CN110594472A - 一种流量监测阀门的智能电动执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流量监测阀门的智能电动执行器，其包括电动执行单元、角位移传感器、压力传感器、温度传感器、人机交互单元、云端交互单元、存储单元和电源单元，电动执行单元用于转动阀门，角位移传感器用于获取当前阀门的精确位置；压力传感器用于获取阀门上下游的压力值数据；温度传感器用于获取管道中流体的温度；人机交互模块用于用户现场与设备进行数据通信；存储模块用于存储历史流量信息、历史故障信息、历史温度信息；电源模块用于供给整个系统正常的工作以及各个模块的供电。本发明能够实现流量监测、流量调控、故障预测、故障报警、远程数据交互等诸多实用功能，整个系统符合智能化、自动化、物联网化的实际应用场景及时代背景。

Description

一种流量监测阀门的智能电动执行器

技术领域

本发明属于阀门技术领域，尤其是一种流量监测阀门的智能电动执行器。

背景技术

阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。而执行器是控制阀门的主要部件，它可以用来控制阀的转动角度，来控制相应的阀门开度，从而达到控制管道中空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体流量的目的。

目前的电动执行器大都只是对阀门开度进行简单调控，可以控制阀位为全开、全闭等状态，但对管道中流量值未能进行有效控制，即不能够根据流量来自动调整阀门开度。同时也不具备无线通讯功能和闭环调节控制的功能。

获取流量数据需要依靠流量计等相关设备，从而造成设备整体结构复杂，体积庞大，装配繁琐，且流量计数据和执行器数据未能够构成有效的数据交互，这也是一缺陷。

实际工程应用中也缺乏相应的故障监测设备，在流体输送系统发生故障和异常时，阀门不能够进行及时的报警，无法得知管道中确切位置出现故障，只能通过人工巡检来排除，耗费人力物力且效率低下。

管道中流体相关数据不能够进行存储分析，流体温度也不能获知，故一些原本可以避免的事故不能够规避，造成重大经济损失。其次，工作人员不能通过远程无线调控阀门开度，进行云端数据交互。

针对流量可控、流量可查、异常可控、故障报警、历史存储、数据分析等诸多实际项目需求，目前迫切需要一款功能完善，运行可靠的电动执行器，其安装拆卸方便，能够直接获取管道流量和控制流量以及其他管道中流体数据。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种流量监测阀门的智能电动执行器，该流量监测阀门的智能电动执行器能够满足能源节约、降低维护成本、安全可靠等需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种流量监测阀门的智能电动执行器，其包括电动执行单元，其特征在于：还包括控制单元，以及包括分别与控制单元连接的信号采集单元、人机交互单元、云端交互单元、存储单元和电源单元，控制单元通过输出控制电路与电动执行单元连接；

信号采集单元包括压力传感器、温度传感器和角位移传感器，

压力传感器采集阀门两端上下游管道中的介质压力数据后与控制单元进行数据传输，

温度传感器采集阀门两端上下游管道中的介质温度数据后传输至控制单元，

角位移传感器采集阀门开度数据后传输至控制单元；

人机交互单元包括输入模块、液晶显示模块、报警模块，输入模块的输出端连接控制单元，控制单元输出端分别连接液晶显示模块和报警模块，

云端交互单元包括云端服务器，云端服务器通过联网模块与控制单元连接；

存储单元通过信号传输模块与控制单元形成云端数据交互。

进一步的，所述压力传感器通过485模块与控制单元连接。

进一步的，所述输出控制电路通过485模块与控制单元连接。

进一步的，所述电动执行单元通过内置的MODBUS通讯协议与输出控制电路进行数据交互。

进一步的，所述存储单元采用W25Q64 Flash存储器。

进一步的，所述云端服务器通过信号传输模块与用户PC机或用户智能手机进行数据交互。

采用上述方案，本发明能够根据安装在阀门上下游压力传感器数值直接获取到管道当前流量数据，能够通过温度传感器监测管道中流体温度，并且进行实时异常流量监测和历史流量信息存储查询，用户可以在现场通过人机交互单元加减设定目标流量数值，电动执行单元自动调控当前流量至目标流量，并且能够定时将数据上传至云端服务器，用户可以通过智能手机APP和PC端与云端服务器连接进行流量的实时调节和查询，可以远程开启、关闭阀门。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明具体实施例整体系统框图；

附图2为本发明具体实施例压力传感器安放位置结构示意图；

附图3为本发明具体实施例基于的流量系数获取模型数据图；

附图4为本发明具体实施例智能手机、PC端与云端数据通讯示意框图；

人机交互单元17、输入模块1、液晶显示电路11、电源电路2、压力反馈3、温度反馈5、阀门开度位置反馈6、输出控制电路7、存储模块10、联网模块8、云端交互单元9、电动执行单元16、云端服务器18、智能手机端14、用户PC端12、用户PC端13。

具体实施方式

本发明的具体实施例如图1-4所示是智能流量阀门的监测电动执行器，其包括电动执行单元16、控制单元、信号采集单元、人机交互单元17、存储单元10、云端交互单元9和电源单元2，控制单元由技术人员根据常规要求采购市场上的处理器MCU，处理器MCU通过输出控制电路7与电动执行单元16连接；输出控制电路7与处理器进行数据交互时，通讯协议采用MODBUS协议，通讯数据需经过双方CRC校验。具体地，MODBUS协议卡采用两线的半双工RS485接口，可以配置识别波特率、设备地址、奇偶校验位等总线参数。其中，处理器MCU采用美国Atmel公司生产的增强型51系列(AT89系列)单片机作为核心。当然，由于芯片技术的发展，对于本领域技术人员而言，对于处理器MCU的选择存在非常多的可能性，因此不在此一一举例。

信号采集单元包括压力反馈3、温度反馈5和阀门开度位置反馈6，分别由压力传感器、温度传感器和角位移传感器采集信号；

压力传感器安放在执行器上下游两端，当其采集阀门两端上下游管道中的介质压力数据后通过串口通信与处理器MCU进行数据传输；当压力传感器检测到管道中介质流体泄露时，处理器MCU传输报警信号给报警模块由报警模块发出报警信息，控制损失进一步扩大。

温度传感器安放在管道之中，用于测量管道中流体的温度，当其采集阀门两端上下游管道中的介质温度数据后传输至处理器MCU；当温度过高时，处理器MCU传输报警信号给报警模块由报警模块发出报警信息。

角位移传感器采集阀门开度数据后传输至处理器MCU；角位移传感器检测到的阀体开合位置配合压力传感器得到的压力数据，可以得知当前管道中的流量数据。

管道中流量的获取原理如下：两个压力传感器安放在两端管道分别距离电动执行器10D(D为管道直径)的位置如图2所示，获取两个压力传感器的压力数据再配合角位移传感器得出的阀门开度位置，利用实验获取的大量数据(参考图3)和MATLAB软件分析出适用于管道场景中的关于流量和压差和开度的公式。由此核算出当前管道中的瞬时流量，然后配合电动执行器可以对流量进行实时调整。

实时调整可以通过现场人机交互完成，也可以通过云端交互远程操作完成。

人机交互单元17包括输入模块1(键盘、语音、触摸屏)、液晶显示模块11、报警模块，输入模块1的输出端连接处理器MCU，处理器MCU输出端分别连接液晶显示模块11和报警模块，输入模块1可以采用键盘输入、语音输入或触摸屏输入等方式修改电动执行单元16的部分参数、调控流量或查询电动执行单元16所在位置和运行状态等，支持用户进行数据操作和查看，同时还应能够提示用户当前的设备运行状态。报警模块包括指示灯和蜂鸣器，当管道中发生介质泄露或温度过高(通过信号采集单元采集信号可知)时，报警模块发出报警信号(指示灯闪烁和蜂鸣声响)，可以避免更大损失的发生。当角位移传感器检测到阀门调节开度等于100％或者等于0％时，信号传输到处理器MCU，并由报警模块发出报警信号，同时由输出控制电路7传输信号给电动执行单元16立即停止开启或关闭阀门；此外，当信号丢失，处理器MCU未接受到有效数据时，报警模块发出报警信号，同时由输出控制电路7传输信号给电动执行单元16停止运作。电动执行单元16的输出控制电路7均采用成熟的现有电路结构设计，如申请号CN201210372303.7中公开的输出电路等常规电路结构设计。

云端交互单元9包括云端服务器，云端服务器通过联网模块8与处理器MCU连接，联网模块8选用但不限于ESP8266，其用于配置入网，能够让用户通过网络远程与执行器进行数据交互通讯。而存储单元10选用但不限于W25Q64 Flash存储器，通过WiFi实现数据传输，其能够存储历史流量数据、历史温度数据、历史故障数据，且具有掉电不丢失的特性，可以供远程和现场实时查询。

用户可以通过云端交互远程控制现场，可以查看设备运行数据和状态，支持以图表形式对流量数据温度数据故障数据进行显示，现场数据更改也可以通过联网模块8发送至云端服务器。查看时，可以实时查看某一段时间区间内的瞬时流量数据，也可以查看历史流量数据，同时温度、流量系数、故障类型、故障频率也可以曲线图等图表直观形式展示于液晶显示屏上便于用户直观查询。

电源单元2包括降压电路、滤波整流电路、输出电路和保护电路，电源电路采用现有技术，如专利号CN20082014299.1中公开的降压电路、滤波整流电路等等结构的常规电路设计，将电源单元2由220V交流电压降至5V的直流，整流滤波处理后供给处理器MCU、液晶显示屏、输入模块1、存储单元10、联网模块8、温度传感器、压力传感器等。电源单元2、输入模块1(本实施例采用键盘输入方式)、液晶显示屏、存储单元10、联网模块8直接与处理器IO口进行直接相连，而信号采集模块、输出控制电路7则经过TTL转485模块之后与处理器MCU采用串口通信的方式相连接。

本发明的电动执行器，其可实现流量监测、流量控制、温度监测、故障预测、故障报警、多终端交互等诸多符合市场实际需求的功能。用户可以通过智能手机14APP和PC端12、13与云端服务器连接进行流量的实时调节和查询，可以远程开启、关闭阀门。打破实际项目中需要多个组件相互配合、安装拆卸不便、成本高昂等壁垒，集实用化和市场化与一体，解决了系统调试和维护困难的问题。所以，本发明有效克服了现有技术的种种缺点而具有高度产业利用价值。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种流量监测阀门的智能电动执行器，其包括电动执行单元，其特征在于：还包括控制单元，以及包括分别与控制单元连接的信号采集单元、人机交互单元、云端交互单元、存储单元和电源单元，控制单元通过输出控制电路与电动执行单元连接；

信号采集单元包括压力传感器、温度传感器和角位移传感器，

压力传感器采集阀门两端上下游管道中的介质压力数据后与控制单元进行数据传输，

温度传感器采集阀门两端上下游管道中的介质温度数据后传输至控制单元，

角位移传感器采集阀门开度数据后传输至控制单元；

人机交互单元包括输入模块、液晶显示模块、报警模块，输入模块的输出端连接控制单元，控制单元输出端分别连接液晶显示模块和报警模块，

云端交互单元包括云端服务器，云端服务器通过联网模块与控制单元连接；

存储单元通过信号传输模块与控制单元形成云端数据交互。

2.根据权利要求1所述的流量监测阀门的智能电动执行器，其特征在于：所述压力传感器通过485模块与控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的流量监测阀门的智能电动执行器，其特征在于：所述输出控制电路通过485模块与控制单元连接。

4.根据权利要求1所述的流量监测阀门的智能电动执行器，其特征在于：所述电动执行单元通过内置的MODBUS通讯协议与输出控制电路进行数据交互。

5.根据权利要求1所述的流量监测阀门的智能电动执行器，其特征在于：所述存储单元采用W25Q64 Flash存储器。

6.根据权利要求1所述的流量监测阀门的智能电动执行器，其特征在于：所述云端服务器通过信号传输模块与用户PC机或用户智能手机进行数据交互。