СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И СОСТОЯНИЯ МОТОРИЗИРОВАННОЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING POSITION AND STATUS OF MOTORIZED SHUT-OFF VALVES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в целом относится к запорной арматуре и, в частности, к способам и устройствам для управления моторизированной запорной арматурой, управляемой полярностью питаемого постоянного напряжения с наличием концевых устройств, с определением положения и состояния ее исполнительного механизма.
В частности, изобретение может найти применение:
- для управления подачей жидкостей или газов с индикацией реального положения запорной арматуры;
- в устройствах предотвращения несчастных случаев при эксплуатации газоиспользующего оборудования в домах для перекрытия подачи газа с индикацией факта полного его перекрытия;
- на промышленных предприятиях для организации автоматической подачи жидкостей или газов с регистрацией ситуаций отказа исполнительных механизмов.
Уровень техники
Для управления водоснабжением и газоснабжением в жилых и производственных помещениях используются устройства, именуемые моторизированной запорной арматурой, которые представлены в виде запорного устройства (шарового крана, управляемого клапана или манипулятора), приводимого в действие электрическим двигателем. При этом широкое распространение получила арматура, подключаемая к системе управления двухпроводным способом, при котором открытие и закрытие арматуры управляется полярностью питающего напряжения. Для предотвращения повреждения электромеханического привода арматуры при достижении исполнительным устройством полностью закрытого или открытого положения в ее состав включаются концевые устройства, автоматически отключающие напряжение с электрического двигателя в крайних положениях. Модель подключения двигателя и концевых устройств для серийно выпускаемой моторизированной арматуры приводится на фиг. 1.
Электромеханический привод арматуры включает в себя электрический двигатель М, который приводит в действие запорное устройство, концевые выключатели S1, S2 и вентили VD1 и VD2. В исходном положении выключатели S1 и S2 замкнуты, запорное устройство находится в приоткрытом положении, направление вращения двигателя М задается полярностью рабочего напряжения, прикладываемого к выводам А и В. При приложении положительного потенциала к точке А, отрицательного к точке В рабочий ток проходит через вентиль VD1, концевой выключатель S1, двигатель М, вызывая его вращение и движение запорного устройства в положение "закрыто". При достижении полностью закрытого положения запорное устройство размыкает выключатель S1, автоматически снимая напряжение с обмотки мотора, что приводит к его автоматической остановке. Для открытия запорного устройства полярность рабочего напряжения меняется. К точке А прикладывается отрицательное напряжение, к точке В положительное. Рабочий ток при этом движется от точки В через двигатель М, вызывая его вращение в сторону открытия запорного устройства, при этом в первый момент движения выключатель S1 замыкается, далее ток движется через выключатель S2, вентиль VD2 и точку А. При достижении запорным устройством полностью открытого положения выключатель S2 размыкается, что вызывает автоматическую остановку двигателя.
Однако при подключении по данной схеме стандартными, общепринятыми методами невозможно определить положение запорного устройства арматуры, и, следовательно, получить при закрытии подтверждение о полном прекращении тока жидкости или газа, или получить при открытии подтверждение о максимальном токе жидкости или газа, что существенно снижает общую отказоустойчивость системы. Для определения факта достижения запорным устройством полностью открытого и закрытого положения в настоящее время используются дополнительные проводники, подключаемые с одной стороны к концевикам S1 и S2, а с другой стороны к линиям системы управления, что позволяет устройству по обратной связи оперативно реагировать на незавершенный процесс открытия-закрытия крана. Однако, устройства, использующие проводное подключение к концевикам требуют значительных затрат на подключение дополнительных линий, применения многоточечных разъемов и имеют меньшую надежность за счет рисков потери контакта между концевыми датчиками и устройством управления.
Известно устройство для определения положения шарового крана в моторизированной запорной арматуре (Патент US 6644347B2, F16K 37/0033, опубл. 15.03.2002), содержащее датчик положения, выполненный в виде диска, неподвижно соединенный с приводом и имеющий постоянный магнит, сила и полярность которого индицирует положение шарового крана. Для определения положения шарового крана в указанном устройстве используют внешний детектор магнитного поля, указывающие на угловое положение шарового крана. К недостаткам данного изобретения следует отнести необходимость включения в состав системы управления арматурой датчик и систему регистрации силы и полярности магнитного поля, дополнительные информационные линии связи, что приводит к увеличению геометрических размеров устройства и снижает его надежность.
Известно устройство для вычисления положения клапана в моторизированной арматуре (Патент US 9534700B2, F16K 31/00 А, опубл. 01.06.2010), которое включает в себя привод клапана, корпус и электродвигатель, приводящий в движение клапан, сенсор, определяющий положение клапана и его скорость, переключатель, контролирующий напряжение на двигателе, подключенный к электрической схеме, в составе которой содержится микроконтроллер, осуществляющий сбор информации о позиции клапана, скорости его движения, информацию о рабочем напряжении электродвигателя. Устройство позволяет управлять напряжением на электродвигателе в соответствии с алгоритмом, хранимым в микроконтроллере. К недостаткам данного изобретения следует отнести необходимость включения в состав запорной арматуры датчика положения, а также систему сбора его данных при подключении проводным способом, что приводит к уменьшению надежности такой арматуры.
Известно устройство для определения состояния открыт-закрыт в моторизированной запорной арматуре (Патент CN 204062130U, F16K 31/00 А, опубл. 07.07.2014), включающее в себя мотор, редуктор, электрическую схему, пластиковый корпус, зубчатое колесо, верхнюю и нижнюю пластиковые пластины. Электрическая схема обеспечивает формирование рабочего напряжения мотора для его вращения в прямом и обратном направлении, чтение информации с верхних и нижних пластин, связанные с открытым и закрытым положением запорной арматуры, кроме того в состав схемы включается микроконтроллер, диоды, реле и GSM модуль для удаленного управления системой. К недостаткам данного изобретения следует отнести необходимость включения в состав арматуры подсистемы чтения информации о состоянии верхних и нижних пластин, а также проводной способ передачи этой информации, что влечет наличие помимо силовых проводов дополнительного информационного провода, многоточечных разъемов, что снижает общую отказоустойчивость системы за счет риска потери контакта в проводниках и наличию дополнительных механических узлов.
Прототипом данного изобретения является беспроводной преобразователь положения и способ управления запорной арматурой (патент RU 2649730C2, F15B 9/03 (2006.01), опубликовано: 11.01.2017). Беспроводной преобразователь преобразует движение или положение привода запорной арматуры в беспроводной сигнал, содержащий значение, указывающее положение привода. Преобразователь активирует беспроводной сигнал для передачи контроллеру запорной арматуры по беспроводному каналу связи, например, при помощи беспроводного протокола HART. Беспроводной канал связи является выделенным соединением между преобразователем и контроллером, причем преобразователь получает электропитание от локального подзаряжаемого устройства накопления энергии. Контроллер управляет запорной арматурой на основании значения, содержащегося в беспроводном сигнале. Преобразователь также может активировать беспроводной сигнал для передачи главному управляющему компьютеру системы управления технологическим процессом. К недостатку данного изобретения следует отнести необходимость изготовления и размещения в составе арматуры преобразователя движения в беспроводной сигнал, что приводит к увеличению геометрических размеров устройства и снижает его надежность. Кроме того, передача сигнала беспроводным способом также приводит к снижению общей отказоустойчивости запорной системы. Рассмотренный преобразователь положения может использоваться при производстве новых устройств, но он не позволяет определять положение и состояния серийно производимой моторизированной запорной арматуры.
Раскрытие изобретения
Технической задачей изобретения является создание способа, который позволяет без изменения конструкции серийно производимой моторизированной арматуры определять следующие положения ее запорного устройства: "закрыто", "открыто", "приоткрыто", а также состояния электромеханического привода типа "обрыв силовой цепи" и "короткое замыкание в силовой цепи".
Технический результат состоит в увеличении надежности работы запорных устройств, которые входят в состав систем управления подачей жидкостей и газов, а также повышение информативности при эксплуатации моторизированной запорной арматуры.
Сущность изобретения состоит в подключении к двухпроводной моторизированной арматуре через ее линии А, В измерительного устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 2 и последовательном проведении серии тестов с последующей интерпретацией результатов посредством решающих правил.
Измерительное устройство включает в себя модуль индикации положения и состояния моторизированной арматуры МИПС (1), а также преобразователи уровней ПУ1 (2) и ПУ2 (3). В функции преобразователей уровня входит защита элементов и узлов МИПС от высокого напряжения, которое может присутствовать на линиях А, В моторизированной арматуры. В состав МИПС включаются: генератор биполярных импульсов ГБИ (4), аналого-цифровые преобразователи АЦП1 (5), АЦП2 (6) и устройство управления УУ (7).
”ГБИ”
Аналого-цифровой преобразователь АЦП1 имеет цифровой выходной интерфейс 8, вход запуска 9 и аналоговый вход 10. Аналого-цифровой преобразователь АЦП2 имеет цифровой выходной интерфейс 11, вход запуска 12 и аналоговый вход 13. ГБИ представляет собой генератор измерительных импульсов положительной и отрицательной полярности амплитудой U, длительностью τ, которые выдаются на его выходы с номерами 14 и 15. Устройство управления УУ предназначено для управлением полярностью и длительностью импульсов ГБИ, запуска и считывания результатов АЦП1 и АЦП2, хранения результатов измерений, а также для интерпретации результатов. Выходы МИПС (16, 17) через преобразователи уровней ПУ и ПУ2 подключаются к точкам А и В моторизированной запорной арматуры в соответствии с фиг. 1. Для определения ее положения и состояния используется последовательность из следующих тестов:
ГБИ
1. Тест №1 представляет собой подачу измерительного прямоугольного импульса положительной полярности длительностью τ, амплитудой U на вход моторизированной арматуры А с одновременным измерением величины напряжения на ее выходе В до окончания времени τ.
”ГБИ”
Для этого УУ вырабатывает управляющий сигнал для ГБИ, который приводит к формированию измерительного импульса положительной полярности амплитудой U, длительностью τ. При этом длительность τ выбирается в соответствии с выражением 1:
где  обозначает время преобразования АЦП,  постоянную времени индуктивной составляющей электрического двигателя моторизированной запорной арматуры.
A2
Далее, УУ производит запуск АЦП2, чтение результата его преобразования до момента окончания длительности τ и запоминание его в своей оперативной памяти как величины U.
A2
В данном тесте проходят следующие процессы. При формировании ГБИ измерительного импульса, положительный потенциал возникает в точке 14 ГБИ, а отрицательный в точке 15. Формируемый при этом ток движется через ПУ1, линию А разъема, выключатель S1, электрический двигатель М (см фиг. 1), линию В разъема арматуры, ПУ2. При этом, в соответствии с фиг. 1. возможны следующие варианты величины U, фиксируемое на входе 13 АЦП2: если запорное устройство находится в положении "закрыто" (выключатель S1 разомкнут) или имеется разрыв силовой цепи, то , где  обозначает фоновый уровень шума, регистрируемый АЦП при отсутствии внешний воздействий. Если запорное устройство находится в открытом или приоткрытом положении, а также если наблюдается короткое замыкание в силовой цепи, то напряжение . Численное значение данного напряжения может быть оценено посредством выражения 2:
ПУ1
ПУ2
AB
где k - коэффициент передачи ПУ1, k - коэффициент передачи ПУ2, ΔU - величина падения напряжения при прохождении измерительного тока через моторизированную запорную арматуру.
ГБИ
”ГБИ”
A1
2. Тест №2 представляет собой подачу измерительного импульса положительной полярности, длительностью τ, амплитудой -U на вход моторизированной арматуры В с одновременным считыванием величины напряжения на ее входе А до окончания времени τ. Для этого УУ вырабатывает управляющий сигнал для ГБИ, который приводит к формированию измерительного импульса отрицательной полярности на входе А, амплитудой -U, длительностью τ, которая удовлетворяет выражению 1. Далее, УУ производит запуск АЦП1 и чтение результата его преобразования до момента окончания длительности τ и запоминание его в своей оперативной памяти как величины U.
A1
А1
В данном тесте проходят следующие процессы. При формировании ГБИ измерительного импульса отрицательной полярности, положительный потенциал возникает в точке 15 ГБИ, а отрицательный в точке 14. Формируемый при этом ток движется через ПУ2, линию В разъема арматуры, электрический двигатель М (см фиг. 1), выключатель S2, линию А, ПУ1. При этом, в соответствии с фиг. 1. возможны следующие варианты величины U, которое фиксируется на входе 10 АЦП1: если запорное устройство находится в положении "открыто" (выключатель S2 разомкнут) или имеется разрыв силовой цепи, то . Если запорное устройство находится в открытом или приоткрытом положении, а также если наблюдается короткое замыкание в силовой цепи, то напряжение . Действующее значение величины U может быть оценено с использованием выражения 2.
3. Тест 3 представляет собой последовательность действий, направленных на измерение индуктивных параметров объекта, подключенного к линиям А, В и заключается в формировании измерительного импульса длительностью τ на одном входе арматуры с измерением напряжения на ее другом входе после окончания временного промежутка τ.
”ГБИ”
d
Для этого УУ вырабатывает управляющий сигнал для ГБИ, который приводит к формированию измерительного импульса положительной или отрицательной полярности амплитудой U, длительностью τ, которая удовлетворяет выражению 1. По завершении временного промежутка τ УУ производит отключение выходов ГБИ от электрической цепи, переводя их в высокоимпедансное состояние. Далее, через временной интервал t УУ производит запуск АЦП1 или АЦП2 в зависимости от полярности подаваемого в тесте импульса, чтение результатов его преобразования и запоминание результата как значения
Если между точками А, В наблюдается разрыв цепи, то результат теста покажет значение  Если между точками А,В существует короткое замыкание, то его нулевая индуктивность также приведет к значению величины  поскольку запуск и чтение АЦП производится после окончания длительности измерительного импульса τ. Если между точками А,В подключен электрический двигатель, статор которого представляет собой катушку индуктивности, то подача напряжения длительностью τ и его снятие приведет к эффекту самоиндукции, который вызовет появление ненулевого потенциала на линиях как АЦП1, так и АЦП2.
Для подтверждения данного факта был использован эксперимент, в процессе которого к линиям А, В был подключен ряд серийно производимых моторизированных арматур, запорное устройство которых находилось в приоткрытом состоянии. Напряжение  фиксировалось с частотой дискретизации fd на апертуре временного интервала t Результаты проведенного исследования иллюстрируются на фиг 3.
d
d
d
Данные, представленные на фиг. 3 свидетельствуют, что имеется длительность величины t, которая соответствует максимальному значению амплитуды  При этом возможно автоматическое нахождение величины t с использованием программного обеспечения УУ, при котором после обнаружения факта подключения запорного устройства проводится серия тестов с различной величиной временной задержки t и определением ее величины t по максимуму величины
Решение о положении и состоянии запорного устройства моторизированной арматуры принимается на основе следующих решающих правил:
Если  то запорное устройство закрыто; (3)
Если  то запорное устройство открыто; (4)
Если  то обрыв в силовой цепи; (5)
Краткое описание чертежей
Фиг 1. Модель концевых устройств моторизированной арматуры
Фиг. 2. Структурная схема измерительного устройства, реализующего способ определения положения и состояния моторизированной запорной арматуры
Фиг. 3. Типичная форма зависимости напряжения самоиндукции от времени, отсчитываемого после окончания временного промежутка τ, соответствующему моменту перевода выходов ГБИ в высокоимпедансное состояние
Осуществление изобретения
Для осуществления предложенного способа измерения положения и состояния моторизированной арматуры производится реализация измерительного устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 2. Преобразователи уровня ПУ1 и ПУ2 могут быть реализованы на масштабирующем резистивном делителе. При этом коэффициент передачи делителя подбирается таким образом, чтобы рабочее напряжение моторизированной арматуры не вызывало повреждение узлов и элементов МИПС. В качестве МИПС может быть использован любой микроконтроллер, имеющий в своем составе линии общего назначения (GPIO), каждая из которых, в зависимости от настроек программного обеспечения, может выступать в качестве цифрового выхода и использоваться как выход ГБИ, либо аналогового входа и использоваться как вход АЦП. В качестве такого микроконтроллера может быть выбран любой представитель семейства AVR, PIC16, PIC18, STM32, ESP и другие. При этом, линия GPIO ADC1, может использоваться как линия 16 МИПС, а линия ADC2 микроконтроллера как линия 17 МИПС.
A2
Для проведения теста №1 и формирования положительного измерительного импульса линия ADC1 программируется как цифровой выход, а линия ADC2 как аналоговый вход. Далее, на линию ADC1 выставляется уровень логической единицы и через интервал времени τ с линии ADC2 производится чтение результата преобразования и сохранения как величины U.
А2
Для проведения теста №2 формируется отрицательный измерительный импульс. Для этого линия ADC1 программируется как аналоговый вход, а линия ADC2 как цифровой выход. Далее, на линию ADC2 выставляется уровень логической единицы и через интервал времени τ с линии ADC1 производится чтение результата преобразования и сохранения как величины U.
Аналогично производится осуществление теста №3 с получением численного значения , после чего с использованием решающих правил 3-7 принимается решение о положении запорного устройства моторизированной запорной арматуры и состоянии ее силовых линий.