CN107121922A - 一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置、控制箱及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置、控制箱及控制方法，适用于工矿企业中使用。包括控制单元、总线电路、就地操作按钮、检测装置、接线端子电源模块和交流接触器，其通过安装在原有电动执行机构本体上的扭矩传感器、温度传感器和绝对编码器，进行电动机扭矩和阀位采集和控制，实现对所有品牌电动执行机构的控制。多功能控制箱包括上箱体、下箱体、接线端子盒、接线端子支架、控制单元、交流接触器、接线端子，以及安装在原有电动执行机构本体上的扭矩传感器、温度传感器和绝对编码器。可以统一电动执行机构控制部分、兼容各种通信方式、兼容多种通信方式，冗余功能，控制功能，支持分体式安装，便于管理和维护。

Description

一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置、控 制箱及控制方法

技术领域

本发明涉及一种多电动执行机构控制装置、控制箱及控制方法，尤其适用于工矿企业中使用的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置、控制箱及控制方法。

背景技术

电动执行机构又称电动执行器，作为阀门、风门的开关和调节装置，广泛应用于电力、石化、冶金、水泥、市政和水处理等行业。目前现场使用的电动执行机构品牌和型号众多，国产品牌电动执行机构控制部分设计和制造工艺不理想，导致执行机构控制部分故障率很高，进口品牌电动执行机构备品备件价格昂贵，供货不及时。电动执行机构出现故障时，要么得不到及时修复，要么整机替代，严重影响生产，同时造成资源极大浪费，设备管理难度很大。

此外目前，国家正在倡导智能化、数字化工厂和物联网建设，现有的电动执行机构无法满足多样化的通信要求，无法实施大量数据的传输和交换。

发明内容

针对上述技术问题，提供一种结构简单，使用方便，对多个品牌和型号的电动执行机构兼容性强，减少各品牌备件采购，缩短故障处理时间，更换方便的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置、控制箱及控制方法

为实现上述技术目的，本发明的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置，它包括控制单元、总线电路、就地操作按钮、检测装置、接线端子电源模块和交流接触器，接线端子包括接线端子阳和接线端子阴，控制单元包括处理器、显示器、存储器、通信模块、设定开关、扩展插槽模块、转换电路和光电耦合器，检测装置包括设置在电动执行机构本体电动机上的扭矩传感器、温度传感器和阀位检测轴上的绝对编码器；

其中，控制单元分别与电源模块、交流接触器、就地操作按钮和总线电路相连接，交流接触器通过接线端子与电动执行机构本体的电动机连接，设置在电动机上的温度传感器、轴端扭矩传感器和阀位检测轴上的编码器的输出端经接线端子，通过转换电路与处理器的输入端相连接，总线电路通过接线端子与设置在外壳上的通讯接口相连；

处理器分别与显示器、存储器、通信模块、设定开关和扩展插槽模块相连接，处理器经转换电路通过接线端子输出4-20mA位置反馈信号，处理器通过顺序连接的光电耦合器、交流接触器与接线端子相连接，用于开关量与处理器之间控制信息的输入和输出；

所述通信模块包括无线通信模块和有线通信模块，其中无线通信模块包括蓝牙模块、红外线模块、无线ZigBee模块、WiFi模块，有线通信模块包括RS485接口、USB接口、和总线接口。

所述控制单元包括控制单元和备用控制单元，备用控制单元为冗余备用，当控制单元故障时自动启动备用控制单元开始工作，并发出故障信息。

所述控制单元内设有多个扩展插槽模块；

一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制箱，它包括检测装置、箱体和设置在箱体一侧的接线端子盒，接线端子盒上设有多个防水接头，接线端子盒内通过接线端子支架安装固定接线端子，接线端子盒与箱体内腔相通，箱体内腔一侧的接线端子为接线端子阴，另一侧为接线端子阳，检测装置的连接导线和电动机的电源线从防水接头穿过；

其中箱体由下箱体和上箱体连接构成，下箱体内设有通过交流接触器固定导轨安装的交流接触器和电路板支撑板，电路板支撑板上并排设置控制单元和备用控制单元，上箱体上设有按键孔和显示器开口，按键孔内底部设有弹簧和圆柱形磁铁，圆柱形磁铁上设有就地操作按钮，就地操作按钮周围设有骨架密封，骨架密上设有就地操作按钮的按钮压板，显示器开口中设有显示器，显示器上设有显示器窗口强化玻璃，显示器窗口强化玻璃四周设有固定用的玻璃压板。

所述下箱体内设有立柱，立柱之间设有提高刚性的3条横筋，电路支撑板固定在立柱上，下箱体外的下侧设有弧形槽，通过弧形槽将控制箱固定在管子。

玻璃压板通过观察窗密封沟槽密封固定显示器窗口强化玻璃，下箱体和上箱体之间设有上箱体结合面密封沟槽，并通过螺栓固定。

所述接线端子盒设有4个呈梯形布置的螺纹孔和密封沟槽，每个螺纹孔内安装一个防水接头。

一种使用兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置的控制方法，其特征在于步骤如下：

将控制器损坏的电动执行机构拆开，拆除损坏的控制器，将检测装置中的扭矩传感器和温度传感器分别安装在电动执行机构本体的电动机上，将绝对编码器安装在电动执行机构本体的阀位检测输出轴上，通过设定开关输入电动执行机构的型号；

使用时，远程启动电动执行机构本体时，利用扭矩传感器实时检测启动电动执行机构本体的扭矩信息，利用温度传感器实时采集电动执行机构本体的电动机温度信息，利用绝对编码器检测电动执行机构本体的阀位输出轴的转动角位移；

扭矩传感器、温度传感器和绝对编码器将检测信息通过接线端子发送到控制单元中，控制单元通过输入的检测信息数据与存储器记载的相应型号电动执行机构的转角和扭矩数据进行比较，同时控制单元实时监测温度传感器检查的温度数据是否超过预设值；

当控制单元判断检测数据与存储器记载的数据比较高于预定值，则控制单元通过交流接触器关闭电动执行机构本体；当控制单元判断温度传感器发送的温度数据超过预设值时，关闭电动执行机构本体同时发出警报；从而实现对电动执行机构本体的自动控制。

所述扭矩传感器、温度传感器和绝对编码器的监测信息以及处理单元做出的自动化处理数据均通过通信模块发送到数据库中储存起来。

本发明的有益效果：

1)本申请的控制装置兼容目前市面上所有品牌各种型号的电动执行机构控制部分，安装方便，改造简单；2)本申请的控制箱具有常备的冗余控制模块，大大降低了电动执行机构控制部分的故障率，减少维修频率；3)本申请的控制箱兼容多种通信方式，可以实现数据的无障碍传输和交换，便于组网，适用于各种工况情况；4)本申请的控制箱实现分体安装，可以安装在现场的墙体、平台上，或现场竖立的管子上，对安装场所要求低。本申请可以实现对进口品牌智能型电动执行机构、国产品牌智能型电动执行机构控制部分替代，还可以改造传统机械式电动执行机构，通过本申请的多功能控制单元将其改造成智能型。

附图说明

图1是本发明的控制箱结构图；

图2是本发明的控制装置的电路框图；

图3是本发明的下箱体的主视图；

图4是本发明的下箱体的左视图；

图5是本发明的下箱体的俯视图；

图6是本发明的下箱体的F向视图；

图7是本发明的上箱体的结构图；

图8是本发明的上箱体的E-E剖视图；

图9是本发明的接线端子盒图；

图10是本发明的接线端子盒H-H剖视图；

图中：1.电动执行机构本体；2.防水接头；3.接线端子盒；4.接线端子阳；5.接线端子阴；6.下箱体；7.上箱体；8.交流接触器；9.按钮压板；10.就地操作按钮；11.密封骨架；12.显示器窗口强化玻璃；13.玻璃压板；14.电路支撑板；15.控制单元；16.备用控制单元；17.弹簧；18.圆柱形磁铁；19.交流接触器固定导轨；20.接线端子支架；

1-1矩传感器；1-2温度传感器；1-3绝对编码器；6-1立柱；6-2窗口；6-3弧形槽；7-1按键孔；7-2显示器开口；7-3观察窗密封沟槽；7-4上箱体结合面密封沟槽；15-1处理器；15-2显示器；15-3总线电路；15-4存储器；15-5通信模块；15-6设定开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图2所示，本发明的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置，它包括控制单元15、总线电路15-3、就地操作按钮10、检测装置、接线端子电源模块15-7和交流接触器8，接线端子包括接线端子阳4和接线端子阴5，控制单元包括处理器15-1、显示器15-2、存储器15-4、通信模块15-5、设定开关15-6、扩展插槽模块15-8、转换电路和光电耦合器，检测装置包括设置在电动执行机构本体1电动机上的扭矩传感器1-1、温度传感器1-2和阀位检测轴上的绝对编码器1-3；

其中，控制单元分别与电源模块15-7、交流接触器8、就地操作按钮10和总线电路15-3相连接，交流接触器8通过接线端子与电动执行机构本体1的电动机连接，设置在电动机上的温度传感器1-2、轴端扭矩传感器1-1和阀位检测轴上的编码器1-3的输出端经接线端子，通过转换电路与处理器15-1的输入端相连接，总线电路15-3通过接线端子与设置在外壳上的通讯接口相连；

处理器15-1分别与显示器15-2、存储器15-4、通信模块15-5、设定开关15-6和扩展插槽模块15-8相连接，所述控制单元15内设有多个扩展插槽模块15-8，处理器15-1经转换电路通过接线端子输出4-20mA位置反馈信号，处理器15-1通过顺序连接的光电耦合器、交流接触器8与接线端子相连接，用于开关量与处理器15-1之间控制信息的输入和输出；

所述通信模块15-5包括无线通信模块和有线通信模块，其中无线通信模块包括蓝牙模块、红外线模块、无线ZigBee模块、WiFi模块，有线通信模块包括RS485接口、USB接口、和总线接口。

所述控制单元包括控制单元15和备用控制单元16，备用控制单元16结构为冗余备用结构和控制单元15相同，当控制单元15故障时自动启动备用控制单元16开始工作，并发出故障信息。

如图1所示，一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制箱，它包括检测装置、箱体和设置在箱体一侧的接线端子盒3，接线端子盒3上设有多个防水接头2，接线端子盒3内通过接线端子支架20安装固定接线端子，接线端子盒3与箱体内腔相通，箱体内腔一侧的接线端子为接线端子阴5，另一侧为接线端子阳4，检测装置的连接导线和电动机的电源线从防水接头2穿过；

其中箱体由下箱体6和上箱体7连接构成，下箱体6内设有通过交流接触器固定导轨19安装的交流接触器8和电路板支撑板14，电路板支撑板14上并排设置控制单元15和备用控制单元16，上箱体7上设有按键孔7-1和显示器开口7-2，按键孔7-1内底部设有弹簧17和圆柱形磁铁18，圆柱形磁铁18上设有就地操作按钮10，就地操作按钮10周围设有骨架密封11，骨架密封11上设有就地操作按钮10的按钮压板9，显示器开口7-2中设有显示器15-2，显示器15-2上设有显示器窗口强化玻璃12，显示器窗口强化玻璃12四周设有固定用的玻璃压板13。

如图3、图4和图5所示，下箱体6内设有立柱6-1，立柱6-1之间设有提高刚性的3条横筋6-5，电路支撑板14固定在立柱6-1上，下箱体6外的下侧设有弧形槽6-3，通过弧形槽6-3将控制箱固定在管子，下箱体6左侧开有与箱体内相通的窗口6-2，下箱体6外下侧设有弧形槽6-3和4个螺纹孔6-6

如图7和图8所示，玻璃压板13通过观察窗密封沟槽7-3密封固定显示器窗口强化玻璃12，下箱体6和上箱体7之间设有上箱体结合面密封沟槽7-4，并通过螺栓固定。

如图9和图10所示，所述接线端子盒3设有4个呈梯形布置的螺纹孔3-1和密封沟槽3-2，每个螺纹孔3-1内安装一个防水接头2。

一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制方法，其特征在于步骤如下：

将控制器损坏的电动执行机构拆开，拆除损坏的控制器，将检测装置中的扭矩传感器1-1和温度传感器1-2分别安装在电动执行机构本体1的电动机上，将绝对编码器1-3安装在电动执行机构本体1的阀位检测输出轴上，通过设定开关15-6输入电动执行机构的型号；

使用时，远程启动电动执行机构本体1时，利用扭矩传感器1-1实时检测启动电动执行机构本体1的扭矩信息，利用温度传感器1-2实时采集电动执行机构本体1的电动机温度信息，利用绝对编码器1-3检测电动执行机构本体1的阀位输出轴的转动角位移；

扭矩传感器1-1、温度传感器1-2和绝对编码器1-3将检测信息通过接线端子发送到控制单元15中，控制单元15通过输入的检测信息数据与存储器15-4记载的相应型号电动执行机构的转角和扭矩数据进行比较，同时控制单元15实时监测温度传感器1-2检查的温度数据是否超过预设值；

当控制单元15判断检测数据与存储器15-4记载的数据比较高于预定值，则控制单元15通过交流接触器8关闭电动执行机构本体1；当控制单元15判断温度传感器1-2发送的温度数据超过预设值时，关闭电动执行机构本体1同时发出警报；从而实现对电动执行机构本体1的自动控制。

所述扭矩传感器1-1、温度传感器1-2和绝对编码器1-3的监测信息以及处理单元做出的自动化处理数据均通过通信模块15-5发送到数据库中储存起来。

实施例一：

一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制箱，包含上箱体7、下箱体5、接线端子盒3、接线端子支架20、控制单元15、控制单元固定板14、电源模块15-7、交流接触器8、接线端子阳4、接线端子阴5，兼容多种通信方式，具有冗余功能，具有控制功能，通过分体式安装，实现对所有品牌电动执行机构的控制。

所述控制单元具有两套，即控制单元15和备用控制单元16，当运行的一套出现电路故障时，自动启用备用控制单元16，并输出故障报警信息；电动执行机构绝大部分故障都来自电控部分，该发明通过控制单元的冗余功能，大大降低了电动执行机构的故障率，保障整个系统的稳定运行。控制单元15和备用控制单元16固定在电路支撑板14上，电路支撑板14固定在下箱体6内部立柱6-1上，如图1、图3。

图2中，所述控制单元15包含处理器15-1、显示器15-2、总线电路15-3、存储器15-4、无线通信模块15-5、设定开关15-6、扩展插槽15-8，控制单元15的存储器15-4内写有主控制软件程序，所述控制单元15分别与电源模块15-7、交流接触器8连接、经接线端子阴4和接线端子阳5与安装在电动执行机构本体1上的绝对编码器1-3、电动机扭矩传感器1-1、温度传感器1-2连接；外部电源经接线端子与电源模块连接15-7连接，电源模块连接15-7与交流接触器8和控制单元15连接，扭矩传感器1-1、温度传感器1-2、绝对编码器1-3实现对电动执行机构电动机扭矩、温度和阀位检测，检测数据通过接线端子送入控制单元15的处理器15-1进行运算处理后，与存储器15-4中存储各种品牌型号的电动执行机构参数进行比较，再通过交流继电器8对电动执行机构的电动机进行控制。

控制单元15预留数个扩展插槽15-8，便于后期对控制箱升级用。

所述通信模块15-5具有多种通信接口，包括：RS485、USB、蓝牙、红外线、无线ZigBee、无线WiFi；在当前大数据、信息化、数字化、物联网背景下，工业控制中，对信息和数据的读取方式更加灵活方便。

所述控制单元15的存储器15-4内写有所有品牌电动执行机构型号，以及该型号电动执行机构的转速和扭矩参数；根据电动执行机构本体1型号选择控制参数；

所述控制箱上箱体7上表面装有开、关、停止、本地/远程4个按钮10：每个按钮10下端装有一个圆柱形磁铁19、弹簧18，按钮上端装有骨架密封11，通过压板9固定在上箱体7上表面4个竖直方向孔7-1内，骨架密封11起到密封和按钮缓冲作用；所有操作均通过这4个按钮；上箱体设有显示器观察窗，观察窗装有强化玻璃12和玻璃压板13，观察窗密封沟槽7-3和上箱体结合面密封沟槽7-4，用于安装O型密封圈，如图1、图2、图7和图8所示。

图3中，所述下箱体6内设有4根立柱6-1，图5中，用于固定电路支撑板14，设3条横筋6-5，以加强下箱体6的刚性；图4中，左侧开有与箱体内相通的窗口6-2，用于安装接线接线端子支撑架20；图4、图6中，下箱体6外下侧设有弧形槽6-3和4个螺纹孔6-6，用于控制箱安装在管子、墙体或平台上；

图9、图10中，所述接线端子盒3设有4个呈梯形布置的螺纹孔3-1和密封沟槽3-2，每个螺纹孔3-1内安装一个电缆防水接头2；

5个接线端子阳4和5个接线端子阳4固定在接线端子支架20上，再整体固定在接线端子盒3和下箱体6左侧开口6-2内；接线端子盒内5个接线端子阳4插入对应的5个接线端子阴5，接线端子盒3固定在下箱体6上；

所述交流接触器8安装在固定在下箱体6底部的导轨19上。

所述控制箱采用非侵入式设计，所有的电动执行机构设置和诊断都通过密封的观察窗口进行，而不必要现场移去上箱体7，暴露控制箱内部。

所述控制箱可以实现对所有品牌电动执行机构控制部分的取代。该控制单元为万能型，可以实现对进口品牌智能型电动执行机构、国产品牌智能型电动执行机构控制部分替代，还可以改造传统机械式电动执行机构，通过本发明的多功能控制单元将其改造成智能型。

Claims (10)

1.一种兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置，其特征在于：它包括控制单元(15)、总线电路(15-3)、就地操作按钮(10)、检测装置、接线端子电源模块(15-7)和交流接触器(8)，接线端子包括接线端子阳(4)和接线端子阴(5)，控制单元包括处理器(15-1)、显示器(15-2)、存储器(15-4)、通信模块(15-5)、设定开关(15-6)、扩展插槽模块(15-8)、转换电路和光点耦合器，检测装置包括设置在电动执行机构本体(1)电动机上的扭矩传感器(1-1)、温度传感器(1-2)和阀位检测轴上的绝对编码器(1-3)；

其中，控制单元分别与电源模块(15-7)、交流接触器(8)、就地操作按钮(10)和总线电路(15-3)相连接，交流接触器(8)通过接线端子与电动执行机构本体(1)的电动机连接，设置在电动机上的温度传感器(1-2)、轴端扭矩传感器(1-1)和阀位检测轴上的编码器(1-3)的输出端经接线端子，通过转换电路与处理器(15-1)的输入端相连接，总线电路(15-3)通过接线端子与设置在外壳上的通讯接口相连；

处理器(15-1)分别与显示器(15-2)、存储器(15-4)、通信模块(15-5)、设定开关(15-6)和扩展插槽模块(15-8)相连接，处理器(15-1)经转换电路通过接线端子输出4-20mA位置反馈信号，处理器(15-1)通过顺序连接的光电耦合器、交流接触器(8)与接线端子相连接，用于开关量与处理器(15-1)之间控制信息的输入和输出。

2.根据权利要求1所述的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置，其特征在于：所述通信模块(15-5)包括无线通信模块和有线通信模块，其中无线通信模块包括蓝牙模块、红外线模块、无线ZigBee模块、WiFi模块，有线通信模块包括RS485接口、USB接口、和总线接口。

3.根据权利要求1所述的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置，其特征在于：所述控制单元包括控制单元(15)和备用控制单元(16)，备用控制单元(16)为冗余备用，当控制单元(15)故障时自动启动备用控制单元(16)开始工作，并发出故障信息。

4.根据权利要求1所述的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置，其特征在于：所述控制单元(15)内设有多个扩展插槽模块(15-8)。

5.一种使用权利要求1所述兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置的控制箱，其特征在于：它包括检测装置、箱体和设置在箱体一侧的接线端子盒(3)，接线端子盒(3)上设有多个防水接头(2)，接线端子盒(3)内通过接线端子支架(20)安装固定接线端子，接线端子盒(3)与箱体内腔相通，箱体内腔一侧的接线端子为接线端子阴(5)，另一侧为接线端子阳(4)，检测装置的连接导线和电动机的电源线从防水接头(2)穿过；

其中箱体由下箱体(6)和上箱体(7)连接构成，下箱体(6)内设有通过交流接触器固定导轨(19)安装的交流接触器(8)和电路板支撑板(14)，电路板支撑板(14)上并排设置控制单元(15)和备用控制单元(16)，上箱体(7)上设有按键孔(7-1)和显示器开口(7-2)，按键孔(7-1)内底部设有弹簧(17)和圆柱形磁铁(18)，圆柱形磁铁(18)上设有就地操作按钮(10)，就地操作按钮(10)周围设有骨架密封(11)，骨架密封(11)上设有就地操作按钮(10)的按钮压板(9)，显示器开口(7-2)中设有显示器(15-2)，显示器(15-2)上设有显示器窗口强化玻璃(12)，显示器窗口强化玻璃(12)四周设有固定用的玻璃压板(13)。

6.根据权利要求4所述的控制箱，其特征在于：所述下箱体(6)内设有立柱(6-1)，立柱(6-1)之间设有提高刚性的3条横筋(6-5)，电路支撑板(14)固定在立柱(6-1)上，下箱体(6)外的下侧设有弧形槽(6-3)，通过弧形槽(6-3)将控制箱固定在管子。

7.根据权利要求4所述的控制箱，其特征在于：玻璃压板(13)通过观察窗密封沟槽(7-3)密封固定显示器窗口强化玻璃(12)，下箱体(6)和上箱体(7)之间设有上箱体结合面密封沟槽(7-4)，并通过螺栓固定。

8.根据权利要求4所述的控制箱，其特征在于：所述接线端子盒(3)设有4个呈梯形布置的螺纹孔(3-1)和密封沟槽(3-2)，每个螺纹孔(3-1)内安装一个防水接头(2)。

9.一种使用权利要求1所述的兼容多种通信方式的多功能电动执行机构控制装置的控制方法，其特征在于步骤如下：

将控制器损坏的电动执行机构拆开，拆除损坏的控制器，将检测装置中的扭矩传感器(1-1)和温度传感器(1-2)分别安装在电动执行机构本体(1)的电动机上，将绝对编码器(1-3)安装在电动执行机构本体(1)的阀位检测输出轴上，通过设定开关(15-6)输入电动执行机构的型号；

使用时，远程启动电动执行机构本体(1)时，利用扭矩传感器(1-1)实时检测启动电动执行机构本体(1)的扭矩信息，利用温度传感器(1-2)实时采集电动执行机构本体(1)的电动机温度信息，利用绝对编码器(1-3)检测电动执行机构本体(1)的阀位输出轴的转动角位移；

扭矩传感器(1-1)、温度传感器(1-2)和绝对编码器(1-3)将检测信息通过接线端子发送到控制单元(15)中，控制单元(15)通过输入的检测信息数据与存储器(15-4)记载的相应型号电动执行机构的转角和扭矩数据进行比较，同时控制单元(15)实时监测温度传感器(1-2)检查的温度数据是否超过预设值；

当控制单元(15)判断检测数据与存储器(15-4)记载的数据比较高于预定值，则控制单元(15)通过交流接触器(8)关闭电动执行机构本体(1)；当控制单元(15)判断温度传感器(1-2)发送的温度数据超过预设值时，关闭电动执行机构本体(1)同时发出警报；从而实现对电动执行机构本体(1)的自动控制。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述扭矩传感器(1-1)、温度传感器(1-2)和绝对编码器(1-3)的监测信息以及处理单元做出的自动化处理数据均通过通信模块(15-5)发送到数据库中储存起来。