CN105909854B - 一种阀门控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀门控制装置及其控制方法，阀门控制装置包括主控PLC、固态继电器(SSR)、电机、阀门执行器和和人机交互模块；所述增量编码器与阀门执行器转轴相连；用于把阀门执行器转轴上的旋转量转化成脉冲量输出至主控PLC；所述主控PLC的控制信号输出端接固态继电器的输入电路；固态继电器的输出电路接入电源与电机的供电端之间，用于控制电机电源的通断以及电机的正反转；所述电机用于驱动阀门执行器；形成闭环控制；所述人机交互模块与主控PLC的输入端相连。本发明，具有精度高、可靠性高、通用性好、成本低、安装维修方便等优点，普遍适用于各种类型的电动阀门。

Description

一种阀门控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种阀门控制装置及其控制方法。

背景技术

阀门是电力系统中应用非常广泛的部件之一，主要用来电力自动化控制系统中的各种流体进行流量控制，是自动化设备和系统中不可或缺的重要部件之一。一般的阀门控制器在电力系统的多粉尘、振动、高温、室外等恶劣环境下使用，都存在如下缺点：对恶劣环境的适应能力不够，板卡经常出现故障，可靠性不高；调试不够方便。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种阀门控制装置及其控制方法，通用性和可靠性好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种阀门控制装置，包括主控PLC、固态继电器、电机、阀门执行器、增量编码器和人机交互模块；

所述主控PLC的控制信号输出端接固态继电器的输入电路；固态继电器的输出电路接入电源与电机的供电端之间，用于控制电机电源的通断以及电机的正反转；所述电机用于驱动阀门执行器；

所述增量编码器与阀门执行器转轴相连；用于把阀门执行器转轴上的旋转量转化成脉冲输出至主控PLC；

所述人机交互模块与主控PLC的输入端相连，用于输入控制指令，显示阀门状态。

所述固态继电器采用三相正反转固态继电器。

所述人机交互模块包括“开关型\调节型”切换开关、开关量输入模块、4-20mA模拟量输入模块、开关量输出模块和4-20mA模拟量输出模块；通过切换“开关型\调节型”切换开关的状态，实现阀门的开关型两位控制或调节型4-20mA连续控制，可以适应开关型两位控制或调节型4-20mA连续控制的电动阀门；所述开关量输入模块用于输入开关量指令，开关量指令是指当阀门执行器处于开关型两位控制的工作方式下，开和关控制的指令信号；所述开关量输出模块用于输出开关量状态，指示阀门开、关到位或者任意位置。

所述主控PLC与通信模块相连。

所述增量编码器采用精度为每转1024-4096个以上的脉冲数的高速增量编码器。

所述的人机交互模块可采用触摸显示屏。

所述主控PLC还与报警模块相连。

所述主控PLC采用西门子S7-200小型PLC。S7-200中有高速脉冲计数通道，频率高达200kHz，保证了阀门控制器的高精度。主控PLC用于采集高速增量编码器的脉冲信号、就地\远方开关切换信号以及就地\远方操作指令信号，将采集的信号，进行处理，来实现对电动阀门精确控制。

一种阀门控制装置的控制方法，其特征在于，采用上述阀门控制装置，进行以下控制：

1)在首次送电时，标定阀门行程与力矩保护动作值。

通过标定阀门行程，设置两组位置信息：一组是阀门的正常位置信息，表示阀门的开或关到位信息；另外一组是阀门的极限位置信息，当阀门超出极限位置后，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门动作；

2)通过高速增量编码器把阀门执行器轴上的旋转量转化成脉冲量输出至主控PLC；主控PLC将脉冲量转化成旋转数字量；通过计算旋转数字量信号的变化量，得到电动阀门动作的行程量，从而控制电动阀门动作的实际行程；

通过计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，得到电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式，得到电动阀门动作过程中的实时电机输出转动力矩，根据实时电机输出转动力矩的大小值判断是否过力矩、堵转；

通过计算旋转数字量信号的变化值与控制指令，判断无指令有动作或有指令无动作故障信号；

通过计算旋转数字量信号变化方向与控制指令开关方向比较，判断是否相序接反；

3)当出现以下现象：增量编码器故障、无指令有动作、有指令无动作、阀门过力矩、阀门堵转、相序接反、阀门超出极限位置或超温时，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门动作，并发综合故障报警指示。

通过切换“开关型\调节型”切换开关的状态，实现适应开关型两位控制或调节型4-20mA连续控制的电动阀门控制。

当阀门控制装置用于调节型4-20mA连续控制的电动阀门控制时，为保证工艺流程的安全性，设置断信号阀门保位(默认)、断信号阀门全开或断信号阀门全关三种模式，其中断信号是指：4-20mA模拟量输入信号消失；

并通过人机交互模块输入控制参数，调整死区和灵敏度。

所述标定阀门行程和力矩保护动作值包含以下步骤：

步骤1：对主控器PLC内的阀门位置信息进行初始化处理，即对阀门的开到位和关到位的位置值、以及极限位置值进行初始化；

步骤2：使阀门朝同一方向(开或者关)动作5秒以上，且保持阀门连续匀速工作，通过主控PLC计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，得到电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式，得出正常工作状态下电机输出转动力矩，主控PLC将110％(默认，参数可调整)的电机输出转动力矩值赋值为力矩保护动作值；

步骤3：当确认阀门到了一个开或关的位置后，此时计算旋转数字量信号的变化量，得到电动阀门动作的行程量，主控PLC记取该开到位或关到位的位置值，并自动赋值保存；同时将105％开到位或95％关到位的位置值作为阀门开或关的极限位置值，并赋值保存。

上述电机输出转动力矩公式如下：

T＝9549×P/n 公式1

其中，T是电机输出转动力矩，单位是Ngm；P是电机的额定功率，单位KW；n是电机的输出转速，单位为r/min。由以上公式直接表明：当电机在额定功率下工作时，电机输出转动力矩与输出转速成反比。

因此，高速增量编码器把阀门执行器轴上的旋转量转化成脉冲量，PLC将脉冲量转化成旋转数字量。通过计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，可以得出电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式(公式1)，进而得出电动阀门动作过程中的实时转动力矩。

进一步地，本实施例中，所述PLC的电机输出转动力矩的计算按应用到不同的阀门设计有定时计数算法和速度微分算法。定时计数法适用于普通阀门，速度微分法适用于超大力矩装置上，要求速断以保护阀门的场合。

通过对电机输出转动力矩的微分，D(T)/D(t)＝A(t)，得到力矩变化率，当电机输出转动力矩变化率很大，则说明电机输出转动力矩处于急速增加趋势，则在“力矩保护动作值”前产生保护动作。

进一步地，由于电机启动过程为先加速到峰值转速，然后再降速到与负载相适应的转速，这个过程大约需要1-2s，因此，在电机启动过程中，当电机输出转动力矩值小于130％力矩保护动作值时，则电机在正常启动，不受力矩保护动作值控制；当电机输出转动力矩值大于130％力矩保护动作值时，则电机过力矩。

进一步地，关于电机输出的转动力矩，有一个“正常均速”监测的问题。即在调试阶段，调试人员确认的正常速度，检测的方法就是调试位、任何方向连续运行超过5s的电机输出转速均值将被记录。然后，在正常工作工况下，检测运行转速，若是小于一个阀值，且大于力矩保护动作的转速，则可作为“非致堵转性均匀过载”的依据。“非致堵转性均匀过载”：就是不至使得阀门装置堵转，但驱动电机长期过电流运行，容易导致电机故障。当出现“非致堵转性均匀过载”时，可引入时间判据。若满足判据，则可出现过力矩保护。

所述增量编码器，对于不同阀门传动装置，需要确定其转速比、阀门全行程增量编码器旋转圈数、时间片的采样时间，以及对采样信号滤波的处理。系统要求：以阀门全行程脉冲数为依据，要求10ms采样时间脉冲数介于10-100之间为宜。假设一个阀门全行程在60s，则全行程脉冲在60000-600000个之间，系统支持的最大脉冲上限为12500000个。滤波时间应该以采样周期的整数倍为宜，整体时间不超过200ms。

进一步地，关于时间片采样的问题，宜选择定时中断0和T32组合，避免PLC扫描周期不同带来的误差。

所述阀门控制器设有以下几种保护机制：

1、防反转冲击保护：阀门执行器由开转关，或者由关转开，设置了防止反转抑制时间保护，防止太快的转换方向对设备的冲击、也有效保护驱动部件不损坏。时间可调，默认500ms；

2、超温保护：预埋在电机线圈内的温度保护开关，正常情况下为常闭，当出现超温时候，该开关断开，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门工作。其中，温度保护开关采用的是电机热敏开关，开关状态时常闭，将开关信号接入主控PLC。

3、无指令有动作保护：当阀门执行器没有开关指令的情况下，检测到了阀门执行器有位置变化的时候，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门工作。

4、有指令无动作保护：当任意有开和关指令的时候，阀门在2秒(时间可调，默认2s)后任然没有动作，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门工作。

5、过力矩保护：当任意时刻，系统检测到阀门执行器过力矩，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门工作。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

1.精度高。增量编码器的精度常规为每转1024-4096个以上的脉冲数，阀门执行器一个全行程大约在5-10万个脉冲左右，主控PLC采集精度可控制在一个脉冲，那么行程位置的精度高达万分之一的精度。

2.通用性高。不仅可以控制电动型的各种阀门，也可以对气动调节阀门进行控制，完全取代价格昂贵的气动定位器。

3.安全性好。本阀门控制器有多重安全保护：断信号处理；电机超温保护、固态继电器击穿保护，PLC故障保护等。

4.超长动作行程。本阀门控制器可以适应任何行程长度的电动阀门。

5.控制参数可移植。当主控器PLC需要更换时，只要控制参数备份，即可将控制参数移植到新更换的PLC控制器，这样就阀门控制器就不需要再调试，就可以直接投入运行。该功能在生产工艺流程中，当工况不允许电动阀门进行全行程调试时，效果特别明显。而现有的电动阀门如果更换主板后，必须进行全行程调试。

附图说明

图1为阀门控制器的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明进行进一步说明。如图1所述，本发明公开了一种阀门控制装置，包括主控PLC、固态继电器、电机、阀门执行器、增量编码器和人机交互模块；

所述主控PLC的控制信号输出端接固态继电器的输入电路；固态继电器的输出电路接入电源与电机的供电端之间，用于控制电机电源的通断以及电机的正反转；所述电机用于驱动阀门执行器；

所述增量编码器与阀门执行器转轴相连；用于把阀门执行器转轴上的旋转量转化成脉冲输出至主控PLC；

所述人机交互模块与主控PLC的输入端相连，用于输入控制指令，显示阀门状态。

所述固态继电器采用三相正反转固态继电器。

所述人机交互模块包括“开关型\调节型”切换开关、开关量输入模块、4-20mA模拟量输入模块、开关量输出模块和4-20mA模拟量输出模块；通过切换“开关型\调节型”切换开关的状态，实现阀门的开关型两位控制或调节型4-20mA连续控制，可以适应开关型两位控制或调节型4-20mA连续控制的电动阀门；所述开关量输入模块用于输入开关量指令，开关量指令是指当阀门执行器处于开关型两位控制的工作方式下，开和关控制的指令信号；所述开关量输出模块用于输出开关量状态，指示阀门开、关到位或者任意位置。

所述主控PLC与通信模块相连。

所述增量编码器采用精度为每转1024-4096个以上的脉冲数的高速增量编码器。

所述的人机交互模块可采用触摸显示屏。

所述主控PLC还与报警模块相连。

所述主控PLC采用西门子S7-200小型PLC。S7-200中有高速脉冲计数通道，频率高达200kHz，保证了阀门控制器的高精度。主控PLC用于采集高速增量编码器的脉冲信号、就地\远方开关切换信号以及就地\远方操作指令信号，将采集的信号，进行处理，来实现对电动阀门精确控制。

一种阀门控制装置的控制方法，其特征在于，采用上述阀门控制装置，进行以下控制：

1)在首次送电时，标定阀门行程与力矩保护动作值。

通过标定阀门行程，设置两组位置信息：一组是阀门的正常位置信息，表示阀门的开或关到位信息；另外一组是阀门的极限位置信息，当阀门超出极限位置后，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门动作；

2)通过高速增量编码器把阀门执行器轴上的旋转量转化成脉冲量输出至主控PLC；主控PLC将脉冲量转化成旋转数字量；通过计算旋转数字量信号的变化量，得到电动阀门动作的行程量，从而控制电动阀门动作的实际行程；

通过计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，得到电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式，得到电动阀门动作过程中的实时电机输出转动力矩，根据实时电机输出转动力矩的大小值判断是否过力矩、堵转；

通过计算旋转数字量信号的变化值与控制指令，判断无指令有动作或有指令无动作故障信号；

通过计算旋转数字量信号变化方向与控制指令开关方向比较，判断是否相序接反；

3)当出现以下现象：增量编码器故障、无指令有动作、有指令无动作、阀门过力矩、阀门堵转、相序接反、阀门超出极限位置或超温时，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止电动阀门动作，并发综合故障报警指示。

通过切换“开关型\调节型”切换开关的状态，实现适应开关型两位控制或调节型4-20mA连续控制的电动阀门控制。

当阀门控制装置用于调节型4-20mA连续控制的电动阀门控制时，为保证工艺流程的安全性，设置断信号阀门保位(默认)、断信号阀门全开或断信号阀门全关三种模式，其中断信号是指：4-20mA模拟量输入信号消失；

并通过人机交互模块输入控制参数，调整死区和灵敏度。

标定阀门行程和力矩保护设定包含以下步骤：

步骤1：长按SETUP(STOP)键4秒后，会出现开关指示灯按每秒2次的频率连续闪烁，松开按键，即进入位置标定状态，同时对主控器PLC内的阀门位置信息进行初始化处理，即阀门的开到位和关到位信息、以及极限位置信息初始化；

步骤2：按下开(或者关)键驱动阀门动作，该状态下阀门执行器不自保持，松开后，阀门即停止动作。如果连续按开(或者关)键超过5秒，且阀门连续匀速工作，通过计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，得到电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式(公式1)，得出正常工作状态下电机输出转动力矩，主控PLC将110％(默认，参数可调整)的电机输出转动力矩值赋值为力矩保护动作值。

步骤3：当确认阀门到了一个开或关位置后，利用SETUP+开(或者关)就可以确认开(或者关)的位置，控制器记取该位置值，并自动赋值保存；同时将105％开或95％关的位置行程量赋值给控制器，作为阀门开或关的极限位置值。开关位置确认完毕后，闪烁状态自动恢复成常态。控制器即进入运行模式。

本发明提出的一种阀门控制装置，具有精度高、可靠性高、通用性好等优点，普遍适用于各种类型的阀门。

Claims (10)

1.一种阀门控制装置，其特征在于，包括主控PLC、固态继电器、电机、阀门执行器、增量编码器和人机交互模块；

所述主控PLC的控制信号输出端接固态继电器的输入电路；固态继电器的输出电路接入电源与电机的供电端之间，用于控制电机电源的通断以及电机的正反转；所述电机用于驱动阀门执行器；

所述增量编码器与阀门执行器转轴相连，用于把阀门执行器转轴上的旋转量转化成脉冲输出至主控PLC；

所述人机交互模块与主控PLC的输入端相连，用于输入控制指令，显示阀门状态；

所述阀门控制装置的控制过程为：

1)在首次送电时，标定阀门行程与力矩保护动作值；

通过标定阀门行程，设置两组位置信息：一组是阀门的正常位置信息，表示阀门的开或关到位信息；另外一组是阀门的极限位置信息，当阀门超出极限位置后，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止阀门动作；

2)通过增量编码器把阀门执行器轴上的旋转量转化成脉冲量输出至主控PLC；主控PLC将脉冲量转化成旋转数字量；通过计算旋转数字量信号的变化量，得到阀门动作的行程量，从而控制阀门动作的实际行程；

通过计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，得到电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式，得到阀门动作过程中的实时电机输出转动力矩，根据实时电机输出转动力矩的大小值判断是否过力矩、堵转；

通过计算旋转数字量信号的变化值与控制指令，判断无指令有动作或有指令无动作故障信号；

通过计算旋转数字量信号变化方向与控制指令开关方向比较，判断是否相序接反；

3)当出现以下现象：增量编码器故障、无指令有动作、有指令无动作、阀门过力矩、阀门堵转、相序接反、阀门超出极限位置或超温时，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止阀门动作，并发综合故障报警指示。

2.根据权利要求1所述的阀门控制装置，其特征在于，所述固态继电器采用三相正反转固态继电器。

3.根据权利要求2所述的阀门控制装置，其特征在于，所述人机交互模块包括开关型或调节型切换开关、开关量输入模块、4-20mA模拟量输入模块、开关量输出模块和4-20mA模拟量输出模块；通过切换开关型或调节型切换开关的状态，实现阀门的开关型两位控制或调节型4-20mA连续控制。

4.根据权利要求1所述的阀门控制装置，其特征在于，所述主控PLC与通信模块相连。

5.根据权利要求1所述的阀门控制装置，其特征在于，所述增量编码器采用精度为每转1024-4096个以上的脉冲数的高速增量编码器。

6.根据权利要求1所述的阀门控制装置，其特征在于，所述主控PLC还与报警模块相连。

7.根据权利要求1所述的阀门控制装置，其特征在于，所述主控PLC采用西门子S7-200小型PLC。

8.一种阀门控制装置的控制方法，其特征在于，采用权利要求1～7中的阀门控制装置，进行以下控制：

1)在首次送电时，标定阀门行程与力矩保护动作值；

通过标定阀门行程，设置两组位置信息：一组是阀门的正常位置信息，表示阀门的开或关到位信息；另外一组是阀门的极限位置信息，当阀门超出极限位置后，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止阀门动作；

2)通过增量编码器把阀门执行器轴上的旋转量转化成脉冲量输出至主控PLC；主控PLC将脉冲量转化成旋转数字量；通过计算旋转数字量信号的变化量，得到阀门动作的行程量，从而控制阀门动作的实际行程；

通过计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，得到电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式，得到阀门动作过程中的实时电机输出转动力矩，根据实时电机输出转动力矩的大小值判断是否过力矩、堵转；

通过计算旋转数字量信号的变化值与控制指令，判断无指令有动作或有指令无动作故障信号；

通过计算旋转数字量信号变化方向与控制指令开关方向比较，判断是否相序接反；

3)当出现以下现象：增量编码器故障、无指令有动作、有指令无动作、阀门过力矩、阀门堵转、相序接反、阀门超出极限位置或超温时，主控PLC将发出急停指令，断开电机电源，停止阀门动作，并发综合故障报警指示。

9.根据权利要求8所述的阀门控制装置的控制方法，其特征在于，当阀门控制装置用于调节型4-20mA连续控制的阀门控制时，为保证工艺流程的安全性，设置断信号阀门保位、断信号阀门全开或断信号阀门全关三种模式，其中断信号是指：4-20mA模拟量输入信号消失；

并通过人机交互模块输入控制参数，调整死区和灵敏度。

10.根据权利要求8所述的阀门控制装置的控制方法，其特征在于，所述标定阀门行程与力矩保护动作值包含以下步骤：

步骤1：对主控器PLC内的阀门位置信息进行初始化处理，即对阀门的开到位的位置值和关到位的位置值、以及极限位置值进行初始化；

步骤2：使阀门朝同一方向动作5秒以上，且保持阀门连续匀速工作，通过主控PLC计算单位时间内的旋转数字量信号的变化量，得到电机的输出转速n，再根据电机的额定功率结合电机输出转动力矩公式，得出正常工作状态下电机输出转动力矩，主控PLC将110％的电机输出转动力矩值赋值为力矩保护动作值；

步骤3：当确认阀门到了一个开或关位置后，此时计算旋转数字量信号的变化量，得到阀门动作的行程量，主控PLC记取该开到位的位置值或关到位的位置值，并自动赋值保存；同时将105％开到位的位置值作为阀门开的极限位置值，将95％关到位的位置值作为阀门关的极限位置值，并赋值保存。