CN117413139A - 监测螺线管的健康状态 - Google Patents

Abstract

按照实施例，公开了一种计算机实现的方法，用于估计电磁阀的健康状态，所述电磁阀包括用于支持处理控制系统的螺线管，所述方法包括以下步骤：监测通过所述螺线管的电流(100，101)，确定发起所述电磁阀的状态改变的时刻和所述电流的时间导数中断(102，103)的时刻之间的时间段；将所述时间段与指示所述电磁阀的健康状态的参考时间段进行比较，从而确定健康状态。

Description

监测螺线管的健康状态

技术领域

本发明涉及电磁阀领域，尤其涉及一种监测电磁阀的健康状态的方法。

背景技术

电磁阀是一种机电操作阀，并且是工业应用中控制流体流动最常用的组件之一。电磁阀的特性在它们使用的电流的特性、产生的磁场的强度、它们用于调节流体的机制以及它们所控制的流体的类型和特性方面有所不同。换句话说，有许多阀门设计，但它们都有一个共同的组件，即螺线管。

本质上，螺线管是一个机电致动器。它包括一个静态部件，线圈，和运动部件，柱塞。两个部件之间的连接主要由机械弹簧实现。

线圈可以由电压源供电，从而实现柱塞的线性运动。柱塞的起始位置和终止位置之间的行程长度或距离通常较小，为1mm的数量级。

工业应用中控制流体流动意味着电磁阀的任务是关闭、释放、计量、分配或混合流体。然而，重要的是他们以安全可靠的方式提供这些任务。

由于其技术功能，不可避免的是电磁阀将随着时间的推移而退化。除了电磁阀本身的质量外，各种其他变量也会影响其使用寿命，比如使用强度和/或其运行所处的大气条件。其他影响是由于受控处理的流体颗粒造成的堵塞和诸如施加的压力之类的工作条件。

于是，为了避免出现任意危急情况并保证电磁阀正在其中运行的工业设施的正常操作，重要的是尽快更换出现故障的电磁阀。此外，应避免电磁阀出现故障，换句话说，电磁阀应在出现任意故障之前被更换。

一种避免出现任意危急情况的方法是定义维护间隔，在该间隔中更换工业设施的所有电磁阀。例如，该间隔将基于允许的开关操作的总数来确定，或者只是以工业设施本身的工作时间表示的时间段。

基于允许的开关次数来定义维护间隔的缺点是必须以非常保守的方式选择维护间隔，尤其是在需要保证安全可靠的操作时。换句话说，只有一个电磁阀发生故障的情况也需要避免。这可能导致更换一整套仍然运转良好并且可能在很长一段时间和/或更多的开关操作中保持功能良好的电磁阀。

因此，需要一种用于监测电磁阀的状况或健康状态的改进方法。

发明内容

本发明目的在于弥补上述缺点和其他缺点。为此，按照第一方面的本发明涉及一种计算机实现的方法，用于确定包括螺线管的电磁阀的健康状态，所述电磁阀适合于支持处理控制系统，所述方法包括以下步骤：

-监测通过所述螺线管的电流；

-确定发起所述电磁阀的状态改变的时刻和所述电流的时间导数中断(discontinue)的时刻之间的时间段；

-将所述时间段与指示所述电磁阀的健康状态的参考时间段进行比较，从而确定健康状态。

螺线管包括线圈、柱塞和机械弹簧。如前所述，线圈可以由电压源供电，从而实现柱塞的线性运动。当线圈通电时，其中的电流引起柱塞的运动。该运动导致电磁阀的状态改变，进入打开状态或关闭状态。后者取决于电磁阀的类型，即常开电磁阀或常闭电磁阀。因此，正是电流导致或发起了被监测的状态改变。

接下来，在监测电流的同时，确定指示电磁阀的健康状态的时间段。该时间段是发起状态改变的时刻和所监测的电流的时间导数中断的时刻之间的时间。

进一步应当理解的是，当电流作为连续时间信号被监测时，可以准确地确定电流变得中断的时刻。这将对应于以无限采样频率或以无限小的小采样周期进行采样。在实践中，由于所使用的实际采样频率和对应的采样周期，因此将间接地确定所述时刻。间接确定将在本发明的公开内容中进一步讨论。

当发起状态改变时，在线圈的连接点上施加电压，电流开始在线圈中流动。电流值不会立即处于特定水平，而是会从零开始逐渐增加，因为线圈是电感组件。在电流逐渐增加时，监测电流，并直接或间接地计算时间导数。由于电流在逐渐增加，即随时间变化，因此时间导数也随时间变化。此外，由电流引起的磁场产生使柱塞移动直到电磁阀打开或关闭的力。另外，机械弹簧也会影响柱塞的运动。因此，柱塞中的电流最初受到所施加的电压源的影响，但还受到一组其他变量的影响，比如柱塞的运动的影响。

换句话说，根据麦克斯韦方程，线圈产生的最初移动柱塞的磁场本身也受到柱塞的位置和运动的影响。这意味着柱塞的运动影响流经线圈的电流，反之亦然。因此，应该清楚的是，除其时间导数之外，电流的值也随时间变化。

因此，在监测时，确定发起电磁阀的状态改变的时刻和电流的时间导数中断的时刻之间的时间段。

例如，发起状态改变的时刻是给出改变状态的指令的时刻，或者是线圈中的电流不同于零的时刻。因此，该时刻可以被确定为电流的幅度超过预定阈值的时刻。或者，可以在给出状态改变的命令时，确定状态改变。另外，可以通过所述命令来发起监测。此外，注意，在处理交流阀时，幅度可被视为其绝对值，以便处理电流在负半周期开始时的情况。

然而，应当理解的是，应以连贯一致的方式选择该时刻，使得可以相互比较一组确定的时间段。

定义确定的时间段的终止的另一个时刻是时间导数中断的时刻。因此，这是电流曲线出现扭结(kink)或骤降的时刻。

当以高采样频率监测电流时，从而可以以或多或少直接的方式准确地确定所述扭结。更实际地，这种扭结可以通过处理代表电流的样本来间接确定。其值递减的样本的范围，接着是其值递增的样本的范围，指示在所述范围之间可能存在扭结。

于是，计算机实现的方法可以包括对电流进行采样从而获得采样电流的阵列的步骤。然后，可以通过所述采样电流的阵列来进行时刻的确定并将其与参考时间段进行比较。

接下来，将确定的时间段与参考时间段进行比较。或者，使采样电流的阵列与电磁阀的参考阵列关联，以确定所述时间段。

确定时间段的另一种方法是使采样电流的阵列的子阵列与表示V形或L形函数的参考子阵列依次关联。

参考时间段指示电磁阀的健康状态。因此，对于特定类型和型号的电磁阀，可以定义作为参考时间段的时间段。例如，当电磁阀首次投入使用时，确定参考时间段。在电磁阀的操作期间，定期或者甚至连续地将时间段与参考时间段进行比较。当确定的时间段开始随时间漂移或增加时，这表明电磁阀的功能正在退化。换句话说，电磁阀的健康状态恶化。

参考时间段和确定的时间段还可以取决于诸如操作压力之类的参数。取决于阀门类型，当操作压力增加时，参考时间段可以增加、减少或保持恒定。因此，确定的时间段的漂移或增加也可以取决于诸如操作压力之类的参数。

为了应对确定的时间段或健康状态对操作压力的依赖性，可以将操作压力范围划分为有限数量的等级，并且只在同一等级的测量范围内比较确定的时间段或健康状态。

或者，可以通过多项式或其他合适类型的拟合曲线来模拟参考时间段和操作压力之间的关系，从而生成基准真值。在螺线管的使用寿命期间，该多项式模型或其他曲线拟合模型可以在每个开关时刻被更新，从而一个新的确定的时间段变得可用。更新的多项式模型或曲线拟合模型与基准真值之间的差异随着时间的推移变得越来越大，并且也建立了用于电磁阀劣化的测量。

最后，可以报告确定的时间段。或者并且优选地，代替报告时间段，可以报告电磁阀的健康状态。此外，代表时刻和/或健康状态的数据可以被发送到其他装置以进行进一步处理。

例如，健康状态可以是0和1之间的值，其中0对应于出现故障的电磁阀，1对应于新的且健康的电磁阀。或者，健康状态可以被报告为‘健康’、‘退化’或‘故障’。

可以识别出不同的优点。首先，可以单独监测每个电磁阀。此外，这可以以结构化和自动化的方式来完成。其次，健康状态的确定可以独立于电磁阀运行所处的环境来进行。换句话说，这种环境是间接考虑的，因为仅仅通过如上所述确定时间段就会注意到由于有害环境而导致的更快恶化。

按照本发明的第二方面，公开一种数据处理装置，所述数据处理装置包括适于进行按照第一方面的方法的步骤的处理器。所述处理器可以是微处理器或微控制器。

按照本发明的第三方面，公开一种包括指令的计算机程序，当所述程序由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行第一方面的方法。

按照第四方面，公开一种承载第三方面的计算机程序的数据载体信号。

按照第五方面，公开一种包括按照第二方面的数据处理单元装置的节点以及配置为表示健康状态的接口。

按照第六方面，公开一种电磁阀，所述电磁阀包括按照第二方面的装置和/或按照第五方面的节点。

附图说明

将参考附图进一步说明本发明，其中：

图1图解说明交流螺线管的随时间变化的电流；

图2图解说明交流螺线管的随时间变化电流的演变；

图3图解说明按照本发明的实施例进行的步骤；

图4图解说明用于进行按照本发明的各个实施例的步骤的合适的计算系统；和

图5图解说明直流螺线管的典型接通电流。

具体实施方式

图1图解说明交流螺线管的随时间变化的电流。在曲线图110上，横坐标104表示时间，纵坐标105表示电流值。实线100表示运转良好的螺线管，这意味着处于健康状态，而虚线101表示在多次开关操作之后出现故障并且需要更换的同一螺线管的电流。

如在发明内容中已经讨论的，柱塞影响流过线圈的电流，如曲线图110所示。由100和101表示的两个电流示出了当接通交流电压源时，随横坐标104的时间变化的纵坐标105的典型线圈电流。电流100的模式中的骤降102，在本例中约为9.5ms，或者在4.3ms发生的开关操作之后5.2ms，其特征在于电流的时间导数的突然变化。该骤降102发生在柱塞撞击其机械终止位置的时刻。在随后发生的事情中，螺线管可以被视为没有移动部件的组件，由此电流100收敛为周期性模式。由恒压源供电的电磁阀显示出类似的电流骤降102，但是它们的电流最终收敛到恒定值。图5中进一步图解说明了这一点，图5图解说明了直流螺线管的典型接通电流。图5中，骤降发生在大约32ms处，并且电流收敛到大约500mA的恒定值。

应当进一步理解的是，所要求保护的发明与螺线管的类型无关，即与作为交流螺线管或直流螺线管无关。对于这两种类型，经过必要的修正，同一方法适于确定螺线管的健康状态。

电流可以使用霍尔传感器和/或分流器来测量。接下来，与电流成比例的测量电压可以通过模数转换器进行变换以进行进一步处理。

所公开的方法监测该骤降102，意味着确定相对于在4.3ms的状态改变的发起时刻出现该骤降102的时刻。在该例子中，发起电磁阀的状态改变的时刻和电流的时间导数中断从而出现骤降102的时刻之间的时间段为5.2ms。

如图1中的虚线101图解所示，阀门开关得越多，电流的骤降在曲线图110上将向右偏移。在图2中，更详细地图解说明了这些骤降的偏移的演变。在这些曲线图200中，同样横坐标211表示时间，纵坐标210表示电流值，并且通过表示开关次数212的z轴进一步扩展。

在图2的图解说明中，可以观察到骤降102至103的位置移开，如虚线203所示。该偏移对应于发起电磁阀的状态改变的时刻和电流的时间导数中断的时刻之间的时间段的增加。在最后的曲线图201和202中，骤降甚至消失，这意味着所述时间段变得无限或不明。这对应于出现故障的螺线管。

导致该偏移203的现象有几种。在一次又一次撞击终止位置时，磨损可能会导致从柱塞表面磨削碎屑颗粒，一方面增加机械摩擦，另一方面减小柱塞长度。此外，存在于电磁阀所控制的流体中的颗粒可能妨碍电磁阀的正常运转并最终堵塞电磁阀。

特别是对于交流阀，当负责在线圈电流过零时将柱塞保持在其终止位置的遮蔽线圈恶化和/或破裂时，偏移203被放大，因为这导致两倍电网频率下的大量重复撞击。

当只考虑接通时刻和电流骤降时刻之间的时间间隔(进一步定义为撞击时间)时，可以绘制出这种演变的更详细的图，如图3中图解所示。横坐标301表示开关次数，纵坐标302表示撞击时间。

可以区分图3的图示中的三个阶段。

在初始阶段，骤降大致保持在相同位置，并且螺线管如供应商指定的那样运行。撞击时间显示出具有典型平均值和非常小的偏差的统计分布。

在退化阶段，完成了更多的通断循环，骤降就开始向右偏移。由于柱塞最终撞击终止位置，因此柱塞绝对不会被堵塞，并且对于预期应用，阀门可能仍能正常运转。然而，人们应该意识到其他潜在有害的二阶效应。例如，如果交流电的遮蔽线圈破裂—通常与退化阶段的开始相吻合—柱塞可能会在电网电压的每个周期两次地很快离开并返回末端位置，从而导致重复撞击、加速磨损、微小泄漏和/或刺激性噪音。

在寿命结束阶段，不再区分骤降，表明柱塞堵塞。由于堵塞可能发生在起始位置、终止位置或两者之间的某个位置，因此绝对不能保证故障对预期应用的影响。

因此，按照所公开的本发明的方法，使用撞击时间作为螺线管的健康指标。

只要撞击时间的分布在统计上不以某种程度的概率偏离其原始分布，螺线管就被认为是健康的。在该条件不再满足时，退化阶段发起。在一些应用中，这可能是更换螺线管的合适时机。

如果应用允许螺线管在退化阶段运行，则可以利用撞击时间值来估计剩余使用寿命，直至达到某种统计概率水平。为此，需要许多相同阀门(优选在不同的应用中)的撞击时间的演变曲线，并建立该演变的统计模型。统计上着手处理这个问题的方式有多种。

撞击时间的可用性允许从预防性维护(即每固定间隔或在固定的同段开关次数之后盲目更换螺线管)，通过基于条件的维护(即推断退化阶段的发起时刻)，发展到预测性维护(即推断剩余使用寿命)。这有几个优点，因为螺线管只有在实际需要时才需要被更换。随着时间的推移，平均而言，这降低了螺线管的成本，降低了螺线管要被更换的机器的维修成本，以及与螺线管被更换的系统的无生产力相关的成本。此外，在预测性维护的情况下，甚至可以安排螺线管更换，以使对生产力的影响最小化。

当处理交流阀时，螺线管柱塞的运动通常在10ms的时间间隔内结束。对于直流阀，时间间隔在健康状态下可能在30ms左右，在恶化状态下可能长达50ms。为了获得足够的撞击时间计算精度，例如0.1ms，建议最小采样频率为10kHz。当0.25ms的时间分辨率可接受时，4kHz的采样也是可能的。应当注意的是，这是采样的精度和成本之间的权衡。

电流要被连续采样。当未通电时，电流理论上为零，但是其数字表示通常在接近最低有效位附近变化。于是，需要定义一个阈值，该阈值在螺线管未通电时永远不会被超过，但是尽可能小，例如5mA。因此，在超过所选择的电流阈值时，螺线管肯定在其早期瞬态阶段利用运动的柱塞进行操作。这触发所有后续电流样本在缓冲器中的存储，该缓冲器覆盖至少10ms的时间跨度，例如10kHz采样频率下的100个样本，但优选100ms，使得也可以监测直流阀。当缓冲器被填满时，数值算法开始利用其中通常存储V形轮廓或L形轮廓的短得多的参考矢量计算一系列的相关系数。目标是定义缓冲器中相关系数最大的位置，因为这是用于撞击时间的测量。偏差等于接通和超过阈值之间的时间，可以加上该偏差以检索撞击时间的精确值。

图4示出了用于进行按照上述实施例的步骤的合适的计算系统400。计算系统400可以用作包括数据处理装置的应用，该数据处理装置包括适于进行用于估计电磁阀的健康状态的方法的步骤的处理器。计算系统400通常可以被形成为合适的通用计算机，并且包括总线410、处理器402、本地存储器404、一个或多个可选输入接口414、一个或者多个可选输出接口416、通信接口412、存储元件接口406和一个或多个存储元件408。总线410可以包括允许计算系统400的组件之间的通信的一个或多个导体。处理器402可以包括解释和执行编程指令的任意类型的常规处理器或微处理器。本地存储器404可以包括存储供处理器402执行的信息和指令的随机存取存储器(RAM)或其他类型的动态存储设备，和/或存储供处理器402使用的静态信息和指令的只读存储器(ROM)或其他类型的静态存储设备。输入接口414可以包括允许操作者向计算设备400输入信息的一种或多种常规机构，比如键盘420、鼠标430、笔、语音识别和/或生物特征机构等。输出接口416可以包括向操作者输出信息的一种或多种常规机构，比如显示器440等。通信接口412可以包括任何类似收发器的机构，比如使计算系统400能够与其他设备和/或系统通信以定期获取参数的一个或多个以太网接口。计算系统400的通信接口412可以通过局域网(LAN)或广域网(WAN)比如因特网连接到这样的其他计算系统。存储元件接口406可以包括存储接口，比如串行高级技术附件(SATA)接口或小型计算机系统接口(SCSI)，用于将总线410连接到一个或多个存储元件408，比如一个或多个本地磁盘，例如SATA磁盘驱动器，并控制往来于这些存储元件408的数据的读取和写入。尽管上面的存储元件408被描述为本地磁盘，但是通常可以使用任何其他合适的计算机可读介质，比如可移动磁盘、诸如CD或DVD和-ROM磁盘之类的光存储介质、固态驱动器、闪存卡……。上述系统400还可以作为物理硬件之上的虚拟机运行。

尽管参考具体实施例说明了本发明，但是对于本领域技术人员来说，清楚的是本发明不限于前述例证性实施例的细节，并且本发明可以通过各种变化和修改来体现，而不脱离其范围。于是，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书指示而不是由前述描述指示，于是，在权利要求书的范围内的所有变化都旨在包含于其中。

本专利申请的读者还将理解的是，词语“包括”或“包含”不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个，并且单个元件，比如计算机系统、处理器或另一个集成单元可以实现权利要求书中所记载的几个装置的功能。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为限制所涉及的相应权利要求。当在说明书或权利要求书中使用时，用语“第一”、“第二”、第三”、“a”、“b”、“c”等是为了区分相似的元件或步骤而引入的，不一定描述依次或时间顺序。类似地，用语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等是为了描述而引入的，不一定表示相对位置。应当理解的是，如此使用的用语在适当的情形下是可互换的，并且本发明的实施例能够按照本发明以其他顺序操作，或者以与上面描述或例示不同的定向操作。

Claims (16)

1.一种计算机实现的方法，用于估计电磁阀的健康状态，所述电磁阀包括用于支持处理控制系统的螺线管，所述方法包括以下步骤：

-监测通过所述螺线管的电流(100，101)；

-确定发起所述电磁阀的状态改变的时刻和所述电流的时间导数中断(102，103)的时刻之间的时间段；

-将所述时间段与指示所述电磁阀的健康状态的参考时间段进行比较，从而确定健康状态。

2.按照权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述状态改变被确定为所述电流的大小超过预定阈值的时刻。

3.按照权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述状态改变是在给出状态改变的命令时确定的。

4.按照权利要求3所述的计算机实现的方法，其中所述监测通过所述命令来发起。

5.按照前述权利要求之一所述的计算机实现的方法，所述方法还包括对所监测的电流进行采样从而获得采样电流的阵列的步骤，并且其中确定和比较通过采样电流的阵列来进行。

6.按照权利要求5所述的计算机实现的方法，其中确定是通过使采样电流的阵列与电磁阀的参考阵列关联来进行的。

7.按照权利要求5所述的计算机实现的方法，其中确定是通过使采样电流的阵列的子阵列与表示V形或L形函数的参考子阵列依次关联来进行的。

8.按照前述权利要求之一所述的计算机实现的方法，还包括以下步骤：

-报告代表时刻和/或健康状态的数据。

9.按照前述权利要求之一所述的计算机实现的方法，还包括以下步骤：

-发送代表时刻和/或健康状态的数据。

10.一种数据处理装置，所述数据处理装置包括适于进行按照前述权利要求之一所述的方法的步骤的处理器。

11.按照权利要求10所述的装置，其中所述处理器是微处理器或微控制器。

12.一种包括指令的计算机程序，当所述程序由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行按照权利要求1～9之一所述的方法。

13.一种承载按照权利要求12所述的计算机程序的数据载体信号。

14.一种节点，所述节点包括按照权利要求10或11所述的数据处理单元装置，以及配置为表示健康状态的接口。

15.一种电磁阀，所述电磁阀包括按照权利要求10或11所述的装置和/或按照权利要求14所述的节点。

16.一种压缩机，所述压缩机包括按照权利要求10或11所述的数据处理装置。