一种电动阀门装置

技术领域

本发明涉及阀门装置，尤其涉及一种电动阀门装置。

背景技术

在本发明产生以前，工业中对流体的控制，最先进的自动化控制系统 多采用如图1所示的FCS-现场总线系统(FCS：Facility Control System， 设备控制系统)，其最简单的结构是由操作管理终端101、FCS控制器102、 通信网络103、通信网络104、RTU 105(RTU：Remote Terminal Unit远程 终端设备)、RTU 107、传感器106、电动阀门驱动装置108和电动阀门109 组成。其工作过程是：传感器106将采集到的流体的温度、压力、流量等 信息变成电流或电压信号，该信号通过RTU 105变换成可在通信网络上传 输的数字信号，再通过通信网络103，送入FCS控制器102，FCS控制器102 将该信息处理后一方面将处理后的信息上报操作管理终端101，一方面自动 地(或在操作管理终端101的指令下)生成对相应的阀门109的控制命令， 该控制命令通过通信网络104，传送到相应的RTU 107，RTU 107将该命令 转换成电动阀门驱动装置108可识别的控制信号，命令相应的电动阀门驱 动装置108工作，电动阀门驱动装置108将相应的RTU 107送来的命令转 换成电压或电流驱动电动阀门109进行开或关动作。

FCS智能工业控制系统固然是当今最先进的智能工业控制系统，但由图 1和前面所述的工作过程可以看出，其在对流体的控制中还存在以下不足和 缺陷：

1、控制系统结构复杂，在对流体的控制系统中，除检测流体参数的传 感器和对流体进行控制的电动阀门外，还大量存在不同种类的RTU、电动阀 门驱动装置、控制器、操作管理终端、通信网络等不必要或不十分必要的 设备。

2、系统设备种类多、数量大，一只连接传感器的RTU 105，通常只能 连接2～3只同一种类的传感器，连接电动阀门驱动装置的RTU 107通常 只能连接一台电动阀门驱动装置，且两种RTU不通用。实际应用中往往因 传感器的种类不同、通信网络不同、RTU的种类或型号也会多种多样，且其 数量随着传感器数量的增加而增加，电动阀门驱动装置也同RTU一样因电 动阀门的不同而不同，也随着电动阀门数量的增加而增加。

3、系统造价高，一只RTU地价格通常是小型电动阀门价格的几倍乃至 十几倍，一套FCS控制系统造价往往是数十万乃至数百万，是传感器和电 动阀门价格的数十倍。

4、信息流程环节多系统可靠性低：信息从传感器到电动阀门至少要经 过5个中间环节，任何环节出现故障，都将影响系统的正常工作，在实际 应用中为了增加可靠性往往采用备份系统，增加了系统造价。

5、控制过于集中，安全风险大。系统严重依赖于FCS控制器或操作管 理终端，一旦FCS控制器或管理操作终端出现问题，将导致系统崩溃。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种具有远距离通信功能，可外接压力、 温度等传感器，并可自动根据传感器监测到的流体的温度、压力、流量以 及时间等参数来控制流体，集电动阀门驱动及监测和智能化管理控制于一 体的多功能的电动阀门装置。

本发明采用的技术方案是：将控制单元、通信接口、电动阀门驱动监 测单元结合在一起，并安装于与本发明电动阀门装置的阀体结合在一起的 保护罩内，将通信技术、计算机技术、传感器技术与电动阀门技术结合在 一起，即在电动阀门上设置通信接口、传感器接口、电动阀门驱动电路、 阀门开度检测装置并将单片机或微处理器、CPU等作为控制单元，在控制 单元上安装单片机软件或其它控制软件，且将上述装置、设备或电路全部 安装于与本发明电动阀门装置的阀体结合在一起的保护罩内，使作为一个 独立个体的阀门具有通信能力、流体参数检测能力和对流体的自动控制能 力，从而达到简化控制系统结构、提高控制系统安全性、降低控制系统造 价的目的。

本发明的电动阀门装置包括：控制单元、通信接口、电动阀门驱动监 测单元，所述控制单元、所述通信接口、所述电动阀门驱动监测单元均安 装于与本发明电动阀门装置的阀体结合在一起的保护罩内，其中：

所述控制单元是作为本发明电动阀门装置的指挥控制中心，用于对所 述通信接口、对所述电动阀门驱动监测单元、通过所述电动阀门驱动监测 单元对本发明电动阀门装置的阀门进行驱动和监测；

所述通信接口是作为所述控制单元与外部环境之间的信号传输通道， 用于接收外部输入的信号并将该信号传递给所述控制单元，也用于将所述 控制单元所传来的信号发送给外部；

所述电动阀门驱动监测单元用于接收所述控制单元输出的旨在操控所 述阀门的信号并根据该信号产生操控所述阀门的开关动作，检测所述阀门 的开度并将所得信息反馈给所述控制单元。

本发明的电动阀门装置还包括传感器接入端口，用于接收外部传感器 所传来的信号并将该信号传递给所述的控制单元，所述控制单元可以接收 所述传感器接入端口所传来的信号并对所述传感器接入端口实施监测和控 制，所述传感器接入端口也安装于所述的保护罩内。

本发明的电动阀门装置的通信接口可以是CAN BUS通信接口、MOD BUS通信接口、PROFIBUS通信接口、485通信接口、TCP/IP通信接口或 其他串行通信接口。

本发明的电动阀门装置的通信接口、传感器接入端口外接输出为电流 类型的传感器或/和外接输出为电压类型的传感器。

本发明的电动阀门装置的电动阀门驱动监测单元包括电动阀门驱动电 路、阀门开度检测装置、电动机及减速传动装置，其中：

所述电动阀门驱动电路用于接收所述控制单元输出的旨在操控所述电 动机的信号并根据该信号产生操控所述电动机的开关动作；

所述阀门开度检测装置用于检测所述阀门的开度并将所得信息反馈给 所述控制单元；

所述电动机能够在所述控制单元并经由所述电动阀门驱动电路的指挥 控制下通过所述减速传动装置实现对本发明电动阀门装置的阀芯出轴进行 驱动及控制从而实现对所述阀门进行驱动及控制；

所述减速传动装置用于将所述电动机所输出的驱动力传送给所述的阀 芯出轴。

本发明的电动阀门装置的电动阀门驱动电路包括：缓冲电路、检测保 护电路、数个光电耦合器组成的隔离电路以及数个双向可控硅组成的开关 电路，其中：

所述缓冲电路，用于将所述控制单元传来的信号进行缓冲加强后驱动 隔离电路；

所述隔离电路，用于接收所述缓冲电路的操控而驱动所述的开关电路；

所述开关电路，用于接收所述隔离电路的操控而对所述电动机进行开、 关、正转、反转的操作；

所述检测保护电路，用于检测所述电动机的运行情况，并将所得信息 反馈给所述控制单元。

本发明技术方案的优点和积极效果是：结构简单，集多种功能于一体， 设备种类和数量少；可以减少信息流程环节，提高系统的可靠性；不再完 全依赖于上位控制系统的控制，从而降低对上位控制系统的要求或可取消 上位控制系统，降低系统造价；当上位控制系统出现故障，不会造成系统 崩溃，提高系统可靠性；不再依赖于外接的RTU和外接的阀门驱动装置，简 化系统结构，降低系统造价；可以取消专用的流体参数检测系统和流体检 测网络，降低系统造价。

附图说明

图1为现有技术的FCS-现场总线系统结构示意图；

图2为本发明电动阀门装置的结构示意图；

图3为本发明电动阀门装置的智能控制电路示意图；

图4为本发明电动阀门装置的通信接口电路示意图；

图5为本发明电动阀门装置的传感器接口电路示意图；

图6为本发明电动阀门装置的阀门开度检测电路示意图；

图7为本发明电动阀门装置的阀门开度检测装置结构示意图；

图8为本发明电动阀门装置的电动阀门驱动电路示意图；

图9为本发明电动阀门装置的应用实例一的结构示意图；

图10为本发明电动阀门装置的应用实例二的结构示意图；

图11为本发明电动阀门装置的实施例结构方框图。

附图标号简要说明：

图1中：101.操作管理终端，102.FCS控制器，103.通信网络，104. 通信网络，105.RTU，106.传感器，107.RTU，108.电动阀门驱动装置， 109.电动阀门。

图2中：1.阀体，2.电动机，3.减速传动装置，4.智能控制电路板，5. 阀门开度检测装置，6.保护罩，7.固定螺栓，8.阀芯出轴；

图3中：301.STC89C516AD单片机，302.通信接口，303.阀门开度检 测电路，5.阀门开度检测装置，304.电动阀门驱动电路，305、306、307.传 感器接入端口(或简称传感器接口)；

图4中：301.STC89C516AD单片机，302.通信接口，402.SJA100 CAN 通信协议专用芯片，403.PCA82C00收发器专用芯片，A.B.为对外通信连 接线；

图5中：301.STC89C516AD单片机，305.传感器接入端口，502.传 感器接入端口电路(传感器输入滤波缓冲电路)，此电路为常用单片机A/D 转换接口电路，元件参数不再详标；

图6中：301.单片机，303.阀门开度检测电路，702.发光二极管，703. 光敏双三极管，此电路为计算机鼠标通用电路，元器件参数不再详标；

图7中：8.阀芯出轴，702.发光二极管，703.光敏双三极管，704.栅 盘，705.栅挡，706.栅孔，其中发光二极管、光敏双三极管参见图6说明；

图8中：301.单片机，304.电动阀门驱动电路，802.单片机输出缓冲 电路，803.检测保护电路，Q1～Q5为可控硅输出型光电耦合器，BT1～BT5 为双向可控硅，本电路为常用单片机驱动电路，元器件参数不再详标；

图9中：901.本发明电动阀门装置，902.压力传感器；

图10中：1001.操作管理终端，1002.本发明电动阀门装置，1003.通 信网络。

图11中：1101.控制单元，1102.电动阀门驱动监测单元，301.单片 机，302.通信接口，303.阀门开度检测电路，304.电动阀门驱动电路，305、 306、307.传感器接入端口，2.电动机，3.减速传动装置，5.阀门开度检测 装置，8.阀芯出轴。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员充分了解本发明的目的、特征及功效，现 通过下述具体实施例，并配合附图，对本发明做一详细说明。

参见图2。本发明由阀体1、电动机2、减速传动装置3、智能控制电 路板4、阀门开度检测装置5和保护罩6组成。其中电动机2、减速传动装 置3、智能控制电路板4、阀门开度检测装置5密封于保护罩6内，保护罩 6和阀体1用固定螺栓7结合在一起。其中，智能控制电路板4上布设有作 为控制单元的单片机301、通信接口302、阀门开度检测电路303的一部分、 电动阀门驱动电路304、传感器接入端口305、传感器接入端口306和传感 器接入端口307。除了单片机可以作为控制单元外，微处理器、CPU等也可 以作为控制单元。控制单元是可编程的。阀门开度检测装置5、电动阀门驱 动电路304、电动机2、减速传动装置3共同组成了电动阀门驱动监测单元 1102，参见图11。本发明除了可以采用普通电动机驱动外，也可以采用步 进电机驱动。

智能控制电路板4上智能控制电路的构成如图3所示：由单片机301、 通信接口302、阀门开度检测电路303、电动阀门驱动电路304、传感器接 入端口305、传感器接入端口306和传感器接入端口307所构成，在该实施 例中，控制单元由单片机301担当。其中，阀门开度检测电路303是阀门 开度检测装置5的一部分。阀门开度检测电路303中的发光二极管702、光 敏双三极管703并非布设在智能控制电路板4上而是布设在阀门开度检测 装置5的栅盘边缘上，参见图7。

作为控制单元的单片机301采用工业级单片机STC89C516AD，内置通信 协议程序、传感器信号及数据处理程序、阀门控制程序、阀门开度检测程 序、计时程序，并实施对通信接口302、对阀门开度检测电路303及阀门开 度检测装置5、对电动阀门驱动电路304、对传感器接入端口305、306、307 的监测和控制。

通信接口302电路如图4所示，图中包括作为控制单元的单片机301 (与图3中STC89C516AD单片机301是同一个单片机。以下所述中和图示 中所指的单片机均是指图3中所示单片机301)、SJA100 CAN通信协议专 用芯片402、PCA82C00收发器专用芯片403。其中A、B为对外通信连接线， 可作为与上位控制机构的通信使用，也可作为连接智能仪表(如数字式水 表等)或智能传感器(如数字流量计等)使用。当作为控制单元的单片机 301有信息需要对外发送时，将该信息送入SJA100 CAN通信协议专用芯片 402，由SJA100 CAN通信协议专用芯片402按照CAN通信协议格式将该信 息进行转换后，通过PCA82C00收发器专用芯片403发送到A、B通信线上。 当PCA82C00收发器专用芯片403收到A、B通信线上传来的信息时，将该 信息送入SJA100 CAN通信协议专用芯片402进行协议转换后，送入作为 控制单元的单片机301。本通信接口电路非本发明所新创，且已大量应用， 故不再对其详细结构和详细工作原理进行叙述。除了上述通信接口外，还 可以选择MOD BUS通信接口、PROFIBUS通信接口、485通信接口、TCP/IP 通信接口或其他串行通信接口。

传感器接口(传感器接入端口)305电路如图5所示，图中包括作为控 制单元的单片机301与虚线框内电路502，图中接线端子“+”、“-”、“A” 接外部传感器，从传感器来的电压信号(或电流信号)经过R8和C1组成 的RC滤波电路滤波、缓冲器U缓冲，送入作为控制单元的单片机301的A/D 转换输入端口P1.0，单片机301将该信号转换成数据。其中电阻R0、R1、 R2与R8组成抗匹配器，可对传感器进行250Ω、500Ω、1KΩ和10KΩ阻抗 匹配；电阻R8与电阻R3、R4、R5组成信号衰减器，可对传感器输入的信 号进行0、1/2、1/4、1/8衰减。

传感器接口306和传感器接口307的接口电路与传感器接口305电路 相同，在此不再累述，其信号分别送入单片机301的A/D转换输入端口P1.1 和P1.2。

传感器接口305、传感器接口306和传感器接口307均可外接以电压、 电流为输出的传感器，如：压力传感器、温度传感器、液位传感器等。

阀门开度检测装置5如图7所示，由阀芯出轴8、栅盘704、发光二极 管702、光敏双三极管703及相应的电路所组成。其中，发光二极管702、 光敏双三极管703及相应的电路组成了阀门开度检测电路303，参见图6。 栅盘704的构造如图7中的AA’剖面图所示，栅盘边缘有栅孔706、和栅 档705。阀门开度检测装置5连同其中的阀门开度检测电路303，可检测阀 门的开度。阀门开度检测电路303，如图6所示，图中包括作为控制单元的 单片机301、发光二极管702(与阀门开度检测装置5中的发光二极管702 是同一只发光二极管)和光敏双三极管703(与阀门开度检测装置5中的光 敏双三极管703是同一只光敏双三极管)以及外围电阻R1、R2、R3组成， 其中发光二极管702和光敏双三极管703安装在栅盘704两侧如图7中的 702和703所示。发光二极管702和光敏双三极管703以及外围电阻R1、 R2、R3共同组成了阀门开度检测电路303，参见图6。除了发光二极管702 和光敏双三极管703安装在栅盘704两侧外，阀门开度检测电路303的其 余电子元器件通常安装在智能控制电路板4上。

阀门开度检测装置5和阀门开度检测电路303检测阀门开度的原理是： 发光二极管702发出的光，穿过栅盘704的栅孔706照射在光敏双三极管 703上，光敏双三极管703中的两只光敏三极管均导通，电源VCC的电流在 电阻R1、R2上产生电压，R1、R2上的电压分别送入单片机301的P2.0和 P2.1端口；当阀门阀体1的阀芯出轴8带动阀芯旋转时，同时也带动栅盘 704转动，随着栅盘704的转动，栅盘的栅档705会先后遮住发光二极管 702照射到光敏双三极管703中两个光敏三极管上的光，光敏双三极管703 中的两个光敏三极管也相应先后截止，电阻R1、R2上的电压也先后消失， 单片机301的P2.0和P2.1端口上的信号也先后消失；随着栅盘704的旋 转，当下一个栅孔706移动到发光二极管702和光敏双三极管703的位置 时，光敏双三极管703中两个光敏三极管会先后接收到发光二极管702发 出的光，电源VCC的电流也先后重新在电阻R1、R2上产生电压，单片机301 的P2.0和P2.1端口也先后重新得到信号，此时栅盘704转过一个栅档。 随着阀芯出轴8带动阀芯和栅盘不停的转动，栅盘的栅孔和栅档不停的移 过发光二极管和光敏双三极管，送入作为控制单元的单片机301端口P2.0 和P2.1的信号也会不停地变化，作为控制单元的单片机301通过检测P2.0 和P2.1端口上信号的变化次数，就可计算出阀门的开度，由于单片机301 P2.0和P2.1端口上信号的变化有先后顺序，所以单片机301可以通过检测 P2.0和P2.1端口上信号变化的先后顺序，来判别阀门是正在开还是正在关。

电动阀门驱动电路304位于智能控制电路板4上，其结构如图8所示， 图中包括作为控制单元的单片机301、虚线框内的缓冲电路802、虚线框内 的检测保护电路803、光电耦合器Q1～Q5组成的隔离电路和双向可控硅B T1～BT5组成的开关电路，其中，检测保护电路803还含有热继电器 FR。图中A、B、C分别外接三相交流电的A相、B相、C相，A′、B′、 C′接电动阀门的电动机。该电路的工作原理是：作为控制单元的单片机 301从P2.3输出控制信号，该信号经U1、U2、U3和R1、R2、R3组成的缓 冲电路，将该信号进行缓冲加强后，分别驱动光电耦合器Q1、Q2、Q3，光 电耦合器Q1、Q2、Q3分别驱动双向可控硅BT1、BT2、BT3导通，双向可控 硅BT1、BT2、BT3分别将A A′、B B′、C C′接通，电动机工作；当电 动机需要反转时，单片机301从P2.2输出信号，该信号经U1、U4、U5和 R1、R4、R5组成的缓冲电路，将该信号进行缓冲加强后，分别驱动光电耦 合器Q1、Q4、Q5，光电耦合器Q1、Q4、Q5分别驱动双向可控硅BT1、BT4、 BT5导通，双向可控硅BT1、BT5、BT4分别将A A′、B C′、C B′接通， 电动机反转。虚线框内的检测保护电路803的工作原理是：以BT1相关电 路为例：当A A′有交流电流通过时，在交流互感器T1上感应出交流电流 信号，该电流信号在电阻R11上产生交流电压信号，电阻R11上产生的交 流电压信号，经二极管D7整流后，再经R9、R10组成的分压电路分压后送 入作为控制单元的单片机301的AD转换电路端口P1.3，单片机301通过检 测AD转换电路端口P1.3上信号的大小，来判断流过A A′的电流是否正常， 如流过A A′中的电流不正常，单片机301取消P2.2或P2.3上的输出信号， 双向可控硅BT1关断，A A′无电流通过。电路中二极管D1、D4组成钳位电 路，防止因流过A A′的电流不正常引起经R9、R10分压后的电压信号过大， 导致单片机301损坏；电阻R8是用来防止来自R9、R10分压后信号的电 流过大。与T2、T3相关的电路工作原理与此相同，不再累述。当流过A A′、 B B′、C C′的电流过大而该电路或单片机又工作异常时，流过A A′、B B′、C C′的电流会导致热继电器FR因发热而断开，而切断从A、B、C 流向A′、B′、C′的电流，从而保护电动机不会被损坏。

减速传动装置3由齿轮组组成，完成电动机2与阀芯出轴8之间的动 力传递，该装置非本发明所新创，且已广泛应用在电动阀门上，在此不再 累述。

参见图11，本发明的基本工作原理是：传感器将所检测到的流体的参 数信息通过传感器接入端口305、306或307送入作为控制单元1101的单 片机301，或作为上位机的远程操作管理终端通过通信接口302将操作参数 信息送入作为控制单元1101的单片机301，单片机301根据该信息和预先 编好的程序，自动生成电动阀门的控制命令，并将该命令送入电动阀门驱 动电路304，电动阀门驱动电路304驱动电动机2工作，电动机2通过减速 传动装置3带动阀芯出轴8转动而带动阀芯转动从而实现对阀门进行开关 操作，同时作为控制单元1101的单片机301通过阀门开度检测电路303和 阀门开度检测装置5实时地检测阀门开度，当阀门的开度符合要求时，单 片机301发出停止运行命令，电动机2停止运行，阀门停止开关操作，在 本发明阀门装置与远程操作管理终端存在联系时，作为控制单元1101的单 片机301也将通过通信接口302将操作状态及时反馈给远程操作管理终端， 如果本发明阀门装置与智能仪表(如数字式水表或数字流量计等)存在联 系，作为控制单元1101的单片机301也会通过通信接口302将状态参数及 时反馈给它们。图中，阀门开度检测装置5、电动阀门驱动电路304、电动 机2、减速传动装置3共同组成了电动阀门驱动监测单元1102。

当本发明与上位机及通信网络组成大型控制系统时，本发明的作为控 制单元的单片机301可以将传感器检测到的流体参数数据、阀门开度检测 电路303和开度检测装置5检测到的阀门开度数据以及其它数据，通过本 发明的通信接口302经由控制系统的通信网络传送到上位机。当本发明的 单片机301通过本发明阀门装置的通信接口302，接收到来自上位机的命令 时，单片机301可以通过电动阀门驱动电路304、电动机2、减速传动装置 3来控制阀门的开关操作，和执行其他命令。控制单元1101可以是单片机， 也可以是微处理器或CPU。

由于作为控制单元的单片机是可编程的，通过改变单片机的程序，本 发明可以具有多种功能。

应用实例一

如图9所示，在供水系统中，因用水量的不确定性，常常导致用水侧 水压不稳，当本发明901内部的单片机301通过压力传感器902检测到用 水侧水压变化时，单片机301根据预先编制好的程序，自动地通过电动阀 门驱动电路304、电动机2、减速传动装置3、阀门开度检测电路303和阀 门开度检测装置5调整阀门的开度，从而使用水侧水压趋于平稳。

应用实例二

如图10所示：由多个本发明1002，通过通信网络1003接入操作管理 终端1001，组成大规模集散智能控制系统。本发明的单片机301可以将传 感器检测到的流体参数数据、阀门开度检测电路303和阀门开度检测装置5 检测到的阀门开度数据以及其它数据，通过本发明的通信接口302经由控 制系统的通信网络1003传送到上位机。当本发明的单片机301通过通信接 口302，接收到来自上位机的命令时，单片机301可以通过电动阀门驱动电 路304、电动机2、减速传动装置3来控制阀门的开关操作，和执行其他命 令。

通过上述实施例可以看出，本发明技术方案的优点和效果是明显的： 结构简单，集多种功能于一体，且本发明技术方案的所有装置、电路均安 装于与本发明电动阀门装置的阀体结合在一起的保护罩内，使本发明电动 阀门装置成为一个独立的具有通信能力的智能化的多功能电动阀门装置， 如果利用多个本发明电动阀门装置结合上位机组成阀门系统，则更能显示 其系统结构简单、成本低、可靠、易于管理的优点。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施方式，应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改 变，这些改变也应视为本发明的保护范围。