TWM603076U

TWM603076U - 閥類電動驅動及／或控制器之智能操控系統

Info

Publication number: TWM603076U
Application number: TW109207544U
Authority: TW
Inventors: 陳水景
Original assignee: 山野電機工業股份有限公司
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2020-10-21
Also published as: CN213482664U

Abstract

一種閥類電動驅動及/或控制器之智能操控系統，包括有：一控制單元，包含一第一微處理機、一第一訊號轉換模組、一第二訊號轉換模組、一第三訊號轉換模組以及一第四轉換模組；一輸入單元，耦接於第一訊號轉換模組；一馬達，係設於閥類電動驅動器；一馬達驅動單元，耦接於馬達，其包含一第二微處理機與一智慧型功率模組，該第二微處理機耦接於第二訊號轉換模組；一位置回授單元，耦接於第三訊號轉換模組，其包含有一感應磁鐵與一偵測組件；一顯示單元，耦接於第四訊號轉換模組，其包含一燈號模組、一螢幕模組與一按鍵模組；以及一輸出單元，耦接於第四訊號轉換模組，其包含一數位輸出模組與一類比輸出模組。

Description

閥類電動驅動及/或控制器之智能操控系統

本創作係與閥類電動驅動器有關，詳而言之，乃是提供一種操控系統，可被應用於「閥類之電動執行器、閥類之電動驅動器、閥類之電動控制器、閥類之電動驅動及控制器、風門之電動驅動器、風門之電動控制器、風門之電動驅動及控制器」等等。

請參閱第1圖所示，係為一種電動驅動器80之實施例圖，電動驅動器又可稱為電動執行器，其可用來驅動各種閥門，已被廣泛應用於氣體和液體的流體控制，包括冶金、核電、化工、石油、電力、天然氣或水利等自動化控制系統，以及食品等各種流程工業，可提供管路截流、限流等作用。

前揭電動驅動器通常由可正反轉的馬達通過齒輪系統，驅動輸出軸正反轉，因此電動驅動器需要即時檢測閥門之開度，以正確控制輸出軸的轉動，同時，必須讀取快速診斷電動驅動器之工作情況相關資訊。

現有的資訊傳輸方式通常是有線傳輸方法，不僅容易受干擾，而且增加了大量布線的成本，特別是在一些設備特別分散的場合，比如天然氣長輸管線，這樣會大大增加成本，且降低可靠性。

本創作所提供之智能操控系統，至少包括有：一控制單元，包含一第一微處理機、一第一訊號轉換模組、一第二訊號轉換模組、一第三訊號轉換模組以及一第四轉換模組；一輸入單元，耦接於第一訊號轉換模組；一馬達，係設於閥類電動驅動器；一馬達驅動單元，耦接於馬達，其包含一第二微處理機與一智慧型功率模組，該第二微處理機耦接於第二訊號轉換模組；一位置回授單元，耦接於第三訊號轉換模組，其包含有一感應磁鐵與一偵測組件；以及一顯示單元，耦接於第四訊號轉換模組，其包含一燈號模組、一螢幕模組與一按鍵模組。

當閥門電動驅動器是安裝在危險或不方便就地操作的地方時，舉例而言，在充滿爆炸性氣體的地方，操作人員可以使用無線操作模式在數十公尺外的安全地方進行操作。

此外，可據以提高電動驅動器對閥門控制之智能水準，使得對閥門的控制更加地精確、且更為可靠和靈活。

茲列舉較佳實施例配合圖式將本創作之結構特徵加以說明之。

10:控制單元

11:第一微處理機

12:第一訊號轉換模組

13:第二訊號轉換模組

14:第三訊號轉換模組

15:第四轉換模組

20:輸入單元

21:有線模式

211:數位輸入模組

212:類比輸入模組

213:過程現場匯流排

214:MODBUS

22:無線模式

221:藍芽

30:馬達

31:出力軸

32:齒輪

40:馬達驅動單元

41:第二微處理機

42:智慧型功率模組

50:位置回授單元

51:感應磁鐵

52:偵測組件

521:第一側基板面

522:主偵測元件

523:第二側基板面

524:備用偵測元件

60:顯示單元

61:燈號模組

62:螢幕模組

63:按鍵模組

70:輸出單元

71:數位輸出模組

72:類比輸出模組

80:電動驅動器

第1圖：係電動驅動器之外觀立體圖。

第2圖：係本創作之方塊圖。

第3圖：係本創作馬達30與位置回授單元50之關係示意圖。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本案的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。

在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

此外，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。此外，本文中所使用之『及/或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。

於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。而『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作，亦非特別指稱或暗示次序或順位，更非用以限定本創作。

請參照第2、3圖所示，本創作所提供閥類電動驅動及/或控制器之操控系統包括有：一控制單元10、一輸入單元20、一馬達30、一馬達驅動單元40、一位置回授單元50、一顯示單元60以及一輸出單元70。

該控制單元10包含一第一微處理機11、一第一訊號轉換模組12、一第二訊號轉換模組13、一第三訊號轉換模組14以及一第四轉換模組15，該第一微處理機11與第一訊號轉換模組12、第二訊號轉換模組13、第三訊號轉換模組14以及第四轉換模組15分別耦接，該第一微處理機11負責作各模組間訊號轉換及指令下達的工作，該第一訊號轉換模組12、第二訊號轉換模組13、第三訊號轉換模組14以及第四訊號轉換模組15分別將不同的訊號型態，轉換成第一微處理機11可接收之訊號型態，該第一訊號轉換模組12係將輸入單元20的訊號轉換成第一微處理機11 可處理的訊號，第二訊號轉換模組13則是轉換第一微處理機11與馬達驅動單元40的相互訊號傳遞，第三訊號轉換模組14可將位置回授單元50的訊號轉換成第一微處理機11可處理的訊號，而第四訊號轉換模組15乃係轉換顯示單元60或輸出單元70對第一微處理機11之間往返的訊號傳遞。

該輸入單元20耦接於控制單元10之第一訊號轉換模組12，該輸入單元20係供使用者輸入訊號，亦即：輸入單元20用以將外部訊號轉換後傳送給控制單元10的第一微處理機11，而第一微處理機11根據該訊號決定要馬達30之正轉或反轉，該輸入單元20之輸入介面可選用有線模式21或無線模式22，其中有線模式21可選自數位輸入模組211、類比輸入模組212、過程現場匯流排(Profibus)213或MODBUS 214其中之一，無線模式22可使用藍芽221。

該輸入單元20的各主件可以同時產生輸入訊號，但是第一微處理機11只會選擇其中一種作為輸入訊號，例如：若使用者選擇數位輸入模組211作為主訊號控制，此時同時間類比輸入模組212、藍芽221等仍然可以持續給訊號，只是控制單元10包含一第一微處理機11會負責判斷，而只取數位輸入模組211的訊號作為主輸入源。

數位輸入模組211及類比輸入模組212係為單方向訊號傳遞，而過程現場匯流排213、Modbus214和藍芽221則為雙向的訊號傳輸，除了可以傳遞馬達30的訊號之外，亦可透過通訊協定取得第一微處理機11的內部參數及設定值、狀態等。

在一些實施例中，數位輸入模組211可使用開關元件作為訊號來源，類比輸入模組212可使用類比訊號產生器作為訊號來源，藍芽221可以藉由智慧型手機進行資料之傳輸(傳送、接收)，過程現場匯流排213、MODBUS 214可用電腦或可程式邏輯控制器(PLC)進行資料傳輸。

在一些實施例中，類比輸入模組212可用電源供應器作為訊號來源，調整不同電壓值轉換不同的訊號。

在一些實施例中，亦可採用可定址遠程感測器高速通道(HART)的開放通信協定作為輸入介面。

該馬達30係設置於閥類電動驅動器上。

在一些實施例中，該馬達30係採用直流無刷馬達。

該馬達驅動單元40耦接於馬達30，該馬達驅動單元40包含一第二微處理機41與一智慧型功率模組42，該智慧型功率模組42耦接於第二微處理機41，而該第二微處理機41耦接於控制單元10之第二訊號轉換模組13，俾接收第一微處理機11經由第二訊號轉換模組13傳遞過來的訊號，並經由內部邏輯判斷後，再發送訊號給功率模組42。

在一些實施例中，該智慧型功率模組(Intelligent Power Modules，IPM)係把功率開關器件和驅動電路集成在一起，至少包含有過電壓、過電流與過熱等故障檢測電路。

該位置回授單元50耦接於控制單元10之第三訊號轉換模組14，該位置回授單元50包含有一感應磁鐵51與一偵測組件52，該偵測組件52包含一第一側基板面521、一主偵測元件522與一第二側基板面523，該主偵測元件522設於第一側基板面521，該感應磁鐵51與主偵測元件522保持預定距離，該感應磁鐵51旋轉時，磁力線之方向會改變，主偵測元件522可偵測磁力線方向的變化，並將其量化，亦即：該主偵測元件522係用來將偵測感應磁鐵51旋轉的角度值傳送給控制單元10包含一第一微處理機11來進行目前位置的換算。

在一些實施例中，該位置回授單元50進一步包含有一備用偵測元件524，該備用偵測元件524設於第二側基板面523，藉此，當感應磁鐵50旋轉時可以同時得到主偵測元件522及備用偵測元件524的兩筆資料，增加位置感應之可靠度。

在一些實施例中，該主偵測元件522及備用偵測元件524係採用編碼器。

該顯示單元60耦接於控制單元10之第四訊號轉換模組15，該顯示單元60之功能係將產品狀態輸出給使用者知悉，例如：馬達30之運轉狀態及運轉到的位置。

該顯示單元60包含一燈號模組61、一螢幕模組62與一按鍵模組63，該燈號模組61用以顯示概略狀態，供近端人員檢視，該螢幕模組62搭配按鍵模組63用以顯示詳細狀態，例如手輪是否開啟、系統目前運轉狀態等，並可設定參數或者操作閥門。

在一些實施例中，該燈號模組61可採用發光二極體，藉由亮跟不亮之區別，來表示開與關兩種狀態。

該輸出單元70耦接於控制單元10之第四訊號轉換模組15，該輸出單元70之功能亦係將產品狀態輸出給使用者知悉，其包含一數位輸出模組71與一類比輸出模組72，該數位輸出模組71由若干繼電器組成，依使用者設定用繼電器之短路或開路來表示馬達30之正轉、反轉運轉狀態，而該類比輸出模組72係將馬達位置轉換成類比型態輸出，可以連接至可程式邏輯控制器PLC來讀取數值。

在一些實施例中，該數位輸出模組71可連接燈泡或蜂鳴器。

在一些實施例中，類比輸出模組72亦可透過電錶量測電壓或電流的類比訊號來表示馬達運轉的位置狀態，例如0~10V，0V表示0%位置，5V表示50%位置。

在使用上，訊號傳送到輸入單元20經由第一訊號轉換模組12轉換訊號的電壓與型態後，傳達到第一微處理機11，第一微處理機11依韌體撰寫的流程做邏輯判斷後，產生訊號經由第二訊號轉換模組13轉換訊號的電壓與型態後傳達到第二微處理機41，第二微處理機41韌體撰寫的流程做邏輯判斷後，產生脈衝寬度調變PWM訊號透過智慧型功率模組42將訊號放大到控制直流高壓電流，進而讓馬達30旋轉，馬達30透過齒輪傳動磁鐵51，偵測組件52偵測到位置變化，使用集成電路總線(Inter-Integrated Circuit)傳訊經由第三訊號轉換模組14轉換訊號的電壓與型態後給第一微處理機11，第一微處理機11依韌體撰寫的流程收集偵測組件52與輸入單元20的訊號做出邏輯判斷，再發訊號給第二微處理機41如此達到一個循環，第一微處理機11將上述的運轉狀態經由第四訊號轉換模組15轉換訊號的電壓與型態後，藉由顯示單元60提供給近端人員檢視，由輸出單元70提供給可程式邏輯控制器或其它控制系統。

亦即：當控制單元10取得了輸入單元20所給的控制訊號後，第一微處理機11會將訊號轉換成正轉、反轉、停止等三個訊號傳輸至馬達驅動單元40的第二微處理機41，當第二微處理機41接收到指令後，會依照指令馬達30運轉，馬達30運轉後會帶動閥門電動驅動器之出力軸31的齒輪32，主偵測元件522及備用偵測元件524進而將齒輪轉換後的圈數傳遞給主控制單元10的第一微處理機11，而第一微處理機11將此訊號轉換成0~100%的位置訊息傳輸顯示單元60及輸出單元70。

在一些實施例中，該輸出單元70並非是絕對必要的模組，就算沒有安裝輸出單元70，仍然可以根據輸入單元20給的訊號讓馬達30運轉。

在一些實施例中，本創作可被應用於「閥類之電動執行器、閥類之電動驅動器、閥類之電動控制器、閥類之電動驅動及控制器」的電源供應電路。

在一些實施例中，本創作亦可作為風門(damper)電動驅動及/或控制器的電源供應電路。

綜上所述，本創作所提供之操控系統可據以提高電動驅動器對閥門控制之智能水準，使得對閥門的控制更加精確、更加可靠和更加靈活。

附帶一提的是，本創作採用直流無刷馬達的優點如下：

1.無電刷磨損保養問題。

2.因無電刷可減少EMI問題。

3.可精準控制轉速及扭矩。

4.相同功率下可提升效率並降低溫升。

5.無碳刷磨損可降低噪音。

6.功率密度高可縮小體積。

7.馬達熱源在定子，冷卻效果更好。

8.到達額定轉速可輸出平穩扭矩，且受負載影響小。

9.因無電刷可達到更高轉速。

10.無電刷磨損粉末的污染，更加環保。

11.運轉時不產生火花更安全。

12.馬達中電力傳輸載體沒有損耗品壽命更長。

雖然本文將所公開的創作示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和/或與除了本文所示和/或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。

需要說明的是，在不衝突的情況下，在本揭示內容各個圖式、實施例及實施例中的特徵與電路可以相互組合。圖式中所繪示的電路僅為示例之用，係簡化以使說明簡潔並便於理解，並非用以限制本案。此外，上述各實施例中的各個裝置、模組及元件可以由各種類型的數位或類比電路實現，亦可分別由不同的積體電路晶片實現，或整合至單一晶片。上述僅為例示，本揭示內容並不以此為限。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，所屬技術領域具有通常知識者在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。