CN110159825B - 电动阀门工作状态监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电动阀门工作状态监控系统，涉及阀门监控技术领域，为流程工业的生产过程提供保障。该系统主要由控制单元、驱动单元、显示单元和电动阀门的本体结构组成。控制单元包括处理器、通讯端口、信号输入/输出端口、电源端口等；驱动单元由24V开关电源、电机驱动板、通讯转换器组成；显示单元由液晶显示屏和薄膜键盘组成；电动阀门由直流无刷电机、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、限位开关、阀杆、阀芯和阀体组成；各个硬件单元之间通过导线连接构成完整的电动阀门驱动控制系统。本发明的优势在于能够实时掌握电动阀门的运行状态，在出现异常现象的情况下快速找出成因以降低物料损失。

Description

电动阀门工作状态监控系统

技术领域

本发明涉及阀门监控技术领域，特别是涉及电动阀门工作状态监控系统。

背景技术

电动阀门是流程工业中负责流量调节的重要设备，以应用最为广泛的国产ZJKV型电动阀门为例，该款电动阀门属于DCS系统的一种执行器，就电动阀门本身而言不具有监控系统。ZJKV型电动阀门的操作步数为100步，对于0～90°的角行程每一个操作步长使阀芯转动0.9°，对应某一个流量增值。电动阀门的定位精度决定着流体流量的准确性，当电动阀门的定位过程存在波动现象时，必然导致流量值波动。通常根据流量调节质量来衡量电动阀门的精度，但是，由于没有专门用于电动阀门的监控系统，不能实时掌握电动阀门的工作状态，更不能对其定位情况进行优化。

与之相比，BTG公司的VBW系列电动阀门具有5000步以上的定位精度，采用高精度谐波传动变速箱实现力矩的转换输送，具有精密的阀位检测电位计，阀门本身自带微处理器，构成了一个完整的阀芯状态监控系统。但是，该类高精度电动阀门的价格十分昂贵，不适合普及应用，例如单台DN150的高精度阀门的市场售价为18万元左右，令国内诸多企业望而却步。

目前，市场上尚无经济指标合适的技术产品，流程工业对电动阀门的选择不得不徘徊于ZJKV和VBW两种产品之间，因此，开发一套用于电动阀门的小型状态监控系统具有一定的意义。

发明内容

在国产ZJKV型电动阀门的基础上，本发明采用直流无刷电机作为电动阀门的驱动源，配置了电动阀门的驱动控制单元，在微处理器中设计了五段S形速度曲线，开发出了兼具误差补偿、闭环控制、状态显示功能于一体的用于电动阀门的小型监控系统。

一种用于监控电动阀门工作状态的系统，由控制单元、驱动单元、显示单元和电动阀门的本体结构四个部分组成。其特征是：所述控制单元由微处理器、通讯端口、输入端口、输出端口、电源端口组成；所述驱动单元由24V开关电源、电机驱动板、通讯转换器组成；所述显示单元由液晶显示屏和2×2薄膜键盘组成；所述电动阀门由直流无刷电机、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、全开限位开关、全关限位开关、阀杆、阀芯和阀体组成；所述直流无刷电机的输出轴与圆柱齿轮的首端同轴固接，3个以上圆柱齿轮啮合在一起构成减速箱，圆柱齿轮的尾端与蜗杆同轴固接，蜗轮蜗杆啮合构成换向器，由蜗轮带动阀杆旋转，进而带动阀芯开启或关闭；所述各个硬件单元之间通过导线连接，构成完整的驱动控制电路，并在微处理器中嵌入执行程序；所述执行程序在Arduino IDE的集成编译环境中进行设计，经过通讯端口将程序烧写至微处理器中。

进一步地，所述微处理器的通讯兼电源端口与计算机的COM3端口在驱动程序CH341下进行相连，所述微处理器的DI端口分别与全开限位开关、全关限位开关、2×2薄膜键盘相连，所述微处理器的DO端口与电机驱动板的正转控制端口和反转控制端口相连，所述微处理器的AI端口与直流无刷电机内置的霍尔元件的输出端口HU、HV、HW相连，所述微处理器的PWM端口与电机驱动板的调速控制端口相连，所述微处理器通过端口SDA、SCL、GND、VCC与液晶显示屏的相应端口相连。

进一步地，所述电机驱动板的A、B通讯端口经通讯转换器与计算机的COM2端口相连，所述电机驱动板由24V开关电源供电，所述电机驱动板的电源控制端口U、V、W输出直流24V给直流无刷电机的三相定子绕组供电，所述电机驱动板输出直流5V给霍尔元件供电。

进一步地，所述微处理器内置五段S形速度曲线，作为电动阀门定位控制回路的速度设定，具体为在Arduino IDE的编程环境中，用c语言进行该算法的程序设计。所述五段S形速度曲线包含加速度按固定比率增大的匀变加速过程、加速度按固定比率减小的匀变加速过程、匀速过程、加速度按固定比率增大的匀变减速过程和加速度按固定比率减小的匀变减速过程，以描述电动阀门在工作状态下的转角规律，所述加速过程与减速过程相逆。

进一步地，所述定位控制回路采用速度电流串级负反馈模式，将电流负反馈作为内环，速度负反馈作为外环，转角值作为电动阀门定位信号的输出，以期电动阀门在任意时刻的速度维持在五段S形速度曲线上，在五段S形速度曲线的末时刻电动阀门刚好抵达目标转角。

进一步地，所述监控系统涉及自动和手动两种操作模式，所述2×2薄膜键盘包含手动操作、自动操作、开阀操作、关阀操作四个功能按钮，在自动模式下电动阀门会以五段S形速度设定曲线所描述的规律来执行开阀或关阀，在手动模式下由开阀按钮和关阀按钮决定电动阀门的运行状态，当自动模式有效时手动模式不发挥作用，反之亦然。按下开阀按钮后电动阀门正转，转速开始按照加速段所描述的函数关系变化，松开开阀按钮后阀芯继续正转，转速开始按照减速段所描述的函数关系变化，其中，开阀按钮的保持时间越长阀芯所转过的角位移越大；按下关阀按钮后电动阀门反转，转速开始按照加速段所描述的函数关系变化，松开关阀按钮后阀芯继续反转，转速开始按照减速段所描述的函数关系变化，其中，关阀按钮的保持时间越长阀芯所转过的角位移越大。

进一步地，所述液晶显示屏是电动阀门监控系统的人机交互界面，屏幕的显示功能项通过在微处理器中的程序设置完成，包含0～100％的阀芯位置信息指示、阀芯全开指示、阀芯全关指示、上电复位指示、误差补偿指示以及阀芯开关状态指示。

进一步地，所述监控系统初始上电后，电动阀门立即进入上电复位状态，当阀芯位置小于20％时，开阀5s，当阀芯位置大于80％时，关阀5s。

进一步地，所述开阀与关阀操作的交替过程伴随机械间隙产生，且不存在于单向开阀或关阀的过程中，所述机械间隙会随着电动阀门的使用工况而改变，对应的解决方案为：在微处理器中预先置入误差补偿值，并由处理器判断在电动阀门的工作过程中是否存在机械间隙，当存在机械间隙时监控系统的误差补偿功能有效，当不存在机械间隙时监控系统的误差补偿功能无效。

本发明的有益效果为：

所构建电动阀门的运行状态监控系统，在内部采用低压供电的方式，有效地避免了强电对弱电造成的干扰；本发明外围电路的设计原理较为简单，其接线过程容易实现；本发明具有体积小的特点，能够将电机驱动板置入机罩内，可灵活实现机电控制一体化；本发明与原来单独的ZJKV型电动阀门在外观上完全兼容，硬件单元的新增成本不到300元；本发明兼具误差补偿、闭环控制、状态显示功能，能够实时反映电动阀门的工作状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明监控系统的控制原理图；

图2为本发明监控系统的线路连接示意图；

图3为本发明监控系统中的电动阀门的结构示意图；

图4为本发明监控系统的五段S形速度曲线原理及实现流程图；

图5为本发明监控系统的控制回路方框图；

图6为本发明监控系统的误差补偿流程图；

图7为本发明监控系统的工作流程图。

主要元件符号说明如下：1、机罩；2、电机槽；3、直流无刷电机；4、圆柱齿轮；5、蜗杆；6、蜗轮；7、限位开关；8、阀体；9、阀杆；10、阀芯；11、微处理器；12；通讯端口；13、开关电源；14、液晶显示屏；15、薄膜键盘；16、电机驱动板；17、电动阀门。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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说明了本发明监控系统的控制原理，DCS系统根据流量调节需求、现场的电动阀门17运行反馈信号，向微处理器11发出开关阀控制信号，由微处理器11进行运算处理后向电机驱动板16发出电动阀门17的运行控制信号来保证定位准确。所述微处理器11采用型号为LY-F2的开发板，其内部的控制芯片为ATMega328P，电机驱动板16的型号为AQMD3605BLS，支持转速闭环控制模式。所述微处理器11由计算机提供9V输入电压，所述电机驱动板16由开关电源13提供24V输入电压。所述计算机的处理器型号为Intel(R)Core(TM)i5-4200CPU@1.60Hz 2.30GHz，在计算机中下载兼容版本的Arduino IDE集成编译环境，安装USB转串口驱动程序CH341，通过端口COM3与微处理器11实现数据通讯，将控制程序烧写至微处理器11并永久保存，通过端口COM2与电机驱动板16进行数据通讯以学习电动阀门17的驱动参数。

图2说明了本发明监控系统的接线原理，微处理器11的VIN端口与计算机的COM3通讯端口12相连后兼备通讯、供电的功能，微处理器11的VCC、GND、SCL、SDA端口与型号为LCD1602的液晶显示屏14的相应端口连接，微处理器11的10～13输入端口分别与薄膜键盘15的开阀、关阀、手动、自动四个功能项端口以下拉电阻的方式连接，微处理器11的A0、A1、A2输入端口与电动阀门17的阀位信号输出端口HU、HV、HW相连，微处理器11的3～5输出端口分别与电机驱动板16的IN1、IN2、IN3端口相连，电机驱动板16的限位端口SQ1、SQ2分别与电动阀门17的全开、全关限位端口相连，并由电机驱动板16为电动阀门17提供三相直流24V驱动电源。

图3说明了本发明监控系统中的电动阀门17的结构组成，直流无刷电机3固定安装于电机槽2内，直流无刷电机3的输出轴连接圆柱齿轮4，3个以上的圆柱齿轮4依次啮合后与蜗杆5同轴连接，蜗轮6和蜗杆5啮合，经过圆柱齿轮4减速以及蜗轮6和蜗杆5增矩后，动力传输至阀杆9，最终由阀杆9带动阀芯10完成转动，并且当阀杆9抵触至限位开关7所指定的位置时，电动阀门17会自动断电进而实现对阀芯10的保护，所述直流无刷电机3、圆柱齿轮4、蜗杆5、蜗杆6和限位开关7均位于机罩1内部，而阀杆9则位于阀体8内部。

图4(a)、4(b)、4(c)说明了本发明监控系统的五段S形速度曲线原理及特点，其第一段、第二段和第三段所描述的运动状态特征可表示为：

由图4(a)可知，第一段与第五段、第二段与第四段所描述的速度变化规律相逆，可将减速环节看作加速环节的逆过程，此处不再推导减速段的运动特征函数关系。在图4(b)中，虚线表示电动阀门在理想条件下的速度曲线，经对比分析得：阀芯经历第一段加速过程后所获得的角位移与理论角位移之间的差量刚好由第二段加速过程来弥补，阀芯经历减速过程所获得的实际角位移等于第二段加速过程对应的理论角位移，经过五段S形速度曲线后阀芯获得的实际角位移恰好等于理论值。在图4(c)中，对比了梯形速度曲线与五段S形速度曲线所描述的运动状态规律，可知梯形速度曲线的加速时间是五段S形速度曲线的1/2，并且梯形速度曲线的最小操作步长五段S形速度曲线的1/2。由图4(d)可知，五段S形速度曲线的算法实现步骤可描述为：首先进行规定转速、许用加速度的参数设置，其次分配五段S形速度曲线中加速段和减速段的耗用时间，然后得出电动阀门的最小操作步长，所述最小操作步长对应阀芯经历两段加速过程后立即进入减速过程获得的角位移，最终得到速度曲线的具体表达式。电动阀门的负载转矩为110N·M，直流无刷电机的额定转矩为0.095N·M，输出轴与阀杆之间的减速比为1500:1，折算至输出轴的应受负载转矩为0.073N·M，为保留一定裕量，将该值放大18％，得到额定负载转矩为0.086N·M。以直流无刷电机输出轴为研究对象，不计阻尼转矩，加速度和驱动转矩之间的关系为：

T_e＝T_L+J*a_max (4)

在式(4)中，T_e为驱动转矩，T_L为负载转矩，J为转动惯量。经查阅手册，取J＝3.65kg·cm²，求得a_max＝235.4rad/s²，取65％的余量得到许用加速度a_m＝153.01rad/s²。根据电动阀门的执行时间来配置规定转速V_e：

在式(5)中，i表示减速比，time表示执行时间。根据五段S形速度曲线的特点，其最小操作步长的求解方法为：

以执行时间为400s的电动阀门为例，五段S形速度曲线的加速段函数表达式为：

匀速阶段的函数关系不予考虑，令减速阶段的初始状态为零时刻，其函数表达式为：

图5说明了本发明监控系统的转速-电流串级控制回路，绕组电流控制回路作为内环，转速控制回路作为外环，并将阀芯位置信号作为输出，通过PWM调节功率管的顺序导通，改变定子绕组的电流值、调节驱动转矩，进而达到调速目的，以期阀芯在任意时刻的转速维持在五段S形速度曲线的设定值上。

图6说明了本发明监控系统的误差补偿流程，微处理器首先判断是否需要进行误差补偿，分别用0和1的数值表示电动阀门的开度调节方向(开或关)，用当前开度状态与上次开度调节方向状态做差，当两者的差值为0时表示当前阀门开度状态与上次一致，不需要进行误差补偿；当差值为-1或1时，说明阀门当前开度方向与上次相反，需要对机械间隙进行误差补偿，具体操作为：延长阀芯的转动时间，使得部分所对应的补偿转角刚好能够弥补机械间隙。

图7说明了本发明监控系统的工作流程，监控系统上电后，首先要对电动阀门进行阀芯复位操作，以消除上次定位过程可能带来的机械间隙，具体操作为执行时间长度为5s的开阀或关阀，然后在微处理器内进行误差补偿值的标定，通过薄膜键盘实现电动阀门的手自动切换功能，当手动功能有效时自动功能失效，同理，当自动功能有效时手动功能失效，不论在哪种工作方式下，电动阀门严格按照五段S形速度曲线所描述的运动规律执行开关阀操作。在液晶显示屏上可以读取电动阀门的0～100％阀位信号、open或close动作信号、误差补偿值、全开或全关的高低电平信号等状态信息，实现对电动阀门运行状态的在线监控。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.电动阀门工作状态监控系统，其特征在于，包括微处理器、电机驱动板、液晶显示屏和电动阀门，所述电动阀门包括机罩和阀体，所述机罩内部安装有直流无刷电机、圆柱齿轮、蜗杆和蜗轮，所述阀体内安装有阀杆和阀芯，所述圆柱齿轮的数量为多个且依次啮合，所述直流无刷电机的输出轴与位于一端的所述圆柱齿轮同轴连接，所述蜗杆和位于另一端的所述圆柱齿轮同轴连接，所述蜗杆和蜗轮啮合，所述蜗轮带动阀杆转动，所述微处理器分别与液晶显示器和电机驱动板电连接，所述电动阀门中的直流无刷电机与所述电机驱动板和微处理器均为电连接；

所述微处理器采用型号为LY-F2的开发板，其内部的控制芯片为ATMega328P，所述电机驱动板的型号为AQMD3605BLS，所述微处理器的VIN端口与计算机的COM3通讯端口电连接，微处理器的VCC端口、GND端口、SCL端口、SDA端口与液晶显示屏的相应端口连接，微处理器的10～13四个输入端口分别与薄膜键盘的开阀、关阀、手动、自动四个功能项端口连接，微处理器的A0输入端口、A1输入端口、A2输入端口分别与电动阀门中直流无刷电机内置的霍尔元件的输出端口HU、HV、HW相连，微处理器的3～5三个输出端口分别与电机驱动板的IN1端口、IN2端口、IN3端口相连，电机驱动板的限位端口SQ1限位端口、SQ2限位端口分别与电动阀门的全开限位端口、全关限位端口相连，并由电机驱动板为电动阀门提供三相直流24V驱动电源，所述微处理器的PWM端口与电机驱动板的调速控制端口相连；

所述微处理器内置的五段S形速度曲线，作为电动阀门定位控制回路的速度设定，所述五段S形速度曲线包含加速度按固定比率增大的匀变加速过程、加速度按固定比率减小的匀变加速过程、匀速过程、加速度按固定比率增大的匀变减速过程和加速度按固定比率减小的匀变减速过程，加速过程与减速过程相逆。

2.如权利要求1所述的电动阀门工作状态监控系统，其特征在于，所述定位控制回路采用速度电流串级负反馈模式，将电流负反馈作为内环，速度负反馈作为外环，转角值作为电动阀门定位信号的输出，使电动阀门在任意时刻的速度维持在五段S形速度曲线上，在五段S形速度曲线的末时刻电动阀门恰好抵达目标转角。

3.如权利要求2所述的电动阀门工作状态监控系统，其特征在于，所述监控系统具有自动和手动两种操作模式，这两种操作模式由薄膜键盘按照用户的输入触发，在自动模式下电动阀门以五段S形速度曲线所描述的规律执行开阀或关阀，在手动模式下由开阀按钮和关阀按钮控制电动阀门的运行状态，所述监控系统仅处于一种操作模式下；当开阀按钮按下后电动阀门正转，转速开始按照加速段所描述的函数关系变化，松开开阀按钮后阀芯继续正转，转速开始按照减速段所描述的函数关系变化，其中，开阀按钮的保持时间越长阀芯所转过的角位移越大；按下关阀按钮后电动阀门反转，转速开始按照加速段所描述的函数关系变化，松开关阀按钮后阀芯继续反转，转速开始按照减速段所描述的函数关系变化，其中，关阀按钮的保持时间越长阀芯所转过的角位移越大。

4.如权利要求3所述的电动阀门工作状态监控系统，其特征在于，所述微处理器中预先置入误差补偿值，并由微处理器判断在电动阀门的工作过程中是否存在机械间隙，当存在机械间隙时监控系统启动误差补偿功能，该误差补偿功能为延长阀芯的转动时间，使得补偿转角恰好能够弥补机械间隙。

5.如权利要求1所述的电动阀门工作状态监控系统，其特征在于，所述机罩内部安装有限位开关，当所述阀杆抵触至限位开关所指定的位置时，所述电动阀门自动断电进而实现对阀芯的保护。

6.如权利要求1所述的电动阀门工作状态监控系统，其特征在于，所述监控系统初始上电后，电动阀门立即进入上电复位状态，当阀芯位置小于20％时，开阀5s，当阀芯位置大于80％时，关阀5s。

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