本實(shí)用新型涉及一種閥門控制裝置。
背景技術(shù)：
閥門是電力系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的部件之一，主要用來電力自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的各種流體進(jìn)行流量控制，是自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)中不可或缺的重要部件之一。一般的閥門控制器在電力系統(tǒng)的多粉塵、振動(dòng)、高溫、室外等惡劣環(huán)境下使用，都存在如下缺點(diǎn)：對惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力不夠，板卡經(jīng)常出現(xiàn)故障，可靠性不高；調(diào)試不夠方便。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種閥門控制裝置，通用性和可靠性好。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：
一種閥門控制裝置，包括主控PLC、固態(tài)繼電器、電機(jī)、閥門執(zhí)行器、增量編碼器和人機(jī)交互模塊；
所述主控PLC的控制信號(hào)輸出端接固態(tài)繼電器的輸入電路；固態(tài)繼電器的輸出電路接入電源與電機(jī)的供電端之間，用于控制電機(jī)電源的通斷以及電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；所述電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)閥門執(zhí)行器；
所述增量編碼器與閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸相連；用于把閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖輸出至主控PLC；
所述人機(jī)交互模塊與主控PLC的輸入端相連，用于輸入控制指令，顯示閥門狀態(tài)。
所述固態(tài)繼電器采用三相正反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器。
所述人機(jī)交互模塊包括“開關(guān)型\調(diào)節(jié)型”切換開關(guān)、開關(guān)量輸入模塊、4-20mA模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊和4-20mA模擬量輸出模塊；通過切換“開關(guān)型\調(diào)節(jié)型”切換開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)型兩位控制或調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制，可以適應(yīng)開關(guān)型兩位控制或調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制的電動(dòng)閥門；所述開關(guān)量輸入模塊用于輸入開關(guān)量指令，開關(guān)量指令是指當(dāng)閥門執(zhí)行器 處于開關(guān)型兩位控制的工作方式下，開和關(guān)控制的指令信號(hào)；所述開關(guān)量輸出模塊用于輸出開關(guān)量狀態(tài)，指示閥門開、關(guān)到位或者任意位置。
所述主控PLC與通信模塊相連。
所述增量編碼器采用精度為每轉(zhuǎn)1024-4096個(gè)以上的脈沖數(shù)的高速增量編碼器。
所述的人機(jī)交互模塊可采用觸摸顯示屏。
所述主控PLC還與報(bào)警模塊相連。
所述主控PLC采用西門子S7-200小型PLC。S7-200中有高速脈沖計(jì)數(shù)通道，頻率高達(dá)200kHz，保證了閥門控制器的高精度。主控PLC用于采集高速增量編碼器的脈沖信號(hào)、就地\遠(yuǎn)方開關(guān)切換信號(hào)以及就地\遠(yuǎn)方操作指令信號(hào)，將采集的信號(hào)，進(jìn)行處理，來實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)閥門精確控制。
本實(shí)用新型閥門控制裝置的工作方法為：
1)在首次送電時(shí)，標(biāo)定閥門行程與力矩保護(hù)動(dòng)作值。
通過標(biāo)定閥門行程，設(shè)置兩組位置信息：一組是閥門的正常位置信息，表示閥門的開或關(guān)到位信息；另外一組是閥門的極限位置信息，當(dāng)閥門超出極限位置后，主控PLC將發(fā)出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門動(dòng)作；
2)通過高速增量編碼器把閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖量輸出至主控PLC；主控PLC將脈沖量轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)數(shù)字量；通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電動(dòng)閥門動(dòng)作的行程量，從而控制電動(dòng)閥門動(dòng)作的實(shí)際行程；
通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)電機(jī)的額定功率結(jié)合電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式，得到電動(dòng)閥門動(dòng)作過程中的實(shí)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，根據(jù)實(shí)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小值判斷是否過力矩、堵轉(zhuǎn)；
通過比較器比較計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化值與控制指令，判斷無指令有動(dòng)作或有指令無動(dòng)作故障信號(hào)；
通過比較器比較計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)變化方向與控制指令開關(guān)方向比較，判斷是否相序接反；
3)當(dāng)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：增量編碼器故障、無指令有動(dòng)作、有指令無動(dòng)作、閥門過力矩、閥門堵轉(zhuǎn)、相序接反、閥門超出極限位置或超溫時(shí)，主控PLC將發(fā) 出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門動(dòng)作，并發(fā)綜合故障報(bào)警指示。
通過切換“開關(guān)型\調(diào)節(jié)型”切換開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)開關(guān)型兩位控制或調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制的電動(dòng)閥門控制。
當(dāng)閥門控制裝置用于調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制的電動(dòng)閥門控制時(shí)，為保證工藝流程的安全性，設(shè)置斷信號(hào)閥門保位(默認(rèn))、斷信號(hào)閥門全開或斷信號(hào)閥門全關(guān)三種模式，其中斷信號(hào)是指：4-20mA模擬量輸入信號(hào)消失；
并通過人機(jī)交互模塊輸入控制參數(shù)，調(diào)整死區(qū)和靈敏度。
所述標(biāo)定閥門行程和力矩保護(hù)動(dòng)作值包含以下步驟：
步驟1：對主控PLC內(nèi)的閥門位置信息進(jìn)行初始化處理，即對閥門的開到位和關(guān)到位的位置值、以及極限位置值進(jìn)行初始化；
步驟2：使閥門朝同一方向(開或者關(guān))動(dòng)作5秒以上，且保持閥門連續(xù)勻速工作，通過主控PLC計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)電機(jī)的額定功率結(jié)合電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式，得出正常工作狀態(tài)下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，主控PLC將110％(默認(rèn)，參數(shù)可調(diào)整)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩值賦值為力矩保護(hù)動(dòng)作值；
步驟3：當(dāng)確認(rèn)閥門到了一個(gè)開或關(guān)的位置后，此時(shí)計(jì)算旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電動(dòng)閥門動(dòng)作的行程量，主控PLC記取該開到位或關(guān)到位的位置值，并自動(dòng)賦值保存；同時(shí)將105％開到位或95％關(guān)到位的位置值作為閥門開或關(guān)的極限位置值，并賦值保存。
上述電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式如下：
T＝9549×P/n 公式1
其中，T是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，單位是Ngm；P是電機(jī)的額定功率，單位KW；n是電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，單位為r/min。由以上公式直接表明：當(dāng)電機(jī)在額定功率下工作時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與輸出轉(zhuǎn)速成反比。
高速增量編碼器把閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖量，PLC將脈沖量轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)數(shù)字量。通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，可以得出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)電機(jī)的額定功率結(jié)合電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式(公式1)，進(jìn)而得出電動(dòng)閥門動(dòng)作過程中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。
所述閥門控制器設(shè)有以下幾種保護(hù)機(jī)制：
1、防反轉(zhuǎn)沖擊保護(hù)：閥門執(zhí)行器由開轉(zhuǎn)關(guān)，或者由關(guān)轉(zhuǎn)開，設(shè)置了防止反轉(zhuǎn)抑制時(shí)間保護(hù)，防止太快的轉(zhuǎn)換方向?qū)υO(shè)備的沖擊、也有效保護(hù)驅(qū)動(dòng)部件不損壞。時(shí)間可調(diào)，默認(rèn)500ms；
2、超溫保護(hù)：預(yù)埋在電機(jī)線圈內(nèi)的溫度保護(hù)開關(guān)，正常情況下為常閉，當(dāng)出現(xiàn)超溫時(shí)候，該開關(guān)斷開，主控PLC將發(fā)出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門工作。其中，溫度保護(hù)開關(guān)采用的是電機(jī)熱敏開關(guān)，開關(guān)狀態(tài)時(shí)常閉，將開關(guān)信號(hào)接入主控PLC。
3、無指令有動(dòng)作保護(hù)：當(dāng)閥門執(zhí)行器沒有開關(guān)指令的情況下，檢測到了閥門執(zhí)行器有位置變化的時(shí)候，主控PLC將發(fā)出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門工作。
4、有指令無動(dòng)作保護(hù)：當(dāng)任意有開和關(guān)指令的時(shí)候，閥門在2秒(時(shí)間可調(diào)，默認(rèn)2s)后任然沒有動(dòng)作，主控PLC將發(fā)出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門工作。
5、過力矩保護(hù)：當(dāng)任意時(shí)刻，系統(tǒng)檢測到閥門執(zhí)行器過力矩，主控PLC將發(fā)出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門工作。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.精度高。增量編碼器的精度常規(guī)為每轉(zhuǎn)1024-4096個(gè)以上的脈沖數(shù)，閥門執(zhí)行器一個(gè)全行程大約在5-10萬個(gè)脈沖左右，主控PLC采集精度可控制在一個(gè)脈沖，那么行程位置的精度高達(dá)萬分之一的精度。
2.通用性高。不僅可以控制電動(dòng)型的各種閥門，也可以對氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行控制，完全取代價(jià)格昂貴的氣動(dòng)定位器。
3.安全性好。本閥門控制器有多重安全保護(hù)：斷信號(hào)處理；電機(jī)超溫保護(hù)、固態(tài)繼電器擊穿保護(hù)，PLC故障保護(hù)等。
4.超長動(dòng)作行程。本閥門控制器可以適應(yīng)任何行程長度的電動(dòng)閥門。
5.控制參數(shù)可移植。當(dāng)主控PLC需要更換時(shí)，只要控制參數(shù)備份，即可將控制參數(shù)移植到新更換的PLC控制器，這樣就閥門控制器就不需要再調(diào)試，就可以直接投入運(yùn)行。該功能在生產(chǎn)工藝流程中，當(dāng)工況不允許電動(dòng)閥門進(jìn)行全行程調(diào)試時(shí)，效果特別明顯。而現(xiàn)有的電動(dòng)閥門如果更換主板后，必須進(jìn)行全行程調(diào)試。
附圖說明
圖1為閥門控制器的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明。如圖1所述，本實(shí)用新型公開了一種閥門控制裝置，包括主控PLC、固態(tài)繼電器SSR、電機(jī)、閥門執(zhí)行器、增量編碼器和人機(jī)交互模塊；
所述主控PLC的控制信號(hào)輸出端接固態(tài)繼電器的輸入電路；固態(tài)繼電器的輸出電路接入電源與電機(jī)的供電端之間，用于控制電機(jī)電源的通斷以及電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；所述電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)閥門執(zhí)行器；
所述增量編碼器與閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸相連；用于把閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖輸出至主控PLC；
所述人機(jī)交互模塊與主控PLC的輸入端相連，用于輸入控制指令，顯示閥門狀態(tài)。
所述固態(tài)繼電器采用三相正反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器。
所述人機(jī)交互模塊包括“開關(guān)型\調(diào)節(jié)型”切換開關(guān)、開關(guān)量輸入模塊、4-20mA模擬量輸入模塊CR、開關(guān)量輸出模塊和4-20mA模擬量輸出模塊FB；通過切換“開關(guān)型\調(diào)節(jié)型”切換開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)型兩位控制或調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制，可以適應(yīng)開關(guān)型兩位控制或調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制的電動(dòng)閥門；所述開關(guān)量輸入模塊用于輸入開關(guān)量指令，開關(guān)量指令是指當(dāng)閥門執(zhí)行器處于開關(guān)型兩位控制的工作方式下，開和關(guān)控制的指令信號(hào)；所述開關(guān)量輸出模塊用于輸出開關(guān)量狀態(tài)，指示閥門開、關(guān)到位或者任意位置。
所述主控PLC與通信模塊相連。
所述增量編碼器采用精度為每轉(zhuǎn)1024-4096個(gè)以上的脈沖數(shù)的高速增量編碼器。
所述的人機(jī)交互模塊可采用觸摸顯示屏。
所述主控PLC還與報(bào)警模塊相連。
所述主控PLC采用西門子S7-200小型PLC。S7-200中有高速脈沖計(jì)數(shù)通道，頻率高達(dá)200kHz，保證了閥門控制器的高精度。主控PLC用于采集高速增量編碼器的脈沖信號(hào)、就地\遠(yuǎn)方開關(guān)切換信號(hào)以及就地\遠(yuǎn)方操作指令信號(hào)，將采集 的信號(hào)，進(jìn)行處理，來實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)閥門精確控制。
本實(shí)用新型閥門控制裝置的工作方法為：
1)在首次送電時(shí)，標(biāo)定閥門行程與力矩保護(hù)動(dòng)作值。
通過標(biāo)定閥門行程，設(shè)置兩組位置信息：一組是閥門的正常位置信息，表示閥門的開或關(guān)到位信息；另外一組是閥門的極限位置信息，當(dāng)閥門超出極限位置后，主控PLC將發(fā)出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門動(dòng)作；
2)通過高速增量編碼器把閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖量輸出至主控PLC；主控PLC將脈沖量轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)數(shù)字量；通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電動(dòng)閥門動(dòng)作的行程量，從而控制電動(dòng)閥門動(dòng)作的實(shí)際行程；
通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)電機(jī)的額定功率結(jié)合電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式，得到電動(dòng)閥門動(dòng)作過程中的實(shí)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，根據(jù)實(shí)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小值判斷是否過力矩、堵轉(zhuǎn)；
通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化值與控制指令，判斷無指令有動(dòng)作或有指令無動(dòng)作故障信號(hào)；
通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)變化方向與控制指令開關(guān)方向比較，判斷是否相序接反；
3)當(dāng)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：增量編碼器故障、無指令有動(dòng)作、有指令無動(dòng)作、閥門過力矩、閥門堵轉(zhuǎn)、相序接反、閥門超出極限位置或超溫時(shí)，主控PLC將發(fā)出急停指令，斷開電機(jī)電源，停止電動(dòng)閥門動(dòng)作，并發(fā)綜合故障報(bào)警指示。
通過切換“開關(guān)型\調(diào)節(jié)型”切換開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)開關(guān)型兩位控制或調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制的電動(dòng)閥門控制。
當(dāng)閥門控制裝置用于調(diào)節(jié)型4-20mA連續(xù)控制的電動(dòng)閥門控制時(shí)，為保證工藝流程的安全性，設(shè)置斷信號(hào)閥門保位(默認(rèn))、斷信號(hào)閥門全開或斷信號(hào)閥門全關(guān)三種模式，其中斷信號(hào)是指：4-20mA模擬量輸入信號(hào)消失；
并通過人機(jī)交互模塊輸入控制參數(shù)，調(diào)整死區(qū)和靈敏度。
所述標(biāo)定閥門行程和力矩保護(hù)動(dòng)作值包含以下步驟：
步驟1：對主控PLC內(nèi)的閥門位置信息進(jìn)行初始化處理，即對閥門的開到位和關(guān)到位的位置值、以及極限位置值進(jìn)行初始化；
步驟2：使閥門朝同一方向(開或者關(guān))動(dòng)作5秒以上，且保持閥門連續(xù)勻速工作，通過主控PLC計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)電機(jī)的額定功率結(jié)合電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式，得出正常工作狀態(tài)下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，主控PLC將110％(默認(rèn)，參數(shù)可調(diào)整)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩值賦值為力矩保護(hù)動(dòng)作值；
步驟3：當(dāng)確認(rèn)閥門到了一個(gè)開或關(guān)的位置后，此時(shí)計(jì)算旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，得到電動(dòng)閥門動(dòng)作的行程量，主控PLC記取該開到位或關(guān)到位的位置值，并自動(dòng)賦值保存；同時(shí)將105％開到位或95％關(guān)到位的位置值作為閥門開或關(guān)的極限位置值，并賦值保存。
上述電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式如下：
T＝9549×P/n 公式1
其中，T是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，單位是Ngm；P是電機(jī)的額定功率，單位KW；n是電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，單位為r/min。由以上公式直接表明：當(dāng)電機(jī)在額定功率下工作時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與輸出轉(zhuǎn)速成反比。
因此，高速增量編碼器把閥門執(zhí)行器轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖量，主控PLC將脈沖量轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)數(shù)字量。通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)的變化量，可以得出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n，再根據(jù)電機(jī)的額定功率結(jié)合電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式(公式1)，進(jìn)而得出電動(dòng)閥門動(dòng)作過程中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。
本實(shí)用新型提出的一種閥門控制裝置，具有精度高、可靠性高、通用性好等優(yōu)點(diǎn)，普遍適用于各種類型的閥門。