CN215526404U - 一种基于物联网技术的智能型电动执行机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，包括微处理器，电源模块、相序检测模块、远程控制接口、电子行程、电子力矩的输出端与微处理器相连，物联网通讯模块、人机界面、就地传感器的输出端与微处理器相连，微处理器的输出端与就地设备、输出反馈信号、电动机及驱动部件相连，电动机及驱动部件的的输出端经过机械传动部分与电子行程、电子力矩相连，发明是在智能型电动执行机构控制系统基础上扩展了物联网通讯模块，结构紧凑，智能化程度更高，采用物联网技术，实现了大量数据的远程无线传输，大大减少了布线成本，远程监控几乎不受时间和空间的限制，可广泛用于无人值守的泵站、分布零散的阀门管道项目。

Description

一种基于物联网技术的智能型电动执行机构

技术领域

本实用新型涉及物联网技术和智能型电动执行机构研究技术领域，尤其是涉及一种基于物联网技术的智能型电动执行机构。

背景技术

电动执行机构主要用于驱动阀门的开关运行，是自动控制系统中必不可少的重要组成部分，广泛用于电站、冶金、水利、石油、石化、市政等领域。现有的电动执行机构远程控制方式主要：开关量控制、模拟量控制和总线控制，专利号CN206503991U公开了一种电动执行机构，包括电子控制器和外部机械部分，外部机械部分是由三相电机连接减速器、绝对编码器，以及和减速器连接的出轴位移和操作手轮组成，电子控制器包括CPU连接控制的总线通信卡、电源模块、监控继电器、驱动电路、电子力矩检测电路、LCD显示；CPU输入连接蓝牙/红外接收、本机手操电路、温度保护、相序电路、信号处理电路，蓝牙/红外接收通过外部的蓝牙/红外遥控器接收信号。但是该控制方式都需要布线，会受到信号传输距离限制，通过长距离导线传输信号会导致信号衰减、容易受到干扰、成本昂贵。不便于调试和维护，且工作人员只能在固定的地方监控电动执行机构的各种状态和操作其运行，人力成本高。

实用新型内容

为了解决电动执行机构远程控制信号长距离传输造成的一系列问题，方便工作人员实时监控电动执行机构的运行，节省人力、物力，提高自动化水平和工作效率，本实用新型提供一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，采用物联网技术，远程控制采用无线信号传输，不再需要布线，并且在电脑端和手机端均可以实时监控电动执行机构的各种状态和控制其运行，不再受时间和地点的限制。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，包括微处理器，电源模块、相序检测模块、远程控制接口、电子行程、电子力矩的输出端与微处理器相连，物联网通讯模块、人机界面、就地传感器的输出端与微处理器相连，微处理器的输出端与就地设备、输出反馈信号、电动机及驱动部件相连，电动机及驱动部件的的输出端经过机械传动部分与电子行程、电子力矩相连。

进一步地，所述人机界面由红外遥控操作与现场操作输入数据，人机界面采用图形点阵式液晶显示器。

进一步地，微处理器采用STM32F205，具有512 KB Flash、120 MHz CPU和ART加速器，三个12位ADC、两个DAC、一个低功耗RTC、十二个通用16位定时器，最多15个通信接口。

进一步地，所述电动机采用专用软特性三相异步电机，电子行程采用绝对编码技术将机械传动通过光电传感器转换成二进制格雷码，具有断电记忆功能，电子力矩将执行机构的输出转矩直接转换成系统可识别的电信号，传感器输出信号经微处理器A/D转换计算出输出轴实际的力矩值。

进一步地，远程控制接口可接受外部输入的开关量/模拟量控制信号，通过光电隔离，与微处理器的输入端口进行连接。

进一步地，输出反馈信号是微处理器经过运算和判断后，将电动执行机构的开度状态、力矩状态、故障状态以开关量/模拟量形式输出到接线端子上。

进一步地，就地传感器为安装在电动执行机构周边的传感器及其仪表，包括温度、压力、流量、液位、水质、气体浓度、粉尘浓度传感器，就地传感器以接口形式与微处理器连接，接口形式包括RS485、脉冲式、电压、电流、电阻。

进一步地，就地设备为安装在电动执行机构周边的可控电气设备，包括泵类、电动机、执行器，就地设备可接受电动执行机构的控制实现开关运行，电动执行机构输出的控制信号有开关量、模拟量及总线协议。

进一步地，物联网通讯模块主要包括单片机STM32F103和4G通讯模组ML302，该模块通过RS232与微处理器进行通讯，实时读取电动执行机构本体和采集到的各种数据。

进一步地，微处理器通过RS232接口1与物联网通讯模块进行通讯，通过RS232接口2与人机界面进行通讯，微处理器通过电平转换芯片将两路TTL串口信号转换成两路RS232串口信号，微处理器芯片上外设USART1接口通过电平隔离转换芯片转换成RS485串口信号。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型是在智能型电动执行机构控制系统基础上扩展了物联网通讯模块，结构紧凑，智能化程度更高。

2、采用物联网技术，实现了大量数据的远程无线传输，大大减少了布线成本，远程监控几乎不受时间和空间的限制。可广泛用于无人值守的泵站、分布零散的阀门管道项目。

3、如果相关设备出现故障或产生触发事件，电动执行机构内的物联网通讯模块将以短信息、微信、语音等形式推送相关信息，提醒用户及时关注。

4、各种数据实时上传到云服务器，并记录保存，可用于大数据分析，优化相关工艺，实现节能降耗，对设备进行及时的维护保养，减少因设备故障造成的损失。

5、本实用新型作为工业物联网中的一个小型就地工作站，采用边缘计算技术，数据采集和运算速度更快，减轻了远端服务器的压力。

6、云服务器端提供多种接入协议：MQTT,Modbus,HTTP,SDK等，可以方便的接入用户的控制系统。

附图说明

图1是本实用新型整体结构框图。

图2是本实用新型网络拓扑图。

图3是本实用新型RS232电路。

图4是本实用新型RS485电路。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种基于物联网技术的智能型电动执行机构包括电动机、机械传动部分、输出轴和智能控制系统，智能控制系统包括：微处理器、人机界面（HMI）、电子行程、电子力矩、电源模块、相序检测模块、远程控制接口、输出反馈信号和物联网通讯模块等组成，如图1。

电动机采用专用软特性三相异步电机，将电能转换成机械能，具有起动转矩大，转动惯量小的特点。

机械传动部分主要作用是将高转速、小转矩的电动机输出功率转换成低转速、大转矩的执行机构输出轴的功率。

微处理器采用STM32F205,具有512 KB Flash、120 MHz CPU和ART加速器，三个12位ADC、两个DAC、一个低功耗RTC、十二个通用16位定时器，最多15个通信接口（I2C, UART,SPI, CAN, SDIO）。主要负责采集行程、力矩、相序状态、远程控制信号、就地传感器的数据，并与人机界面进行通讯读取就地控制信号和红外遥控信号，接受来自物联网通讯模块下发的查询/控制信号，综合以上各种状态和信号再通过数据运算和逻辑控制，控制电动执行机构本体和就地设备的运行，输出各种状态到显示屏及接线端子。

人机界面（HMI）采用图形点阵式液晶显示器，并能和微处理器通信，将磁控开关和红外遥控器输入的数据传递给微处理器。

电子行程采用绝对编码技术将机械传动通过光电传感器转换成二进制格雷（GRAY）码，采用绝对编码技术使得执行机构在全行程的任何一个位置对应的行程值为唯一值，使阀门定位更加精确，并且在断电的状态下，手动操作执行机构仍能保持数据与实际行程的一致性，因此具有断电记忆功能。

电子力矩将执行机构的输出转矩直接转换成系统可识别的电信号，传感器输出信号经微处理器A/D转换计算出输出轴实际的力矩值。

电源模块是将380V三相交流电经过降压、整流、稳压和滤波，输出24VDC电压，供给整个智能控制系统工作用。

相序检测模块是检测三相电源的相序和缺相状态，并将该状态反馈到微处理器。

远程控制接口可接受外部输入的开关量/模拟量控制信号，通过光电隔离，与微处理器的输入端口进行连接。

输出反馈信号是微处理器经过运算和判断后，将电动执行机构的开度状态、力矩状态、故障等状态以开关量/模拟量形式输出到接线端子上。

就地传感器是指安装在电动执行机构周边的传感器及其仪表，例如：温度、压力、流量、液位、水质、气体浓度、粉尘浓度等传感器。就地传感器以各种接口形式与微处理器连接，接口形式有：RS485、脉冲式、电压、电流、电阻等。

就地设备是指安装在电动执行机构周边的可控电气设备，例如：泵类、电动机、执行器等。就地设备可接受电动执行机构的控制实现开关运行，电动执行机构输出的控制信号有开关量、模拟量及总线协议。

物联网通讯模块以单片机STM32F103和4G通讯模组ML302为核心，该模块通过RS232与微处理器进行通讯，实时读取电动执行机构本体和采集到的各种数据，通过2G/4G无线传输将这些数据上传到云服务器，这些数据以文字、符号、图标、曲线等形式呈现在用户的客户端上，用户可在电脑或者手机客户端实时查看电动执行机构及其就地传感器的状态，也可控制电动执行机构和就地设备的运行。如果相关设备出现故障或产生触发事件，电动执行机构内的物联网通讯模块将以短信息、微信、语音等形式推送相关信息，提醒用户及时关注。用户也可以对这些数据进行大数据分析，优化相关工艺，实现节能降耗，对设备进行及时的维护保养，减少因设备故障造成的损失。由于信号通过无线传输，电动执行机构及其就地传感器和设备的远程监控变得更加便捷，不再需要远距离布设信号传输用的导线，而且用户可以随时随地的对这些设备进行监控。云服务器端还提供多种接入协议：MQTT,Modbus,HTTP,SDK等，可以方便的接入用户的控制系统。图2为本实用新型网络拓扑图。

如图3所示，微处理器U1(STM32F205)通过RS232接口1与物联网通讯模块进行通讯，微处理器通过RS232接口2与人机界面（HMI）进行通讯。电路中微处理器U1通过电平转换芯片U2(SP3232EEN)将2路TTL串口信号转换成2路RS232串口信号，RS232串行通信是以全双工方式工作，能实现点对点的通信方式。

RS485接口是电动执行机构与就地传感器及其仪表和就地设备进行通讯的常用接口。如图4所示，电路中微处理器U1(STM32F205)芯片上外设USART1接口通过电平隔离转换芯片U3(ADM2587)转换成RS485串口信号。RS485电平电气是隔离的，有效提高了系统稳定性，U1负责RS485总线数据的接收和发送。RS485采用平衡发送和差分接收，能实现点对多的通讯(即只能有一个主设备，其余为从设备),具有良好的抗干扰能力，理论的最长通讯距离约为1200米，最多支持256个节点。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，包括微处理器，电源模块、相序检测模块、远程控制接口、电子行程、电子力矩的输出端与微处理器相连，物联网通讯模块、人机界面、就地传感器的输出端与微处理器相连，微处理器的输出端与就地设备、输出反馈信号、电动机及驱动部件相连，电动机及驱动部件的输出端经过机械传动部分与电子行程、电子力矩相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，所述人机界面由红外遥控操作与现场操作输入数据，人机界面采用图形点阵式液晶显示器。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，微处理器采用STM32F205，具有512 KB Flash、120 MHz CPU和ART加速器，三个12位ADC、两个DAC、一个低功耗RTC、十二个通用16位定时器，最多15个通信接口。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，所述电动机采用专用软特性三相异步电机，电子行程采用绝对编码技术将机械传动通过光电传感器转换成二进制格雷码，具有断电记忆功能，电子力矩将执行机构的输出转矩直接转换成系统可识别的电信号，传感器输出信号经微处理器A/D转换计算出输出轴实际的力矩值。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，远程控制接口可接受外部输入的开关量/模拟量控制信号，通过光电隔离，与微处理器的输入端口进行连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，输出反馈信号是微处理器经过运算和判断后，将电动执行机构的开度状态、力矩状态、故障状态以开关量/模拟量形式输出到接线端子上。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，就地传感器为安装在电动执行机构周边的传感器及其仪表，包括温度、压力、流量、液位、水质、气体浓度、粉尘浓度传感器，就地传感器以接口形式与微处理器连接，接口形式包括RS485、脉冲式、电压、电流、电阻。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，就地设备为安装在电动执行机构周边的可控电气设备，包括泵类、电动机、执行器，就地设备可接受电动执行机构的控制实现开关运行，电动执行机构输出的控制信号有开关量、模拟量及总线协议。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，物联网通讯模块主要包括单片机STM32F103和4G通讯模组ML302，该模块通过RS232与微处理器进行通讯，实时读取电动执行机构本体和采集到的数据。

10.根据权利要求1或3所述的一种基于物联网技术的智能型电动执行机构，其特征在于，微处理器通过RS232接口1与物联网通讯模块进行通讯，通过RS232接口2与人机界面进行通讯，微处理器通过电平转换芯片将两路TTL串口信号转换成两路RS232串口信号，微处理器芯片上外设USART1接口通过电平隔离转换芯片转换成RS485串口信号。

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