曲线进行，并在全行程过程中每隔一定行程间隔(比如1％)记录一次模数转换值，并存储在控制器的内存中，形成对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表，该数据表中的每个行程值对应一个相应的模数转换值。

步骤三、是实际的实时监测，即电动执行机构与安装在实际管道上的运行中的阀门安装后，运行过程中通过扭矩传感器采集电动执行机构的实时输出扭矩，再通过模数转换，将传感器采集的到的扭矩转换为控制器中存储的模数转换值，这样获取实时的模数转换值，同时根据控制器从电动执行机构行程位置传感器上获取阀门的阀位信息即对应的行程值，再从步骤一所述的“模数转换值&行程值-实际输出扭矩值”数据表中提取该实时的模数转换值和行程值所对应的电动执行机构的实际输出扭矩值，并将该扭矩传输给需要该数据的远程装置，比如遥控器、远程计算机等；同时，将该实时模数转换值，与步骤二所述的对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表中与相应行程值所对应的模数转换值进行比较，如果实时采集的模数转换值超出了步骤二所述的对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表中与相应行程位置值所对应的模数转换值的一定比例，则判断电动执行机构和阀门在该行程位置出现了故障或有出现故障的风险。

步骤一所述的“模数转换值&行程值-实际输出扭矩值”数据表是一个三维数据表，对实际输出扭矩值对应的模数转换值进行标定的同时，增加了所对应行程位置的标识，因此，每个实际行程位置和实际扭矩两个数字对应一个模数转换值，形成一个三维数据表，具体方法举例说明：从0％的额定扭矩开始，每隔5％额定扭矩对电动执行机构进行一次从全关到全开，再从全开到全关的一次全行程恒定加载，每隔1％行程记录一次模数转换值，一次全行程加载将记录200个模数转换值。那么在100％额定范围内的全标定数据将达到4000个值。以此建立的数据表，将用于实际运行中，根据采样到的模数转换值和当前行程位置值，查找此时的实际输出扭矩值。

步骤二中所述的“对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定”，是通过将电动执行机构与实际要使用的阀门安装在一起即进行实际的“加载”。

步骤二中所述的“对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定”，是将电动执行机构与具备模拟阀门特性曲线的加载模拟设备安装在一起，由该设备模拟该电动执行机构将要实际匹配的阀门的相应特性进行模拟“加载”。

所述加载模拟设备为扭矩测试台。

在所述步骤三中，实时采集的模数转换值达到了步骤二所述预存储的该行程位置对应的模数转换值的130％，则认为电动执行机构和阀门在该行程位置出现了故障，将停止运行，并报警；如果达到了115％，则认为阀门和电动执行机构有出现故障的危险，进行警告，应对阀门和电动执行机构进行检修；若连续低于预储存模数转换值的70％，则认为该阀门对电动执行机构的选型不合适。

步骤三所述的实时采集的模数转换值，要根据电动执行机构寿命试验测试数据分析获得的结果，随着电动执行机构全行程运行次数的增加，考虑电动执行机构运行磨损的因素，进行微调。

步骤三所述的远程装置为手持终端或计算机。

本方案的优点和积极效果是：

实现对电动执行机构输出扭矩的实时在线监测，可以将阀门全行程的扭矩变化实时准确采集，并反馈给使用单位和维护保养人员，这样就可以实时判断阀门的运行状态，并且判断管道内的介质状态，就可以实时调整工艺流程。并且，通过阀门特性曲线的加载标定，就可以对阀门和电动执行机构故障进行预警分析，实现预防性维护，这样在一些重要的应用场合，这种故障预警分析可以避免重大事故的发生。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是“模数转换值&行程值-实际输出扭矩值”数据表示意图，其建立的是行程位置值、实时输出扭矩和模数转换值的对应关系

图3匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表示意图。

图中：A、上包络线，B、实际输出转矩，C、下包络线

X、行程百分比，Y、实际输出扭矩值，Z、模数转换值

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。

图1为本发明主要步骤的流程示意图，如图1所示，步骤一，首先对电动执行机构进行“全扭矩范围、全行程的标定”，获得如图2所示的“实际输出扭矩值&行程值---模数转换值”数据表是一个三维数据表。

本步骤对实际输出扭矩值对应的模数转换值进行量程校准的同时，增加了所对应行程位置的标识，因此，每个实际行程位置和实际扭矩两个数字对应一个模数转换值，形成一个三维数据表，具体方法举例说明：从0％的额定扭矩开始，每隔5％额定扭矩对电动执行机构进行一次从全关到全开，再从全开到全关的一次全行程恒定加载，每隔5％行程记录一次模数转换值，一次全行程加载将记录40个模数转换值。那么在100％额定范围内的全标定数据将达到800个值。以此建立的数据表，将用于实际运行中，根据采样到的模数转换值和当前行程位置值，查找此时的实际输出扭矩值。

在步骤二中，为了更好的对电动执行机构所匹配的阀门进行预防性维护和扭矩保护，我们用阀门全行程的扭矩特性曲线进行扭矩保护，取代传统的采用全行程固定的扭矩保护值对电动执行机构和阀门进行保护。因此，我们需要：对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定，即对电动执行机构的输出扭矩的加载根据匹配的阀门的特性曲线进行，并在全行程过程中每隔一定行程间隔(比如1％)记录一次模数转换值，并存储在控制器的内存中，形成对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表，该数据表中的每个行程值对应一个相应的模数转换值。

步骤二中所述的“对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定”，一种方式是：通过将电动执行机构与实际要使用的阀门安装在一起即进行实际的“加载”，另一种方式是将电动执行机构与加载模拟设备(比如具备模拟阀门特性曲线的扭矩测试台)安装在一起，由该设备模拟该电动执行机构将要实际匹配的阀门的相应特性进行模拟“加载”，进行的标定，存储的数据，将为全行程扭矩保护提供准确的依据。

步骤三、是实际的实时监测，即电动执行机构与安装在实际管道上的运行中的阀门安装后，运行过程中通过扭矩传感器采集电动执行机构的实时输出扭矩，再通过模数转换，将传感器采集的到的扭矩转换为控制器中存储的模数转换值，这样获取实时的模数转换值，同时根据控制器从电动执行机构行程位置传感器上获取阀门的阀位信息即对应的行程值，再从步骤一所述的“模数转换值&行程值-实际输出扭矩值”数据表中提取该实时的模数转换值和行程值所对应的电动执行机构的实际输出扭矩值，并将该扭矩传输给需要该数据的远程装置，比如遥控器、远程计算机等；同时，将该实时模数转换值，与步骤二所述的对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表中与相应行程值所对应的模数转换值进行比较，如果实时采集的模数转换值超出了步骤二所述的对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表中与相应行程位置值所对应的模数转换值的一定比例，则判断电动执行机构和阀门在该行程位置出现了故障或有出现故障的风险。

比如，实时采集的模数转换值达到了步骤二所述预存储的该行程位置对应的模数转换值的130％，则认为电动执行机构和阀门在该行程位置出现了故障，将停止运行，并报警；如果达到了115％，则认为阀门和电动执行机构有出现故障的危险，进行警告，应对阀门和电动执行机构进行检修。如果连续低于预储存模数转换值的70％，则认为该阀门对电动执行机构的选型不合适，不仅浪费对电动执行机构的使用，而且不利于阀门的长期运行可靠性。

以上实施例仅用于说明而并非限制本发明创造所描述的技术方案，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.大型阀门的电动执行机构的实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，首先对电动执行机构进行“全扭矩范围、全行程的标定”，即，从额定扭矩值的0％开始至100％的范围内，等间隔分别每次施加一恒定扭矩，对电动执行机构进行一次从全关到全开，再从全开到全关的的全行程加载，并在每次加载过程中，每隔一定行程间隔记录一次模数转换值，形成“模数转换值&行程值-实际输出扭矩值”数据表，该数据表中每个模数转换值同时对应相应的行程位置值和实际输出扭矩值；

步骤二、对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定，即对电动执行机构的输出扭矩的加载根据匹配的阀门的特性曲线进行，并在全行程过程中每隔一定行程间隔记录一次模数转换值，形成对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表，该数据表中的每个行程位置值对应一个相应的模数转换值；

步骤三、实际的实时监测，即电动执行机构与安装在实际管道上的运行中的阀门安装后，运行过程中获取实时的模数转换值和行程位置值，再从步骤一所述的“模数转换值&行程值-实际输出扭矩值”数据表中提取该实时的模数转换值和行程位置值所对应的电动执行机构的实际输出扭矩值，并将该扭矩传输给需要该数据的远程装置；同时，将该实时模数转换值，与步骤二所述的对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表中与相应行程值所对应的模数转换值进行比较，如果实时采集的模数转换值超出了步骤二所述的对应匹配阀门的“行程值&模数转换值”数据表中与相应行程位置值所对应的模数转换值的一定比例，则判断电动执行机构和阀门在该行程位置出现了故障或有出现故障的风险。

2.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于：步骤二中所述的“对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定”，是通过将电动执行机构与实际要使用的阀门安装在一起即进行实际的“加载”。

3.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于：步骤二中所述的“对电动执行机构根据匹配的阀门的扭矩特性曲线，进行全行程扭矩加载标定”，是将电动执行机构与具备模拟阀门特性曲线的加载模拟设备安装在一起，由该设备模拟该电动执行机构将要实际匹配的阀门的相应特性进行模拟“加载”。

4.根据权利要求4所述的实时监测方法，其特征在于：所述加载模拟设备为扭矩测试台。

5.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于：步骤三所述的远程装置为手持终端或计算机。