УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОЛЕНОИДНЫХ КЛАПАНОВ Российский патент 2021 года по МПК H01F7/18 G01R31/00 F16K37/00 

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству диагностики соленоидных клапанов.

[0002] Согласно фиг. 1, соленоидный клапан 1, как правило, состоит из электромагнита 10 и корпуса 12 клапана, в котором выполнено одно или несколько отверстий.

[0003] Электромагнит 10 содержит соленоид 102, в котором расположен подвижный сердечник 104, выполненный из ферромагнитного материала. Поток текучей среды, например, сжатого воздуха, подаваемый через отверстие соленоидного клапана, блокируется или пропускается подвижным сердечником 104 при подаче или при отключении полачи электропитание на соленоид.

[0004] При подаче на соленоид 102 электропитания, подвижный сердечник 104 открывает отверстие нормально закрытого (НЗ) клапана или закрывает отверстие нормально открытого (НО) клапана. При отключении подачи электропитания на соленоид пружина 106 возвращает сердечник в исходное положение.

[0005] Клапан работает в диапазоне давления от 0 бар до максимального рабочего давления. Усилие, необходимое для открытия клапана, пропорциональна сечению отверстия и давлению текучей среды.

[0006] При применении пневматических компонентов в области промышленной автоматизации, они должны обладать высокими значениями эксплуатационных характеристик в течение длительного времени. В некоторых случаях пневматические компоненты необходимо заменять при снижении значений эксплуатационных характеристик.

[0007] В частности, существует высокая необходимость в контроле за работой соленоидных клапанов для обнаружения возможных неисправностей или значительного снижения значений их эксплуатационных характеристик.

[0008] Задачей настоящего изобретения является обеспечение контроля при помощи устройства диагностики, контролирующего работу соленоидного клапана для обнаружения отклонений от ожидаемых значений, например, вследствие неисправности в работе или увеличение степени износа.

[0009] Еще одной задачей изобретения является разработка устройства диагностики, которое может также определить возможную причину неисправности в работе соленоидного клапана.

[0010] Другой задачей изобретения является разработка устройства диагностики, которое может быть установлено на соленоидный клапан, а также, когда это возможно, использовано в качестве вспомогательного компонента для применения с существующим соленоидным клапаном.

[0011] Эти и другие задачи и преимущества изобретения достигаются при помощи способа диагностики по п. 1, с помощью устройства диагностики по п. 9 а также с помощью соленоидного клапана по п. 15. В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения.

[0012] В соответствии с вариантом осуществления изобретения способ диагностики содержит этапы:

[0013] a) определяют, при возбуждении соленоида, скорость изменения во времени (dV/dt) напряжения питания соленоида и сравнивают ее с заранее заданным значением;

[0014] b) если указанная скорость изменения меньше указанного заранее заданного значения, формируется сигнал ошибки, в противном случае

[0015] c) определяют характеристики формы кривой тока соленоида по времени между моментом возбуждения соленоида и моментом, когда подвижный сердечник достигает положения конца его хода;

[0016] d) сравнивают характеристики обнаруженной формы кривой с заранее заданными пороговыми значениями;

[0017] e) если обнаруженные характеристики меньше, чем указанные заранее заданные пороговые значения, формируется сигнал тревоги, в противном случае

[0018] f) когда ток соленоида находится в устойчивом состоянии, вычисляют значение сопротивления соленоида (R) и сравнивают с заранее заданным минимальным значением сопротивления и с заранее заданным максимальным значением сопротивления;

[0019] g) при значении сопротивления соленоида меньше заранее заданного минимального значения сопротивления или больше заранее заданного максимального значения сопротивления, формируется сигнал тревоги.

[0020] В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения этап с) содержит вычисление производной тока соленоида по времени (dI/dt) во временном диапазоне, который включает в себя диапазон или сопряжен с диапазоном, в котором возникает пик и точку минимума на кривой тока соленоида, причем указанные пик и точка минимума формируются, соответственно, за счет активации подвижного сердечника и достижения положения конца хода подвижного сердечника. На этапе d) значения упомянутых производных сравниваются с соответствующими заранее заданными значениями.

[0021] В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, характеристиками формы кривой являются, по меньшей мере, первый временной интервал, регистрируемый между моментом возбуждения соленоида и достижением пикового значения тока при активации подвижного сердечника.

[0022] В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, заранее заданные пороговые значения формы кривой являются значения формы кривой тока соленоида, полученные при испытании соленоидного клапана во время или после выпуска с завода.

[0023] В одном из вариантов осуществления изобретения, заранее заданные пороговые значения получают из средних значений, определенных на основе набора ранее полученных значений формы кривой тока соленоида.

[0024] В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, если характеристика обнаруженной формы кривой меньше заранее заданных пороговых значений, выполняется сравнение между значением давления текучей среды, поступающей во входное отверстие соленоидного клапана, и диапазоном заранее заданных значений давления, например, с помощью внешнего блока управления соленоидного клапана. В случае отклонения значения давления относительно заранее заданного диапазона значений давления, значение давления текучей среды регулируется и повторяют этапы c) и d).

[0025] В соответствии с одним из вариантов изобретения, устройство диагностики содержит электронную диагностическую цепь с микроконтроллером, выполненную с возможностью осуществления описанного выше способа диагностики. Предпочтительно диагностическая цепь установлена на плате блока питания и управления, установленной на соленоидном клапане.

[0026] В одном из вариантов осуществления изобретения, устройство содержит средство связи, обеспечивающее обмен данными между микроконтроллером электронной диагностической цепи и внешним блоком управления, например, для осуществления управления давлением, как описано выше, и для подачи команды на повторение проверки формы кривой тока соленоида после регулировки давления.

[0027] В одном из вариантов осуществления изобретения, средство связи выполнено с возможностью передачи сигнала состояния на внешний блок управления, принимающий, по меньшей мере два логических сигнала, характеризующих рабочее состояние соленоидного клапана. Следовательно, для реализации протокола обмена данными с внешним блоком управления достаточно одного кабеля или канала.

[0028] В одном из вариантов осуществления изобретения, в дополнение или в качестве альтернативы к средству связи с внешним блоком управления, устройство диагностики оснащено средствами визуальной сигнализации, такими как светодиоды, подходящими для отображения состояния соленоидного клапана, например, с помощью различных частот мигания.

[0029] Соленоидный клапан в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит плату блока питания и управления, на которой установлено устройство диагностики, описанное выше.

[0030] Например, плата блока питания и управления снабжена электрическим разъемом, имеющим пару клемм питания и электрический диагностический разъем, подключаемый к внешнему блоку управления.

[0031] Дополнительные особенности и преимущества устройства и способа диагностики в соответствии с изобретением, в любом случае, станут очевидными из приведенного ниже описания предпочтительных вариантов осуществления, представленных в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:

- На фиг. 1 показан разрез соленоидного клапана, представленный в соответствии с известным уровнем техники;

- На фиг. 2 показан разрез соленоидного клапана, оборудованного устройством диагностики, представленный в соответствии с изобретением;

- На фиг. 3 показан график, имеющий стандартную форму кривой тока соленоида;

- На фиг. 4 показаны, совмещенные друг с другом формы кривых тока для соленоидного клапана, функционирующего при давлении 0 бар и давлении 1 бар;

- На фиг. 5 показана блок-схема цепи обнаружения пикового значения тока для кривой тока соленоида;

- На фиг. 6 и 6а показаны два графика формы кривой тока соленоида при наличии трения между подвижным сердечником и соленоидом;

- На фиг. 7 показана блок-схема алгоритма диагностики в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

- На фиг. 8 показана блок-схема алгоритма диагностики в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

- На фиг. 9 показана блок-схема алгоритма диагностики в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

- На фиг. 10 показан вид сверху системы клапанов, оборудованной устройством диагностики и устройством связи в соответствии с формулой изобретения.

[0032] На фигуре 2 раскрыт соленоидный клапан 1 с устройством диагностики в соответствии с заявленным изобретением.

[0033] Соленоидный клапан 1 содержит электромагнит 10 и корпус 12 клапана, в котором выполнено входное отверстие 14, выходное отверстие 16 и выпускной канал 18.

[0034] Входное отверстие 14 формирует седло клапана 20, которое связано с уплотнительным элементом 22, перемещаемым между закрытым положением и открытым положением относительно седла клапана 20.

[0035] Электромагнит 10 содержит соленоид 102, намотанный на катушку 108, и магнитную цепь, содержащую неподвижный сердечник 110, имеющим, например, участок, который частично входит в осевую втулку катушки 108, а также подвижный сердечник 104, который также частично входит во втулку.

[0036] Уплотнительный элемент 22 может быть выполнен как единая часть подвижного сердечника 104 или в виде отдельного элемента. В некоторых вариантах осуществления изобретения уплотнительный элемент 22 имеет цилиндрическую форму основания, гребенчатые зубья которого обращены к подвижному сердечнику.

[0037] Если уплотнительный элемент выполнен в виде отдельного элемента, как показано на фиг. 2, то пружина 22', размещенная под его цилиндрическим основанием, подталкивает подвижный сердечник 104 для изменения положение последнего.

[0038] Соленоид 102 имеет пару клемм, подключенных к плате блока питания и управления 120, размещенных в защитном кожухе 122, встроенном в электромагнит 10. В свою очередь, плата блока питания и управления 120 снабжена клеммами питания 124, предназначенные для подключения к разъему питания.

[0039] В соответствии с одним из вариантом изобретения, устройство диагностики содержит электрическую диагностическую цепь 30, установленную на плате блока питания и управления 120.

[0040] Работа клапана постоянного тока описанного выше типа, питающегося от постоянного тока, например, 24В, 12В или 5В, осуществляется следующим образом: при подаче питания на соленоида 102, значение тока в соленоиде возрастает, вызывая увеличение плотности энергии магнитного поля до тех пор, пока плотность энергии магнитного поля не станет достаточно высокой, чтобы перемещать подвижный сердечник 104. Движение подвижного сердечника 104 увеличивает плотность энергии магнитного поля, так как магнитная масса сердечника все больше перемещается внутрь магнитного поля.

[0041] Магнитное поле, которое изменяется в том же направлении, что и ток, который его формирует, также формирует наведенное напряжение противоположного знака в катушках соленоида. При перемещении подвижного сердечника в положение конца его хода резко увеличивается плотность энергии магнитного поля, что приводит к кратковременному снижению тока, протекающему в катушках соленоида. После того, как подвижный сердечник достигает конца своего хода, ток снова начинает увеличиваться, пока не достигнет своего максимального значения. Стандартная форма кривой тока соленоида IS показана на фиг. 3.

[0042] Ток соленоида равен нулю до тех пор, пока напряжение питания не подается на него.

[0043] При подаче питания на соленоид происходит первое увеличение значение тока IS соленоида до достижения в момент времени Т1 пикового значения IPEAK, что, как указано выше, соответствует активации подвижного сердечника, т.е. началу его перемещения к неподвижному сердечнику. Ток соленоида затем снижается до достижения минимального значения IVALLEY в момент времени Т2, который соответствует примыканию подвижного сердечника к неподвижному сердечнику. В этот момент ток соленоида снова начинает увеличиваться до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения.

[0044] Упрощенное уравнение при работе соленоидного клапана можно представить следующим образом:

где V - напряжение, приложенное к соленоиду, R - сопротивление соленоида и Φ - изменение магнитного потока как функции тока и положения (х) подвижных механических деталей (подвижного сердечника и неподвижного сердечника).

[0045] Первый член уравнения относится к изменению сопротивления, а второй член выражает наведенное напряжение.

[0046] Индуктивность соленоида зависит от положения движущихся деталей, так как магнитное сопротивление соленоида зависит от положения электромагнитных деталей и, следовательно, от самого магнитного поля.

[0047] Поток Φ, возникающий в катушке, зависит от тока, проходящего через катушку, и от расстояния между ферромагнитными деталями, в соответствии с формулой:

[0048] Если Φ=Li, то предыдущее соотношение принимает следующий вид:

[0049] Третье слагаемое суммы описывает противоэлектродвижущую силу, которая возникает при движении ферромагнитных деталей.

[0050] Указанное соотношение четко выражает то, что магнитный поток и, следовательно, сила притяжения соленоидного клапана зависит от значений сопротивления R и индуктивности L соленоидного клапана.

[0051] Также известно, что сопротивление R соленоида определяется из соотношения

R=ρ*l/S

где ρ - среднее удельное сопротивление материала, l - длина провода, а S - его сечение.

[0052] Значения ρ и S являются постоянными, в то время как длина l зависит от теплового расширения, которое может быть выражено следующим образом:

где T0 - температура при 20°, а σ - коэффициент теплового расширения, зависящий от материала.

[0053] Из формы кривой тока соленоида видно, что форма кривой в значительной степени не зависит от температуры.

[0054] Кроме того, было обнаружено, что форма кривой тока соленоида, и, в частности, временной интервал Т1 между возбуждением электромагнита и пиковым значением тока IPEAK, который предшествует временному падению, зависит от давления текучей среды во впускном отверстии и/или от износа соленоидного клапана, которое выражается, например, в деформации уплотнительного элемента клапана, в потере жесткости пружины, в трении.

[0055] Например, на фиг. 4 показана форма кривой тока соленоида при давлении 0 бар (IS1) и при давлении 1 бар (IS2). Следует отметить, что пиковое значение тока IPEAK и минимальное значение IVALLEY возникают в корпусе при повышении давления.

[0056] Задача настоящего изобретения, заключается в сохранении в постоянной памяти эталонных характеристик формы кривой тока соленоида: заранее заданных или определенных, для обнаружения характеристик во время работы соленоидного клапана, а также для сравнения эталонных характеристик с обнаруженными для выявления любых отклонений текущей формы кривой тока соленоида от эталонной формы кривой.

[0057] В одном из вариантов осуществления изобретения, эталонными характеристиками являются характеристики формы кривой тока соленоида, полученные при испытании соленоидного клапана во время или после выпуска клапана с завода-изготовителя, т.е. в начале его срока службы.

[0058] В одном из вариантов осуществления изобретения эталонные характеристики являются характеристиками формы кривой тока соленоида, полученными из средних значений, определенных на основе ранее полученного набора значений и необязательно относящихся к исходному набору.

[0059] При известном и стабильном значении давления текучей среды, например, , создаваемое внешней системой управления, в соленоидном клапане, действует следующее условие: если форма кривой сигнала тока соленоида изменяется по отношению к эталонной форме кривой, то можно сделать вывод о том, что соленоидный клапан изношен.

[0060] Однако, если давление не является стабильными форма кривой изменяется, то причиной изменения формы кривой является либо изменение давления текучей среды, либо износ соленоидного клапана.

[0061] При возникновении вышеуказанной ситуации, устройство диагностики может формировать сигнал тревоги, будучи подключенным к блоку управления, например, ПЛК, который управляет давлением текучей среды таким образом, что оно становится стабильным. В этом случае устройство диагностики может подать сигнал на сравнение характеристик формы кривой для проверки сохранения разницы между формами кривых, которая указывает на износ соленоидного клапана, или если разницы больше нет, что означает, что соленоидный клапан работает нормально, и необходимо стабилизировать давление.

[0062] В одном из вариантов осуществления изобретения, к характеристикам формы кривой, которые сохраняются и сравниваются, являются: наклон первого участка формы кривой между моментом возбуждения соленоидного клапана и первым пиковым значением тока, и наклон второго участка формы кривой между пиковым значением тока IPEAK и следующей минимальной точкой тока IVALLEY соленоида.

[0063] Например, наклон первого участка определяется путем вычисления соотношения между длительностью первого временного интервала Т1 формы кривой, т.е. интервала времени между моментом возбуждения соленоида и достижением пикового значения тока, и разницей между пиковым значением тока и начальным значением тока, которое равняется нулю.

[0064] Наклон второго участка определяется путем вычисления отношения между длительностью второго временного интервала (Т2-Т1) формы кривой, т.е. интервала времени между моментом Т1, в рамках которого регистрируется пиковое значение тока, и моментом Т2, в котором регистрируется минимальное значение тока, и разница между значением тока, соответствующим минимальному значению, и пиковому значению тока.

[0065] В одном из вариантов осуществления изобретения, значения тока соленоида получают путем выборки значений формы кривой в заранее заданных интервалах времени с помощью цепи выборки значений тока.

[0066] Так как одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, диагностическая цепь 30 установлена на той же плате блока питания и управления 120, которая уже установлена на соленоидном клапане, следовательно, эта диагностическая цепь должна быть оптимизирована с точки зрения габаритных размеров и, следовательно, размера и количества электронных компонентов. Например, диагностическая цепь 30 содержит микроконтроллер 32, вычислительная мощность и память которого выбираются таким образом, чтобы их можно было расположить на плате блока питания и управления 120 без ущерба для габаритных размеров последней.

[0067] Таким образом, даже любой существующий соленоидный клапан может быть оборудован устройством диагностики путем простой замены традиционной платы блока питания и управления на заявленную плату блока питания, управления и диагностики, имеющую те же размер, что и предыдущая.

[0068] Для этого, в одном из вариантов осуществления изобретения микроконтроллер 32 сравнивает каждое отобранное значение измеряемого тока, с предыдущим измеренным значением тока и сохраняет измеренное значение в памяти только в том случае, если результат сравнения показывает достижение пикового или минимального значения тока.

[0069] В одном из вариантов осуществления изобретения диагностическая цепь предназначена для сравнения времени активации Т1 подвижного сердечника, т.е. первого временного интервала, прошедшего между моментом возбуждения соленоида и моментом достижения пикового значения тока.

[0070] Для определения такого интервала времени в одном из вариантов осуществления изобретения, устройство диагностики содержит аналоговую цепь обнаружения пиковых значений тока 40, как показано на фиг. 5. В этой цепи магнитный ток, регистрируемый шунтирующим резистором RSHUNT (инверсионный вход), и ток соленоида, относительно которого формируется задержка, заданная RC-сетью (инверсионный вход), подаются на входные клеммы операционного усилителя 42 с функцией компаратора. Таким образом, цепь способна обнаружить момент Т1, в котором ток соленоида достигает пикового значения IPEAK.

[0071] В одном из вариантов осуществления изобретения, определение характеристик формы кривой тока соленоида при работе соленоидного клапана включает в себя проверку изменения наклона кривой тока между пиковым значением тока (момент Т1) и минимальным значением тока (момент Т2). Фактически, было установлено, что любое изменение наклона указанного участка кривой является существенным с точки зрения износа соленоидного клапана из-за трения при перемещении подвижного сердечника.

[0072] В соответствии с фиг. 6 и 6а, под изменением наклона подразумевается, в частности, появление изгиба F (фиг. 6) или дополнительных максимальных (M) и минимальных (m) относительных точек (фиг. 6а), участках кривых тока, выделенных на чертежах.

[0073] Пример диагностического протокола для данного варианта осуществления изобретения показан на блок-схеме на фиг. 7.

[0074] В соответствии с блок-схемой, приведенной на фиг. 7, пиковое значение тока IPEAK (этап 400) регистрируется при помощи цепи обнаружения пиковых значений тока, например, через цепь компаратора.

[0075] После такой регистрации, например, осуществляемой путем отправки прерывания на элементы обнаружения пикового значения, диагностическая цепь, например, осуществляемая с помощью микроконтроллера, принимающего прерывание, а также через схему выборки значений напряжения на шунтирующем проводнике, анализирует ток, протекающий в соленоиде, и, в частности, скорость изменения Ka' с течением времени (di/dt) (этап 402).

[0076] В одном из вариантов осуществления изобретения, значение указанного изменения Ka' сравнивается с заранее заданным значением Ka.

[0077] Если изменение тока в соленоиде является отрицательным, то это означает, что подвижный сердечник продолжает свое движение динамическим образом пропорционально значению изменения Ka'.

[0078] Производная тока во времени (di/dt) вычисляется непрерывно при отборе значения тока во временном диапазоне, смежным с диапазоном, в котором регистрируется пик формы кривой.

[0079] В одном из вариантов осуществления изобретения, при регистрации нулевого или положительного значения производной тока (di/dt) (этап 404) временное значение Ta, соответствующее указанному значению (этап 406), сохраняется, например, посредством микроконтроллера.

[0080] Вычисление производной тока во времени (di/dt) продолжается, чтобы определить наличие отрицательного изменения (этап 408).

[0081] В одном из вариантов осуществления изобретения, среднее значение указанной производной, на этом этапе наблюдения, может быть сохранено в рамках параметра Kb' и сравнено со вторым эталонным значением Kb.

[0082] Если изменение Kb' всегда остается положительным, то это означает, что ранее обнаруженная точка Ta на кривой является точкой абсолютного минимума, т.е. точкой IVALLEY, и поэтому момент Ta будет совпадать с моментом T2 (этап 410).

[0083] В одном из вариантов осуществления изобретения при регистрации второго нулевого или положительного значения производной тока (di/dt) (этап 412), временное значение Tb, соответствующее такому значению (этап 414), сохраняется, например, посредством микроконтроллера.

[0084] Следует отметить, что значениям моментов времени Ta, Tb и изменениям Ka' и Kb' присваиваются начальные значения равные нулю для каждой активации электромагнита.

[0085] Одновременное наличие после регистрации пикового значения тока двух ненулевых значений Ta и Tb и/или, по меньшей мере, одного абсолютного значения изменения Ka', Kb' которое меньше заранее заданных значениий Ka, Kb, означает, что при движении подвижного сердечника произошел разрыв в динамике перемещения из-за трения.

[0086] Что касается изменений Ka' и Kb', в частности, значение, которое является отрицательным, но меньше, по абсолютной величине, чем заранее заданные значения Ka, Kb, означает, что наклон нисходящего участка кривой меньше, чем заранее заданный наклон, что обусловлено наличием трения при перемещении подвижного сердечника.

[0087] Следовательно, диагностическая цепь формирует сигнал тревоги (этап 416).

[0088] Как указано выше, в одном из вариантов осуществления изобретения, устройство диагностики установлено на плате блока питания и управления 120 соленоидного клапана и соединено с внешним блоком управления, например, ПЛК, с использованием протокола соединения, основанного на применении диагностического кабеля 125, который является третьим кабелем соленоидного клапана в дополнение к двум кабелям питания 124.

[0089] На блок-схеме на фиг. 8 показан пример диагностического протокола между диагностической цепью соленоидного клапана и ПЛК.

[0090] Диагностическая цепь регистрирует изменение формы кривой тока соленоида (этап 200), например, с помощью одного из описанных выше режимов регистрации; затем диагностическая цепь изменяет уровень состояния диагностического кабеля, например, с низкого уровня на высокий (этап 202).

[0091] Когда ПЛК получает сигнал тревоги от диагностической цепи, он проверяет, является ли давление стабильным (этап 204). Если ПЛК получает информацию о том, что давление в системе является стабильным, то формируется сигнал тревоги, связанный с с износом соленоидного клапана (этап 206).

[0092] С другой стороны, если ПЛК не получает информацию о давлении в системе, то ПЛК проводит проверку давления в системе (этап 208) и дает команду соленоидному клапану восстановить начальный уровень параметров диагностического кабеля (этап 210).

[0093] Если после проверки давления диагностическая цепь все еще регистрирует изменение формы кривой тока соленоида, то алгоритм диагностики выдает результат о том, что соленоидный клапан изношен.

[0094] Если форма кривой соответствует эталонной формы кривой, то соленоидный клапан работает нормально.

[0095] В соответствии с другим вариантом изобретения, соленоидный клапан снабжен электронной диагностической цепью с микроконтроллером, выполненной с возможностью определять неисправность соленоидного клапана при контроле тока соленоида, осуществляемого в соответствии с одним из описанных выше способов, а также контроля напряжения питания. В отличие от других известных способов диагностики, в заявленном способе не используют датчик положения.

[0096] В одном из вариантов осуществления изобретения микроконтроллер электронной диагностической цепи соединен с внешним блоком управления, например, ПЛК, через один диагностический кабель, который может принимать два или более логических сигнала.

[0097] В предпочтительном варианте осуществления изобретения диагностическая электронная цепь 30 установлена на той же плате блока питания и управления 120, что и соленоидный клапан, и, следовательно, получает питание от того же самого источника питания, который питает и соленоид соленоидного клапана.

[0098] В соответствии с блок-схемой, приведенной на фиг. 9, микроконтроллер, при подключенных источнике питания и диагностической цепи, осуществляет отбор данных (например, через цепь отбора) о напряжении питания на соленоиде и, в частности, скорости его изменения с течением времени (dV/dt), чтобы проверить, соответствует ли оно заранее заданному изменению (этап 300). Затем такое изменение сравнивается с заранее заданным значением К (этап 302).

[0099] Если изменение напряжения питания равно нулю или меньше заранее заданного значения К, это означает, что соленоид не получает питание, и системой формируется сигнал об ошибке (этап 304).

[00100] Если же соленоид получает питание, то микроконтроллер обнаруживает значения пика и падения формы кривой тока соленоида и вычисляет производную тока по времени (dI/dt) во временном диапазоне, который включает в себя или является смежным с диапазоном, в котором пик и точка минимума на кривой (этап 306).

[00101] Производные, представляющие собой скорость изменения тока соленоида, сравниваются с соответствующими заранее заданными значениями K1, K2 (этап 308). Если значения производных равны нулю (что указывает на то, что кривая не имеет нисходящего участка) или меньше соответствующих заранее заданных значений К1, К2 (что указывает на то, что нисходящий участок слишком мал из-за трения, возникающего при перемещении подвижного сердечника), то микроконтроллер формирует сигнал тревоги (этап 310).

[00102] Если диагностический микроконтроллер подключается, например, через диагностический кабель к внешнему блоку управления, например, ПЛК, то сигнал тревоги отправляется на такой блок, и может быть запущен алгоритм управления давлением, который был описан ранее со ссылкой на алгоритм, приведенный на фиг. 8. После этого ПЛК осуществляет проверку стабильности давления. Если давление стабильно, то ПЛК или диагностический микроконтроллер формируют сигнал тревоги об износе соленоидного клапана.

[00103] Если ПЛК не получает информации о стабильном давлении в системе, то ПЛК проверяет давление в системе и дает команду диагностической цепи соленоидного клапана провести повторное вычисление скорости изменения тока соленоида. Если после проверки давления диагностическая цепь регистрирует значения производных тока по времени, равные нулю или ниже соответствующих заранее заданных значений К1, К2, то алгоритм диагностики выдает результат о том, что соленоидный клапан изношен. Если значения производных равны или находятся выше заранее заданных значений К1, К2, то соленоидный клапан работает нормально.

[00104] С другой стороны, если диагностический микроконтроллер не подключен к внешнему блоку управления, то визуальная индикация нестандартного рабочего состояния может быть обеспечена, например, посредством мигания светодиода на определенной частоте.

[00105] В одном из вариантов осуществления изобретения, производные формы кривой тока соленоида сравнивают со значением производной, рассчитанным при испытании соленоидного клапана во время или после его выпуска с завода-изготовителя, или в начале его срока службы, с целью выявления любых изменений, вызванных износом соленоидного клапана, как описано выше.

[00106] В одном из вариантов осуществления изобретения, производные формы кривой сравнивают со значениями производных, рассчитанными при предыдущем возбуждении соленоидного клапана (или со средними значениями, относящимися к определенному количеству предыдущих возбуждений).

[00107] В другом варианте осуществления изобретения, вместо расчета производных тока для обнаружения любых изменений формы кривой тока соленоида, диагностический алгоритм может использовать простой расчет времени активации Т1 подвижного сердечника и, возможно, времени (Т2-Т1), соответствующее перемещению подвижного сердечника, причем расчет может осуществляться с помощью одного из способов, описанных выше. В частности, оборудование может использовать цепь обнаружения пиковых значений тока, описанную на фиг. 5, частично встроенную в диагностический микроконтроллер.

[00108] В одном из вариантов осуществления изобретения, после того, как ток соленоида достиг своего устойчивого состояния, микроконтроллер также контролирует значение сопротивления R соленоида, например, при вычислении среднего значения соотношений между напряжением и током для обнаружения короткого замыкания, обрыва в цепи или других нестандартных ситуаций, таких как перегрев соленоидного клапана, которые передаются в ПЛК.

[00109] В частности, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, микроконтроллер вычисляет значение R0 сопротивления соленоида R при первом включении соленоидного клапана, т.е. когда соленоидный клапан находится в холодном состоянии. Затем микроконтроллер контролирует значение сопротивления во время рабочего цикла соленоидного клапана и сравнивает его с заранее заданным предельным значением R1, определяющим допустимый нагрев соленоида (этап 314). Если значение сопротивления увеличивается, но остается ниже заранее заданного значения R1, то считается, что отклонений не обнаружено.

[00110] С другой стороны, если значение сопротивления соленоида R выше, чем заранее заданное значение R1, то в соленоидном клапане произошел обрыв цепи, и в этом случае микроконтроллер посылает сигнал об ошибке (этап 316) или о перегреве, и в этом случае микроконтроллером выдается сигнал тревоги (этап 318).

[00111] Если значение сопротивления R на соленоиде снижается по сравнению с исходным значению R0, то возникает отклонение в работе, и микроконтроллер отправляет сигнал тревоги (этап 320).

[00112] Следует отметить, что в зависимости от типа и сложности обнаруженной неисправности, например, износ соленоидного клапана, короткое замыкание или обрыв цепи соленоида, сигналы, посылаемые микроконтроллером, являются сигналами тревоги, принимаемые ПЛК, или сигналы об ошибках, которые приводят, например, к прямому отключению соленоидного клапана.

[00113] Очевидно, что вычисление значения сопротивления R соленоида выполняется постоянном напряжении питания.

[00114] При использовании системы клапанов 400, раскрытой на фиг. 10, диагностика может быть выполнена для отдельного соленоидного клапана 1 или для всех клапанов в системе, т.е. контроль формы кривой тока будет общим для всех соленоидных клапанов, как и анализ изменений относительно среднего значения. Таким образом, можно определить режим работы соленоидных клапанов с помощью контроля времени, прошедшего между возбуждением каждого соленоидного клапана и изменениями по сравнению с эталонными характеристиками соленоидных клапанов.

[00115] Для выполнения заданного алгоритма диагностики для каждого соленоидного клапана, алгоритм диагностики осуществляется при подаче питания на соответствующий соленоидный клапан в течение времени, не совпадающего с другими событиями, например, когда на другие соленоидные клапаны не подается питание.

[00116] В альтернативном варианте, алгоритм диагностики может установить статус устойчивого состояния для групп соленоидных клапанов в системе клапанов для выявления ошибки в режиме работы каждой группы соленоидных клапанов по отношению к набору заранее заданных или определенных значений для одной и той же ситуации при нормальном режиме работы соответствующей группы.

[00117] При использовании системы клапанов 400 способы диагностики, описанные выше, могут обеспечить соединение с внешним блоком управления, например, ПЛК, или осуществить передачу результата диагностических действий на плату управления 402, которая управляет системой клапанов и встроена в систему. Например, такая плата управления 402 может быть оснащена группой сигнальных светодиодов, регистрирующих различные причины неисправностей системы клапанов.

[00118] при соединении с внешним блоком управления может быть предусмотрен проводной или беспроводной диагностический протокол передачи данных. В этом случае микроконтроллер и модуль приемника/передатчика 404 могут быть установлены на одной плате управления 402 для питания и управления всеми соленоидными клапанами в системе клапанов.

[00119] В случае соединения между диагностической цепью одного соленоидного клапана и внешним блоком управления, упомянутый диагностический кабель может быть заменен беспроводной системой связи, выбираемой в зависимости от потребностей и доступной технологии.

[00120] В вариантах осуществления способа и устройства диагностики соленоидных клапанов, специалист в данной области техники может внести различные изменения, производить модернизацию и замену некоторых элементов на другие эквивалентные элементы, не выходя за рамки заявленного изобретения, в соответствии формулой изобретения, приведенной ниже. Каждый из признаков изобретения, относящихся к возможному варианту осуществления изобретения, может быть описан независимо от других вариантов осуществления изобретения.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройству диагностики соленоидных клапанов. Технический результат заключается в контроле за работой соленоидных клапанов для обнаружения возможных неисправностей или значительного снижения значений их эксплуатационных характеристик. Соленоидный клапан 1 состоит из электромагнита 10 и корпуса 12 клапана, в котором выполнено одно или несколько отверстий. Электромагнит 10 содержит соленоид 102, в котором расположен подвижный сердечник 104, выполненный из ферромагнитного материала. Поток текучей среды, например сжатого воздуха, подаваемый через отверстие соленоидного клапана, блокируется или пропускается подвижным сердечником 104 при подаче или при отключении подачи электропитания на соленоид. При подаче на соленоид 102 электропитания подвижный сердечник 104 открывает отверстие нормально закрытого (НЗ) клапана или закрывает отверстие нормально открытого (НО) клапана. При отключении подачи электропитания на соленоид пружина 106 возвращает сердечник в исходное положение. Способ диагностики соленоидных клапанов содержит следующие этапы: а) определяют, при возбуждении соленоида, скорость изменения во времени (dV/dt) напряжения питания соленоида и сравнивают ее с заранее заданным значением; б) если указанная скорость изменения меньше указанного заранее заданного значения, формируется сигнал ошибки, в противном случае в) определяют характеристики формы кривой тока соленоида по времени между моментом возбуждения соленоида и моментом, когда подвижный сердечник достигает положения конца своего хода; г) сравнивают характеристики обнаруженной формы кривой с заранее заданными пороговыми значениями; д) если обнаруженные характеристики меньше, чем указанные заранее заданные пороговые значения, формируется сигнал тревоги, в противном случае, е) когда ток соленоида находится в устойчивом состоянии, вычисляют значение сопротивления соленоида (R) и сравнивают с заранее заданным минимальным значением сопротивления (R0) и с заранее заданным максимальным значением сопротивления (R1); ж) если значение сопротивления соленоида (R) меньше предварительно заданного минимального значения сопротивления (R0) или больше предварительно заданного максимального значения сопротивления (R1), формируется сигнал тревоги. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ диагностики неисправностей в соленоидном клапане, в котором соленоидный клапан содержит электромагнит (10) и корпус (12) клапана, в котором одно или несколько отверстий (14, 16, 18) выполнены с возможностью прохождения текучей среды, находящейся под давлением, и в котором электромагнит (10) содержит соленоид (102), выполненный с возможностью подключения к генератору постоянного напряжения, формирующему в соленоиде ток соленоида, и магнитную цепь, содержащую подвижный сердечник (104), расположенный и перемещающийся в соленоиде, причем способ содержит следующие этапы:

a) определяют, при возбуждении соленоида, скорость изменения во времени (dV/dt) напряжения питания соленоида и сравнивают ее с заранее заданным значением;

b) если указанная скорость изменения меньше указанного заранее заданного значения, формируется сигнал ошибки, в противном случае

c) определяют характеристики формы кривой тока соленоида по времени между моментом возбуждения соленоида и моментом, когда подвижный сердечник достигает положения конца своего хода;

d) сравнивают характеристики обнаруженной формы кривой с заранее заданными пороговыми значениями;

e) если обнаруженные характеристики меньше, чем указанные заранее заданные пороговые значения, формируется сигнал тревоги, в противном случае,

f) когда ток соленоида находится в устойчивом состоянии, вычисляют значение сопротивления соленоида (R) и сравнивают с заранее заданным минимальным значением сопротивления (R0) и с заранее заданным максимальным значением сопротивления (R1);

g) при значении сопротивления соленоида (R) меньше заранее заданного минимального значения сопротивления (R0) или больше заранее заданного максимального значения сопротивления (R1), формируются сигнал тревоги.

2. Способ по п. 1, в котором этап c) содержит вычисление производной тока соленоида по времени (dI/dt) во временном диапазоне, включающем в себя диапазон или являющемся смежным с диапазоном, в котором возникает пик и минимальная точка на кривой тока соленоида, причем упомянутые пик и минимальная точка формируются соответственно за счет активации подвижного сердечника и достижения положения конца хода подвижного сердечника, и при этом на этапе d) значения упомянутых производных сравниваются с их заранее заданными значениями (K1, K2).

3. Способ по п. 1 или 2, в котором характеристиками формы кривой является первый временной интервал (T1), который проходит между моментом возбуждения соленоида и достижением пикового значения тока, вызванным активацией подвижного сердечника.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором этап c) содержит следующие этапы:

- проверяют, имеет ли форма кривой тока соленоида пик и/или дополнительные относительные точки минимума (м) и максимума (М) между пиком и падением формы кривой тока соленоида, причем упомянутый пик и упомянутое падение формируются соответственно за счет активации подвижного сердечника и достижения положения конца хода подвижного сердечника;

- вычисляют средние значения (Ka', Kb') производной тока по времени за непосредственно предшествующий временной интервал и за интервал времени, непосредственно следующий за относительной точкой изгиба или точкой минимума;

и в котором этап (d) содержит следующие этапы

- сравнивают упомянутые средние значения с соответствующими эталонными значениями (Ka, Kb);

- проверяют, является ли по меньшей мере одно из упомянутых средних значений меньшим по абсолютной величине, чем соответствующее эталонное значение.

5. Способ по предшествующему пункту, в котором наличие упомянутого пика и/или дополнительных точек максимума (M) и минимума (m) определяют путем вычисления производной тока по времени (di/dt) и проверки того, принимает ли упомянутая производная нулевое или положительное значение в двух моментах времени (Ta, Tb) в интервале времени, следующем за моментом, в котором на кривой было подтверждено наличие пика, а также до того, как ток соленоида достигнет значения устойчивого состояния.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором заранее заданные пороговые значения получают из формы кривой тока соленоида, полученной, когда соленоидный клапан находится на этапе испытания во время или после выпуска с завода-изготовителя.

7. Способ по любому из пп. 1-5, в котором упомянутые заранее заданные пороговые значения получают из средних значений, относящихся к ранее полученному набору значений формы кривой тока соленоида.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором, если на этапе e) обнаруженные характеристики меньше заранее заданных пороговых значений, выполняется следующее:

e1) сравнивают значение давления текучей среды, поступающей во входное отверстие соленоидного клапана, и заранее заданный диапазон значений давления,

e2) в случае отклонения значения давления относительно упомянутого заранее заданного диапазона значений давления значение давления текучей среды регулируют и повторяют этапы c) и d).

9. Устройство диагностики неисправностей в соленоидном клапане, в котором соленоидный клапан содержит электромагнит (10) и корпус (12) клапана, в котором предусмотрено одно или несколько отверстий (14, 16, 18) для прохождения текучей среды, находящейся под давлением, и в котором электромагнит (10) содержит соленоид (102), выполненный с возможностью подключения к генератору постоянного напряжения, формирующему в соленоиде ток соленоида, и магнитную цепь, содержащую подвижный сердечник (104), расположенный и перемещаемый в соленоиде, причем устройство содержит электронную диагностическую цепь с микроконтроллером, выполненную с возможностью осуществления диагностического способа в соответствии с любым из предшествующих пунктов.

10. Устройство по предшествующему пункту, в котором диагностическая цепь установлена на плате блока питания и управления, установленной на соленоидный клапан.

11. Устройство по п. 9 или 10, содержащее средство связи, обеспечивающее обмен данными между микроконтроллером электронной диагностической цепи и внешним блоком управления.

12. Устройство по предшествующему пункту, в котором упомянутое средство связи выполнено с возможностью передачи сигнала состояния на внешнее устройство управления, которое может принимать по меньшей мере два логических сигнала, характеризующих рабочее состояние соленоидного клапана.

13. Устройство по любому из пп. 9-12, в котором электронная диагностическая цепь содержит цепь отбора тока, выполненную с возможностью отбора значений формы кривой в заранее заданных интервалах времени.

14. Устройство по любому из пп. 9-13, в котором электронная диагностическая цепь содержит аналоговую цепь обнаружения пиковых значений тока (42), содержащую операционный усилитель (40) с функцией компаратора, на инвертирующую входную клемму которого подается ток соленоида, регистрируемый через шунтирующий резистор (RSHUNT), и на неинвертирующую входную клемму которого подается ток соленоида, относительно которого формируется задержка, задаваемая RC-сетью.

15. Соленоидный клапан, содержащий электромагнит (10) и корпус (12) клапана, в котором одно или несколько отверстий (14, 16, 18) предназначены для прохождения текучей среды, находящейся под давлением, и в котором электромагнит (10) содержит соленоид (102), выполненный с возможностью подключения к генератору постоянного напряжения, формирующему в соленоиде ток соленоида, и магнитную цепь, состоящую из подвижного сердечника (104), расположенного и перемещаемого в соленоиде, причем соленоидный клапан дополнительно содержит устройство диагностики по любому из пп. 7-12.

16. Соленоидный клапан по предшествующему пункту, содержащий плату блока питания и управления (120), устройство диагностики установлено на упомянутой плате блока питания и управления (120).

17. Соленоидный клапан по предшествующему пункту, в котором на плате блока питания и управления выполнен электрический разъем с парой клемм питания и электрический диагностический разъем, подключаемый к внешнему блоку управления.

18. Система соленоидных клапанов, содержащая плату блока питания и управления для всех соленоидных клапанов системы соленоидных клапанов, причем упомянутая плата блока питания и управления содержит электронную диагностическую цепь с микроконтроллером, выполненную с возможностью осуществления способа диагностики по любому из пп. 1-8, в котором заранее заданные пороговые значения связаны с каждым из соленоидных клапанов системы соленоидных клапанов или с группой соленоидных клапанов системы соленоидных клапанов и в котором обнаруженные характеристики формы кривой тока соленоида получены путем возбуждения каждого соленоидного клапана в отдельности или каждой группы соленоидных клапанов.