CN112540595B - 一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀 - Google Patents

一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀 Download PDF

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Abstract

一种带健康状态指示的智能主配压阀主要由主配压阀，包括主配压阀阀体，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，电源模块。其在系统运行过程中，通过对自身的主配压阀电气给定控制信号和阀芯位置反馈信号实时监测，运用主配压阀动态和静态健康状态计算方法，实时计算主配压阀静态和动态健康标志信号及其变化率或变比率，对自身及其所在的控制系统进行健康状态实时诊断，并实时指示自身的静态和动态健康状态，当自身及其所在的控制系统出现性能下降或有发生故障前兆或趋势情况时，及时主动报警，提醒运行维护人员对其进行检查维护，避免对系统运行带来不利影响，保障系统安全稳定运行。

Description

一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀
技术领域
本发明涉及一种主配压阀，具体涉及一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀。
背景技术
主配压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。主配压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主配压阀动态和静态健康状态指示的智能主配压阀，只公开有几种水轮机调速器主配压阀故障诊断方法，它们分别是一种水轮机调速器主配压阀故障诊断方法(ZL：201711213514.5)，调速器主配及比例阀液压跟随系统故障智能诊断处理方法(ZL：201910024104.9)，调速器主接、主配及比例阀液压跟随系统故障智能诊断处理方法(CN201910024087.9)，其具有以下不足之处：
①、其只能诊断出主配压阀发生故障这个结果，不能智能诊断主配压阀出现性能下降或者有发生故障前兆或趋势，无法帮助运行维护人员实现主配压阀预防性维护和检修。
②、其只能诊断主配压阀发生拒动、运动不畅、阀芯卡住、跟随故障，不能诊断主配压阀阀芯小幅振荡即主配控制环振荡等控制功能异常故障。
③、其仅是一种故障诊断原理和方法，不是一种成熟的产品能应用于生产现场。
④、其应用均需调速器电控系统检测出故障然后报警，主配压阀不能自身诊断和发出报警信息引起运行维护人员注意。
⑤、其仅只能定性故障报警，不能定量指示主配压阀及其所在的控制系统的健康状态水平。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，适用于使用主配压阀作为液压放大单元的控制系统，用以取代常规主配压阀，其在系统运行过程中，通过对自身的主配压阀电气给定控制信号和阀芯位置反馈信号实时监测，运用主配压阀动态和静态健康状态计算方法，实时计算主配压阀静态和动态健康标志信号及其变化率或变比率，对自身及其所在的控制系统进行健康状态实时诊断，并实时指示自身的静态和动态健康状态，当自身及其所在的控制系统出现性能下降或有发生故障前兆或趋势情况时，及时主动报警，提醒运行维护人员对其进行检查维护，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：
一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，包括：
主配压阀阀体，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；
主配压阀阀体，用于将电气控制信号转换为液压信号；
控制信号输入通道，用于主配压阀电气给定控制信号输入；
阀芯位置反馈通道，用于主配压阀阀芯位置反馈信号输出；
采集单元，采集控制信号输入通道输入的电气控制信号和阀芯位置反馈通道输出的主配压阀阀芯位置反馈信号，经滤波等采集处理后送给计算单元；
计算单元，采用主配压阀动态和静态健康状态计算方法，根据设置单元输出的主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N，对采集单元送来的电气控制信号和主配压阀阀芯位置反馈信号进行算法处理，然后输出计算结果K1,K2给输出单元；
输出单元，根据计算单元输出结果K1,K2和设置单元输出的主配压阀健康标志信号变化率标准值k1和变比率标准值k2，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：主配压阀静态和动态健康标志信号变化率标准值k1和变比率标准值k2、主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N。
设置单元将主配压阀静态和动态健康标志信号变化率标准值k1和变比率标准值k2输出给输出单元，该参数k1，k2决定了健康状态诊断的灵敏度。
设置单元将主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N输出给计算单元。
报警指示灯和蜂鸣器，用于接受输出单元输出的驱动信号，当主配压阀性能下降或主配压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。
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主配压阀动态和静态健康状态。
该主配压阀还包括：电源模块，用于接受外部电源输入，转换输出工作电源给主配压阀阀体，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。
本发明一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，技术效果如下：
1)、本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀，不仅能诊断主配压阀发生故障，而且能智能诊断主配压阀及其所在的控制系统出现性能下降或者有发生故障前兆或趋势等情况，帮助运行维护人员实现主配压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主配压阀中计算单元5选取的主配压阀静态和动态健康标志信号及其变化率或变比率与主配压阀及其所在的控制系统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主配压阀，采用的主配压阀静态和动态健康标志信号及其变化率或变比率计算方法和驱动控制逻辑更加科学合理，能准确量化且综合诊断主配压阀及其所在的控制系统的健康状态，识别主配压阀故障。其不仅能识别主配压阀发生拒动、运动不畅、阀芯卡住、跟随故障，还能识别主配压阀阀芯小幅振荡即主配控制环振荡等控制功能异常故障。
4)、本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀，不仅能定性报警，而且还能实时定量指示主配压阀的静态和动态健康状态信号，让用户对主配压阀及其所在的控制系统的健康水平有更全面的量化了解。
5)、本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀，不仅采用一种更先进科学全面的综合故障诊断原理和方法，而且是一种成熟的产品能直接应用于生产现场。
6)、本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀，无需调速器电控系统检测和诊断故障，自身即能诊断和发出报警信息引起运行维护人员注意。
7)、本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀，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。
附图说明
图1是本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀结构示意图。
图2是本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀中健康状态指示灯组9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主配压阀中计算单元5采用的主配压阀动态和静态健康状态计算方法流程图。
图4是本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀中输出单元6采用的控制逻辑流程图。
具体实施方式
一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，采用的主配压阀动态和静态健康状态计算方法，选取的主配压阀静态健康标志信号为：当主配压阀外部给定信号恒定不变或者发生变化时，连续N个扫描周期内，主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的平均值，减去主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的结果的均方根。
选取的主配压阀动态健康标志信号为：本扫描周期主配压阀反馈信号与上一扫描周期变化值除以本扫描周期主配压阀反馈信号与给定信号差值的商。该主配压阀健康标志信号根据工况分为静态健康标志信号和动态健康标志信号，考虑了时间域内主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的时间累计效应，更能反映主配压阀及其所在的控制系统的静态和动态健康状态。故本发明选取的主配压阀静态和动态健康标志信号以及其变化率或变比率与主配压阀及其所在的控制系统的健康状态相关度更高，能更准确综合全面的指示诊断主配压阀及其所在的控制系统的健康状态。
一种带健康状态指示的智能主配压阀，由主配压阀阀体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，智能主配压阀结构示意图如图1所示。
主配压阀阀体1即常规主配压阀，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即主配压阀电气给定控制信号输入回路。
阀芯位置反馈通道3即主配压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主配压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采用主配压阀动态和静态健康状态计算方法，根据设置单元7输出的主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N，对采集单元4送来的电气控制信号和主配压阀阀芯位置反馈信号进行算法处理，然后输出计算结果K1,K2给输出单元6。
输出单元6根据计算单元5输出结果K1,K2和设置单元7输出的主配压阀健康标志信号变化率标准值k1和变比率标准值k2，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：主配压阀静态和动态健康标志信号变化率标准值k1和变比率标准值k2、主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N。设置单元7将主配压阀静态和动态健康标志信号变化率标准值k1和变比率标准值k2输出给输出单元6，该参数k1，k2决定了健康状态诊断的灵敏度。设置单元7将主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N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，当主配压阀性能下降或主配压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主配压阀进行更换维护。
健康状态指示灯组9由10个指示灯组成，灯组条状连续分布，如图2所示，第一排边第1个指示灯编号为①，以此往右分别编号为②③④⑤，第二排边第1个指示灯编号为⑥，以此往右分别编号为⑦⑧⑨⑩，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主配压阀动态和静态健康状态。
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主配压阀阀体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采用主配压阀动态和静态健康状态计算方法，选取主配压阀静态和动态健康标志信号，即变化率K1和变比率K2作为主配压阀及其所在的控制系统的健康状态信号，具体算法处理步骤如下：
第1步：初始化，N，K2*赋初始值，n＝1，进入第2步。n为采样计算周期序号。
第2步：采集单元4实时采集当前周期主配压阀给定信号，记作B给定n，以及当前周期主配压阀反馈信号，记作Bn，进入第3步。
第3步：若B给定n幅值持续小于M补，进入第5步；否则，进入第4步。
第4步：若B给定n幅值持续大于M补，进入第10步；否则，n＝1，返回第2步。
第5步：计算单元5计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，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 BDA0002825925740000051
进入第7步；否则，进入第9步。
第7步：计算主配压阀静态健康标志信号
Figure BDA0002825925740000052
进入第8步。
第8步：若n＝N且主配压阀静态健康标志信号基准值K1*未赋初值，则
Figure BDA0002825925740000053
Figure BDA0002825925740000054
进入第9步。
第9步：计算主配压阀静态健康标志信号变化率K1＝|K1n-K1*|/K1*，进入第15步。
第10步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第11步。
第11步：计算主配压阀动态健康标志信号K2n＝|(Bn-Bn-1)/△Bn|，进入第12步。
第12步：计算主配压阀动态健康标志信号变比率K2＝K2n/K2*，进入第13步。
第13步：若K2>k2，进入第14步。
第14步：计算主配压阀动态健康标志信号基准值K2*＝(K2n+K2*)/2，进入第15步。
第15步：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：
步骤1、若0≦K1﹤20％，则驱动健康状态指示灯组9中①号指示灯点亮。
步骤2、若20％≦K1﹤40％，则驱动健康状态指示灯组9中①、②号指示灯点亮。
步骤3、若40％≦K1﹤60％，则驱动健康状态指示灯组9中①、②、③号指示灯点亮。
步骤4、若60％≦K1﹤80％，则驱动健康状态指示灯组9中①、②、③、④号指示灯点亮。
步骤5、若K1≧80％，则驱动健康状态指示灯组9中①、②、③、④、⑤号指示灯点亮。
步骤6、若K1≧k1保持0.1秒，则驱动报警指示灯和蜂鸣器8。
步骤7、若K2≧1，则驱动健康状态指示灯组9中⑥号指示灯点亮。
步骤8、若0.1≦K2﹤1，则驱动健康状态指示灯组9中⑥、⑦号指示灯点亮。
步骤9、若0.01≦K2﹤0.1，则驱动健康状态指示灯组9中⑥、⑦、⑧号指示灯点亮。
步骤10、若0.001≦K2﹤0.01，则驱动健康状态指示灯组9中⑥、⑦、⑧、⑨号指示灯点亮。
步骤11、若K2<0.001，则驱动健康状态指示灯组9中⑥、⑦、⑧、⑨、⑩号指示灯点亮。
步骤12、若K2≦k2保持0.1秒，则驱动报警指示灯和蜂鸣器8。
步骤13、返回步骤1。
图1是本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀结构示意图。如图1所示，本发明的一种带健康状态指示的智能主配压阀主要由主配压阀阀体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。

Claims (5)

1.一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，其特征在于包括：
主配压阀阀体(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)；
主配压阀阀体(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)，用于主配压阀电气给定控制信号输入；
阀芯位置反馈通道(3)，用于主配压阀阀芯位置反馈信号输出；
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主配压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)，采用主配压阀动态和静态健康状态计算方法，根据设置单元(7)输出的主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N，对采集单元(4)送来的电气控制信号和主配压阀阀芯位置反馈信号进行算法处理，然后输出计算结果K1,K2给输出单元(6)；计算单元(5)采用主配压阀动态和静态健康状态计算方法，选取主配压阀静态和动态健康标志信号，即主配压阀静态健康标志信号变化率标准值k1和主配压阀动态健康标志信号变比率标准值k2作为主配压阀及其所在的控制系统的健康状态信号，处理步骤如下：
第1步：初始化，N，K2*赋初始值，n＝1，进入第2步；n为采样计算周期序号；
第2步：采集单元(4)实时采集当前周期主配压阀给定信号，记作B给定n，以及当前周期主配压阀反馈信号，记作Bn，进入第3步；
第3步：若B给定n幅值持续小于M补，进入第5步；否则，进入第4步；
第4步：若B给定n幅值持续大于M补，进入第10步；否则，n＝1，返回第2步；
第5步：计算单元(5)计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，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 FDA0003237327740000011
进入第7步；否则，进入第9步；
第7步：计算主配压阀静态健康标志信号
Figure FDA0003237327740000012
进入第8步；
第8步：若n＝N且主配压阀静态健康标志信号基准值K1*未赋初值，则
Figure FDA0003237327740000013
Figure FDA0003237327740000021
进入第9步；
第9步：计算主配压阀静态健康标志信号变化率K1＝|K1n-K1*|/K1*，进入第15步；
第10步：计算主配压阀给定信号B给定n和主配压阀反馈信号Bn差值ΔBn＝B给定n-Bn，进入第11步；
第11步：计算主配压阀动态健康标志信号K2n＝|(Bn-Bn-1)/△Bn|，进入第12步；
第12步：计算主配压阀动态健康标志信号变比率K2＝K2n/K2*，进入第13步；
第13步：若K2>k2，进入第14步；
第14步：计算主配压阀动态健康标志信号基准值K2*＝(K2n+K2*) /2，进入第15步；
第15步：n++，返回步骤2，进入下一轮循环；
输出单元(6)，根据计算单元(5)输出结果K1,K2和设置单元(7)输出的主配压阀静态健康标志信号变化率标准值k1和主配压阀动态健康标志信号变比率标准值k2，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：主配压阀静态健康标志信号变化率标准值k1和主配压阀动态健康标志信号变比率标准值k2、主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N；
设置单元(7)将主配压阀静态健康标志信号变化率标准值k1和主配压阀动态健康标志信号变比率标准值k2输出给输出单元(6)；
设置单元(7)将主配压阀正反向补偿幅值M补、计算周期样本数N输出给计算单元(5)；报警指示灯和蜂鸣器(8)，用于接受输出单元(6)输出的驱动信号，当主配压阀性能下降或主配压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；
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显示主配压阀动态和静态健康状态。
2.根据权利要求1所述一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，其特征在于：该主配压阀还包括：电源模块(10)，用于接受外部电源输入，转换输出工作电源给主配压阀阀体(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所述一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，其特征在于：选取的主配压阀静态健康标志信号为：当主配压阀外部给定信号恒定不变或者发生变化时，连续N个扫描周期内，主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的平均值，减去主配压阀给定信号和主配压阀反馈信号差值的结果的均方根。
4.根据权利要求1所述一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，其特征在于：选取的主配压阀动态健康标志信号为：本扫描周期主配压阀反馈信号与上一扫描周期变化值除以本扫描周期主配压阀反馈信号与给定信号差值的商。
5.根据权利要求1所述一种带静态和动态健康状态指示的智能主配压阀，其特征在于：健康状态指示灯组(9)由10个指示灯组成，第一排边第1个指示灯编号为①，以此往右分别编号为②③④⑤，第二排边第1个指示灯编号为⑥，以此往右分别编号为⑦⑧⑨⑩；
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，处理步骤如下：
步骤1、若0≦K1﹤20％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①号指示灯点亮；
步骤2、若20％≦K1﹤40％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①、②号指示灯点亮；
步骤3、若40％≦K1﹤60％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①、②、③号指示灯点亮；
步骤4、若60％≦K1﹤80％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①、②、③、④号指示灯点亮；
步骤5、若K1≧80％，则驱动健康状态指示灯组(9)中①、②、③、④、⑤号指示灯点亮；
步骤6、若K1≧k1保持0.1秒，则驱动报警指示灯和蜂鸣器(8)；
步骤7、若K2≧1，则驱动健康状态指示灯组(9)中⑥号指示灯点亮；
步骤8、若0.1≦K2﹤1，则驱动健康状态指示灯组(9)中⑥、⑦号指示灯点亮；
步骤9、若0.01≦K2﹤0.1，则驱动健康状态指示灯组(9)中⑥、⑦、⑧号指示灯点亮；
步骤10、若0.001≦K2﹤0.01，则驱动健康状态指示灯组(9)中⑥、⑦、⑧、⑨号指示灯点亮；
步骤11、若K2<0.001，则驱动健康状态指示灯组(9)中⑥、⑦、⑧、⑨、⑩号指示灯点亮；
步骤12、若K2≦k2保持0.1秒，则驱动报警指示灯和蜂鸣器(8)；
步骤13、返回步骤1。
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