CN2903614Y - 基于高级特征计算的智能型动态平衡电动调节阀 - Google Patents

基于高级特征计算的智能型动态平衡电动调节阀 Download PDF

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沈新荣
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Abstract

本实用新型公开了一种阀门，旨在提供一种基于高级特征计算的智能型动态平衡电动调节阀。包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件，阀体的内流道中设有孔板，在孔板前后的阀体壁上分别开设测压咀和测量咀；压差传感器通过压力传送管分别与测压咀和测量咀相连；高级控制器通过电缆线分别与压差传感器和设置于电动调节阀组件上的电动执行器相连。本实用新型的智能型动态平衡电动调节阀具体理想的阀门调节特性，且结构工艺简单、工作压差起始值小、通流能力大、使用寿命长、制造成本低廉，适合小批量多品种生产。当应用于空调、供热管网水系统时其综合节能效果十分明显。

Description

基于高级特征计算的智能型动态平衡电动调节阀
技术领域
本实用新型涉及一种阀门。更具体地说，本实用新型涉及一种基于高级特征计算的智能型动态平衡电动调节阀。
背景技术
在中央空调水系统管网中普遍存在着水力失调现象，管网水力不平衡易造成系统能源的浪费和设备运行噪声的增加。采用智能型的动态平衡电动调节阀是解决复杂管网水力平衡的最佳手段。
目前大量应用的各种动态平衡型电动调节阀门(包括普通电动调节阀与机械式压差控制阀组合而成的动态平衡电动调节阀门)，其本质上是一种具有机械自力式压差自动控制功能的电动调节阀(或称电动动态调节阀、或称压力无关型电动调节阀)，其动态平衡的原理比较简单，即当一体型动态平衡电动调节阀或组合型动态平衡电动调节阀的两端压差DP＝P1-P3随机变化时，利用压差平衡控制器通过改变DP2＝P2-P3的差值确保DP1＝P1-P2自动恒定(压差控制器后置式原理)。或者，利用压差平衡控制器通过改变DP1＝P1-P2的差值确保DP2＝P2-P3自动恒定(压差控制器前置式原理)。
对目前主导市场的某世界著名品牌部分动态平衡电动调节阀产品技术数据罗列如下：
1、DN25型产品，工作压差范围(32～320)KPa，最大控制流量0.68L/S；
2、DN40型产品，工作压差范围(40～320)KPa，最大控制流量2.34L/S；
3、DN80型产品，工作压差范围(35～400)KPa，最大控制流量7.06L/S；
4、另一种DN80型产品，工作压差范围(80～400)KPa，最大控制流量9.82L/S。
经过我们的测试和研究发现，该著名品牌的动态平衡电动调节阀产品的调节特征曲线本质上是属于一种拟快开特性，不属于等百分比调节特性，不具有理想的电动阀调节特性。
目前大量应用的动态平衡电动调节阀产品普遍采用弹簧机械自力式的实现原理，因而存在通流能力明显偏小、动态工作压差控制范围小、应用不灵活、工作压差起始点偏高，总体耗能偏高(由于DP＝DP1+DP2，实际使用时须以牺牲压差控制器的压力来维持电动调节部分的压差恒定。显然牺牲压差控制器的压力也是浪费能耗。)
模拟量电动调节蝶阀因其结构简单、制造容易、通流能力大等优点而被广泛应用在流体流动的简单控制。如果将高级智能特征计算方法嵌入到智能控制器，并结合压差传感器、模拟量电动调节蝶阀进行高级组合一体化控制，这将是一种具有理想阀门调节特性的节能型动态平衡电动调节阀。
采用这种起始工作压差值很低的高级智能型动态平衡电动调节阀时，空调管网水系统综合节能效果达10％～45％。
目前公知的还没有发现一种基于高级特征计算与智能控制方法实现理想阀门调节特性的动态平衡型电动调节阀门。
发明内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于高级特征计算的智能型动态平衡电动调节阀。
为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
本实用新型提供了一种智能型动态平衡电动调节阀，包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件2，所述阀体的内流道中设有孔板5，在孔板5前后的阀体壁上分别开设测压咀7和测量咀9；压差传感器10通过压力传送管8分别与测压咀7和测量咀9相连；高级控制器11通过电缆线13分别与压差传感器10和设置于电动调节阀组件2上的电动执行器14相连。
作为本实用新型的一种改进，所述孔板5通过卡装形式放置在阀体的内流道中。
作为本实用新型的一种改进，所述阀体的内流道中设置固定板4，孔板5通过螺钉或螺栓直接装配在固定板4上。
作为本实用新型的一种改进，所述阀体分为前阀体6和后阀体1，前阀体6、电动调节阀组件2和后阀体1通过螺栓3依次连接。
作为本实用新型的一种改进，所述电动执行器14是角行程模拟量电动执行器。
作为本实用新型的一种改进，所述压力传送管8是铜管。
作为本实用新型的一种改进，所述电动调节阀组件2是电动调节蝶阀组件。
作为本实用新型的一种改进，所述阀体可以是等直径的筒体或变直径的筒体。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
通过采用基于高级特征计算的电动阀控制方法，模拟量电动执行器将蝶阀组件中的阀体打开时，水从前阀体的流道入口流入，流经孔板后通过绕流蝶阀的阀体，最后从后阀体的流道出口流出。孔板的两端设置测压咀，用于测量孔板的动态压差。
利用高级控制器的数据采集功能读入外部阀位行程(即外部输入的标准控制电信号开度值作为外部设定值)：(1)对于间接流量动态平衡控制方法，利用高级特征计算公式获得出孔板两端的动态工作压差设定值，当孔板两端的动态工作压差测量值与该设定值发生偏差时，利用PID控制算法调节模拟量电动蝶阀的开度，控制孔板两端的工作压差恒定在某动态设定值(这是一种通过外部模拟输入方式给定的动态压差设定值)，从而间接实现了高精度的动态流量平衡；(2)对于直接流量动态平衡控制方法，采用高级特征计算公式获得孔板的动态工作流量设定值，当孔板的动态工作流量测量值(利用动态工作压差测量值与孔板的面积换算即可得到流量的测量值)与动态工作流量设定值发生偏差时，利用PID控制算法直接调节模拟量电动蝶阀的开度，控制孔板流量高精度自动恒定在某个动态设定值(这是一种动态可变的通过外部模拟输入方式给定的流量设定值)，从而直接实现了动态流量的平衡。
本实用新型的智能型动态平衡电动调节阀具有理想的阀门调节特性，且结构工艺简单、工作压差起始值小、通流能力大、使用寿命长、制造成本低廉，适合小批量多品种生产。当应用于空调、供热管网水系统时其综合节能效果十分明显。
本实用新型的智能型动态平衡电动调节阀还可以广泛应用于各种流体流动的智能控制，如可拓展到智能流量控制阀、智能压差控制阀的应用。
附图说明
图1是本实用新型实施例中动态平衡电动调节阀局部剖视结构示意与装配图。
图例中符号：1后阀体、2电动调节阀组件、3连接螺栓、4固定板、5孔板、6前阀体、7测压咀、8压力传送管、9测压咀、10压差传感器、11高级控制器、12接线端子、13电缆线、14模拟量电动执行器。
具体实施方式
参考附图1，下面将对本实用新型进行详细描述。
图中给出了一种智能型动态平衡电动调节阀，包括电动调节阀组件2和与电动调节蝶阀组件2相连的角行程模拟量电动执行器14，用以实施蝶阀的模拟量调节。前阀体6、电动调节蝶阀组件2、后阀体1依次连接，通过螺栓3连接配装成一体。电动调节阀组件2可以采用电动蝶阀组件，阀体可以是等直径的筒体或变直径的筒体，模拟量电动执行器14可以是角行程模拟量电动执行器。
所述前阀体6的内流道有内置孔板5，通过螺钉或螺栓直接配装在前阀体6内的固定板4上，或者通过卡装形式放置在前阀体6的内流道中。前阀体6的壁上开设测压咀9和测压咀7，通过压力传送管8连接到压差传感器10的高压端和低压端，用以测量内置孔板5的两端压差。压力传送管8可以采用铜管。
模拟量电动执行器14配装在电动调节蝶阀组件2上。压差传感器10、高级控制器11、模拟量电动执行器14通过电缆线13依次连接。
压差传感器10、高级控制器11、模拟量电动执行器14和电动调节蝶阀组件2共同构成了孔板压差自动平衡装置。
所述的高级控制器11是一个通用的PID控制器产品，内嵌入或者下载“一种基于智能特征计算方法实现理想调节特性的控制算法”而实现的高级程序。利用该程序，高级控制器11输出标准控制信号通过电缆线13直接调节模拟量电动执行器14，通过调节电动蝶阀的开度实现前阀体6内的孔板5平衡动态流量控制。所述的间接流量动态平衡控制算法属于压差直接平衡方法，所述的直接流量动态平衡控制算法属于流量直接平衡方法。这是一种典型的属于压力无关型的电子式动态流量平衡方法。
对于本实用新型的智能型动态平衡电动调节阀，可以引入一个调节阀阀位行程的“虚拟变量”x(即前文所述的外部阀位行程)，它即对应于外部输入的标准模拟电信号。例如0～10VDC信号表示范围x∈[0，10]、4～20mA信号表示x∈[4，20]。
不妨假设动态平衡电动调节阀的无量纲阀位行程变量X、无量纲流量Q、无量纲压差ΔP，显然可对它们进行单位化定义：
X∈[0，1]、Q∈[0，1]、ΔP∈[0，1]
所述的无量纲的外部阀位行程X是一个由外部输入标准电信号进行单位化的无量纲值，例如对于0～10VDC信号，取X＝x/10。
由于调节阀的无量纲相对流量系数KVS＝1，所以有公式：
或者ΔP＝Q2                (2)
(1)对于线性调节特性：
Q＝X，ΔP＝X2              (3)
(2)对于等百分比调节特性(R常数，需单独给定)：
Q＝RX-1，ΔP＝R2·(X-1)    (4)
对于公式(4)当然也可以采用近似计算拟合公式ΔP＝f(x)＝y，对于部分R值的具体拟合公式如下：
R＝5时：
y＝1.014271057x4-.7317960344x3+.6015181377x2+.07302617232x+.04132977829                  (4-1)
R＝10时：
y＝2.416996777x4-2.613022197x3+1.304141675x2-.1281689068x+.01426559837                  (4-2)
R＝15时：
y＝3.390010414x4-4.078431771x3+1.916685397x2-.2491610138x+.01122567749                  (4-3)
R＝20时：
y＝4.107296555x4-5.209957153x3+2.416680491x2-.3384355394x+.01135043900                      (4-4)
R＝25时：
y＝3.797706268x4-4.619538998x3+2.030543465x2-.2718329091x+.008173257454                     (4-5)
R＝40时：
y＝5.823169698x4-8.043518449x3+3.744522919x2-.5624232324x+.01510551247                      (4-6)
R＝50时：
y＝6.352804210x4-8.947171380x3+4.186310098x2-.6356160351x+.01680504889
                               (4-7)
(3)对于抛物线调节特性：
Q＝X2，ΔP＝X4                 (5)
显然，公式(3)～公式(5)就是实现阀门理想调节特性的无量纲高级特征计算公式，其中公式(4)也可以采用近似拟合公式进行描述。
模拟量电动执行器14将模拟量电动阀组件2中的阀体打开时，水从前阀体6流道入口流入，流经孔板5后通过绕流蝶阀阀体，最后从后阀体1的流道出口流出。孔板5的两端设置测压咀7和测压咀9，用于测量孔板的两端压差。
所述的高级控制器11既可以采用具有高级数学函数计算功能和实现PID控制算法的通用型高级控制器产品，也可以专门开发高级控制器产品。所述高级控制器11还包括一些标准I/O接线端子12。例如可选SIENENS公司的S7-200通用PLC产品并用STEP7进行高级编程实现。
当外部阀位行程的电信号x给定时(即外部输入阀位设定值)，对应的无量纲阀位行程X也即给定：
(一)基于间接流量动态平衡算法的工作原理：利用无量纲的高级特征计算公式(3)或公式(4)、或公式(5)容易计算出无量纲压差ΔP的设定值。通过换算自然给定了有量纲的孔板两端的动态工作压差设定值(这是一种动态的设定值，即设定值随外部输入信号而改变)。当孔板5两端的动态工作压差测量值与动态工作压差设定值发生偏差时，利用高级控制器11的内置PID控制算法通过改变电动调节蝶阀的开度实现孔板5的压差自动恒定在某动态设定值，从而间接实现了高精度动态流量的平衡。
(二)基于直接流量动态平衡算法的工作原理：利用无量纲的高级特征计算公式(3)或公式(4)、或公式(5)容易计算出无量纲流量Q的设定值。通过换算自然给定了有量纲的孔板两端的动态工作流量设定值(这是一种动态的流量设定值，即设定值随外部输入信号而改变)。当孔板5两端动态工作流量的测量值(利用动态压差测量值与孔板面积实现间接的流量测量)与动态工作流量设定值发生偏差时，利用高级控制器11的内置PID控制算法通过改变电动调节蝶阀的开度，直接实现了孔板5的流量自动恒定在某动态设定值，即动态流量平衡。
本实用新型的智能型动态平衡电动调节阀高级特征计算与控制流程如下：
(一)基于间接流量动态平衡控制方法包括以下步骤：
(1)在可实现高级数学函数计算和PID控制算法的通用型高级控制器中设定阀门的动态工作压差最大值；
(2)根据阀门的动态工作压差最大值和孔板面积设定动态工作流量最大值；
(3)设定阀门的理想调节特性为线性调节特性、等百分比调节特性或抛物线调节特性其中任意一种；
(4)高级控制器对外部输入的标准模拟电信号进行数据采样，读入外部阀位行程的值；
(5)将外部阀位行程标准模拟电信号转换成无量纲的阀位行程；
(6)根据阀门理想调节特性获取无量纲的动态工作压差设定值，并转换成有量纲的动态工作压差设定值；
(7)将有量纲的动态工作压差的测量值与设定值进行比较，根据PID控制运算结果调节模拟量电动调节蝶阀的开度。
(二)基于直接流量动态平衡控制方法包括以下步骤：
(1)在可实现高级数学函数计算和PID控制算法的通用型高级控制器中设定阀门的动态工作流量最大值；
(2)根据阀门的动态工作流量最大值和孔板面积设定动态工作压差最大值；
(3)设定阀门的理想调节特性为线性调节特性、等百分比调节特性或抛物线调节特性其中任意一种；
(4)高级控制器对外部输入的标准模拟电信号进行数据采样，读入外部阀位行程的值；
(5)将外部阀位行程标准模拟电信号转换成无量纲的阀位行程；
(6)根据阀门理想调节特性获取无量纲的动态工作流量设定值，并转换成有量纲的动态工作流量设定值；
(7)利用孔板面积和有量纲的动态工作压差测量值获取有量纲的动态工作流量测量值并与设定值进行比较，根据PID控制运算结果调节模拟量电动调节蝶阀的开度。
本实用新型的智能型动态平衡电动调节阀具体举例如下：
对于某DN80的本实用新型智能型动态平衡电动调节阀产品，设计工作压差范围(16～600)KPa，孔板设计面积2620mm2，动态工作流量最大控制值32m3/h。如果选用公式(4)实现理想的等百分比调节特性(取R＝50)，则对应的外部设定相对外部阀位值、压差、控制流量数据如下表所示：
  相对外部阀位X 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1
  动态工作压差KPa 0.009 0.021 0.045 0.099 0.216 0.473 1.035 2.263 4.95 10.82 16
  动态工作流量m3/h 0.78 1.15 1.70 2.52 3.72 5.50 8.14   12.03 17.8 26.3 32
相对外部阀位与标准电信号的对应关系如下表：
 相对外部阀位X 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.5 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1
 4-20mADC对应电流(mA) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10
 0-10VDC对应电压(V) 4.8 6.4 8 9.6 11.2 12 12.8 14.4 16 17.6 19.2 20
对应同样的孔板，只需要更换控制器的特征计算公式，还可以实现线性调节特性、或者抛物线调节特性，且这些理想调节特性均属于压力无关型的。
显然，上述表格中的工作压差起始值才16kPa，而动态工作流量最大控制值可达到32m3/h，整体技术数据明显优于目前进口品牌的机械型动态平衡电动调节阀。
显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1、一种基于高级特征计算的智能型动态平衡电动调节阀，包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件(2)，其特征在于：所述阀体的内流道中设有孔板(5)，在孔板(5)前后的阀体壁上分别开设测压咀(7)和测量咀(9)；压差传感器(10)通过压力传送管(8)分别与测压咀(7)和测量咀(9)相连；高级控制器(11)通过电缆线(13)分别与压差传感器(10)和设置于电动调节阀组件(2)上的电动执行器(14)相连。
2、根据权利要求1所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述孔板(5)通过卡装形式放置在阀体的内流道中。
3、根据权利要求1所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述阀体的内流道中设置固定板(4)，孔板(5)通过螺钉或螺栓直接装配在固定板(4)上。
4、根据权利要求1所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述阀体分为前阀体(6)和后阀体(1)，前阀体(6)、电动调节阀组件(2)和后阀体(1)通过螺栓(3)依次连接。
5、根据权利要求1所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述电动执行器(14)是角行程模拟量电动执行器。
6、根据权利要求1所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述压力传送管(8)是铜管。
7、根据权利要求1所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述电动调节阀组件(2)是电动调节蝶阀组件。
8、根据权利要求1所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述阀体可以是等直径的筒体或变直径的筒体。
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Address after: Hangzhou City, Zhejiang Province, 310012 teachers in Xihu District Liyuan Road No. 88 building 6 floor

Patentee after: Hangzhou Zheda Technology Co., Ltd.

Address before: Hangzhou City, Zhejiang province 310011 Moganshan Road No. 691 on the third.

Patentee before: Shen Xinrong

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right

Date of cancellation: 20120614

Granted publication date: 20070523

Pledgee: Bank of Hangzhou Limited by Share Ltd science and Technology Branch

Pledgor: Hangzhou Zheda Technology Co., Ltd.

Registration number: 2009330000630

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Change date: 20120614

Registration number: 2009330000630

Pledgor after: Hangzhou Zheda Technology Co., Ltd.

Pledgor before: Zhejiang University of Hangzhou Artificial Environment Engineering Technology Co., Ltd.

Pledgor before: Shen Xinrong

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Denomination of utility model: Intelligent dynamic balanced electric regulating valve based on high grade feature computing

Effective date of registration: 20120702

Granted publication date: 20070523

Pledgee: Bank of Hangzhou Limited by Share Ltd science and Technology Branch

Pledgor: Hangzhou Zheda Technology Co., Ltd.

Registration number: 2012990000343

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Granted publication date: 20070523

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Date of cancellation: 20210618

Granted publication date: 20070523

Pledgee: Bank of Hangzhou Limited by Share Ltd. science and Technology Branch

Pledgor: HANGZHOU ZETA TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: 2012990000343

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