ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ СО ВСТРОЕННОЙ БАТАРЕЕЙ
ACTUATING MECHANISM WITH AN EMBEDDED BATTERY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к исполнительному механизму с приводом от двигателя, такому как исполнительный механизм клапана, содержащий встроенную батарею.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Источник питания, применяемый для исполнительного механизма с приводом от двигателя, такого как исполнительный механизм клапана, обычно предоставлен источником в виде электрической сети переменного тока. Однако известно, что в таких устройствах обеспечивается (часто внешняя) резервная батарея для обеспечения операции завершения работы клапана путем использования энергии от батарейного источника во время выхода из строя источника в виде электрической сети переменного тока. Таким образом, в таких устройствах при нормальных условиях питания исполнительный механизм работает от имеющегося на месте электрического источника переменного тока. Тем не менее, при событии потери этого источника, исполнительный механизм автоматически переключается для получения питания от батарейного источника, обеспечивая возможность управлять клапаном в (часто внешне) предварительно настроенном положении (завершения работы).
Однако батарея, используемая в таких устройствах, является внешним по отношению к исполнительному механизму пассивным устройством и, как правило, она представляет собой такой тип который не подходит для использования во взрывозащищенном (ВЗ) оборудовании. Существуют малый или неактивный контроль за работой батареи, и, разумеется, нельзя считать ее подходящей для использования в качестве единственного источника питания для обеспечения нормальной работы исполнительного механизма клапана.
Целью аспектов настоящего изобретения является решение по меньшей мере некоторых из этих проблем.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предоставлено исполнительное устройство с приводом от двигателя, содержащее защитный корпус, в котором размещены двигатель, модуль управления и привод, причем указанный привод соединен между двигателем и указанным приводимым в движение устройством, при этом устройство дополнительно содержит вход для приема источника питания возобновляемой или улавливаемой энергией и батарейный блок, размещенный внутри указанного защитного корпуса, причем указанный батарейный блок является электрически соединенным для избирательного приведения в действие указанного двигателя и системы привода и является электрически подключаемым к указанному источнику питания возобновляемой или улавливаемой энергией для зарядки, причем модуль управления является выполненным с возможностью обязывать указанный батарейный блок выборочно приводить в действие указанный двигатель и вызывать перемещение указанного исполнительного механизма.
Источник питания возобновляемой или улавливаемой энергией может быть выполнен с возможностью запуска вспомогательных систем указанного устройства.
В представленном в качестве примера варианте осуществления изобретения вышеупомянутые вспомогательные системы содержат датчики и/или преобразователи, соединенные беспроводным или проводным средством для отслеживания условий процесса в отношении указанного устройства.
Исполнительное устройство может иметь по меньшей мере два режима работы, причем указанный первый режим работы содержит режим «Завершение работы», при котором указанный исполнительный механизм вынужден перемещаться в предварительно определенное положение или ограничитель; и, необязательно, модуль управления выполнен с возможностью отслеживать статус указанного источника питания возобновляемой или улавливаемой энергией и, если определено, что указанный источник питания возобновляемой энергией отключен и/или вышел из строя и/или батарея разряжена до порогового значения, вызвать перемещение указанного исполнительного механизма в указанное предварительно определенное положение или ограничитель под действием питания из батарейного блока.
Модуль управления может быть выполнен с возможностью вызывать перемещение указанного исполнительного механизма в указанное предварительно определенное положение или ограничитель под действием питания из батарейного блока в ответ на прием внешнего командного сигнала на завершение работы.
Исполнительное устройство может содержать режим работы «Приведение в движение от батареи», в котором модуль управления выполнен с возможностью вызывать зарядку указанного батарейного блока с помощью указанного источника питания возобновляемой энергией, и вызывать избирательное перемещение указанного исполнительного механизма под действием питания из указанного батарейного блока.
Источник питания возобновляемой или улавливаемой энергией может содержать источник питания солнечной, ветровой и/или гидроэнергией.
Модуль управления может быть выполнен с возможностью отслеживать напряжение указанного батарейного блока и, при событии, когда определено, что указанное напряжение находится на уровне или ниже предварительно определенного напряжения отсечки, вызывать изолирование указанного батарейного блока и предотвращать его дальнейшую разрядку.
Исполнительное устройство может содержать комбинацию режимов работы «Приведение в движение от батареи» и «Завершение работы от батареи», при этом модуль управления выполнен с возможностью вызывать зарядку указанного батарейного блока с помощью указанного источника питания возобновляемой энергией, и вызывать избирательное перемещение указанного исполнительного механизма под действием питания от указанного батарейного блока и отслеживать статус указанного источника питания возобновляемой энергией и, если определено, что указанный источник питания возобновляемой энергией отключен и/или вышел из строя, и/или батарея разряжена до порогового значения, вызвать перемещение указанного исполнительного механизма в указанное предварительно определенное положение или ограничитель под действием питания из батарейного блока.
В представленном в качестве примера варианте осуществления модуль управления может быть выполнен с возможностью принимать данные, представляющие статус указанного источника питания возобновляемой энергией, принимать данные, представляющие состояние и/или статус заряда указанного батарейного блока, и вызывать зарядку указанного батарейного блока от указанного источника питания возобновляемой энергией, когда источник питания возобновляемой энергией определен как присутствующий, а указанный батарейный блок требует зарядки. Необязательно, устройство дополнительно содержит по меньшей мере одно устройство измерения температуры, связанное с указанным батарейным блоком, причем модуль управления является дополнительно выполненным с возможностью, во время зарядки батарейного блока:
- принимать от указанного по меньшей мере одного устройства измерения температуры данные, представляющие измеренную температуру, связанную с указанным батарейным блоком;
- сравнивать указанную измеренную температуру с первой предварительно заданной пороговой температурой; и
- вызывать, если указанная измеренная температура является больше, чем указанная первая предварительно заданная пороговая температура, уменьшение зарядного тока, подаваемого от указанного внешнего источника питания в указанный батарейный блок, до тех пор, пока указанная измеренная температура не станет равной или ниже указанной первой предварительно заданной пороговой температуры.
Исполнительное устройство может дополнительно содержать по меньшей мере одно нагревательное устройство, связанное с указанным батарейным блоком, и при этом указанный модуль управления дополнительно выполнен с возможностью, во время зарядки указанного батарейного блока, сравнения указанной измеренной температуры со второй предварительно заданной пороговой температурой и, если указанная измеренная температура является меньше, чем указанная вторая предварительно заданная пороговая температура, вызывать включенное состояние указанного по меньшей мере одного нагревательного устройства до тех пор, пока указанная измеренная температура не будет равна или выше указанной второй предварительно заданной пороговой температуры. Необязательно, модуль управления выполнен с возможностью, во время разрядки батарейного блока:
принимать от указанного по меньшей мере одного устройства измерения температуры данные, представляющие измеренную температуру, связанную с указанным батарейным блоком;
сравнивать указанную измеренную температуру с третьей предварительно заданной пороговой температурой; и
уменьшать указанное предварительно заданное напряжение отсечки, если указанная измеренная температура является меньше, чем третья предварительно заданная пороговая температура.
В представленном в качестве примера варианте осуществления батарейный блок содержит совокупность перезаряжаемых литиевых, никель-металлогидридных или никель-кадмиевых батарейных элементов, и устройство может дополнительно содержать балансную зарядную схему и схему, выполненную с возможностью обеспечения защиты от перенапряжения, перегрузки по току и от пониженного напряжения в отношении указанных батарейных элементов.
Необязательно, батарейный блок может содержать совокупность перезаряжаемых литиевых или никель-металлогидридных, или никель-кадмиевых элементов, расположенных и выполненных для использования во взрывозащищенном оборудовании.
Модуль управления может быть настраиваемым для работы в совокупности режимов, событий и действий при работе в дополнение к операции завершения работы. Необязательно, указанная совокупность режимов, событий и действий при работе содержит режимы приведения в движение от батареи и автономной работы; события завершения работы от электрической сети, завершения работы от батареи и приведения в движение от батареи. Модуль управления выполнен с возможностью, в режиме завершения работы, перемещения указанного исполнительного механизма в любое другое среднее положение и/или любой другой ограничитель перемещения.
В указанном режиме приведения в движение от батареи модуль управления может быть выполнен с возможностью обязывать источник питания возобновляемой или улавливаемой энергией обеспечивать работу вспомогательных систем указанного исполнительного устройства, в том числе обязывая указанный батарейный блок заряжаться от указанного источника питания возобновляемой или улавливаемой энергией до тех пор, пока он не примет команду на перемещение и, в ответ на указанную команду на перемещение, может обязывать указанный батарейный блок вызывать перемещение указанного исполнительного механизма под действием питания от батарейного блока, в форме события приведения в движение от батареи, и зарядку указанного батарейного блока.
В представленном в качестве примера варианте осуществления модуль управления может быть выполнен с возможностью сообщать пользователю уровень заряда батарейного блока, состояние и/или неисправности батарейного блока визуально удаленно и/или через проводную или беспроводную сеть, необязательно, в форме журнала данных. Исполнительный механизм может быть выполнен с возможностью избирательной связи с модулем управления и другими устройствами и исполнительными механизмами с помощью проводных или беспроводных средств, настройки заданного значения регулируемой величины и/или перемещения по командам, полученным по проводной и/или беспроводной сети.
Исполнительный механизм, необязательно, выполнен с возможностью принятия технологический решений на основе принятых данных от датчиков и/или преобразователей и соответственно выборочно изменяет свое собственное заданное значение регулируемой величины с или без ссылки на внешнюю систему управления в режиме «Автономная работа».
Исполнительный механизм может быть выполнен с возможностью (если он имеет достаточный заряд), если источник возобновляемой или улавливаемой энергии, или вспомогательный источник в виде электрической сети, считается отключенным или недопустимым, или получена допустимая команда на завершение работы, перемещать указанный исполнительный механизм из любого положения в предварительно установленное положение или ограничитель при событии «Завершение работы от батареи»:
a. При потере допустимого источника питания
b. При потере источника питания и допустимого запроса на проводную и/или беспроводную связь
c. При получении допустимого запроса, с помощью проводных и/или беспроводных средств
d. Любое из a., b. или c. с заданной и настраиваемой задержкой.
В представленном в качестве примера варианте осуществления изобретения модуль управления может быть выполнен с возможностью запускать событие завершения работы от батареи, когда обнаруживается, что емкость батарейного блока упала до критического уровня, и возобновляемый или улавливаемый источник энергией не находится на достаточном уровне для поддержания или повторной зарядки емкости батареи.
В соответствии с представленном в качестве примера вариантом осуществления изобретения устройство может содержать средство для отслеживания температуры, и во время зарядки:
a. Сравнивать указанную температуру с двумя предварительно заданными пороговыми значениями (высокий и низкий)
b. Вызывать уменьшение тока зарядки, если указанная измеренная температура является выше верхнего порога. Восстанавливать зарядный ток до нормального уровня, когда температура падает ниже указанной высокой температуры
c. Вызывать включение нагревательного устройства для подъема и/или поддержания батареи при температуре, обеспечивающей оптимальные скорости зарядки, если указанная температура ниже низкого порогового значения.
Исполнительное устройство с приводом от двигателя может содержать средство для отслеживания температуры, и во время разрядки:
a. Сравнивать указанную температуру с двумя предварительно заданными пороговыми значениями (первым низким и низким)
b. Вызывать уменьшение минимального напряжения разрядки, если указанная измеренная температура является ниже первого низкого порога.
c. Вызывать включение нагревательного устройства для подъема и/или поддержания батареи при температуре, обеспечивающей оптимальные скорости разрядки, если указанная температура ниже низкого порогового значения.
Необязательно, исполнительное устройство с приводом от двигателя может быть выполнено с возможностью предотвращения работы исполнительного устройства в любом режиме, если указанный батарейный блок:
a. Определяет состояние неисправности
b. Определяет, если это настроено, что уровень заряда является ниже того, который может обеспечить возможность события завершения работы.
Исполнительное устройство с приводом от двигателя может, необязательно, содержать средство для управления и оптимизации источника питания внутри защитного корпуса исполнительного механизма и изменения скорости зарядки батарейного блока.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предоставлен модуль управления батареей для исполнительного устройства с приводом от двигателя, содержащее защитный корпус, в котором размещены двигатель и привод, причем указанный привод соединен между двигателем и указанным приводимым в движение устройством, при этом устройство дополнительно содержит вход для приема источника питания возобновляемой или улавливаемой энергией и батарейный блок, размещенный внутри указанного защитного корпуса, причем указанный батарейный блок является электрически соединенным с указанным источником питания возобновляемой энергией для зарядки, причем модуль управления батареей является выполненным с возможностью обязывать указанный батарейный блок выборочно приводить в действие указанный двигатель и вызывать перемещение указанного исполнительного механизма.
Модуль управления батареей может содержать по меньшей мере два режима работы, причем указанный первый режим работы содержит режим «Завершение работы», при котором указанный исполнительный механизм вынужден перемещаться в предварительно определенное положение или ограничитель, и может, необязательно, быть выполнен с возможностью отслеживания статуса указанного источника питания возобновляемой энергией и, если определено, что указанный источник питания возобновляемой энергией отключен и/или вышел из строя, вызвать перемещение указанного исполнительного механизма в указанное предварительно определенное положение или ограничитель под действием питания из батарейного блока.
Модуль управления батареей может быть выполнен с возможностью вызвать перемещение указанного исполнительного механизма в указанное предварительно определенное положение или ограничитель под действием питания от батарейного блока в ответ на прием внешнего командного сигнала на завершение работы.
Вышеупомянутый второй режим работы содержит нормальный режим работы, в котором указанный батарейный блок находится в режиме простоя, а указанный двигатель приводится в действие указанным источником питания возобновляемой энергией.
Модуль управления батареей может содержать режим работы «Приведение в движение от батареи», в котором он выполнен с возможностью вызывать зарядку указанного батарейного блока с помощью указанного источника питания возобновляемой энергией, и вызывать избирательное перемещение указанного исполнительного механизма под действием питания от указанного батарейного блока.
В представленном в качестве примера варианте осуществления модуль управления батареей может быть выполнен с возможностью принимать данные, представляющие измеренный срок службы батареи и полное сопротивление элементов указанного батарейного блока, и сравнивать с предварительно заданным профилем;
a. Во время зарядки сравнивать полное сопротивление элементов и, соответственно, уменьшать зарядное напряжение.
b. Во время разрядки сравнивать полное сопротивление элементов и, соответственно, уменьшать предел напряжения разрядки.
Необязательно, модуль управления батареей выполнен с возможностью защиты элементов батарейного блока для одного из: перенапряжения, перегрузки по току или пониженного напряжения, изолирования указанного батарейного блока от исполнительного механизма, сообщения о неисправности визуально или дистанционно или по сети и, если это так выполнено, предотвращение работы исполнительного механизма.
В представленном в качестве примера варианте осуществления модуль управления батареей выполнен с возможностью передачи пользователю статуса, уровня заряда и емкости визуально и по проводной и/или беспроводной сети.
Модуль управления может быть выполнен с возможностью запускать событие завершения работы от батареи, когда обнаруживается, что емкость батарейного блока упала до критического уровня, и возобновляемый или улавливаемый источник энергией не находится на достаточном уровне для поддержания или повторной зарядки емкости батареи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны только в качестве примеров и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
фиг. 1 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую исполнительный механизм клапана в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую конфигурацию исполнительного механизма, батарейного блока и модуля управления исполнительным механизмом исполнительного механизма клапана в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения; и
фиг. 3 представляет собой блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую способ управления батареей в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представленный в качестве примера вариант осуществления настоящего изобретения, в частности, касается исполнительных механизмов такого типа, которые находят широкое применение в качестве приводов клапанов и заслонок, например, в энергетической промышленности, управлении потоками нефти и газа, морских применениях, водоснабжении и перерабатывающей промышленности. Такие исполнительные механизмы клапанов, как правило, имеют выходной вал, приводимый в действие реверсивным электрическим двигателем посредством зубчатой передачи, например червячной передачи, и который может перемещать выходной вал в любом направлении, чтобы открывать или закрывать клапан, соединенный через шток клапана с выходным валом.
Обратимся к фиг. 1 графических материалов, на которой показан исполнительный механизм клапана в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения, который содержит основной защитный корпус 1 и клеммный защитный корпус 2. Указанные защитные корпуса могут быть герметично уплотнены для поддержания водонепроницаемости и защиты в них внутренних компонентов. В основном защитном корпусе размещены модули 3 управления, такие как устройство управления положением и датчик нагрузки, а также приводной механизм 4. Дисплей и блок 5 локального управления могут быть размещены внутри крышки основного защитного корпуса.
Батарейный блок 6 установлен внутри основного защитного корпуса и электрически соединен с исполнительным механизмом, а исполнительный механизм дополнительно содержит модуль 7 управления батареей для управления батарейным блоком и работой исполнительного механизма. Батарейный блок содержит совокупность элементов, таких как перезаряжаемые литиевые элементы, соединенные последовательно с диодной защитой между элементами. Способы подключения нескольких перезаряжаемых литиевых элементов для формирования батарейного блока и конфигурации их подключения должны быть известны специалисту в данной области техники.
Точное количество используемых элементов и используемая конфигурация подключения будут зависеть, до некоторой степени, по меньшей мере от емкости и мощности, которые должны быть достигнуты, а также от пространства, доступного для размещения результирующего батарейного блока, и настоящее изобретение не обязательно должно быть ограничено в этом отношении. Перезаряжаемые литиевые элементы считаются предпочтительными для использования в исполнительном механизме клапана описанного выше типа, поскольку они подходят для использования во взрывозащищенных (ВЗ) устройствах. Однако настоящее изобретение не предназначено быть строго ограниченным в этом отношении, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие подходящие типы элементов, такие как никель-металлогидридные или никель-кадмиевые.
В батарейном блоке описанного выше типа известно, что он обеспечивает интеллектуальную балансную зарядную схему, которая, кроме того, защищает батарейные элементы от перезарядки, чрезмерной разрядки или сверхмерной разрядки (также известной как защита от перенапряжения, перегрузки по току и от пониженного напряжения соответственно). Схемы для этой цели известны в других технических областях и не будут обсуждаться в данном документе более подробно. Достаточно сказать, что специалист в области конструирования батарейных блоков будет достаточно хорошо знаком с электронными балансными зарядными схемами и способами защиты от перенапряжения, перегрузки по току и от пониженного напряжения, чтобы выбрать и реализовать подходящую компоновку в соответствии с конфигурацией элементов/используемого способа соединения/требуемой емкости и допустимой мощности, а также спецификации исполнительного механизма клапана.
Перезаряжаемые батарейные элементы имеют ограниченный оптимальный температурный диапазон, и для защиты от перегрева предусмотрены дополнительные схемы вместе с вентиляционными отверстиями в корпусе элемента.
Обратимся к фиг. 2 графических материалов, на которой показана в форме функциональной схемы конфигурация исполнительного механизма 10, модуля 12 управления и батарейного блока 14 в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения. Модуль 12 управления может содержать вышеупомянутые функциональности сбалансированной зарядки и перенапряжения, перегрузки по току и пониженного напряжения, хотя это не является обязательным, и эти функции могут быть предусмотрены в отдельном модуле/печатной плате (ПП). В последующем описании будут описаны основные признаки функции управления батареей модуля управления исполнительным механизмом в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения, и следует понимать, что модуль 12 управления исполнительным механизмом может содержать или не содержать другую функциональность не описанную подробно в данном документе. Кроме того, все вышеупомянутые основные признаки описаны как являющиеся частью одного и того же модуля управления исполнительным механизмом, но функциональность модуля управления исполнительным механизмом может, конечно, обеспечиваться в модульной форме, с одной или несколькими функциями, обеспечиваемыми в отдельных устройствах/ПП и/или удаленно от других функций, и настоящее изобретение не обязательно должно быть ограничено в этом отношении.
Исполнительный механизм клапана представленных в качестве примера вариантов осуществления изобретения и, в частности, используемый в них батарейный блок, имеет три режима работы, называемые в данном документе как «Завершение работы», «Приведение в движение от батареи» и «Автономная работа», а также пять событий при работе: «Нормальная работа», «Завершение работы от электрической сети», «Завершение работы от батареи», «Приведение в движение от батареи» и «Автономная работа», а также несколько типов результирующих действий, каждый из которых основан на встраивании батарейного блока описанного выше типа в исполнительный механизм клапана и соединенного с ним посредством функции управления батареей, предусмотренной как часть модуля управления исполнительным механизмом. В представленных в качестве примера вариантах осуществления изобретения все вышеупомянутые режимы могут быть выполнены с использованием одного и того же аппаратного обеспечения, с использованием различных соответствующих (переключаемых) конфигураций. Для режима работы «Автономная работа» можно использовать дополнительное аппаратное обеспечение для преобразования, как правило, солнечной энергии в электрическую энергию (способом, известным специалисту в данной области).
Ниже приведено описание системы управления батареей. Этот представленный в качестве примера случай является режимом «Завершение работы» с событиями работы «Нормальная работа», «Завершение работы от электрической сети» и «Завершение работы от батареи», а также с действиями «Команда» и «Потеря питания», как будет более подробно описано далее, однако многие аспекты относятся ко всем режимам, событиям и действиям при работе.
Модуль управления и связанная с ним последовательность операций процесса управления батареей обеспечивает (в отношении батарейного блока) управление активным напряжением и током, диагностику (находится внутри исполнительного механизма клапана), функциональность обратной связи о статусе, управление низкой температурой (использование нагревателей для повышения производительности и поддержания батарейных элементов в пределах их оптимального диапазона рабочей температуры), а также управление высокой температурой для продления срока службы батарейных элементов. В этом представленном в качестве примера варианте осуществления исполнительный механизм клапана (и связанный батарейный блок и модуль управления) мог бы быть подходящим для использования в ВЗ и не-ВЗ оборудовании в диапазонах температур от -50 °C до 70 °C.
Батарейный блок запрашивается модулем управления батареей (или «управления исполнительным механизмом»), чтобы определить температуру батареи, емкость батареи, напряжение батареи и уровень заряда, остающийся в батарейном блоке/элементах. Настоящее изобретение не ограничено с точки зрения способа, которым эти параметры определяются; основная польза и преимущество модуля управления в соответствии с этим представленным в качестве примера вариантом осуществления изобретения заключается в том, что он использует эти измеренные/вычисленные параметры для управления батарейным блоком, принятия решений и принятия наилучших действий для пользователя, исполнительного механизма и/или батарейного блока на основе этих параметров, и/или отчета о неисправности батарейного блока на основе этих параметров в технической области, где этот уровень управления батареей ранее не был возможен. Одно из главных преимуществ, конечно, заключается в том, что ранее было непрактично использовать батарейный блок в исполнительном механизме клапана или заслонки, который соответствует нормам ВЗ за пределами конкретных случаев. Принимая во внимание, что технологии перезаряжаемых литиевых и подобных батарейных элементов могут использоваться в ВЗ (и других) применениях с опасными средами, диапазон их оптимальных рабочих температур ограничен, и они требуют бережного управления (особенно при зарядке и разрядке). Таким образом, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения решаются эти вопросы. Защита от перегрева обеспечивается как с помощью электронных средств, так и с помощью тепловых отверстий в корпусе элемента.
Батарейный блок дополнительно использует нагреватели, когда температура окружающей среды падает ниже предварительно определенной (и настраиваемой) точки, установленной модулем управления исполнительным механизмом. Следовательно, эти меры могут использоваться для поддержания оптимальной рабочей температуры батарейных элементов как для зарядки, так и для разрядки, и могут при необходимости включаться и выключаться модулем управления исполнительным механизмом. При высоких температурах модуль управления исполнительным механизмом может принять решение относительно того, когда заряжать батарейный блок, и скорости, с которой следует заряжать батарейный блок, что способствует расширению диапазонов рабочих температур и продлению срока службы батарейного блока.
Кроме того, в течение срока службы исполнительного механизма клапана батарейный блок неизбежно будет снижать эффективность. Модуль управления исполнительным механизмом может иметь встроенную карту такого снижения эффективности, и в сочетании с измерением емкости батареи модуль управления исполнительным механизмом может изменять уровень заряда и напряжение, чтобы максимизировать срок службы и производительность батареи на разных этапах ее срока службы. Кроме того, может быть встроенная карта емкости батареи в зависимости от температуры, которая может использоваться, чтобы позволить модулю управления компенсировать различные температурные условия.
Таким образом, модуль управления исполнительным механизмом (включающий в себя функцию управления батареей) в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения соединен с возможностью связи со встроенной батареей и выполнен с возможностью отслеживания и управления работой батареи в соответствии с режимом работы и совокупностью связанных соответствующих параметров, как будет описано более подробно далее.
Обратимся теперь к фиг. 3 графических материалов для более подробного описания в связи с проиллюстрированной на ней блок-схеме модуля управления (или контроля) батареей и способа управления батареей в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок-схема управления батареей начинается на этапе 100, на котором последующая последовательность операций процесса зарядки обычно (хотя и не преимущественно) запускается, когда модуль запитан или после того, как батарейный блок находился в состоянии простоя. После запуска последовательности операций процесса модуль управления исполнительным механизмом проверяет статус (на этапе 102) батарейного блока по следующим параметрам:
• Уровень заряда
• Температура
• Неисправности
• Пониженное напряжение
• Перенапряжение
• Перегрев
• Статус элемента и/или требования к техническому обслуживанию/поддержанию
Модуль управления исполнительным механизмом выбирает «Событие» и «Действие» работы на основании текущего статуса уровня питания от электрической сети, а также того, безопасен ли или нет батарейный блок для использования, безопасен ли или нет исполнительный механизм для запуска и требует ли батарейный блок зарядки. Таким образом, на этапе 104 модуль управления исполнительным механизмом проверяет, является ли или нет питание от электрической сети, подключенным к исполнительному механизму клапана, допустимым (то есть достаточным для приведения в движение двигателя, запуска периферийных функций исполнительного механизма клапана и зарядки батарейного блока (если требуется)).
Если (или пока) определено, что присутствующее питание от электрической сети является допустимым, батарея безопасна для использования и полностью заряжена, а исполнительный механизм безопасен для запуска, то исполнительный механизм клапана может работать как обычный исполнительный механизм клапана с приводом от двигателя, что определено в данном документе как событие работы «Нормальная работа», запитанный с помощью присутствующего питания от электрической сети и с батарейным блоком в состоянии простоя (и выполненной с возможностью обеспечения требуемой операции работы завершения работы клапана в случае соответствующей команды, потери питания, неисправности исполнительного механизма и т.д.).
Если определено, что присутствующее питание от электрической сети недопустимо (т.е. отсутствует или ниже определенного уровня), и/или получена допустимая команда на завершение работы, но батарея безопасна для использования, привод безопасен для запуска и существует достаточный заряд в батарейном блоке, то модуль управления исполнительным механизмом вызовет событие «Завершение работы от батареи». В этом режиме исполнительный механизм перемещается в предварительно определенное положение или ограничитель под действием батарейного питания, либо сразу, либо после настраиваемого времени ожидания.
Если определено, что присутствующее питание от электрической сети является допустимым (т.е. присутствует и превышает определенный уровень) и получена допустимая команда на завершение работы, то исполнительный механизм выполнен таким образом, что модуль управления исполнительным механизмом вызовет событие «Завершение работы от электрической сети». В этом режиме исполнительный механизм перемещается в предварительно определенное положение или ограничитель под действием питания от электрической сети при работе батареи в режиме ожидания (если питание от электрической сети считается недопустимым, это может вызвать автоматическое событие «Завершение работы от батареи») либо сразу, либо после предварительно настроенного времени ожидания.
Более подробно и в соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления при событии «Завершение работы от батареи» исполнительный механизм клапана под действием питания, получаемого от батарейного блока, будет:
• Перемещаться из любого положения в ограничитель полного открытия, останавливаясь либо на пределе нагрузки (то есть крутящего момента и/или тяги), либо положения
•перемещаться из любого положения в ограничитель полного закрытия, останавливаясь либо на пределе нагрузки, либо положения
• перемещаться из любого положения в любое другое среднее положение.
Когда возобновится допустимое питание от электрической сети, исполнительный механизм вернется к нормальной работе (будь то «Нормальная работа», «Приведение в движение от батареи» или «Автономная работа») при условии, что (или когда) батарейный блок является достаточно заряженным для обеспечения одной операции «Завершение работы».
Если на этапе 104 определено, что питание от электрической сети является допустимым (и на этапе 102 определено, что батарея безопасна в использовании, но требует зарядки), на этапе 106 модуль управления исполнительным механизмом начнет зарядку батарейного блока. Внутри контура последовательности операций процесса зарядки батареи модуль управления исполнительным механизмом еще раз проверяет питание от электрической сети (на этапе 108), а также проверяет (снова), прошли или нет все проверки безопасности батареи (на этапе 110). Если питание от электрической сети остается нормальным и прошли все проверки безопасности батареи, последовательность операций процесса зарядки батарейного блока переходит на этап 112. На этапе 112 модуль управления исполнительным механизмом принимает (от датчика температуры) данные, представляющие температуру батарейных элементов. Затем он сравнивает измеренную температуру с предварительно заданным «высоким» порогом. Если по сравнению с предварительно заданным «высоким» порогом температура батарейного блока определена как слишком высокая, модуль управления исполнительным механизмом уменьшает зарядный ток для батарейного блока (на этапе 114). Эта часть процесса является итеративной и может повторяться поэтапно, пока не будет определено, что температура батарейного блока находится ниже «высокого» порога (и/или находится в пределах заранее определенного диапазона). Затем, на этапе 116, модуль управления исполнительным механизмом сравнивает текущую температуру батарейного блока с предварительно заданным «первичным низким» порогом. Модуль управления исполнительным механизмом выполнен с возможностью включения нагревателя батарейного блока (на этапе 118), если по сравнению с предварительно заданным «первичным низким» порогом температура батарейного блока определена как слишком низкая. Еще раз, эта часть последовательности операций процесса может быть итеративной и повторяться до тех пор, пока не будет определено, что температура батарейного блока находится в пределах диапазона температур, определенного между «высоким» порогом и «первичным низким» порогом.
В соответствии с представленным в качестве примера вариантом осуществления изобретения режим зарядки может быть адаптирован в соответствии с возрастом/степенью снижения эффективности батарейного блока. Таким образом, на этапе 119a журнал ресурса батареи периодически обновляется. На этапе 119b модуль управления сравнивает указанный журнал ресурса с предварительно заданным эталонным профилем. Если на этапе 119c определено, что батарейный блок близок к началу его срока службы, это вызывает его зарядку при предварительно заданном «низком напряжении» (этап 119d), тогда как, если определено, что он не близок к началу его срока службы, то это вызывает зарядку при предварительно заданном «высоком напряжении» (этап 119e).
Процесс обнаружения/управления зарядкой и температурой, описанный выше, повторяется и продолжается до тех пор, пока из зарядной схемы не будет обнаружен сигнал «Окончание зарядки» (на этапе 120). Модуль управления исполнительным механизмом выполнен с возможностью остановки в этот момент зарядки батарейного блока (на этапе 122) и проверки еще раз (на этапе 123), является ли питание от электрической сети «нормальным». В последовательности операций процесса также проверяется (на этапе 124), является ли или нет батарейный блок саморазряженным (или если питание от электрической сети было отключено), и, если это так, то последовательность операций процесса возвращается к этапу 104.
Таким образом, чтобы подвести итог, после того как статус батарейного блока был проверен (на этапе 102), и если нет никаких неисправностей в батарейном блоке (то есть батарейный блок безопасен в использовании), то затем модуль управления исполнительным механизмом примет решение о следующем этапе в зависимости от требования (определяется текущим режимом работы). В случае, когда требуется зарядить батарейный блок, модуль управления исполнительным механизмом переключится на источник постоянного тока/постоянного напряжения для зарядки батарейного блока по мере необходимости.
Уровень заряда по напряжению определяется и контролируется возрастом батарейных элементов, уровень тока определяется температурой и установленной пользователем зарядной мощностью.
О любых неисправностях, обнаруженных в батарейном блоке, может быть сообщено пользователю (этап 125) через дисплей исполнительного механизма или собственные реле статуса исполнительного механизма или сетевую систему (проводную и/или беспроводную), подключенную к исполнительному механизму. Кроме того, модуль управления исполнительным механизмом может решить, продолжать ли или нет работать, на основании вышеупомянутых измеренных параметров и предварительно установленной пользовательской конфигурации.
Во время зарядки батареи и после этого исполнительный механизм будет работать в нормальном режиме без привязки к батарейному блоку, если не выполняется условие:
a) батарея сообщает о критической неисправности (в этом случае модуль управления исполнительным механизмом выходит из последовательности операций процесса зарядки и генерирует сигнал об ошибке, подлежащий сообщению/отображению); или
b) выключается допустимое питание от электрической сети, принимается допустимая команда на завершение работы и выключается питание от электрической сети или принимается допустимая команда на завершение работы, присутствует питание от электрической сети и исполнительный механизм выполнен с возможностью предпочтительного переключения на батарею (в этом случае модуль управления исполнительным механизмом войдет в режим работы «Завершение работы», описанный выше).
Во время зарядки функция управления батареей модуля управления исполнительным механизмом будет отслеживать, безопасна ли батарея для использования и безопасен ли исполнительный механизм для запуска. Если какая-либо из этих проверок не пройдена, будет помечен статус ошибки. Модуль управления исполнительным механизмом также отслеживает, потеряно ли допустимое питание от электрической сети и/или получена ли допустимая команда на завершение работы, и, если выполняется любое из этих условий, модуль управления исполнительным механизмом переходит в режим «Завершение работы», описанный выше.
Наконец, зарядка будет закончена, когда батарея достигает предварительно определенный предел тока при предварительно определенном уровне напряжения (что приводит к генерации сигнала «Окончание зарядки»). Предварительно определенный уровень напряжения может варьироваться в зависимости от возраста батареи и температуры окружающей среды. В этот момент функция управления батареей проверяет установленное напряжение батареи, и, если оно находится в предварительно заданном диапазоне, батарейный блок перейдет в вышеупомянутое состояние простоя, пока не будет определено, что он требует зарядки. Если критерии не выполнены, функция управления батареей возвращается к этапу 106 и возобновляет процесс зарядки.
Зарядка будет закончена, как и раньше, когда батарейный блок достигает предварительно определенного предела напряжения, который может варьироваться в зависимости от возраста батареи. Как и раньше, в этот момент функция управления батареей проверяет установленное напряжение батареи.
Если это соответствует предварительно заданным критериям, батарейный блок перейдет в вышеупомянутое состояние простоя, пока не будет определено, что он требует зарядки. Если критерии не выполнены, функция управления батареей возвращается к этапу 106 и возобновляет процесс зарядки.
Всякий раз, когда батарейный блок включен (на этапе 126), либо находится в событии «Завершение работы от батареи», либо в событии «Приведение в движение от батареи», функция управления батареей переходит в последовательность операций процесса разрядки. В этой последовательности операций процесса модуль управления исполнительным механизмом снова отслеживает температуру батарейного блока, но в этом случае компенсирует только низкие температуры. На этапе 132 функция управления батареей проверяет, находится ли температура ниже низкого порога. Если это так, она вызывает включение нагревателя (на этапе 134). Затем, на этапе 136, она определяет полное сопротивление элементов в пределах батарейного блока и соответственно регулирует нижнее напряжение отсечки.
Конечно, еще одним значительным преимуществом батарейного блока и связанной с ним последовательности операций процесса активного управления батареей является тот факт, что батарейный блок может работать в выбранном одном из многих рабочих режимов, а не в одном (пассивном) режиме «Защищённый отказ» или «Завершение работы», предусмотренном в вышеописанных традиционных исполнительных механизмах клапана, содержащих встроенную батарею.
В режиме «Завершение работы» исполнительный механизм работает как электрический исполнительный механизм с «нормальным» питанием от электрической сети до тех пор, пока питание от электрической сети не упадет ниже предварительно заданного порога и/или не будет получена допустимая команда на завершение работы. Это может происходить с настраиваемой временной задержкой между указанным событием и действием завершения работы или без нее, как описано выше. Затем исполнительный механизм примет решение, основываясь на уровне питания от электрической сети и/или характере команды «Завершение работы», на начало события «Завершение работы от электрической сети» или события «Завершение работы от батареи», которое было описано ранее.
В режиме «Приведение в движение от батареи» питание от электрической сети (от энергосистемы или от возобновляемого источника энергии) используется для запуска периферийных систем исполнительного механизма и зарядки батарейного блока. Когда требуется переместить клапан, батарейный блок разряжается для работы двигателя исполнительного механизма и затем повторно заряжается между перемещениями. Это будет описано далее как событие «Приведение в движение от батареи». Если он выполнен таким образом, исполнительный механизм может в дальнейшем начать событие «Завершение работы от батареи», если питание от электрической сети падает ниже предварительно заданного порога и/или получена допустимая команда на завершение работы. Это может происходить с настраиваемой задержкой времени между событием и действием «Завершение работы» или без нее, как описано выше, а также с наличием или отсутствием питания от электрической сети.
Режим «Автономная работа», описанный ниже, во многих отношениях аналогичен режиму «Приведение в движение от батареи», в котором предусмотрено дополнительное аппаратное обеспечение для обеспечения возможности прямого оптимизированного питания от возобновляемого источника энергии, и обеспечения возможности подключать дополнительные периферийные компоненты, такие как датчики. Питание, получаемое, как правило, от солнечной панели, используется для запуска периферийных систем исполнительного механизма и зарядки батарейного блока. Когда требуется переместить клапан, батарейный блок разряжается для работы двигателя исполнительного механизма и затем повторно заряжается между перемещениями. Это будет описано далее как событие «Приведение в движение от батареи». Если он выполнен таким образом, исполнительный механизм может в дальнейшем начать событие «Завершение работы от батареи», если питание падает ниже предварительно заданного порога и/или получена допустимая команда на завершение работы, и/или батарея становится разряженной до предварительно заданного уровня. Это может происходить с настраиваемой временной задержкой между указанным событием и действием «Завершение работы» или без нее, как описано выше.
Эти дополнительные режимы работы теперь будут описаны более подробно.
В режиме «Приведение в движение от батареи» модуль управления исполнительным механизмом может приводить в движение клапан от электрического источника менее мощного, чем питание, необходимое для запуска электромеханического исполнительного механизма. Питание от электрической сети (будь то от энергосистемы или от возобновляемого источника энергии) используется для запуска периферийных систем и зарядки батарейного блока. Когда требуется переместить клапан, батарейный блок разряжается для работы исполнительного механизма (на этапе 126), что описано в данном документе как событие «Приведение в движение от батареи». В этом режиме работы можно использовать так называемый режим «Глубокий сон» (как описано ниже) для максимизации заряда, поступающего в батарейный блок, при этом автоматический сигнал активизации генерируется, когда требуется работа двигателя исполнительного механизма.
Если на этапе 128 определено, что напряжение батарейного блока ниже, чем предварительно определенное напряжение завершения работы, модуль управления исполнительным механизмом изолирует батарею (на этапе 130), и помечается ошибка.
Чтобы включить событие «Приведение в движение от батареи», функция управления батареей в режиме зарядки будет использовать доступное питание от электрической сети для зарядки батарейного блока, а батарейный блок используется для перемещения исполнительного механизма во всех случаях. В этом случае, когда исполнительный механизм хочет запуститься, модуль управления исполнительным механизмом проверяет:
a) Достаточен ли заряд батареи
b) Выведен ли привод из глубокого сна
c) Безопасна ли батарея в использовании
d) Безопасен ли привод для запуска.
Если все эти условия соблюдены, исполнительный механизм будет запускаться из любого заданного положения в любое заданное положение. Допустимым входом будет либо цифровой сигнал, либо аналоговый уровень, либо сетевая команда.
Если возникает ошибка либо с батареей, либо с исполнительным механизмом, об ошибке сообщается (пользователю либо визуально, либо по сети) и исполнительный механизм принимает решение о том, является ли она достаточно серьезной, чтобы предотвратить работу. Если заряд батареи недостаточный, это будет препятствовать работе до тех пор, пока заряд не будет достаточным.
Для зарядки батарейного блока, и пока батарейный блок не используется для перемещения исполнительного механизма, последовательность операций процесса возвращается к этапам 102 и 104. При наличии достаточного питания от электрической сети, безопасности в использовании батареи, безопасности для запуска исполнительного механизма и необходимости в зарядке батареи, модуль управления исполнительным механизмом начнет заряжать батарейный блок (на этапе 106). Во время зарядки батареи и, если он выполнен таким образом, исполнительный механизм может перейти в режим энергосбережения (или «Глубокий сон»). Батарейный блок будет заряжаться до тех пор, пока батарея не сообщит о критической неисправности (в этом случае статус ошибки помечается, и система не будет запускаться), не отключится допустимое питание от электрической сети (в этом случае система может перейти в описанное выше событие «Завершение работы от батареи») или не получена допустимая команда на перемещение (в этом случае исполнительный механизм будет запущен из любого заданного положения в любое заданное положение, как описано выше). Эти параметры отслеживаются на протяжении всего процесса зарядки.
Следует понимать, что вышеописанный режим «Приведение в движение от батареи» может использоваться в системе с питанием от электрической сети и/или, конечно, в системе, питаемой от возобновляемого источника энергии, например, солнечной, ветровой, гидроэнергетической и т. д., и настоящее изобретение не обязательно должно быть ограничено в этом отношении. Таким образом, также предусмотрен так называемый режим «Автономная работа», и теперь он будет описан более подробно.
Режим работы «Автономная работа» очень похож на режим работы «Приведение в движение от батареи», а события «Приведение в движение от батареи» и «Завершение работы от батареи» являются идентичными в работе. Ключевыми отличиями являются источник питания и возможность принимать технологические решения от локального датчика, запитанного с помощью исполнительного механизма, и/или передавать информацию беспроводным способом обратно в центр управления для команды «Переместить», подлежащей передаче беспроводным способом исполнительному механизму в ответ.
В режиме работы «Автономная работа» исполнительный механизм клапана может быть запитан, используя непостоянный источник питания на основе, например, солнечных панелей или ветрогенераторов. Питание от этих устройств может подаваться непосредственно в исполнительный механизм и может использоваться вместо источника питания от электрической сети в применениях, где не может быть обеспечен надлежащий источник питания от электрической сети. Модуль управления исполнительным механизмом управляет источником энергии и накапливает энергию в батарейном блоке. Источник питания для исполнительного механизма запускает периферийную систему и заряжает батарею, когда имеется достаточное питание, причем батарейный блок затем питает двигатель исполнительного механизма и другие системы по команде и/или если имеется недостаточное питание. Как описано выше, функция управления батареей может вызвать переход батареи в так называемый режим «Глубокий сон», чтобы максимизировать заряд, поступающий в батарею, пробуждаясь только по требованию. Как и во всех других режимах, статус может быть сообщен визуально, по проводам или беспроводным способом, и в этом случае устройство может иметь возможность подключаться напрямую к сторонним датчикам и обрабатывать информацию на основе заданных пользователем точек.
В этом представленном в качестве примера случае источник питания представляет собой солнечную радиацию, посредством применения сторонних солнечных панелей. Исполнительный механизм будет иметь возможность управлять и оптимизировать посредством отслеживания точки питания, выходную мощность солнечных панелей или других источников, а также подавать результирующее электрическое питание в батарейный блок исполнительного механизма. Основным преимуществом этой системы является то, что группа солнечных панелей не должна иметь возможность напрямую приводить в движение двигатель исполнительных механизмов, поэтому будет использоваться батарея в качестве аккумулятора для приведения в движение двигателя и перекрывания промежутков в солнечном свете, вызванных темнотой или тенью. Указанный способ работы должен соответствовать режиму «Приведение в движение от батареи».
С точки зрения функциональности, в дополнение к обычным проводным командам и сетям, действительный сигнал будет принят беспроводным способом. Исполнительный механизм может ответить информацией о статусе по той же беспроводной связи. Это обеспечивает возможность полностью автономного решения.
Последним аспектом этого является подключение внешних датчиков (например, датчика давления). Это позволяет исполнительному механизму принимать внутренние технологические решения и изменять свое собственное заданное значение регулируемой величины либо со ссылкой на центрально управляемое заданное значение регулируемой величины, либо без нее. Если процесс выходит за пределы установленных параметров, исполнительный механизм может отправить управляющему устройству предупреждающее сообщение по проводной или беспроводной связи.
В случае полной потери питания, например, из-за выхода из строя солнечной панели, исполнительный механизм переместится из любой позиции в предварительно установленное заданное безопасное положение и сообщит о тревоге, либо по проводам, либо беспроводным способом, как в описанном событии «Завершение работы от батареи».
Специалист в данной области поймет, что из предшествующего описания могут быть внесены модификации и изменения в описанные варианты осуществления без отклонения от объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.