CN107420608B - 一种阀门控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阀门控制系统及控制方法，所述系统包括阀门定位器、驱动器和电动执行机构；阀门定位器包括中央控制器以及与中央控制器连接的模拟量输入模块和阀位检测模块。阀门控制系统还包括电源管理装置、光电隔离器、人机接口、开关量输入模块、内部存储模块、阀位反馈模块和故障检测模块。本发明提供的阀门控制系统及控制方法，中央控制器接收经过模拟量输入模块转化后生成的直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；驱动器根据输出信号，控制电机执行机构，调整阀门开度信号；故障检测模块实时对系统电压、电流、温度和阀位进行监控和自诊断。提高了系统的控制精度，提供了更完善的安全保障机制，提高了系统的可靠性。

Description

一种阀门控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及阀门控制技术领域，更具体地，涉及一种阀门控制系统及其控制方法。

背景技术

智能阀门控制系统是电动调节阀的重要组件之一，广泛应用于电力、冶金、石化、医药等行业。随着生产工艺需求的提升，当前工业生产现场需要阀门控制系统往智能化方向发展，需要其具备完善的自诊断功能、安全的应急响应机制、更高的控制精度性能，传统阀门往往不能满足当前市场需求。

传统的阀门控制系统通常使用单圈或多圈电位器以检测阀门开度信号，但其检测结果受电源波动影响，精度不高。阀门控制系统在安装阶段或使用过程中往往需要经常反复调整行程、零点等参数。传统的阀门控制系统采用多个按键作为输入设备，其结果是导致设置过程变得复杂，需要操作人员对操作过程有较好认知，专业性要求较高，部分新型阀门控制系统采用基金会总线等现场总线与控制中心进行通信对系统参数进行设置，应用在某些场景如热力管道流量控制中时，线路铺设难度大、成本高。

传统阀门控制系统在功能和使用上的缺点暴露得日益明显,如安全性不好,缺乏完善的故障处理和报警系统,不能很好地实现人机对话,控制精度不高。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种阀门控制系统及控制方法。

一方面，本发明提供一种阀门控制系统，包括阀门定位器、驱动器和电动执行机构；所述阀门定位器包括中央控制器、模拟量输入模块和阀位检测模块；所述中央控制器分别与模拟量输入模块和阀位检测模块连接；

所述模拟量输入模块用于接收多种输入信号，并将输入信号转换为直流电压信号，发送至中央控制器；所述中央控制器用于根据所述直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；所述阀位检测模块用于检测阀门开度信号；所述驱动器用于驱动电动执行机构，控制阀门开度信号。

其中，所述阀门定位器还包括人机接口，所述人机接口包括输入单元和显示单元；所述输入单元用于设置系统参数，所述显示单元用于显示当前系统参数。

其中，所述输入单元为带按键的旋转编码器；所述旋转编码器是一个可按下的旋钮，在旋钮旋转时产生AB相脉冲，旋钮正转时A相超前，反转时B相超前，旋钮的正转、反转、长按以及短按四种操作代替传统阀门定位器中的多个按钮。

其中，所述阀门定位器还包括开关量输入模块、内部存储模块和阀位反馈模块；所述开关量输入模块用于获取开关量信号；所述内部存储模块用于记录系统参数；所述阀位反馈模块用于向阀门外部控制中心反馈阀门开度信号。

其中，所述阀门定位器还包括故障检测模块，所述故障检测模块包括电压检测单元、温度检测单元、电流检测单元和限位检测单元；

所述故障检测模块用于实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断。

其中，所述阀位检测模块为绝对值编码器。

其中，所述模拟量输入模块为兼容多种输入信号的检测电路。

其中，所述检测电路中，所述输入信号包括4-20mA直流电流信号、0-5V直流电压信号以及0-10V直流电压信号；输出电压被限定在0-3V。

另一方面，本发明还提供一种阀门控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，中央控制器接收直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；所述直流电压信号是模拟量输入模块接收多种输入信号转化生成的；

步骤S2，根据所述输出信号，控制电机执行机构，调整阀门开度信号；

步骤S3，实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断。

其中，所述步骤3中，所述实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断具体包括：

步骤S31，检测系统电压，将220V交流市电转化的24V电源电压，判断系统主电源是否缺失，当主电源缺失时，系统将切换至掉电保护状态，由应急电源提供能量，调整至所设置的安全阀位，并通过报警灯、报警蜂鸣器或外部通信接口发出报警信号。

步骤S32，检测电动执行机构的电流，判断是否发生堵转，当堵转发生时，系统将切换至防堵转模式，中央控制器控制驱动器使电动执行机构反向运动一定时间后，再以更大力矩正向运动，以到达目标位置。

步骤S33，检测电机表面及驱动器温度，若温度过高则使阀门停留在安全位置后停止运行，并发出报警信号。

步骤S34，利用设置在机械限位点前的限位开关进行限位检测，当超限位时控制电动执行机构反向运动，防止机械碰撞的发生。

本发明提供的阀门控制系统及控制方法，采用兼容多种输入信号的输入检测电路，将多种输入信号转化为系统所需的直流电压信号，提高了系统的控制精度；采用故障检测模块实时对系统电压、电流、温度和阀位进行监控和自诊断，提供了更完善的安全保障机制，提高了系统的可靠性；采用了简便的人机接口，实现一键式操作，提高了系统的便捷性。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的阀门控制系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的输入检测电路的电路图；

图3为根据本发明实施例提供的另一种阀门系统的结构示意图；

图4为根据本发明实施例提供的阀门控制方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为根据本发明实施例提供的阀门控制系统结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的阀门控制系统包括：阀门定位器、驱动器和电动执行机构；所述阀门定位器包括中央控制器、模拟量输入模块和阀位检测模块；所述中央控制器分别与模拟量输入模块和阀位检测模块连接；

所述模拟量输入模块用于接收多种输入信号，并将输入信号转换为直流电压信号，发送至中央控制器；所述中央控制器用于根据所述直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；所述阀位检测模块用于检测阀门开度信号；所述驱动器用于驱动电动执行机构，控制阀门开度信号。本实施例中，中央控制器采用STM32F103系列微控制器。

具体地，阀门定位器中的模拟量输入模块接收多种输入信号，输入信号包括常用的4-20mA直流电流信号或少数情况下使用的0-5V或0-10V直流电压信号，模拟量输入模块将输入信号转化为0-3.3V直流电压信号，并发送至中央控制器；中央控制器接收转化后的直流电压信号，与阀位检测模块检测到的当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号。输出信号经光电隔离器传递到驱动器，驱动器根据输出信号来控制电动执行机构调整阀门开度信号，其中电动执行机构与阀门连接。

具体地，模拟量输入模块采用兼容多种输入信号的检测电路，图2为本发明中的兼容多种输入信号的输入检测电路，可实现在同一接口下检测常见的4-20mA直流电流信号以及某些情形下使用的0-5V与0-10V直流电压信号，并将上述信号转化为0-3.3V直流电压信号，传递至中央控制器。其中，电流信号经过电阻Rin转化为0-3.3V直流电压信号。

进一步地，输入端的电压信号被D1、D2钳位二极管限定在0到10V之间；R1、R2电阻及U1A运放构成同向电压跟随器，起隔离、保护作用，电压跟随器的输出电压等于输入端的电压，其输出电压被R3、R4分压，从0-10V转化为0-2.5V，输出电压被D3、D4钳位二极管限定在0到3V之间，并被C1电容滤除高频干扰后输出，由模数转换单元采集，得到所需的直流电压信号。

本发明实施例提供的阀门控制系统，模拟量输入模块采用兼容多种输入信号的输入检测电路，将多种输入信号转化为系统所需的直流电压信号，提高了系统的控制精度；同一接口可接收多种类型信号，减少了接口数量，提高了系统的便捷性。

图3为根据本发明实施例提供的另一种阀门系统的结构示意图，如图3所示，在上述实施例的基础上，阀门控制系统还包括人机接口，人机接口包括输入单元和显示单元。

具体地，输入单元用于设置系统参数，显示单元显示当前系统参数，优选的，显示单元采用LCD显示屏。操作人员通过人机接口来设置系统参数并查看当前系统参数，其中，系统参数至少包括阀门开度信号、电压和温度。

进一步地，输入单元采用带按键的旋转编码器。旋转编码器是一个可按下的旋钮，与光电编码器相似，在旋钮旋转时可产生AB相脉冲，旋钮正转时A相超前，反转时B相超前，故可区分旋钮的正反转，因此，旋钮的正转、反转、长按、短按四种操作可完全代替传统阀门定位器中的多个按钮，完成参数设置，实现一键式操作，提高了操作的便捷性。

如图3所示，在上述各实施例的基础上，所述阀门定位器还包括开关量输入模块、内部存储模块和阀位反馈模块；所述开关量输入模块用于获取开关量信号；所述内部存储模块用于记录系统参数；所述阀位反馈模块用于向阀门外部控制中心反馈阀门开度信号。在本实施例中，阀位反馈模块采用以XTR1115为核心的4-20mA电流信号输出模块。

在上述各实施例的基础上，阀门定位器还包括故障检测模块，故障检测模块包括电压检测单元、温度检测单元、电流检测单元和限位检测单元。

具体地，电压检测单元通过检测由220V交流市电转化的24V电源电压判断系统主电源是否缺失，当主电源缺失时，系统将切换至掉电保护状态，由备用电源提供能量，调整至所设置的安全阀位，并通过报警灯、报警蜂鸣器或外部通信接口发出报警信号。

电流检测单元检测电动执行机构的电流，判断是否发生堵转，当堵转发生时，系统将切换至防堵转模式，控制器控制驱动器使电动执行机构反向运动一定时间后，再以更大力矩正向运动，以到达目标位置。

温度检测单元检测电动执行机构及驱动器的温度，若温度过高则使阀位停留在安全位置后停止运行，并发出报警信号。

限位检测单元利用设置在机械限位点前的限位开关检测，当超限位时控制器使电动执行机构反向运动，防止机械碰撞的发生。

进一步地，故障检测模块实时对电压、电流、温度、阀位等参数进行监控，并在系统初始化时进行自诊断，检测系统各个组成单元是否正常运行，并有相应故障响应机制，保障系统安全性，实现系统的智能化自诊断。本发明实施例提供的阀门控制系统，采用故障检测模块实时对系统电压、电流、温度和阀位进行监控和自诊断，故障显示装置包括电压检测单元、温度检测单元、电流检测单元和限位检测单元，提供了更完善的安全保障机制，提高了系统的可靠性。

如图3所示，阀门控制系统还包括电源管理装置，电源管理装置包括电压转换器和应急电源；电压转换器用于把220V交流市电转化为系统所需的直流电压；应急电源用于在主电源缺失时为系统供电。本实施例中，系统所需的直流电压包括24V、12V、5V或3.3V直流电压。应急电源采用超级电容模组或聚合物锂电池。

如图3所示，阀门定位器还包括光电隔离器，光电隔离器用于传输电信号，光电隔离器(optoelectronic isolator，英文缩写为OC)亦称光电耦合器、光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光电隔离器在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

在上述各实施例的基础上，所述阀位检测模块采用绝对值编码器，绝对值编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘进行记忆的。

绝对编码器由机械位置确定编码，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，在任意时候都能读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。本发明实施例采用绝对值编码器作为阀位检测模块，提高了阀位检测精度，提升了系统可靠性。

图4为根据本发明实施例提供的阀门控制方法流程示意图，如图4所示，该方法包括：步骤S1，中央控制器接收直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；步骤S2，根据所述输出信号，控制电机执行机构，调整阀门开度信号；步骤S3，实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断。

其中，步骤S1中，中央控制器接收直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；所述中央控制器接收的直流电压信号是模拟量输入模块接收多种输入信号转化生成的直流电压信号。

参考图3和图4，中央控制器分别与模拟量输入模块、开关量输入模块、内部存储模块、光电隔离器、阀位检测模块、阀位反馈模块以及故障检测模块连接；开关量输入模块获取开关量信号或通讯请求；内部存储模块记录系统参数。

其中，电源管理装置与阀门定位器、驱动器和电动执行机构连接，为阀门控制系统提供电能。电源管理装置包括电压转换器和应急电源；电压转换器用于把220V交流市电转化为系统所需的直流电压；应急电源用于在主电源缺失时为系统供电。本实施例中，系统所需的直流电压包括24V、12V、5V或3.3V直流电压。

具体地，模拟量输入模块接收多种输入信号，将输入信号转化为0-3.3V直流电压信号，并发送至中央控制器；中央控制器接收转化后的直流电压信号，与阀位检测模块检测到的当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号。

具体地，在本实施例中，模拟量输入模块采用兼容多种输入信号的检测电路，图2为本发明中的兼容多种输入信号的输入检测电路，可实现在同一接口下检测常见的4-20mA直流电流信号以及某些情形下使用的0-5V与0-10V直流电压信号，并将上述信号转化为0-3.3V直流电压信号，传递至中央控制器。

进一步地，中央控制器接收直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号，其中，当前阀门开度信号是由故障检测模块获取并反馈至中央控制器。中央控制器进行比较之后，计算获得输出信号，输出信号经过光电隔离器传输至驱动器。

其中，步骤S2中，驱动器根据所述输出信号，控制电机执行机构，调整阀门开度信号。

具体地，中央控制器计算获得的输出信号经过光电隔离器传输至驱动器。其中，光电隔离器(optoelectronic isolator，英文缩写为OC)亦称光电耦合器、光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。驱动器根据输出信号，驱动电动执行机构，使阀门开度信号达到目标位置，其中，电动执行机构与阀门连接。

其中，步骤S3中，故障检测模块实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断。

具体地，故障检测模块实时检测系统故障并进行自诊断。故障检测模块实时对电压、电流、温度、阀位等参数进行监控，并有相应故障响应机制，保障系统安全性，实现系统的智能化自诊断。

本发明提供的阀门控制方法，采用兼容多种输入信号的输入检测电路，将多种输入信号转化为系统所需的直流电压信号，提高了系统的控制精度；采用故障检测模块实时对系统电压、电流、温度和阀位进行监控和自诊断，提供了更完善的安全保障机制，提高了系统的可靠性。

在上述实施例的基础上，阀门控制系统还包括人机接口，人机接口包括输入单元和显示单元。

具体地，输入单元用于设置系统参数，显示单元显示当前系统参数，优选的，显示单元采用LCD显示屏。操作人员通过人机接口来设置系统参数并查看当前系统参数，其中，系统参数至少包括阀门开度信号、电压和温度。

进一步地，输入单元采用带按键的旋转编码器。旋转编码器是一个可按下的旋钮，与光电编码器相似，在旋钮旋转时可产生AB相脉冲，旋钮正转时A相超前，反转时B相超前，故可区分旋钮的正反转，因此，旋钮的正转、反转、长按、短按四种操作可完全代替传统阀门定位器中的多个按钮，完成参数设置，实现一键式操作，提高了操作的便捷性。

在上述实施例的基础上，所述步骤S3中，实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断具体包括：

步骤S31，检测系统电压，将220V交流市电转化的24V电源电压，判断系统主电源是否缺失，当主电源缺失时，系统将切换至掉电保护状态，由应急电源提供能量，调整至所设置的安全阀位，并通过报警灯、报警蜂鸣器或外部通信接口发出报警信号。

步骤S32，检测电动执行机构的电流，判断是否发生堵转，当堵转发生时，系统将切换至防堵转模式，中央控制器控制驱动器使电动执行机构反向运动一定时间后，再以更大力矩正向运动，以到达目标位置。

步骤S33，检测电机表面及驱动器温度，若温度过高则使阀门停留在安全位置后停止运行，并发出报警信号。

步骤S34，利用设置在机械限位点前的限位开关进行限位检测，当超限位时控制电动执行机构反向运动，防止机械碰撞的发生。

故障检测模块实时对电压、电流、温度、阀位等参数进行监控，并在系统初始化时进行自诊断，检测系统各个组成单元是否正常运行，并有相应故障响应机制，保障系统安全性，实现系统的智能化。本发明实施例提供的阀门控制系统，提供了更完善的安全保障机制，提高了系统的可靠性。

本发明提供的阀门控制系统及控制方法，采用兼容多种输入信号的输入检测电路，将多种输入信号转化为系统所需的直流电压信号，提高了系统的控制精度；采用故障检测模块实时对系统电压、电流、温度和阀位进行监控和自诊断，提供了更完善的安全保障机制，提高了系统的可靠性；采用了简便的人机接口，提高了操作的便捷性。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种阀门控制系统，其特征在于，包括：阀门定位器、驱动器和电动执行机构；所述阀门定位器包括中央控制器、模拟量输入模块和阀位检测模块；所述中央控制器分别与模拟量输入模块和阀位检测模块连接；

所述模拟量输入模块用于接收多种输入信号，并将输入信号转换为直流电压信号，发送至中央控制器；所述中央控制器用于根据所述直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；所述阀位检测模块用于检测阀门开度信号；所述驱动器用于驱动电动执行机构，控制阀门开度信号；

所述阀门定位器还包括人机接口，所述人机接口包括输入单元和显示单元；所述输入单元用于设置系统参数，所述显示单元用于显示当前系统参数；

所述系统参数包括阀门开度信号、电压和温度；

所述模拟量输入模块为兼容多种输入信号的检测电路；所述检测电路中，所述输入信号包括4-20mA直流电流信号、0-5V直流电压信号以及0-10V直流电压信号；输出电压被限定在0-3V。

2.根据权利要求1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述输入单元为带按键的旋转编码器；所述旋转编码器是一个可按下的旋钮，在旋钮旋转时产生AB相脉冲，旋钮正转时A相超前，反转时B相超前，旋钮的正转、反转、长按以及短按四种操作代替传统阀门定位器中的多个按钮。

3.根据权利要求1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述阀门定位器还包括开关量输入模块、内部存储模块和阀位反馈模块；所述开关量输入模块用于获取开关量信号；所述内部存储模块用于记录系统参数；所述阀位反馈模块用于向阀门外部控制中心反馈阀门开度信号。

4.根据权利要求1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述阀门定位器还包括故障检测模块，所述故障检测模块包括电压检测单元、温度检测单元、电流检测单元和限位检测单元；

所述故障检测模块用于实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断。

5.根据权利要求1所述的阀门控制系统，其特征在于，所述阀位检测模块为绝对值编码器。

6.一种阀门控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，中央控制器接收直流电压信号，与当前阀门开度信号进行比较，获得输出信号；所述直流电压信号是模拟量输入模块接收多种输入信号转化生成的；所述模拟量输入模块为兼容多种输入信号的检测电路；所述检测电路中，所述输入信号包括4-20mA直流电流信号、0-5V直流电压信号以及0-10V直流电压信号；输出电压被限定在0-3V；

步骤S2，根据所述输出信号，控制电机执行机构，调整阀门开度信号；

步骤S3，实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述实时监测系统的电压、温度、电流和阀门位置，并进行自诊断具体包括：

步骤S31，检测系统电压，将220V交流市电转化的24V电源电压，判断系统主电源是否缺失，当主电源缺失时，系统将切换至掉电保护状态，由应急电源提供能量，调整至所设置的安全阀位，并通过报警灯、报警蜂鸣器或外部通信接口发出报警信号；

步骤S32，检测电动执行机构的电流，判断是否发生堵转，当堵转发生时，系统将切换至防堵转模式，中央控制器控制驱动器使电动执行机构反向运动一定时间后，再以更大力矩正向运动，以到达目标位置；

步骤S33，检测电机表面及驱动器温度，若温度过高则使阀门停留在安全位置后停止运行，并发出报警信号；

步骤S34，利用设置在机械限位点前的限位开关进行限位检测，当超限位时控制电动执行机构反向运动，防止机械碰撞的发生。