专利名称：智能化控制与调节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能化控制与调节装置，特别是用于液态材料和介质的工艺技术，所述装置集成在一个调节驱动机构的壳体内或安装在该调节驱动机构上，所述装置具有一个调节器，它可根据传感器信号经一个辅助能源装置控制一个调节机构。
在例如用于工艺技术中的调节驱动机构上，有一个位于工艺范围内的传感器向一个中央调节器发出描述过程实际状态的特征信号，所述中央调节器例如设置在一个控制器或一个类似的工艺控制装置内。
该中央调节器将上述过程实际值与一个调节的过程额定值进行比较。对该比较进行估值后向调节驱动机构发出一个相应的调节信号。在调节驱动机构内设置一个位置调节器，它从中央调节器获得调节信号，并将该信号转换成与调节信号成比例的行程位置或转角，该调节位置或转角经一个电机传输给调节机构。
当存在许多测量和调节点时，这种调节机构是十分昂贵和复杂的，因为许多独立的调节器造成必须设置大量的连接电缆。为避免在空间上始终隔开的调节驱动机构和中央调节器之间设置复杂的连接电缆，在德国专利说明书DE3928451Al中公开了一种电驱动系统的调节和控制装置，其中在同一个装有电机的壳体内安装了用于位置识别和转速测量、用于电子通信、用于控制和调节以及完成通信连接的装置。
该方案的缺点是，在有大量的调节回路以及过程中央控制计算器的调节速度很快时，不能足够迅速地循环查询所有的调节值，也不能迅速处理其实际值，所以会产生不希望的延迟，相应造成调节质量下降。
本发明的任务因而是，提供一种调节和控制装置，它工作可靠，对变化的工艺条件反应迅速，特别对变化的环境条件反应迅速。
本发明解决以上任务的方案是，所述调节器是一个参数化过程调节器，它从外部传感器获得调节输入信号。
本发明的优点是，过程调节器本身在结构上与调节驱动机构相连。所以它构成一个独立的系统。由此相联系的结果是，减小了中央过程控制器的负荷以及降低了安装成本。
在调节量的实际值，即外部传感器的输出信号直接通向调节驱动机构的条件下，集成的过程调节器独立计算出其调节量，可以无延迟地作用于调节驱动机构，从而实现很短的循环时间。
因为过程调节器可以自由进行参数化，所以控制和调节性能可随时改变并针对新的应用进行调节。
在一种改进方案中，所述过程调节器是一个功率模块的组成部分，它经一个接口模块与一个上位控制装置双向连接。这样便存在可能，将过程引导装置的功能限定在显示数据和提供引导量及额定值上。
所述功率模块除了具有过程调节器外还有一个辅助能源控制器，并经输入端与内部的收集驱动特性数据的传感器以及外部的提供过程特性数据的传感器连接。集成这些元件可降低成本，提高调节的可靠性。
在一种结构中，所述接口模块构成插件形式。其优点是，控制与调节装置可容易地匹配过程引导装置的通信条件，这是通过更换所需要的接口模块实现的。
可简单地采用模拟和/或二值信号，经所述接口模块进行和上位控制装置之间的数据交换。相应的接口模块也可采用通过数据总线实现的串行数据传输。使用普通接口模块时，它至少具有一个零电位继电器，用于在接口模块和和环境之间建立电连接。
模块化结构允许使用标准化系统。
一种有利的结构是，所述过程调节器在第一次装配模块后利用调节驱动机构进行驱动特性数据的参数化。所述调节驱动机构在装配后才能进行配置设定。所以可简单地实现调节投入使用。制造所述调节驱动机构时可不必知道其具体的用途。
对具体使用条件的匹配可容易地使用软件实现，而无需更换模块。
在一种结构中，所述过程调节器是一个P、PI或PID数字调节器。在一个PID调节器上可在第一次模块装配后独立调节比例范围、超前时间和调整时间。
参数化的一种特别简单的方式是，所述过程调节器通过一个微处理器实现。
一个操作装置用于手动控制调节驱动机构和/或用于驱动功能的参数化，它与功率模块，特别是与过程调节器相连。所述操作装置固定安装在调节驱动机构上或者采用插接方式连接。
也可让所述操作装置用于固定式壁板装配，使其设在调节驱动机构的周围。并且操作装置经一根电缆与功率模块连接。
为监测调节驱动机构的运作条件，所述过程调节器与内部传感器相连，用于监测驱动位置和/或调节驱动机构在驱动时输出的调节力或转矩。
所述过程调节器经辅助能源控制装置作用于辅助能源装置。
如果所述辅助能源装置是一个电子控制的电机，特别是一个直流电机时，其转矩或调节力的测定可简单地通过电机电流实现。
但是，所述辅助能源装置不限于是电机。它也可是一个液压装置或气动装置。
在另一种结构中，在功率模块内一个存储器内永久存存储内部的驱动特性数据，用于进行诊断。通过对该数据的连续监测实现自诊断，而且能对出现的错误作出快速反应。该方案也可对故障源作出快速判断。
所存储的内部驱动特性数据通过一个集成在功率模块内的串行接口或经接口模块通过数据总线读取。
驱动参数可经集成在功率模块内的接口写入。
有利的是，由内部传感器和外部传感器测量的数值在功率模块内被作为过程特性值计算，并为继续处理经接口模块传输给上位控制装置。
为改善调节质量，可在功率模块内以一个表格或特性曲线的方式存储调节校正数据。
本发明允许具有大量的实施方式。下面对照附图中所示的框图对其中的一种实施例作详细说明。
图1表示一个调节驱动机构的原理图，图2表示驱动机构电子线路图，图3表示驱动机构电子线路的功率模块，图4表示一个微处理器构成的过程调节器。
图1表示一个阀门控制装置的调节驱动机构的简图。它通常用于液态材料和介质的过程控制技术，例如在供水或排水工程、化学工业或电站工程中使用的阀门控制装置。
在一块安装板1上设有一个电机2。电机2根据驱动电子线路3的控制信号通过传动机构4驱动调节驱动机构的驱动杆5动作。
电机2和驱动电子线路3以及安装板1设置在一个外壳9内，该外壳由传动机构4封闭。
驱动电子线路3在结构上与调节驱动机构相连。驱动电子线路3通常布置在调节驱动机构内。但它也可安装在调节驱动机构的外面。
驱动杆5具有一个连接件6，被调节的阀门8的操纵杆7伸入该连接件6内，并且传递调节驱动机构的运动。所述调节驱动机构可以做提升运动或转动。
所述驱动电子线路3以模块方式构成，如图2所示，它包括以下部分一个用于向调节驱动机构供电的线路电压变压器10，一个功率模块11，用于执行过程调节和控制电机2，以及一个接口模块12，用于将调节驱动机构连接到过程控制系统14。
一个操纵装置13位于所述调节驱动机构的外面，其作用是进行手动驱动控制。但是它也可用于进行驱动功能的参数化。
所述操纵装置最好安装在调节驱动机构的外面(图1)，它可以固定安装或采用插接方式安装。
当然也可设想所述操纵装置13采用遥控方式，即在调节驱动机构上设置一个接收器，用于接收无线信号，例如红外信号。
在另一种结构中，操纵装置13是可移动地经一根未画出的电缆与驱动电子线路3相连。
所述驱动电子线路3，特别是功率模块11在任何情况下均经一根双向数据电缆与操纵装置13相连。该操纵装置13具有一个键盘13a和一个显示器13b，其作用是让使用者直接对调节驱动机构进行控制，而且执行调节驱动机构的所有主要功能。
在图3中表示出一个功率模块11的结构。该模块包括一个过程调节器15，它的输入端与位于外部的、能提供过程特性数据的传感器相连。该传感器是一个温度传感器17、一个压力传感器18和一个流量计19。
所述过程调节器15也可以与一个外部传感器相连，它用于阀门8的磨损测量。
此外在过程调节器15的输入端上还接有内部传感器，它用于测量调节驱动机构的工作状态特性数据。其中包括一个电机温度传感器20和一个调节驱动机构内部空间温度测量计21。
所述过程调节器15具有一个存储器22，其中存储过程参数和运行参数。所述存储器22是EEPROM存储器。所述过程调节器15经双向数据导线与存储器22相连。
一个串行接口23允许功率模块11与一台个人计算机或便携式电脑进行通信。
所述过程调节器15输出端与一个电机控制电路24相连。该电机控制电路24包括一个位置调节器25，它经末级电路26作用于电机2。
在一种特别方便的过程调节器15的方案中，可以不使用位置调节器，因为其功能由过程调节器本身完成。所述调节器根据外部传感器信号直接控制电机。
在本实施例中，采用的是电子控制的直流电机。它与一个电机电流测量装置27相连，该装置通向过程调节器15的输入端。所述过程调节器15从所测量的电机电流值计算出调节驱动机构在驱动时的转矩或调节力。
所述过程调节在调节驱动机构内按以下方式进行，过程调节器15经接口12从过程引导装置14经总线系统得到引导值，例如过程额定值。从来自传感器17、18、19传来的信号中确定一个过程实际值，并且将其与过程额定值进行比较。在传感器信号表示过程实际值的情况下，该过程实际值与过程额定值进行比较，并且从中计算出位置调节器25的位置额定值。
所述位置调节器25用于在调节位置额定值和阀门8的转角或行程之间提供比例调节。
位置调节器25连续地将来自过程调节器15的电输入信号与阀门位置的实际值进行比较。
该阀门位置实际值通过一个位于调节驱动机构中的驱动杆5上的传感器28确定，该传感器最好是一个电位计，其信号返回位置调节器25。
调节是根据额定值数据和传感器的测量值来确定调节驱动机构驱动的速度、力量或驱动转矩和位置。
所述过程引导装置14向调节驱动机构仅提供额定信号或引导信号，并且接受关于各个调节回路状态的显示功能。在调节驱动机构本身内计算调节量，它作为调节信号传输给位置调节器25，用于控制电机2。
在一个有利的方案中，所述过程调节器15通过一个微处理器采用可自由设定参数的软件实现，如图4所示。
借助于微处理器可简单地实现PID调节器。该PID调节器特别适用于所述调节任务。
在一个连续定位过程中，所述PID调节器在调节驱动机构本身内产生该调节驱动机构的位置额定值。该额定值与位置实际值进行比较。所得出的差值信号是电机控制的标准。电机持续受到控制，直到差值信号逼近零为止。通过此原理，驱动机构在极小的偏差中便连续调整到额定值，而且始终保持工作状态。
为存储过程参数和运行参数，在微处理器内设置有存储器22。它也可设在微处理器外面并经双向数据导线与后者相连。
为诊断目的而存储的运行参数属于运行数据，例如电机的起动时间和起动的频度。此外还存储外部和内部传感器的最后10个测量值。其他可用于诊断的数据是电机温度、电机电流、外壳温度、驱动位置。电子线路的自检以及电机在一定紧急条件下的工作时间的记录可允许采取预防性维修。
为诊断目的，可经串行接口23或数组总线接口12读取以上数据。
原则上加在微处理器输入端的外部和内部传感器测量值是循环查询的。如果检测到超标测量值，将自动移动到安全位置，或让零电位继电器触点切换到紧急状态信号发送的位置。
在存储器22内，存储驱动控制装置的特性曲线修正数据。该数据可以表现为一个表格或特性曲线的形式。
通过内部和外部传感器测量的数值将被换算成过程特性值，该值用于继续的处理，例如显示在过程引导系统14上，它是经接口模块11发送的。
所述P、PI或PID调节器可以通过与外部传感器输入端和内部传感器的连接作为独立的固定值调节器工作。它也可以用来作为一个由过程引导装置14采用模拟或数字方式实现的过程调节器。
所述控制与调节装置的模块化结构允许以非常经济的方式制造所述调节驱动机构。
由于使用了具有可自由参数化的软件的微处理器，所以允许在调节驱动机构完整装配了控制与调节装置后，再进行参数化。
驱动特性参数的设定可由调节驱动机构的制造商进行。通过接口模块12或串行接口23也可将PID调节器的基本参数存储在微处理器15的存储器22内。
为进行连续的PID调节，采用比例调节范围、超前时间和调整时间作为自由调节的参数。这些参数可由制造商相互独立地调整和存储，与驱动类型无关。驱动特性参数存储在永久存储器中。
用户可根据驱动特性数据得出应用特性数据，并且同样存储在存储器22内。所述应用特性参数和其他可能存储的参数可覆盖地存储。所以只有将调节驱动机构在机械上组装完毕后才能决定具体的用途。
所有存储的数据在线路电压断电后仍能保持。
参数化可用一台个人计算机以简单的方式完成。
为了只允许授权人员可以进行参数化，必须采用识别代码输入。该代码同样存储在微处理器15的存储器22内。只有当微处理器识别出正确输入的代码时才能完成数据的输入。
有时提出的调节任务要求使用若干个输入量进行调节，它们采用一种智能化调节驱动机构，即一种集成的过程调节器以及包括若干个外部传感器模拟输入端，该方案能有效地解决所述任务。
为形象地表达，此处提出流量调节装置。其中位于阀门8前、后的压力是在标准的测量点上利用未画出的压差测量转换器测量的。
阀门特性曲线存储在永久存储器22内。所以从压差和所测量的阀门行程中的流量可精确地计算出，无需使用专门的流量计。
在最简单的情况中，阀门调节的额定值直接由过程引导装置14给出，而且由微处理器15计算出的流量经接口模块11和总线系统传送给过程引导装置14，并且在其中显示出来。
除了驱动位置外，采用以上方式也可以将极限值和故障信息传输给过程引导装置14。
同样也可以提供一个引导值，它相当于所要求流量的数值。在这种情况下，将持续调整阀门8的行程或转角，直到连续计算的结果等于所要求的预定值为止。
权利要求
1.智能化控制与调节装置，特别是用于液态材料和介质的工艺技术，所述装置集成在一个调节驱动机构的壳体内或安装在该调节驱动机构上，所述装置具有一个调节器，它可根据传感器信号经一个辅助能源装置控制一个调节机构，本发明的特征是，所述调节器是一个参数化过程调节器(15)，它从外部传感器(17、18、19)获得调节输入信号。
2.如权利要求1所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述过程调节器(15)是一个功率模块(11)的组成部分，它经一个接口模块(12)与一个上位控制装置(14)双向连接。
3.如权利要求2所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述功率模块(11)除了具有过程调节器(15)外还有一个辅助能源控制器(25)，并经输入端与内部的收集驱动特性数据的传感器(20、21)以及外部的提供过程特性数据的传感器(17、18、19)连接。
4.如权利要求2或3所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述功率模块(11)经一个以模块方式构成的线路电压变压器(10)获得能源。
5.如权利要求2所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述接口模块(12)构成插件形式。
6.如权利要求2或5所述的智能化控制与调节装置，其特征是，采用模拟和/或二值信号，经所述接口模块(12)进行和上位控制装置(14)之间的数据交换。
7.如权利要求2或5所述的智能化控制与调节装置，其特征是，采用通过数据总线实现的串行数据传输，经所述接口模块(12)进行和上位控制装置(14)之间的数据交换。
8.如权利要求2所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述接口模块(12)具有一个零电位继电器，用于和环境之间建立电连接。
9.如以上权利要求中任何一项所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述过程调节器(15)在第一次装配模块(10、11、12)后利用调节驱动机构进行驱动特性数据的参数化。
10.如权利要求9所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述过程调节器(15)是一个P、PI或PID调节器。
11.如权利要求10所述的智能化控制与调节装置，其特征是，在一个PID调节器上可在第一次装配后独立调节比例范围、超前时间和调整时间。
12.如权利要求9、10或11所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述过程调节器(15)通过一个微处理器实现。
13.如权利要求1所述的智能化控制与调节装置，其特征是，一个操作装置(13)用于手动控制调节驱动机构和/或用于驱动功能的参数化，它与功率模块(11)，特别是与过程调节器(15)相连。
14.如权利要求13所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述操作装置(13)安装在调节驱动机构上。
15.如权利要求13所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述操作装置(13)与调节驱动机构采用插接方式连接。
16.如权利要求13所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述操作装置(13)用于固定式壁板装配件，并且经一根电缆与功率模块(11)连接。
17.如权利要求3所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述过程调节器(15)与内部传感器(20、21)相连，用于监测驱动位置和/或调节驱动机构在驱动时输出的调节力或转矩。
18.如权利要求3所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述过程调节器(15)经辅助能源控制装置(24)作用于辅助能源装置(2)。
19.如权利要求18所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述辅助能源装置(2)是一个电子控制的电机。
20.如权利要求19所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述电机(2)是一个直流电机，其转矩或调节力的测定通过电机电流实现。
21.如权利要求18所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述辅助能源装置(2)是一个气动装置。
22.如权利要求18所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所述辅助能源装置(2)是一个液压装置。
23.如以上权利要求中任何一项所述的智能化控制与调节装置，其特征是，功率模块(11)在一个存储器(22)内永久存储用于诊断目的的内部的驱动特性数据。
24.如权利要求23所述的智能化控制与调节装置，其特征是，所存储的内部驱动特性数据通过一个集成在功率模块(11)内的串行接口(23)或经接口模块(12)通过数据总线读取。
25.如权利要求23所述的智能化控制与调节装置，其特征是，驱动参数经集成在功率模块(11)内的接口(23)写入。
26.如权利要求3所述的智能化控制与调节装置，其特征是，由内部传感器(20、21)或外部传感器(17、18、19)测量的数值在功率模块(11)内被作为过程特性值计算，并为继续处理，经接口模块(12)传输给上位控制装置(14)。
27.如权利要求2所述的智能化控制与调节装置，其特征是，在功率模块(11)内存储用于改善调节质量的校正数据。
28.如以上权利要求中任何一项所述的智能化控制与调节装置，其特征是，调节驱动机构装配完毕后，在调节机构(8)上执行一个自动初始化过程，在该过程内调节驱动机构与调节机构(8)特别是为进行端点位置测定匹配。
全文摘要
本发明涉及一种智能化控制与调节装置,特别是用于液态材料和介质的工艺过程,所述装置集成在一个调节驱动机构的壳体内或安装在该调节驱动机构上,所述装置具有一个调节器,它可根据传感器信号经一个辅助能源装置控制一个调节机构,本发明的特征是,所述调节器是一个参数化过程调节器(15),它从外部传感器(17、18、19)获得调节输入信号。
文档编号G05B19/414GK1236448SQ98801099
公开日1999年11月24日 申请日期1998年5月29日 优先权日1997年6月2日
发明者马克斯·施米德胡伯 申请人:Ps自动控制驱动技术股份有限公司