ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ

Полезная модель относиться к области электротехники и электроники, и может быть использована в качестве электроприводов для управления запорной арматурой в отраслях народного хозяйства (машиностроение, атомная энергетика, нефтяная, газовая, нефтехимическая промышленность, ЖКХ и др.).
Из уровня техники известен интеллектуальный мехатронный модуль управления электроприводом запорной арматурой, содержащий электродвигатель, устройство управления, силовой коммутатор (патент РФ №2301935 «Автоматизированный электропривод для запорной арматуры», МПК F16K 31/04, 37/00, опубл. 27.02.2007).
Недостатками указанной системы являются:
- наличие редуктора
- наличие внешнего датчика угла
Указанный модуль не обеспечивает применения в запорной арматуре, находящейся в труднодоступных и опасных для человека местах, в связи с необходимостью ввода кода в блок санкционированного включения электропривода, а блок индикации подразумевает нахождение рядом обслуживающего персонала, а также имеет ограниченные функциональные возможности.
Из уровня техники известен интеллектуальный мехатронный модуль управления запорной арматурой, выбранный в качестве прототипа (заявка США №2002074967, опубл. 20.06.2002). Данный модуль содержит систему управления, выполненную с возможностью подключения к электронной вычислительной машине посредством цифровых каналов связи и содержащую
микропроцессорное устройство управления, входы которого подключены к выходам двух датчиков напряжения, а выходы через полупроводниковый коммутатор подключены к электродвигателю, при этом полупроводниковый коммутатор выполнен с возможностью подключения в электрическую сеть.
Недостатками указанной системы являются:
- наличие редуктора,
- наличие внешнего датчика угла.
Указанный модуль не обеспечивает полного самодиагностирования состояния электропривода, а также имеет ограниченные функциональные возможности, не обеспечивая универсальности электропривода.
Задачей заявляемой полезной модели является создание интеллектуального мехатронного модуля управления электроприводом запорной арматуры, упрощающего конструкцию, уменьшающего габариты и повышающего надежность и быстродействие работы электропривода.
Поставленная задача достигается тем, что в интеллектуальном мехатронном модуле управления электроприводом запорной арматуры, содержащем систему управления, выполненную с возможностью подключения к электронной вычислительной машине посредством цифровых каналов связи и содержащую микропроцессорное устройство управления, входы которого подключены к выходам двух датчиков напряжения, а выходы через полупроводниковый коммутатор подключены к электродвигателю, при этом полупроводниковый коммутатор выполнен с возможностью подключения в электрическую сеть, согласно полезной модели модуль дополнительно содержит, как минимум, три датчика положения ротора, установленные в зазоре электродвигателя, датчик температуры, установленный в обмотке электродвигателя, три датчика тока, которые подключены к выходам полупроводникового коммутатора, а их выходы соединены с входами микропроцессорного устройства управления.
Наличие в устройстве, как минимум, трех датчиков положения ротора, установленных в зазоре электродвигателя, обеспечивает с одной стороны правильное переключение фаз электродвигателя, а с другой - отсчет углового перемещения ротора электродвигателя, то есть совокупность трех датчиков положения ротора представляет собой внутренний датчик угла, следовательно уменьшаются габариты устройства.
Наличие в устройстве датчика температуры, установленного в обмотке электродвигателя, обеспечивает контроль средней температуры в электродвигателе, в результате чего возможно предупреждение аварийных ситуаций, тем самым повышается надежность модуля.
Наличие в устройстве трех датчиков тока, которые подключены к выходам полупроводникового коммутатора, а их выходы соединены с входами микропроцессорного устройства управления, обеспечивает точное вычисление среднего тока, по значениям которого определяется крутящий момент, который теперь можно контролировать. Крутящий момент определяется из ранее зафиксированной экспериментальной зависимости, введенной в память микропроцессорного устройства управления. Также по величине тока в каждой фазе можно судить о ее состоянии: работоспособна, неработоспособна.
Таким образом, заявляемый мехатронный модуль управления запорной арматурой, имеющий простую конструкцию и небольшие габариты, обеспечивает надежность и быстродействие работы электропривода.
На чертеже представлена блок-схема заявляемого интеллектуального мехатронного модуля управления электроприводом запорной арматурой.
Система управления интеллектуального мехатронного модуля 1 (далее СУ 1) содержит микропроцессорное устройство управления 2 (далее МУУ 2), входы которого подключены к выходам двух датчиков напряжения 3 и 4 соответственно, а выходы через полупроводниковый коммутатор 5 подключены к электродвигателю 6. Также входы микропроцессорного устройства
управления 2 соединены с выходами трех датчиков тока 7, подключенных к выходам полупроводникового коммутатора 5. СУ 1 выполнена с возможностью подключения к электронной вычислительной машине 8 (далее по тексту ЭВМ 8) посредством цифровых каналов связи, а полупроводниковый коммутатор 5 выполнен с возможностью подключения в электрическую сеть 9. Датчик температуры 10 установлен в обмотке электродвигателя 6, а три датчика положения ротора 11, установлены в зазоре электродвигателя 6.
Устройство выполнено на следующей элементной базе.
Электродвигатель 6, например трехфазный вентильный моментный двигатель, имеет выход вала с двух сторон для соединения с запорной арматурой. Полупроводниковый коммутатор 5, выполненный на основе трехфазного мостового инвертора с драйвером управления к нему, обеспечивает вращение электродвигателя 6 согласно заданной программе управления от МУУ 2, выполненного на основе микроконтроллера серии Mega фирмы Atmel, который соединен посредством цифровых каналов связи с ЭВМ 8.
Три датчика положения ротора 11 являются датчиками Холла, совокупность которых образует собой внутренний датчик угла, который фиксирует поворот выходного вала и выдает информацию в виде цифрового сигнала, поступающую на вход МУУ 2.
Выход датчика температуры 10, например, терморезистора прямого подогрева с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, соединен со входом аналого-цифрового преобразователя МУУ 2.
Три датчика тока 7 представляют собой манганиновую проволоку длиной до 15 мм, выходы которых подаются на входа МУУ 2.
Датчик силового напряжения 4 и датчик напряжения 3 информационной части представляют собой делители напряжений, выполненные на резисторах, выходы которых подаются на входа МУУ 2.
Все электронные составные части мехатронного модуля монтируются на одной плате и устанавливаются в корпус модуля, что существенно упрощает сборку устройства и уменьшает габариты модуля.
Предлагаемый интеллектуальный мехатронный модуль для запорной арматуры работает следующим образом.
Включение начинается с подачи питающего напряжения.
При вводе модуля в эксплуатацию в память МУУ 2 записывают данные, характеризующие параметры запорной арматуры:
- текущее положение запорного элемента и его конечное положение,
- величину максимального вращающего момента,
- величину максимальной скорости вращения,
- время отключения модуля при превышении вращающего момента.
Запуск модуля осуществляют по цифровой линии связи от ЭВМ 8 и может быть получена одна из следующих команд:
- перевод запорного элемента в положение "открыто". Осуществляется путем вращения электродвигателя 6 в сторону открытого состояния запорной арматуры. Электродвигатель 6 доходит до упора, увеличивается ток, фиксируется по датчикам тока 7 МУУ 2 и через заданное пользователем время производится отключение интеллектуального мехатронного модуля от сети и в память МУУ 2 записывается информация о текущем положении запорного элемента;
- перевод запорного элемента в положение "закрыто". Осуществляется путем вращения электродвигателя 6 в сторону закрытого состояния запорной арматуры. Электродвигатель 6 доходит до упора, увеличивается ток, фиксируется по датчикам тока 7 МУУ 2 и через заданное пользователем время производится отключение интеллектуального мехатронного модуля от сети и в память МУУ 2 записывается информация о текущем положении запорного элемента;
- перевод запорного элемента в любое промежуточное положение. Информация, в какое конечное положение переместиться, содержится в коде команды. Электродвигатель 6 перемещается из своего текущего положения в только что заданное командой положение. Отсчет угла, на который был совершен поворот, осуществляется с помощью датчиков положения ротора 11. Когда перемещение запорного элемента в новое положение произошло, то производится отключение интеллектуального мехатронного модуля от сети и в память МУУ 2 записывается информация о текущем положении запорного элемента.
Опрос датчиков тока 7 производиться на высокой частоте, что обеспечивает очень быструю реакцию МУУ 2 на любое событие связанное с движением запорного элемента.
Для обеспечения диагностической функции производится опрос всех датчиков (два датчика напряжения 3 и 4, три датчика тока 7, датчик температуры 10 и три датчика положения ротора 11) и при отклонении от заданных значений в регистре статуса МУУ 2 выставляются единицы, по которым оператор ЭВМ 8 определяет состояние модуля. Также при превышении параметров производится выключение электродвигателя 6 через полупроводниковый коммутатор 5.
Предложенный интеллектуальный мехатронный модуль пригоден для использования в составе систем дистанционного управления и контроля запорной арматуры.
Преимущество предложенного модуля в том, что он обеспечивает быструю реакция на события, происходящие при вращении запорного элемента, за счет введения трех датчиков тока 7 и трех датчиков положения ротора 11, а также расширение возможности самодиагностирования за счет применения малогабаритных датчиков обратных связей: два датчика напряжения 3 и 4, три датчика тока 7, датчик температуры 10 и три датчика положения ротора 11.