基於高級特徵計算的智能型動態平衡電動調節閥的製作方法
2023-09-17 07:57:40 1
專利名稱：基於高級特徵計算的智能型動態平衡電動調節閥的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種閥門。更具體地說，本實用新型涉及一種基於高級特徵計算的智能型動態平衡電動調節閥。
背景技術：
在中央空調水系統管網中普遍存在著水力失調現象，管網水力不平衡易造成系統能源的浪費和設備運行噪聲的增加。採用智能型的動態平衡電動調節閥是解決複雜管網水力平衡的最佳手段。
目前大量應用的各種動態平衡型電動調節閥門(包括普通電動調節閥與機械式壓差控制閥組合而成的動態平衡電動調節閥門)，其本質上是一種具有機械自力式壓差自動控制功能的電動調節閥(或稱電動動態調節閥、或稱壓力無關型電動調節閥)，其動態平衡的原理比較簡單，即當一體型動態平衡電動調節閥或組合型動態平衡電動調節閥的兩端壓差DP＝P1-P3隨機變化時，利用壓差平衡控制器通過改變DP2＝P2-P3的差值確保DP1＝P1-P2自動恆定(壓差控制器後置式原理)。或者，利用壓差平衡控制器通過改變DP1＝P1-P2的差值確保DP2＝P2-P3自動恆定(壓差控制器前置式原理)。
對目前主導市場的某世界著名品牌部分動態平衡電動調節閥產品技術數據羅列如下1、DN25型產品，工作壓差範圍(32～320)KPa，最大控制流量0.68L/S；2、DN40型產品，工作壓差範圍(40～320)KPa，最大控制流量2.34L/S；3、DN80型產品，工作壓差範圍(35～400)KPa，最大控制流量7.06L/S；4、另一種DN80型產品，工作壓差範圍(80～400)KPa，最大控制流量9.82L/S。
經過我們的測試和研究發現，該著名品牌的動態平衡電動調節閥產品的調節特徵曲線本質上是屬於一種擬快開特性，不屬於等百分比調節特性，不具有理想的電動閥調節特性。
目前大量應用的動態平衡電動調節閥產品普遍採用彈簧機械自力式的實現原理，因而存在通流能力明顯偏小、動態工作壓差控制範圍小、應用不靈活、工作壓差起始點偏高，總體耗能偏高(由於DP＝DP1+DP2，實際使用時須以犧牲壓差控制器的壓力來維持電動調節部分的壓差恆定。顯然犧牲壓差控制器的壓力也是浪費能耗。)模擬量電動調節蝶閥因其結構簡單、製造容易、通流能力大等優點而被廣泛應用在流體流動的簡單控制。如果將高級智能特徵計算方法嵌入到智能控制器，並結合壓差傳感器、模擬量電動調節蝶閥進行高級組合一體化控制，這將是一種具有理想閥門調節特性的節能型動態平衡電動調節閥。
採用這種起始工作壓差值很低的高級智能型動態平衡電動調節閥時，空調管網水系統綜合節能效果達10％～45％。
目前公知的還沒有發現一種基於高級特徵計算與智能控制方法實現理想閥門調節特性的動態平衡型電動調節閥門。
發明內容
本實用新型的主要目的在於克服現有技術中的不足，提供一種基於高級特徵計算的智能型動態平衡電動調節閥。
為了解決上述技術問題，本實用新型是通過以下技術方案實現的本實用新型提供了一種智能型動態平衡電動調節閥，包括閥體和設於閥體中的電動調節閥組件2，所述閥體的內流道中設有孔板5，在孔板5前後的閥體壁上分別開設測壓咀7和測量咀9；壓差傳感器10通過壓力傳送管8分別與測壓咀7和測量咀9相連；高級控制器11通過電纜線13分別與壓差傳感器10和設置於電動調節閥組件2上的電動執行器14相連。
作為本實用新型的一種改進，所述孔板5通過卡裝形式放置在閥體的內流道中。
作為本實用新型的一種改進，所述閥體的內流道中設置固定板4，孔板5通過螺釘或螺栓直接裝配在固定板4上。
作為本實用新型的一種改進，所述閥體分為前閥體6和後閥體1，前閥體6、電動調節閥組件2和後閥體1通過螺栓3依次連接。
作為本實用新型的一種改進，所述電動執行器14是角行程模擬量電動執行器。
作為本實用新型的一種改進，所述壓力傳送管8是銅管。
作為本實用新型的一種改進，所述電動調節閥組件2是電動調節蝶閥組件。
作為本實用新型的一種改進，所述閥體可以是等直徑的筒體或變直徑的筒體。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果是通過採用基於高級特徵計算的電動閥控制方法，模擬量電動執行器將蝶閥組件中的閥體打開時，水從前閥體的流道入口流入，流經孔板後通過繞流蝶閥的閥體，最後從後閥體的流道出口流出。孔板的兩端設置測壓咀，用於測量孔板的動態壓差。
利用高級控制器的數據採集功能讀入外部閥位行程(即外部輸入的標準控制電信號開度值作為外部設定值)(1)對於間接流量動態平衡控制方法，利用高級特徵計算公式獲得出孔板兩端的動態工作壓差設定值，當孔板兩端的動態工作壓差測量值與該設定值發生偏差時，利用PID控制算法調節模擬量電動蝶閥的開度，控制孔板兩端的工作壓差恆定在某動態設定值(這是一種通過外部模擬輸入方式給定的動態壓差設定值)，從而間接實現了高精度的動態流量平衡；(2)對於直接流量動態平衡控制方法，採用高級特徵計算公式獲得孔板的動態工作流量設定值，當孔板的動態工作流量測量值(利用動態工作壓差測量值與孔板的面積換算即可得到流量的測量值)與動態工作流量設定值發生偏差時，利用PID控制算法直接調節模擬量電動蝶閥的開度，控制孔板流量高精度自動恆定在某個動態設定值(這是一種動態可變的通過外部模擬輸入方式給定的流量設定值)，從而直接實現了動態流量的平衡。
本實用新型的智能型動態平衡電動調節閥具有理想的閥門調節特性，且結構工藝簡單、工作壓差起始值小、通流能力大、使用壽命長、製造成本低廉，適合小批量多品種生產。當應用於空調、供熱管網水系統時其綜合節能效果十分明顯。
本實用新型的智能型動態平衡電動調節閥還可以廣泛應用於各種流體流動的智能控制，如可拓展到智能流量控制閥、智能壓差控制閥的應用。
圖1是本實用新型實施例中動態平衡電動調節閥局部剖視結構示意與裝配圖。
圖例中符號1後閥體、2電動調節閥組件、3連接螺栓、4固定板、5孔板、6前閥體、7測壓咀、8壓力傳送管、9測壓咀、10壓差傳感器、11高級控制器、12接線端子、13電纜線、14模擬量電動執行器。
具體實施方式
參考附圖1，下面將對本實用新型進行詳細描述。
圖中給出了一種智能型動態平衡電動調節閥，包括電動調節閥組件2和與電動調節蝶閥組件2相連的角行程模擬量電動執行器14，用以實施蝶閥的模擬量調節。前閥體6、電動調節蝶閥組件2、後閥體1依次連接，通過螺栓3連接配裝成一體。電動調節閥組件2可以採用電動蝶閥組件，閥體可以是等直徑的筒體或變直徑的筒體，模擬量電動執行器14可以是角行程模擬量電動執行器。
所述前閥體6的內流道有內置孔板5，通過螺釘或螺栓直接配裝在前閥體6內的固定板4上，或者通過卡裝形式放置在前閥體6的內流道中。前閥體6的壁上開設測壓咀9和測壓咀7，通過壓力傳送管8連接到壓差傳感器10的高壓端和低壓端，用以測量內置孔板5的兩端壓差。壓力傳送管8可以採用銅管。
模擬量電動執行器14配裝在電動調節蝶閥組件2上。壓差傳感器10、高級控制器11、模擬量電動執行器14通過電纜線13依次連接。
壓差傳感器10、高級控制器11、模擬量電動執行器14和電動調節蝶閥組件2共同構成了孔板壓差自動平衡裝置。
所述的高級控制器11是一個通用的PID控制器產品，內嵌入或者下載「一種基於智能特徵計算方法實現理想調節特性的控制算法」而實現的高級程序。利用該程序，高級控制器11輸出標準控制信號通過電纜線13直接調節模擬量電動執行器14，通過調節電動蝶閥的開度實現前閥體6內的孔板5平衡動態流量控制。所述的間接流量動態平衡控制算法屬於壓差直接平衡方法，所述的直接流量動態平衡控制算法屬於流量直接平衡方法。這是一種典型的屬於壓力無關型的電子式動態流量平衡方法。
對於本實用新型的智能型動態平衡電動調節閥，可以引入一個調節閥閥位行程的「虛擬變量」x(即前文所述的外部閥位行程)，它即對應於外部輸入的標準模擬電信號。例如0～10VDC信號表示範圍x∈[0，10]、4～20mA信號表示x∈[4，20]。
不妨假設動態平衡電動調節閥的無量綱閥位行程變量X、無量綱流量Q、無量綱壓差ΔP，顯然可對它們進行單位化定義X∈[0，1]、Q∈[0，1]、ΔP∈[0，1]所述的無量綱的外部閥位行程X是一個由外部輸入標準電信號進行單位化的無量綱值，例如對於0～10VDC信號，取X＝x/10。
由於調節閥的無量綱相對流量係數KVS＝1，所以有公式
或者ΔP＝Q2(2)(1)對於線性調節特性Q＝X，ΔP＝X2(3)(2)對於等百分比調節特性(R常數，需單獨給定)Q＝RX-1，ΔP＝R2·(X-1)(4)對於公式(4)當然也可以採用近似計算擬合公式ΔP＝f(x)＝y，對於部分R值的具體擬合公式如下R＝5時y＝1.014271057x4-.7317960344x3+.6015181377x2+.07302617232x+.04132977829 (4-1)R＝10時y＝2.416996777x4-2.613022197x3+1.304141675x2-.1281689068x+.01426559837 (4-2)R＝15時y＝3.390010414x4-4.078431771x3+1.916685397x2-.2491610138x+.01122567749 (4-3)R＝20時
y＝4.107296555x4-5.209957153x3+2.416680491x2-.3384355394x+.01135043900 (4-4)R＝25時y＝3.797706268x4-4.619538998x3+2.030543465x2-.2718329091x+.008173257454 (4-5)R＝40時y＝5.823169698x4-8.043518449x3+3.744522919x2-.5624232324x+.01510551247 (4-6)R＝50時y＝6.352804210x4-8.947171380x3+4.186310098x2-.6356160351x+.01680504889(4-7)(3)對於拋物線調節特性Q＝X2，ΔP＝X4(5)顯然，公式(3)～公式(5)就是實現閥門理想調節特性的無量綱高級特徵計算公式，其中公式(4)也可以採用近似擬合公式進行描述。
模擬量電動執行器14將模擬量電動閥組件2中的閥體打開時，水從前閥體6流道入口流入，流經孔板5後通過繞流蝶閥閥體，最後從後閥體1的流道出口流出。孔板5的兩端設置測壓咀7和測壓咀9，用於測量孔板的兩端壓差。
所述的高級控制器11既可以採用具有高級數學函數計算功能和實現PID控制算法的通用型高級控制器產品，也可以專門開發高級控制器產品。所述高級控制器11還包括一些標準I/O接線端子12。例如可選SIENENS公司的S7-200通用PLC產品並用STEP7進行高級編程實現。
當外部閥位行程的電信號x給定時(即外部輸入閥位設定值)，對應的無量綱閥位行程X也即給定(一)基於間接流量動態平衡算法的工作原理利用無量綱的高級特徵計算公式(3)或公式(4)、或公式(5)容易計算出無量綱壓差ΔP的設定值。通過換算自然給定了有量綱的孔板兩端的動態工作壓差設定值(這是一種動態的設定值，即設定值隨外部輸入信號而改變)。當孔板5兩端的動態工作壓差測量值與動態工作壓差設定值發生偏差時，利用高級控制器11的內置PID控制算法通過改變電動調節蝶閥的開度實現孔板5的壓差自動恆定在某動態設定值，從而間接實現了高精度動態流量的平衡。
(二)基於直接流量動態平衡算法的工作原理利用無量綱的高級特徵計算公式(3)或公式(4)、或公式(5)容易計算出無量綱流量Q的設定值。通過換算自然給定了有量綱的孔板兩端的動態工作流量設定值(這是一種動態的流量設定值，即設定值隨外部輸入信號而改變)。當孔板5兩端動態工作流量的測量值(利用動態壓差測量值與孔板面積實現間接的流量測量)與動態工作流量設定值發生偏差時，利用高級控制器11的內置PID控制算法通過改變電動調節蝶閥的開度，直接實現了孔板5的流量自動恆定在某動態設定值，即動態流量平衡。
本實用新型的智能型動態平衡電動調節閥高級特徵計算與控制流程如下(一)基於間接流量動態平衡控制方法包括以下步驟(1)在可實現高級數學函數計算和PID控制算法的通用型高級控制器中設定閥門的動態工作壓差最大值；(2)根據閥門的動態工作壓差最大值和孔板面積設定動態工作流量最大值；(3)設定閥門的理想調節特性為線性調節特性、等百分比調節特性或拋物線調節特性其中任意一種；(4)高級控制器對外部輸入的標準模擬電信號進行數據採樣，讀入外部閥位行程的值；(5)將外部閥位行程標準模擬電信號轉換成無量綱的閥位行程；(6)根據閥門理想調節特性獲取無量綱的動態工作壓差設定值，並轉換成有量綱的動態工作壓差設定值；(7)將有量綱的動態工作壓差的測量值與設定值進行比較，根據PID控制運算結果調節模擬量電動調節蝶閥的開度。
(二)基於直接流量動態平衡控制方法包括以下步驟(1)在可實現高級數學函數計算和PID控制算法的通用型高級控制器中設定閥門的動態工作流量最大值；(2)根據閥門的動態工作流量最大值和孔板面積設定動態工作壓差最大值；
(3)設定閥門的理想調節特性為線性調節特性、等百分比調節特性或拋物線調節特性其中任意一種；(4)高級控制器對外部輸入的標準模擬電信號進行數據採樣，讀入外部閥位行程的值；(5)將外部閥位行程標準模擬電信號轉換成無量綱的閥位行程；(6)根據閥門理想調節特性獲取無量綱的動態工作流量設定值，並轉換成有量綱的動態工作流量設定值；(7)利用孔板面積和有量綱的動態工作壓差測量值獲取有量綱的動態工作流量測量值並與設定值進行比較，根據PID控制運算結果調節模擬量電動調節蝶閥的開度。
本實用新型的智能型動態平衡電動調節閥具體舉例如下對於某DN80的本實用新型智能型動態平衡電動調節閥產品，設計工作壓差範圍(16～600)KPa，孔板設計面積2620mm2，動態工作流量最大控制值32m3/h。如果選用公式(4)實現理想的等百分比調節特性(取R＝50)，則對應的外部設定相對外部閥位值、壓差、控制流量數據如下表所示
相對外部閥位與標準電信號的對應關係如下表
對應同樣的孔板，只需要更換控制器的特徵計算公式，還可以實現線性調節特性、或者拋物線調節特性，且這些理想調節特性均屬於壓力無關型的。
顯然，上述表格中的工作壓差起始值才16kPa，而動態工作流量最大控制值可達到32m3/h，整體技術數據明顯優於目前進口品牌的機械型動態平衡電動調節閥。
顯然，本實用新型不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種基於高級特徵計算的智能型動態平衡電動調節閥，包括閥體和設於閥體中的電動調節閥組件(2)，其特徵在於所述閥體的內流道中設有孔板(5)，在孔板(5)前後的閥體壁上分別開設測壓咀(7)和測量咀(9)；壓差傳感器(10)通過壓力傳送管(8)分別與測壓咀(7)和測量咀(9)相連；高級控制器(11)通過電纜線(13)分別與壓差傳感器(10)和設置於電動調節閥組件(2)上的電動執行器(14)相連。
2.根據權利要求1所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述孔板(5)通過卡裝形式放置在閥體的內流道中。
3.根據權利要求1所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述閥體的內流道中設置固定板(4)，孔板(5)通過螺釘或螺栓直接裝配在固定板(4)上。
4.根據權利要求1所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述閥體分為前閥體(6)和後閥體(1)，前閥體(6)、電動調節閥組件(2)和後閥體(1)通過螺栓(3)依次連接。
5.根據權利要求1所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述電動執行器(14)是角行程模擬量電動執行器。
6.根據權利要求1所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述壓力傳送管(8)是銅管。
7.根據權利要求1所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述電動調節閥組件(2)是電動調節蝶閥組件。
8.根據權利要求1所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述閥體可以是等直徑的筒體或變直徑的筒體。
專利摘要本實用新型公開了一種閥門，旨在提供一種基於高級特徵計算的智能型動態平衡電動調節閥。包括閥體和設於閥體中的電動調節閥組件，閥體的內流道中設有孔板，在孔板前後的閥體壁上分別開設測壓咀和測量咀；壓差傳感器通過壓力傳送管分別與測壓咀和測量咀相連；高級控制器通過電纜線分別與壓差傳感器和設置於電動調節閥組件上的電動執行器相連。本實用新型的智能型動態平衡電動調節閥具體理想的閥門調節特性，且結構工藝簡單、工作壓差起始值小、通流能力大、使用壽命長、製造成本低廉，適合小批量多品種生產。當應用於空調、供熱管網水系統時其綜合節能效果十分明顯。
文檔編號F16K31/04GK2903614SQ200620102458
公開日2007年5月23日 申請日期2006年4月7日 優先權日2006年4月7日
發明者沈新榮 申請人:沈新榮