CN112526977B - 一种带健康状态指示的智能比例阀 - Google Patents

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Abstract

一种带健康状态指示的智能比例阀，包括比例阀阀体，控制信号输入通道，阀芯位置反馈通道，采集单元，计算单元，输出单元，设置单元，报警指示灯和蜂鸣器，健康状态指示灯组。适用于采用比例阀作为电液转换单元的控制系统，用以取代常规比例阀，其在系统运行过程中，通过对自身的比例阀电气控制信号和反馈信号实时监测，运用比例阀健康状态计算方法，以比例阀振荡电流的周期为周期，实时计算比例阀健康标志信号及其变化率，完成对自身健康状态的实时诊断，并实时指示自身健康状态，当自身出现性能下降或有发生故障前兆或趋势时，及时报警，提醒运行维护人员进行更换维护，避免对系统运行带来不利影响，保障系统安全稳定运行。

Description

一种带健康状态指示的智能比例阀
技术领域
本发明涉及比例阀技术领域，具体涉及一种带健康状态指示的智能比例阀。
背景技术
比例阀在工业自动化控制中应用广泛，而且往往是控制系统中一个至关重要的关键环 节。比例阀的健康状况决定着系统能否安全稳定运行，理应得到重点关注。而目前没有一 种成熟的带比例阀健康状态指示的智能比例阀，只公开有一种仪表式带故障报警功能的比 例阀控制器产品。中国专利“一种仪表式带故障报警功能的比例阀控制器”(ZL：201821194040.4)记载了一种仪表式带故障报警功能的比例阀控制器，其具有以下不足之处：
①、其采用一种简单的比例阀故障状态诊断方法，简单的将比例阀输入的电流理论放 大值与放大后的实际电流值进行偏差对比，按设定的偏差率进行故障分析与判断，只能诊 断出比例阀发生故障这个结果，不能智能诊断比例阀出现性能下降或者发生故障前兆或趋 势，无法帮助运行维护人员实现比例阀预防性维护和检修。
②、其故障诊断算法过于简单，仅采集比例阀输入的电流理论放大值与放大后的实际 电流值进行偏差对比。而放大后的实际电流值与比例阀输入的电流之间经过一个放大器， 有一个物理上的迟滞效应，二者的差值必然存在，尤其是当比例阀输入的电流有阶跃变化 时，放大后的实际电流值的迟滞效果表现更突出，二者的差值必然更大，这种工况必然影 响和干扰采用比例阀输入的电流理论放大值与放大后的实际电流值进行偏差对比这种方 法进行故障诊断的准确性。考虑这种工况影响的情况下，人工设定判据的偏差率往往设置 较大，若偏差率设置较大会导致判据过于苛刻而失效，故障诊断准确率下降，故障易漏报。 若调小偏差率又会导致误报率增高。由此可见，这种简单的判据与故障相关率不高，故障 特征识别不准确，不能准确诊断故障。
③、其仅只具有报警指示灯功能，指示灯不足以引起运行维护人员注意。
④、其仅只能定性报警，不能定量指示比例阀的健康状态水平。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种带健康状态指示的智能比例阀，适用于采用比 例阀作为电液转换单元的控制系统，用以取代常规比例阀，其在系统运行过程中，通过对 自身的比例阀电气控制信号和反馈信号实时监测，运用比例阀健康状态计算方法，以比例 阀振荡电流的周期为诊断采样计算周期，实时计算比例阀健康标志信号及其变化率，完成 对自身健康状态的实时诊断，并实时指示自身健康状态。当自身出现性能下降或有发生故 障前兆或趋势时，及时报警，提醒运行维护人员进行更换维护，避免对系统运行带来不利 影响，保障系统安全稳定运行。
本发明采取的技术方案为：
一种带健康状态指示的智能比例阀，包括：
比例阀阀体，控制信号输入通道，阀芯位置反馈通道，采集单元，计算单元，输出单元，设置单元，报警指示灯和蜂鸣器，健康状态指示灯组；
比例阀阀体，用于将电气控制信号转换为液压信号；
控制信号输入通道，用于电气控制信号输入；
阀芯位置反馈通道，用于比例阀阀芯位置反馈信号输出；
采集单元，用于采集控制信号输入通道输入的电气控制信号、阀芯位置反馈通道输出 的比例阀阀芯位置反馈信号，经采集处理后送给计算单元；
计算单元，采用比例阀健康状态计算方法，根据设置单元输出的振荡电流变化幅值、 振荡电流周期T、采样周期T采，对采集单元输入的电气控制信号和比例阀阀芯位置反馈信 号进行算法处理，然后输出计算结果给输出单元；
输出单元，根据计算单元输出结果K和设置单元输出的比例阀健康标志信号变化率标 准值k，输出驱动信号给报警指示灯和蜂鸣器，以及健康状态指示灯组。
设置单元，用于设置控制参数：比例阀健康标志信号变化率标准值k、振荡电流变化 幅值、振荡电流周期T、采样周期T采；
设置单元将比例阀健康标志信号变化率标准值k输出给输出单元；
设置单元将振荡电流变化幅值、振荡电流周期T、采样周期T采输出给计算单元；
报警指示灯和蜂鸣器，接收输出单元输出的驱动信号，当比例阀性能下降或比例阀有 发生故障前兆或趋势时，输出单元输出的信号驱动指示灯点亮和蜂鸣器蜂鸣时，提醒运行 维护人员对健康状态不佳的比例阀进行更换维护。
健康状态指示灯组，用于接受输出单元输出的驱动信号控制，输出单元输出的信号实 时驱动健康状态指示灯组显示比例阀健康状态。
该比例阀还包括电源模块，用于接受外部电源输入，转换输出工作电源给比例阀阀体， 控制信号输入通道，阀芯位置反馈通道，采集单元，计算单元，输出单元，设置单元，报 警指示灯和蜂鸣器，健康状态指示灯组。
本发明一种带健康状态指示的智能比例阀，优点如下：
1)、本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀，不仅能诊断比例阀发生故障，而且能智能诊断比例阀出现性能下降或者发生故障前兆或趋势，帮助运行维护人员实现比例阀预防性维护和检修。
2)、本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀中，计算单元5选取的比例阀健康标志信号及其变化率K与比例阀健康状态相关度更高。
3)、本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀，采用的比例阀健康标志信号及其 变化率K计算方法和驱动控制逻辑更加科学合理，能准确诊断比例阀健康状态，识别比例 阀故障。
4)、本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀，不仅具有报警指示灯功能，而且带蜂鸣报警功能，更容易引起运行维护人员注意。
5)、本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀，不仅能定性报警，而且还能实时定量指示比例阀的健康状态信号变化率K，让用户对比例阀的健康水平有更全面的了解。
附图说明
图1是本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀结构示意图。
图2是本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀中健康状态指示灯组的外形示意图。
图3是本发明的一种带健康状态指示的智能比例阀中计算单元采用的比例阀健康状态 计算方法流程图。
图4是实施例输出单元的具体算法处理步骤流程图。
具体实施方式
一种带健康状态指示的智能比例阀由比例阀阀体1，控制信号输入通道2，阀芯位置 反馈通道3，采集单元4，计算单元5，输出单元6，设置单元7，报警指示灯和蜂鸣器8， 健康状态指示灯组9和电源模块10组成，智能比例阀系统示意图如图1所示。
比例阀阀体1即常规比例阀，用于将电气控制信号转换为液压信号。
控制信号输入通道2即电气控制信号输入回路。
阀芯位置反馈通道3即比例阀阀芯位置反馈信号输出回路。
采集单元4采集控制信号输入通道2输入的电气控制信号和阀芯位置反馈通道输出的 比例阀阀芯位置反馈信号，经滤波等采集处理后送给计算单元5。
计算单元5采用比例阀健康状态计算方法，根据设置单元7输出的振荡电流变化幅值、 振荡电流周期T、采样周期T采，对采集单元4送来的电气控制信号和比例阀阀芯位置反馈 信号进行算法处理，然后输出计算结果给输出单元6。
输出单元6根据计算单元5输出结果K和设置单元7输出的比例阀健康标志信号变化 率标准值k，输出驱动信号给报警指示灯和蜂鸣器8，以及健康状态指示灯组9。
用户通过设置单元7设置控制参数：比例阀健康标志信号变化率标准值k、振荡电流 变化幅值、振荡电流周期T、采样周期T采。设置单元7将比例阀健康标志信号变化率标准值k输出给输出单元6，该参数k决定了健康状态诊断系统的灵敏度。设置单元7将振荡 电流变化幅值、振荡电流周期T、采样周期T采输出给计算单元5。设置单元7通常采用拨 码方式或者拨盘方式进行设置。
报警指示灯和蜂鸣器8接受输出单元6输出的驱动信号，当比例阀性能下降或比例阀 有发生故障前兆或趋势时，输出单元6输出的信号驱动指示灯点亮和蜂鸣器蜂鸣时，提醒 运行维护人员对健康状态不佳的比例阀进行更换维护。
健康状态指示灯组9由5个指示灯组成，灯组条状连续分布，如图2所示，左边第1个指示灯编号为①，以此往右分别编号为②③④⑤，其接受输出单元6输出的驱动信号控制，输出单元6输出的信号实时驱动健康状态指示灯组显示比例阀健康状态。
电源模块10接受外部电源输入，通常为220V或24V交直流电源，转换输出稳定可靠的工作电源给比例阀阀体1，控制信号输入通道2，阀芯位置反馈通道3，采集单元4，计 算单元5，输出单元6，设置单元7，报警指示灯和蜂鸣器8，健康状态指示灯组9。 计算单元5采用比例阀健康状态计算方法，选取比例阀健康标志信号及其变化率K作为比 例阀健康状态信号，具体算法处理步骤如下:
1、初始化，n＝1，n为采样计算周期序号，进入第2步。
2、采集单元4实时采集当前周期比例阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期比例阀反馈信号，记作Bn，进入第3步。
3、若当前周期比例阀给定信号B给定n变化幅值小于2倍振荡电流变化幅值，进入第4步；否则，n＝1，返回第2步。
4、计算单元5计算当前周期比例阀给定信号B给定n和比例阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第5步。
5、根据比例阀振荡电流的周期T和比例阀给定和反馈信号采样周期T采，确定采样样 本数N＝T/T采，进入第6步。
6、若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure BDA0002826944700000041
进入第7步；否则，进入第10步。
7、计算比例阀健康标志信号
Figure BDA0002826944700000051
进入第8步。
8、若n＝N且比例阀健康标志信号基准值K*未赋初值，则
Figure BDA0002826944700000052
进入第9步；否则直接进入第9步。
9、计算比例阀健康标志信号变化率K＝|Kn-K*|/K*，进入第10步。
10、n++，返回步骤2，进入下一轮循环。
输出单元6采用以下控制逻辑驱动方法，驱动报警指示灯和蜂鸣器8和健康状态指示 灯组9动作，具体算法处理步骤如下：
1、若0≦K﹤20％，则驱动健康状态指示灯组9中①号指示灯点亮。
2、若20％≦K﹤40％，则驱动健康状态指示灯组9中①②号指示灯点亮。
3、若40％≦K﹤60％，则驱动健康状态指示灯组9中①②③号指示灯点亮。
4、若60％≦K﹤80％，则驱动健康状态指示灯组9中①②③④号指示灯点亮。
5、若K≧80％，则驱动健康状态指示灯组9中①②③④⑤号指示灯点亮。
6、若K≧k并保持0.1秒，则驱动报警指示灯和蜂鸣器8。

Claims (3)

1.一种带健康状态指示的智能比例阀，其特征在于包括：
比例阀阀体(1)，控制信号输入通道(2)，阀芯位置反馈通道(3)，采集单元(4)，计算单元(5)，输出单元(6)，设置单元(7)，报警指示灯和蜂鸣器(8)，健康状态指示灯组(9)；
比例阀阀体(1)，用于将电气控制信号转换为液压信号；
控制信号输入通道(2)，用于电气控制信号输入；
阀芯位置反馈通道(3)，用于比例阀阀芯位置反馈信号输出；
采集单元(4)，用于采集控制信号输入通道(2)输入的电气控制信号、阀芯位置反馈通道(3)输出的比例阀阀芯位置反馈信号，经采集处理后送给计算单元(5)；
计算单元(5)，采用比例阀健康状态计算方法，根据设置单元(7)输出的振荡电流变化幅值、振荡电流周期T、采样周期T采，对采集单元(4)输入的电气控制信号和比例阀阀芯位置反馈信号进行算法处理，然后输出计算结果给输出单元(6)；
输出单元(6)，根据计算单元(5)输出结果K和设置单元(7)输出的比例阀健康标志信号变化率标准值k，输出驱动信号给报警指示灯和蜂鸣器(8)，以及健康状态指示灯组(9)；
设置单元(7)，用于设置控制参数：比例阀健康标志信号变化率标准值k、振荡电流变化幅值、振荡电流周期T、采样周期T采；
设置单元(7)将比例阀健康标志信号变化率标准值k输出给输出单元(6)；
设置单元(7)将振荡电流变化幅值、振荡电流周期T、采样周期T采输出给计算单元(5)；
报警指示灯和蜂鸣器(8)，接收输出单元(6)输出的驱动信号，当比例阀性能下降或比例阀有发生故障前兆或趋势时，输出单元(6)输出的信号驱动指示灯点亮和蜂鸣器蜂鸣时，提醒运行维护人员对健康状态不佳的比例阀进行更换维护；
健康状态指示灯组(9)，用于接受输出单元(6)输出的驱动信号控制，输出单元(6)输出的信号实时驱动健康状态指示灯组(9)显示比例阀健康状态；
计算单元(5)采用比例阀健康状态计算方法，选取比例阀健康标志信号及其变化率K作为比例阀健康状态信号，步骤如下:
第1步：初始化，n＝1，n为采样计算周期序号，进入第2步；
第2步：采集单元(4)实时采集当前周期比例阀给定信号，记作B给定n；以及当前周期比例阀反馈信号，记作Bn，进入第3步；
第3步：若当前周期比例阀给定信号B给定n变化幅值小于2倍振荡电流变化幅值，进入第4步；否则，n＝1，返回第2步；
第4步：计算单元(5)计算当前周期比例阀给定信号B给定n和比例阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第5步；
第5步：根据比例阀振荡电流的周期T和比例阀给定和反馈信号采样周期T采，确定采样样本数N＝T/T采，进入第6步；
第6步：若n>N-1，计算最近N个采样周期的ΔBn平均值
Figure FDA0003207319800000021
进入第7步；否则，进入第10步；
第7步：计算比例阀健康标志信号
Figure FDA0003207319800000022
进入第8步；
第8步：若n＝N且比例阀健康标志信号基准值K*未赋初值，则
Figure FDA0003207319800000023
Figure FDA0003207319800000024
进入第9步；否则直接进入第9步；
第9步：计算比例阀健康标志信号变化率K＝|Kn-K*|/K*，进入第10步；
第10步：n++，返回步骤2，进入下一轮循环。
2.根据权利要求1所述一种带健康状态指示的智能比例阀，其特征在于：该比例阀还包括电源模块(10)，用于接受外部电源输入，转换输出工作电源给比例阀阀体(1)，控制信号输入通道(2)，阀芯位置反馈通道(3)，采集单元(4)，计算单元(5)，输出单元(6)，设置单元(7)，报警指示灯和蜂鸣器(8)，健康状态指示灯组(9)。
3.根据权利要求1所述一种带健康状态指示的智能比例阀，其特征在于：健康状态指示灯组(9)由5个指示灯组成，灯组条状连续分布，左边第1个指示灯编号为①，以此往右分别编号为②、③、④、⑤，输出单元(6)采用以下控制逻辑驱动方法，驱动报警指示灯和蜂鸣器(8)和健康状态指示灯组(9)动作，步骤如下：
1、若0≦K﹤20％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①号指示灯点亮；
2、若20％≦K﹤40％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①②号指示灯点亮；
3、若40％≦K﹤60％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①②③号指示灯点亮；
4、若60％≦K﹤80％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①②③④号指示灯点亮；
5、若K≧80％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①②③④⑤号指示灯点亮；
6、若K≧k并保持0.1秒，则驱动报警指示灯和蜂鸣器(8)。
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