一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统及方法
本发明涉及自动控制技术领域，具体为一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统及方法。
背景技术：
阀门作为一种通用零部件工业用品，在很多行业得到了普遍应用，如，煤炭、石油、化工、天然气、电厂、冶金等行业。在阀门应用的领域里，煤炭和机械行业使用阀门的量较多，各种阀门基本均有使用。在所有行业中，阀门控制的基本是流量的大小，如何精确的把握流量的大小对于生产有着巨大的影响。当前，电动阀门正在逐步取代传统的丝杠螺纹阀门，以机械代替手工作业，这种转换已经极大的提高了生产效率。但在实际的场景中，电动阀门只能提高阀门动作的速度，无法准确的控制阀门开度，这就导致在实际的生产中，阀门内的流量无法得到精确的控制。所以，随着我国各行业智能化水平的提高，如何能精确、实时的对电动闸板阀门开度进行控制显得越来越为重要。
电动闸板阀是板阀的一种，该电动调节阀采用多种类型的内件材料，能扩大阀门的应用范围。该阀门具有全通径的通道，等同于平滑的管道，流通能力大，流阻小；具有双重上下游密封，无需润滑的密封部位，密封性好，可靠性高；具有较少的零部件；设计新颖，既满足了管线的工艺性要求，又满足了用户的操作和维护简便性的要求，能保证阀门长期可靠地运行。电动闸板阀一般由驱动电机以及闸板组成，在生产中，电机驱动闸板运动最终实现流量的控制。根据电动闸板阀的结构特点，可以根据闸板的位置实现阀门的开度控制。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有的电动闸板阀控制方式落后，开度控制精度低的问题，提供了一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统及方法。本发明所述系统和方法改善了电动闸板阀门的控制方式，并是实现了开度的精确控制。
为实现上述发明创造的目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统，包括基于位移量的阀门开度传感器、信号处理平台以及计算机系统，所述基于位移量的阀门开度传感器和信号处理平台之间使用多芯电缆连接，采用三线制4-20ma电流信号通信及供电；所述计算机系统和信号处理平台之间采用光纤连接，采用以太网通信方式；所述信号处理平台和电动闸板阀门本体之间采用多芯电缆连接，使用三相五线制供电方式。
优选地，所述信号处理平台中包括信号接入模块、主控制器模块、网络通信接口模块以及电机驱动器模块。所述信号接入模块的作用在于将基于位移量的阀门开度传感器接入的4-20ma电流信号通过模数转换电路将其转换成数字量以便于主控制器模块对于进行处理；所述主控制器模块采用单片机控制器为核心，以串口通信作为交互方式；所述网络通信接口模块的作用在于将主控制器模块输出的串口信号转换为网络信号，以便于与计算机系统进行通信；电机驱动模块和主控制器模块使用继电器信号作为交互方式，主控制器模块控制中间继电器动作，最终促使电机驱动模块给电动闸板阀门的三相异步电动机供电。实现弱电控制强电的功能。
优选地，所述计算机系统包含一套完整用户交互系统。该用户交互系统包括：电动闸板阀门开度控制界面、电动闸板阀门故障报警界面以及电动闸板阀门工作日志收集界面。其中，电动闸板阀门开度控制界面主要负责：和信号处理平台中的网络通信接口模块建立网络链接、从信号处理平台中读取当前电动闸板阀门的开度信息以及电动闸板阀门运行时的电流数据、向信号处理平台发送当前需要设定的电动闸板阀门的开度百分比、当电动闸板阀门的电流数值超出警戒值时，则认定为需要报警，并将报警信号传递给电动闸板阀门故障报警界面、向电动闸板阀门工作日志收集界面发送每一步的操作记录。电动闸板阀门故障报警界面负责和电动闸板阀门开度控制界面进行通信，并将其发送出的故障报警信息予以展示，为岗位司机对设备的运行状态进行评估提供有效手段。电动闸板阀门工作日志收集界面负责和电动闸板阀门开度控制界面进行通信，并通过钩子函数将其每一步动作进行记录，最终通过报表的形式展示出来，通过该种方式可以有利于相关人员对厂区的生产效率进行评估。
一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制方法，采用本发明基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统来实现，用于对电动闸板阀门的开度进行检测，并通过给定值对对电动闸板阀门的开度进行控制；同时对电动闸板阀门的故障报警信息以及操作日志进行记录，操作步骤如下：
步骤1、根据电动闸板阀门的实际工作情况，确定一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统的安装位置；
步骤2、对基于位移量的阀门开度传感器的输出信号进行校准，使其输出范围满足4-20ma电流信号的要求，并对实际的电动闸板阀门的开度值进行计算；
步骤3、对基于位移量的阀门开度传感器的输出信号进行过滤，利用滤波算法去除由于信号突变带来的错误数值；
步骤4、根据电动闸板阀门的实际工作范围确定电动闸板阀门的工作时间阈值ttop以及三相异步电动机堵转时的最大电流itop，当工作时间超出阈值ttop或者工作电流大于itop时，系统需要进行保护动作，并发出故障报警。
优选地，所述步骤1具体包含以下步骤：
步骤1.1、根据电动闸板阀门的实际安装位置，确定基于位移量的阀门开度传感器的安装位置，保证基于位移量的阀门开度传感器位移的最大值和最小值在阀门的动作范围内；
步骤1.2、根据电动闸板阀门所在的车间情况，确定信号处理平台的安装位置；在安装过程中需要注意：信号处理平台需要做好保护地措施以及信号屏蔽措施、信号处理平台和基于位移量的阀门开度传感器之间的信号线走线位置要尽量避免高压、电磁干扰；
步骤1.3、对信号处理平台中的各个模块进行功能验证、校准。
优选地，所述步骤2具体包含以下步骤：
步骤2.1、根据设计要求，基于位移量的阀门开度传感器的测量范围为：0-l。此时对应的电流输出是4-20ma，但在实际的生产环境中，由于电动闸板阀门开度的限制或者是由于基于位移量的阀门开度传感器的安装误差，最终会导致实际的测量范围是：[lmin,lmax]并且要满足
步骤2.2、根据信号接入模块的模数采样位数n来确定系统的模数采样精度2n。最终，信号接入模块输出给主控制器模块的数字量out为：
但在实际的使用中，考虑到信号的远距离传输问题和信号的抗干扰特性等问题，信号接入模块不能直接采集位移量信号，需要采集电流信号，所以，此时outnew为：
步骤2.3、主控制器模块根据输入outnew可计算出电动闸板阀门当前的开度值p实际位移l:
l＝p×(lmax-lmin)
优选地，所述步骤3具体包含以下步骤：
步骤3.1、根据电流的输入范围去除明显不符合实际情况的电流输入，当输入电流i＞imax或者i＜imin时，直接丢弃输入电流值；
步骤3.2、由于电动闸板阀门的闸板运行位移可以近似认为是对时间的一次函数，所以基于位移量的阀门开度传感器输出的电流值也应该是均匀变化的，所以根据两者的时间特性设计出以下滤波算法：
a.设定固定的采样时间ti；
b.根据采样时间ti采样多组电流输出值：i1,i2,i3......in；
c.将多组电流输出值和采样时间进行一次函数拟合，最终可以获得斜率k；
d.根据现场实际工作环境，确定补偿常量d；
e.确定允许的斜率范围：k-d≤kreal≤k+d
步骤3.3、调试阶段确定标准斜率k和补偿常量d，并将其设定到在主控制器模块。运行过程中，记录当前值的上一个历史值，每一次有新的值进入之后，首先计算实际斜率kreal，当实际斜率kreal满足要求后，更新历史值，并用于计算，否则丢弃当前值。
优选地，所述步骤4具体包含以下步骤：
步骤4.1、由于会存在一些不确定因素对系统控制产生影响，从而导致电动闸板阀门误动作或者控制失效，一般表现为电动闸板阀门的闸板长时间往返动作或者是电动闸板阀门的三相异步电动机堵转，因此在系统中设定保护措施。一方面，调试时，确定电动闸板阀门从全开到全闭所耗费的时间，确定其为时间阈值ttop，另一方面，调试时，检测电动闸板阀门的三相异步电动机堵转时的电枢电流，将其设定为电流阈值itop。
步骤4.2、用户通过计算机系统中的电动闸板阀门开度控制界面设定完电动闸板阀门的开度值之后，信号处理平台驱使电机驱动器模块动作，最终实现电动闸板阀门的开度变化。运行过程中，当信号处理平台检测到实际运行时间超出时间阈值ttop或者电动闸板阀门的三相异步电动机的电枢电流超出电流阈值itop时，则进行保护，断开电路，并进行报警。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优点：
1.本发明所述的一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统解决了现有电动闸板阀门控制方式落后，开度控制精度低的问题，能够实现电动闸板阀门的远程开关、开度控制，能有效的提升工业生产环境的生产效率以及人员工作效率
2.本发明方案控制方式便利、控制精度高不仅可用于传统电动闸板阀门的控制，也可适用于其他以行程为控制对象的电动阀门；本发明系统结构简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统的结构示意图。
如图所示：1-基于位移量的阀门开度传感器，2-信号处理平台，3-信号接入模块，4-主控制器模块，5-网络通信接口模块，6-电机驱动器模块，7-计算机系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
在本实施例中，一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统结构，如图1所示。包括基于位移量的阀门开度传感器1、信号处理平台2以及计算机系统7。所述基于位移量的阀门开度传感器1和信号处理平台2之间使用多芯电缆连接，采用三线制4-20ma电流信号通信及供电。所述计算机系统7和信号处理平台2之间采用光纤连接，采用以太网通信方式。所述信号处理平台2和电动闸板阀门本体之间采用多芯电缆连接，使用三相五线制供电方式。本发明系统结构简单，能对传统的电动闸板阀门进行远程开关控制以及开度控制，易于实现。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，所述信号处理平台2中包括信号接入模块3、主控制器模块4、网络通信接口模块5以及电机驱动器模块6。所述信号接入模块3的作用在于将基于位移量的阀门开度传感器1接入的4-20ma电流信号通过模数转换电路将其转换成数字量以便于主控制器模块4对于进行处理；所述主控制器模块4采用单片机控制器为核心，以串口通信作为交互方式；所述网络通信接口模块5的作用在于将主控制器模块4输出的串口信号转换为网络信号，以便于与计算机系统7进行通信；电机驱动模块6和主控制器模块4使用继电器信号作为交互方式，主控制器模块4控制中间继电器动作，最终促使电机驱动模块6给电动闸板阀门的三相异步电动机供电，实现弱电控制强电的功能。
在本实施例中，所述计算机系统7包含一套完整用户交互系统。该用户交互系统包括：电动闸板阀门开度控制界面、电动闸板阀门故障报警界面以及电动闸板阀门工作日志收集界面。其中，电动闸板阀门开度控制界面主要负责：和信号处理平台2中的网络通信接口模块5建立网络链接、从信号处理平台2中读取当前电动闸板阀门的开度信息以及电动闸板阀门运行时的电流数据、向信号处理平台2发送当前需要设定的电动闸板阀门的开度百分比、当电动闸板阀门的电流数值超出警戒值时，则认定为需要报警，并将报警信号传递给电动闸板阀门故障报警界面、向电动闸板阀门工作日志收集界面发送每一步的操作记录。电动闸板阀门故障报警界面负责和电动闸板阀门开度控制界面进行通信，并将其发送出的故障报警信息予以展示，为岗位司机对设备的运行状态进行评估提供有效手段。电动闸板阀门工作日志收集界面负责和电动闸板阀门开度控制界面进行通信，并通过钩子函数将其每一步动作进行记录，最终通过报表的形式展示出来，通过该种方式可以有利于相关人员对厂区的生产效率进行评估。
实施例三
在本实施例中，一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制方法采用上述基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统来实现，用于对电动闸板阀门的开度进行检测，并通过给定值对对电动闸板阀门的开度进行控制。同时对电动闸板阀门的故障报警信息以及操作日志进行记录，其特征在于，操作步骤如下：
步骤1、根据电动闸板阀门的实际工作情况，确定一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制系统的安装位置；
步骤1.1、根据电动闸板阀门的实际安装位置，确定基于位移量的阀门开度传感器的安装位置，保证基于位移量的阀门开度传感器位移的最大值和最小值在阀门的动作范围内；
步骤1.2、根据电动闸板阀门所在的车间情况，确定信号处理平台的安装位置；在安装过程中需要注意：信号处理平台需要做好保护地措施以及信号屏蔽措施、信号处理平台和基于位移量的阀门开度传感器之间的信号线走线位置要尽量避免高压、电磁干扰；
步骤1.3、对信号处理平台中的各个模块进行功能验证、校准；
步骤2、对基于位移量的阀门开度传感器的输出信号进行校准，使其输出范围满足4-20ma电流信号的要求，并对实际的电动闸板阀门的开度值进行计算；
步骤2.1、根据设计要求，基于位移量的阀门开度传感器的测量范围为：0-l；此时对应的电流输出是4-20ma，但在实际的生产环境中，由于电动闸板阀门开度的限制或者是由于基于位移量的阀门开度传感器的安装误差，最终会导致实际的测量范围是：[lmin,lmax]并且要满足
步骤2.2、根据信号接入模块的模数采样位数n来确定系统的模数采样精度2n；最终，信号接入模块输出给主控制器模块的数字量out为：
但在实际的使用中，考虑到信号的远距离传输问题和信号的抗干扰特性等问题，信号接入模块不能直接采集位移量信号，需要采集电流信号，所以，此时outnew为：
步骤2.3、主控制器模块根据输入outnew可以计算出电动闸板阀门当前的开度值p实际位移l:
l＝p×(lmax-lmin)
步骤3、对基于位移量的阀门开度传感器的输出信号进行过滤，利用滤波算法去除由于信号突变带来的错误数值；
步骤3.1、根据电流的输入范围去除明显不符合实际情况的电流输入，当输入电流i＞imax或者i＜imin时，直接丢弃输入电流值；
步骤3.2、由于电动闸板阀门的闸板运行位移可以近似认为是对时间的一次函数，所以基于位移量的阀门开度传感器输出的电流值也应该是均匀变化的，所以根据两者的时间特性设计出以下滤波算法：
a.设定固定的采样时间ti；
b.根据采样时间ti采样多组电流输出值：i1,i2,i3......in；
c.将多组电流输出值和采样时间进行一次函数拟合，最终可以获得斜率k；
d.根据现场实际工作环境，确定补偿常量d；
e.确定允许的斜率范围：k-d≤kreal≤k+d；
步骤3.3、调试阶段确定标准斜率k和补偿常量d，并将其设定到在主控制器模块。运行过程中，记录当前值的上一个历史值，每一次有新的值进入之后，首先计算实际斜率kreal，当实际斜率kreal满足要求后，更新历史值，并用于计算，否则丢弃当前值；
步骤4、根据电动闸板阀门的实际工作范围确定电动闸板阀门的工作时间阈值ttop以及三相异步电动机堵转时的最大电流itop，当工作时间超出阈值ttop或者工作电流大于itop时，系统需要进行保护动作，并发出故障报警；
步骤4.1、由于会存在一些不确定因素对系统控制产生影响，从而导致电动闸板阀门误动作或者控制失效，一般表现为电动闸板阀门的闸板长时间往返动作或者是电动闸板阀门的三相异步电动机堵转，因此在系统中设定保护措施；一方面，调试时，确定电动闸板阀门从全开到全闭所耗费的时间，确定其为时间阈值ttop，另一方面，调试时，检测电动闸板阀门的三相异步电动机堵转时的电枢电流，将其设定为电流阈值itop。
步骤4.2、用户通过计算机系统中的电动闸板阀门开度控制界面设定完电动闸板阀门的开度值之后，信号处理平台驱使电机驱动器模块动作，最终实现电动闸板阀门的开度变化；运行过程中，当信号处理平台检测到实际运行时间超出时间阈值ttop或者电动闸板阀门的三相异步电动机的电枢电流超出电流阈值itop时，则进行保护，断开电路，并进行报警。
至此，从步骤1到步骤4完成了对电动闸板阀门的开度控制。
本实施例一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制及方法解决了现有电动闸板阀门控制方式落后，开度控制精度低的问题，能够实现电动闸板阀门的远程开关、开度控制，能有效的提升工业生产环境的生产效率以及人员工作效率。本实施例控制方式便利、控制精度高，不仅可用于传统电动闸板阀门的控制，也可适用于其他以行程为控制对象的电动阀门。
综上所述，上述实施例一种基于位移量的电动闸板阀门开度控制及方法解决了现有电动闸板阀门控制方式落后，开度控制精度低的问题。本发明所述系统包括基于位移量的阀门开度传感器、信号处理平台以及计算机系统。所述信号处理平台中包括信号接入模块、主控制器模块、网络通信接口模块以及电机驱动器模块。所述计算机系统包含一套完整用户交互系统。该用户交互系统包括：电动闸板阀门开度控制界面、电动闸板阀门故障报警界面以及电动闸板阀门工作日志收集界面。本发明所述系统实现了电动闸板阀门的远程开关、开度控制，能有效的提升工业生产环境的生产效率以及人员工作效率。所述方案控制方式便利、控制精度高不仅可用于传统电动闸板阀门的控制，也可适用于其他以行程为控制对象的电动阀门。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！