УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОЛЕНОИДНЫХ КЛАПАНОВ Российский патент 2022 года по МПК H01F7/18 G01R31/72 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 клапана 12, в котором выполнено одно или несколько отверстий.

[0003] Электромагнит 10 содержит соленоидом 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.

[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 давлений от 0 бар до максимального номинального давления. Усилие, необходимое для открытия клапана, пропорционально 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 в работе 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 заданных значений, например, вследствие неисправности в работе или увеличения 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 пункту 1 с помощью устройства диагностики по пункту 10, а также с помощью соленоидного клапана по пункту 16 заявленной формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения.

[001] В соответствии с вариантом осуществления изобретения, способ диагностики содержит следующие этапы:

a) сохранение в постоянной памяти эталонных характеристик формы кривой тока соленоида,

b) регистрация характеристик формы кривой тока соленоида во время работы соленоидного клапана;

c) сравнение эталонных характеристик с регистрируемыми характеристиками;

d) при отклонении величины регистрируемых характеристик от величины эталонных характеристик, формируется сигнал тревоги о неисправности в работе соленоидного клапана.

[0013] В одном из вариантов осуществления изобретения, перед формированием сигнала тревоги, значение давления текучей среды, подаваемое через входное отверстие соленоидного клапана, сравнивается с заданным диапазоном давления; при отклонении значения давления от упомянутого заданного диапазона значений давления, осуществляется регулировка значения давления и повторение этапов b) и c). В указанном случае, сигнал тревоги формируется при отклонении определенных значении характеристик от эталонных характеристик, и значений давления жидкости от заданного диапазона значений давления.

[0014] В одном из вариантов осуществления изобретения, характеристиками формы кривой тока соленоида, которые сохраняются и сравниваются, являются отклонение первого участка кривой, регистрируемое между моментом возбуждения соленоидного клапана и первым пиковым значением тока при активации подвижного сердечника, и отклонение второго участка кривой, регистрируемое между пиковым значением тока и следующей точкой, соответствующей минимальному значению тока соленоида.

[0015] В одном из вариантов осуществления изобретения, характеристиками тока соленоида являются, по меньшей мере, первый временной интервал, регистрируемый между моментом возбуждения соленоида и достижением пикового значения тока при активации подвижного сердечника.

[0016] Например, указанный первый временной интервал контролируется при помощи аналоговой цепи обнаружения пиковых значений, которая сравнивает значение мгновенного тока соленоида со значением тока соленоида, имеющим предварительно заданную задержку.

[0017] В варианте осуществления изобретения, указанный первый временной интервал определяют при помощи средства цифровой обработки цепи кривой тока соленоида.

[0018] В соответствии с вариантом осуществления изобретения, эталонными характеристиками являются характеристики формы кривой тока соленоида, полученные при испытании соленоидного клапана во время или после выпуска с завода-изготовителя.

[0019] В варианте осуществления изобретения, эталонными характеристиками являются характеристики формы кривой тока соленоида, полученные на основе средних значений, определенных на основе набора ранее полученных значений.

[0020] В соответствии с вариантом осуществления изобретения, устройство диагностики неисправностей соленоидного клапана содержит электронную диагностическую цепь с микроконтроллерем, выполненную с возможностью осуществления описанного выше способа диагностики.

[0021] Предпочтительно, диагностическая цепь установлена на плате блока питания и управления, установленной на соленоидном клапане.

[0022] В соответствии с вариантом осуществления изобретения, устройство диагностики содержит средство связи, обеспечивающее обмен данными между микроконтроллером электронной диагностической цепи и внешним блоком управления.

[0023] Например, средство связи выполнено с возможностью передачи сигнала состояния на внешний блок управления, принимающий, по меньшей мере два логических сигнала, характеризующих рабочее состояние соленоидного клапана.

[0024] В одном из вариантов осуществления изобретения, электронная диагностическая цепь содержит цепь отбора тока, предназначенную для отбора значений кривой в заранее заданном интервале времени.

[0025] В варианте осуществления изобретения, электронная диагностическая цепь содержит аналоговую цепь обнаружения пиковых значений тока, содержащую операционный усилитель с функцией компаратора, на инвертирующую входную клемму которого подается ток соленоида, регистрируемый через шунтирующий резистор, и на не инвертирующий входную клемму, которого подается ток соленоида с задержкой, задаваемой RC-сетью.

[0026] Кроме того, электромагнитный клапан, содержащий устройство диагностики, описанное выше, является объектом изобретения.

[0027] В одном из вариантов осуществления изобретения, соленоидный клапан содержит плату блока питания и управления, устройство диагностики, установленное на указанной плате блока питания и управления.

[0028] В одном из вариантов осуществления изобретения, плата блока питания и управления снабжена специальным разъемом, имеющим пару клемм питания и электрический диагностический разъем, подключаемый к внешнему блоку управления.

[0029] Другие признаки и преимущества способа и устройства диагностики в соответствии с заявленным изобретением раскрыты в описании осуществления заявленного изобретения со ссылками на чертежи, в которых изображено:

Фиг. 1 - разрез соленоидного клапана в соответствии с уровнем техники;

Фиг. 2 - разрез соленоидного клапана с устройством диагностики в соответствии с заявленным изобретением;

Фиг. 3 - график стандартной формы кривой тока соленоида;

- Фиг. 4 совмещенные друг с другом формы кривой тока соленоида для электромагнитного клапана, работающего при давлении 0 бар и давлении 1 бар;

- Фиг. 5 - схема для измерения пикового значения формы кривой тока соленоида;

- Фиг. 6 и 6а графики формы кривой тока соленоида при наличии трения между подвижным сердечником и соленоидом;

Фиг. 7 - блок-схема алгоритма диагностики в соответствии с одним из вариантом осуществления изобретения;

- Фигура 8 - блок-схема алгоритма диагностики в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

- Фигура 9 - блок-схема алгоритма диагностики в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

- Фиг. 10 - схема системы клапанов с устройством диагностики и устройством связи в соответствии с заявленным изобретением.

[0030] На фигуре 2 раскрыт соленоидный клапан 1 с устройством диагностики в соответствии с заявленным изобретением.

[0031] Соленоидный клапан 1 содержит электромагнит 10 и корпус клапана 12, в котором выполнено входное отверстие 14, выходное отверстие 16 и выпускной канал 18.

[0032] Входное отверстие 14 формирует седло клапана 20, которое связано с уплотнительным элементом 22, перемещаемым между закрытым положением и открытым положением относительно седла клапана 20.

[0033] Электромагнит 10 содержит соленоид 102, намотанный на катушку 108, и магнитную цепь, выполненную в виде неподвижного сердечника 110, имеющего, например, участок, который частично входит в осевую втулку катушки 108, а также подвижный сердечник 104, который также частично входит во втулку.

[0034] Уплотнительный элемент клапана 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.

[0035] Если уплотнительный элемент клапана выполнен в виде отдельного элемента, как показано на фиг. 2, то пружина 22', размещенная под его цилиндрическим основанием, подталкивает подвижный сердечник 104 для изменения положения последнего.

[0036] Соленоид 102 имеет пару клемм, подключенных к электронной плате блока питания и управления 120, размещенной в защитном кожухе 122, встроенном в электромагнит 10. В свою очередь, электронная плата блока питания и управления 120 снабжена клеммами питания 124, предназначенных для подключения к разъему питания.

[0037] В соответствии с вариантом осуществления изобретения, устройство диагностики содержит электрическую диагностическую цепь 30, установленной на электронной плате блока питания и управление 120.

[0038] Работа клапана постоянного тока описанного выше типа, питающегося от постоянного тока, например, 24В, 12В или 5В, осуществляется следующим образом: при подаче питания на соленоид 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.

[0039] 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 обмотке соленоида. После того, как подвижный сердечник достигает конца своего хода, ток снова увеличивается до максимального значения Стандартная форма кривой тока соленоида IS показана на фиг. 3.

[0040] Ток соленоида равен нулю до тех пор, пока напряжение питания не подается на него.

[0041] При подаче питания на соленоид происходит первое увеличение значение тока соленоида IS до тех пор, пока не будет достигнуто пиковое значение IPEAK в момент Т1, соответствующий, как раскрыто выше, активации подвижного сердечника или 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 начинает расти до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения.

[0042] 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 функция тока и положения (х) подвижных механических деталей (подвижного сердечника и неподвижного сердечника).

[0043] Первый член уравнения относится к изменению сопротивления, а второй член выражает наведенное напряжение.

[0044] Индуктивность соленоида зависит от положения движущихся деталей, так как магнитное сопротивление соленоида зависит от положения электромагнитных деталей и, следовательно, от самого магнитного поля.

[0045] Поток Φ, возникающий в катушке, зависит от тока, проходящего через катушку, и от расстояния между ферромагнитными элементами, в соответствии с формулой:

[0046] Если Φ = Li, то предыдущее соотношение принимает следующий вид:

[0047] Третье слагаемое суммы описывает противоэлектродвижущую силу, которая возникает при движении ферромагнитных деталей.

[0048] Указанное соотношение четко выражает то, что магнитный поток и, следовательно, сила притяжения соленоидного клапана зависит от значений сопротивления R и индуктивности L соленоида.

[002] Также известно, что сопротивление R соленоида задается соотношением

R= ρ*l/S

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

[0050] 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.

[0051] Из формы кривой тока соленоида видно, что форма кривой в значительной степени не зависит от температуры.

[0052] Кроме того, было обнаружено, что форма кривой тока соленоида, и, в частности, интервал времени Т1 между возбуждением соленоида 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.

[0053] 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, минимальное значение IVALLEY сначала возникают в корпусе при повышении давления.

[0054] Задача настоящего изобретения, заключается в сохранении в постоянной памяти эталонных характеристик формы кривой тока соленоида, заранее заданных или определенных, обнаружение характеристик формы кривой тока во время работы электромагнитного клапана, а также для сравнения эталонных характеристик с обнаруженными, для выявления любых отклонений текущей формы кривой тока соленоида от эталонной кривой.

[0055] В одном из вариантов осуществления изобретения, эталонными характеристики являются характеристики формы кривой тока соленоида, полученные при испытании электромагнитного клапана во время или после выпуска клапана с завода-изготовителя, т.е. в начале его срока службы.

[0056] В варианте осуществления изобретения, эталонными характеристиками являются характеристики формы кривой тока соленоида, полученные из средних значений, вычисленных на основе ранее полученного набора значений и не обязательно относящихся к исходному набору.

[0057] Следует отметить, что под обнаружением характеристик формы кривой тока соленоида во время работы соленоидного клапана, подразумевается, как обнаружение, осуществляемое при каждом возбуждении соленоидного клапана, так и обнаружение, осуществляемое с интервалами для контроля за работой соленоидного клапана в течение его жизненного цикла.

[0058] При известном и стабильном значении давления текучей среды, например, создаваемом внешней системой управления давлением в электромагнитном 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.

[0059] С другой стороны, если давление не является стабильным, и форма кривой изменяется, то причиной изменения формы кривой является либо изменение давления текучей среды, либо износ соленоидного клапана.

[0060] При возникновении вышеуказанной ситуации, устройство диагностики может формировать сигнал тревоги, подключенное к блоку управления, например, к 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, отсутствие указанной разницы указывает на то, что соленоидный клапан работает нормально, и необходимо стабилизировать давление.

[0061] В одном из вариантов осуществления изобретения, характеристиками формы кривой, которые сохраняются и сравниваются, являются: наклон первого участка формы кривой между моментом возбуждения соленоидного клапана и первым пиковым значением тока, а также наклон второго участка формы кривой между пиковым значением тока IPEAK и следующим минимальным значением тока соленоида IVALLEY.

[0062] 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 соответствует нулю.

[0063] Наклон второго участка определяется путем вычисления отношения между длительностью второго временного интервала (Т2-Т1) формы кривой, т.е. интервала времени между моментом времениТ1, в котором регистрируется пиковое значение тока, и моментом времени Т2, в котором регистрируется минимальное значение тока, и разницей между значением тока, соответствующим минимальному значению, и пиковым значением тока.

[0064] 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.

[0065] В предпочтительном варианте осуществления изобретения, диагностическая цепь 30 установлена на той же электронной плате блока питания и управления 120, которая уже установлена на соленоидном клапане, следовательно, эта диагностическая цепь должна быть оптимизирована с точки зрения габаритных размеров, 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.

[0066] Таким образом, даже любой существующий соленоидный клапан может быть снабжен устройством диагностики путем простой замены традиционной платы блока питания и управления на заявленную плату блока питания, управления и диагностики, имеющую те же размеры, что и предыдущая.

[0067] Для этого в одном из вариантов осуществления изобретения, микроконтроллер 32 сравнивает каждое отобранное значение измеряемого тока, полученного из выборки, с предыдущим измеренным значением тока и сохраняет измеренное значение в памяти только в том случае, если результат сравнения показывает достижение пикового или минимального значений тока.

[0068] В предложенном варианте осуществления изобретения, диагностическая цепь предназначена для сравнения только со временем активации подвижного сердечника Т1, т.е. первого временного интервала, прошедшего между моментом возбуждения соленоида и моментом достижения пикового значения тока.

[0069] Для определения этого интервала времени в одном из вариантов осуществления изобретения, устройство диагностики содержит аналоговую цепь обнаружения пиковых значений тока 40, показанную на фиг. 5. В этой цепи, ток соленоида, регистрируемый шунтирующим резистором RSHUNT (инверсионный вход), и ток соленоида, относительно которого формируется задержка, заданная RC-сетью (не инверсионный вход), подается на входные клеммы операционного усилителя 42 с функцией компаратора. Таким образом, цепь способна обнаружить момент Т1, в котором ток соленоида достигает пикового значения IPEAK.

[0070] В одном из вариантов осуществления изобретения, определение характеристик формы кривой тока при работе соленоидного клапана включает в себя проверку изменения наклона формы кривой тока между пиковым значением тока (момент Т1) и минимальным значением тока (момент Т2). Фактически, было установлено, что любое изменение наклона указанного участка формы кривой является существенным с точки зрения износа соленоидного клапана из-за трения при перемещении подвижного сердечника.

[0071] В соответствии с фиг. 6 и 6а, под изменением наклона формы кривой подразумевается, в частности, появление изгиба F (фиг. 6) или дополнительных максимальных (M) и минимальных (m) относительных точек (фиг. 6а), на участках кривых тока, выделенных на чертежах.

[0072] Пример диагностического протокола для данного варианта осуществления изобретения показан на блок-схеме на фиг. 7.

[0073] В соответствии с блок-схемой, приведенную на фиг. 7, пиковое значение тока IPEAK (этап 400) регистрируется при помощи цепи обнаружения пиковых значений тока, например, через цепь компаратора.

[0074] После такой регистрации, например, осуществляемой путем отправки прерывания на элементы обнаружения пикового значения, диагностическая цепь, например, реализуемая с помощью микроконтроллера, принимающего прерывание, а также через цепь выборки значений напряжения на шунтирующем проводнике, анализирует ток, протекающий в соленоиде, и, в частности, его изменение Ka' с течением времени (di/dt) (этап 402).

[0075] В одном из вариантов осуществления изобретения, значение указанного изменения Ka' сравнивается с эталонным значением Ka.

[0076] Если текущее изменение тока в соленоиде является отрицательным, то это означает, что подвижный сердечник продолжает свое движение динамическим образом пропорционально значению изменения Ka'.

[0077] Производная тока по времени (di/dt) вычисляется непрерывно при отборе значения тока во временном диапазоне, смежном с диапазоном, в котором регистрируется пик формы кривой.

[0078] В одном из вариантов осуществления изобретения, если производная тока (di/dt) имеет нулевое или положительное значение (этап 404), то значение времени Ta, сохраняется (этап 406), например, посредством микроконтроллера.

[0079] Вычисление производной тока во времени (di/dt) продолжается, что позволяет определить наличие отрицательного изменения (этап 408).

[0080] 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.

[0081] 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).

[0082] В одном из вариантов осуществления изобретения при регистрации второго нулевого или положительного значения производной тока (di/dt) (этап 412) микроконтроллер сохраняет значение времени Tb, соответствующее выше определенному (этап 414).

[0083] Следует отметить, что значения моментов времени Ta, Tb и изменений Ka' и Kb' сбрасываются до нуля при каждой активации соленоида.

[0084] Одновременное наличие двух ненулевых значений Ta и Tb и/или, наличие по меньшей мере, одного абсолютного значения изменения Ka', Kb', которое меньше соответствующих эталонных величин изменений Ka, Kb после обнаружения пикового значения тока, означает, что при движении подвижного сердечника произошел разрыв в динамике перемещения из-за трения.

[0085] Если изменения Ka' и Kb' являются отрицательными, но имеют абсолютное значение меньше, чем эталонные значения Ka, Kb, то наклон нисходящего участка кривой ниже, чем заранее заданный наклон из-за наличия трения при перемещении подвижного сердечника.

[0086] Следовательно, диагностическая схема генерирует аварийный сигнал (этап 416).

[0087] Как указано выше, в одном из вариантов осуществления изобретения, устройство диагностики установлено на электронной плате блока питания и управления 120 соленоидного клапана и подходит для соединения 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.

[0088] Пример диагностического протокола между диагностической цепью соленоидного клапана и ПЛК показан на блок-схеме на фиг. 8.

[0089] Диагностическая цепь регистрирует изменение формы кривой тока соленоидного клапана (этап 200), например, с помощью одного из описанных выше режимов регистрации; затем диагностическая цепь изменяет уровень состояния диагностического кабеля, например, с низкого на высокий уровень (этап 202).

[0090] Когда ПЛК получает сигнал тревоги от диагностической цепи, то он проверяет, стабильно ли значение давления (этап 204). Если ПЛК получает информацию о том, что давление в системе является стабильным, то формируется сигнал тревоги, связанный с износом соленоидного клапана (этап 206).

[0091] Если ПЛК не получает информацию о стабильном 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).

[0092] Если после проверки давления, диагностическая цепь все еще регистрирует изменение формы кривой тока соленоида, то алгоритм диагностики выдает результат о том о том, что соленоидный клапан изношен.

[0093] Если форма кривой находится соответствует эталонной форме кривой, то соленоидный клапан работает нормально.

[0094] В некоторых вариантах осуществления изобретения, нет необходимости осуществлять измерение давления, например, когда несколько соленоидных клапанов пропускают одну и ту же текучею среду под давлением, как в случае с системой соленоидных клапанов, и только некоторые имеют отклонения на кривой. В этом случае, весьма вероятной причиной формирования различных форм кривой тока является не изменение давления на входе, а износ или неисправность в работе некоторых соленоидных клапанов.

[0095] В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, соленоидный клапан снабжен диагностической цепью с электронным микроконтроллером, способной прогнозировать неисправность в работе соленоидного клапана при контроле тока соленоида, осуществляемом согласно одному из вышеперечисленных 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 связан с внешним блоком управления, например, ПЛК, через диагностический кабель, который может иметь два или более логических сигналов.

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

[0098] В соответствии с блок-схемой на фиг. 9, микроконтроллер при подключенных источнике питания и диагностической цепи осуществляет сбор 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 изменение заранее заданному изменению (этап 300). Затем указанное изменение сравнивается с заданным значением К (этап 302).

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

[00100] Если соленоид получает питание, то микроконтроллер обнаруживает значения пика и точку минимума на кривой тока соленоида, и вычисляет производную тока по времени (dI/dt) в диапазоне времени, который включает в себя диапазон или сопряжен с диапазоном, в котором возникает пик и точка минимума на кривой (этап 306).

[00101] Производные, представляющие собой скорость изменения тока соленоида, которые 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 наклон нисходящей секции слишком мал из-за трения, возникающего при перемещении подвижного сердечника), то микроконтроллер формирует сигнал тревоги (этап 310).

[00102] Если диагностический микроконтроллер подключается через диагностический кабель к внешнему блоку управления, например, ПЛК, то сигнал тревоги отправляется на этот блок, и может быть запущен алгоритм управления давлением, который был описан выше в соответствии с алгоритмом, приведенном на фиг. 8. После этого ПЛК осуществляет проверку стабильности давления. Если давление стабильно, то ПЛК или диагностический микроконтроллер формирует сигнал тревоги, связанный с износом соленоидного клапана.

[00103] Если ПЛК не получает информации о стабильном давлении в системе, то ПЛК проверяет давление в системе и подает 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 предварительно заданных значений К1, К2, то алгоритм диагностики выдает результат о том, что соленоидный клапан изношен. Если, значения производных равны или выше заранее заданных значений К1, К2, то соленоидный клапан работает нормально.

[00104] 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 кривой тока соленоида сравнивают со значением производных, полученных при испытании соленоидного клапана во время или после его выпуска с завода-изготовителя, т.е. в начале его жизненного цикла, с целью выявления любых значительных изменений, вызванных износом соленоидного клапана, как описано выше.

[00106] В одном из вариантов осуществления изобретения, производные формы кривой сравнивают со значениями производных, рассчитанных при предыдущем возбуждении соленоидного клапана (или со средними значениями, сформированными относительно определенного числа предыдущих возбуждений).

[00107] В варианте осуществления изобретения, вместо расчета производных тока для регистрации любых изменений формы кривой тока соленоида, алгоритм диагностики может использовать простой расчет времени активации Т1 подвижного сердечника, и, возможно, времени (Т2-Т1), соответствующее перемещению подвижного сердечника. 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 максимального значения, микроконтроллер контролирует значение сопротивления R соленоида, например, при вычислении среднего значения в соотношении между напряжением и током для обнаружения короткого замыкания, при размыкании цепи или другие нестандартные ситуации, вызванные, например, перегревом соленоидного клапана, которые передаются на ПЛК.

[00109] В частности, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, микроконтроллер вычисляет значение R0 сопротивления соленоида R при первом запуске 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 заданного значения R1, то считается, что отклонений не обнаружено.

[00110] Если же значение сопротивления соленоидного клапана R находится выше заранее заданного значения R1, то в соленоидном клапане произошел обрыв цепи, и в этом случае микроконтроллер посылает сигнал об ошибке (этап 316) или перегреве, и в этом случае микроконтроллером формирует сигнал тревоги (этап 318).

[00111] Если значение сопротивления R на соленоидном клапане снижается по сравнению с исходным значением 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, обрабатываемые ПЛК, или сигналы об ошибках, которые приводят, например, к прямой остановке соленоидного клапана.

[00113] Вычисление значения сопротивления соленоида R выполняется при постоянном напряжении питания.

[00114] При использовании системы клапанов 400, показанной 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 подачей питания на каждый соленоидный клапан и изменениями характеристик электромагнитных клапанов по сравнению с эталонными.

[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 ошибок в работе 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 передать результат диагностических действий на электронную плату 402, которая осуществляет управление системой клапанов и встроена в саму систему клапанов. Например, такая электронная плата 402 может быть снабжена 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 электронной плате 402 для питания и управления всеми соленоидными клапанами в системе клапанов.

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

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

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в обнаружении возможных неисправностей в работе или значительного снижения значений эксплуатационных характеристик соленоидных клапанов. 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. Электромагнит (10) содержит соленоид (102), управляемый током соленоида, и магнитную цепь, содержащую подвижный сердечник (104), расположенный и перемещаемый в соленоиде. Способ диагностики неисправностей в соленоидном клапане содержит следующие этапы: a) сохранение в постоянной памяти эталонного характеристик формы кривой тока соленоида, b) регистрация характеристик формы кривой тока соленоида во время работы соленоидного клапана, c) сравнение эталонных характеристик с регистрируемыми характеристиками, d) при отклонении величины регистрируемых характеристик от величины эталонных характеристик формируется сигнал тревоги о неисправности в работе соленоидного клапана. До формирования сигнала тревоги этап d) содержит этап d1) - сравнение величины давления текучей среды, поступающей во входное отверстие соленоидного клапана, с заданным диапазоном значений давления; в случае отклонения значения давления от упомянутого заранее заданного диапазона значений давления осуществляют этап d2) - регулировка значения давления и повторение этапов b) и с). Сигнал тревоги, формируется в случае отклонения значения регистрируемых характеристик от значения эталонных характеристик и отклонения значения давления текучей среды от заранее заданного диапазона значений давления. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 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), управляемый током соленоида, и магнитную цепь, содержащую подвижный сердечник (104), расположенный и перемещаемый в соленоиде, причем способ содержит следующие этапы:

a) сохранение в постоянной памяти эталонных характеристик формы кривой тока соленоида,

b) регистрация характеристик формы кривой тока соленоида во время работы соленоидного клапана;

c) сравнение эталонных характеристик с регистрируемыми характеристиками;

d) при отклонении величины регистрируемых характеристик от величины эталонных характеристик формируется сигнал тревоги о неисправности в работе соленоидного клапана;

при этом до формирования сигнала тревоги этап d) содержит:

- этап d1) - сравнение величины давления текучей среды, поступающей во входное отверстие соленоидного клапана, с заданным диапазоном значений давления;

- в случае отклонения значения давления от упомянутого заранее заданного диапазона значений давления осуществляют этап d2) - регулировка значения давления и повторение этапов b) и с);

сигнал тревоги формируется в случае отклонения значения регистрируемых характеристик от значения эталонного характеристик и отклонения значения давления текучей среды от заранее заданного диапазона значений давления.

2. Способ по п. 1, в котором сохраняемыми и сравниваемыми характеристиками формы кривой тока соленоида являются наклон первого участка кривой между моментом возбуждения соленоидного клапана и первым пиковым значением тока (IPEAK), формирующимся при замыкании подвижного сердечника, и наклон второго участка кривой между пиковым значением тока (IPEAK) и следующей минимальной точкой (IVALLEY) значения тока соленоида.

3. Способ по предыдущему пункту, дополнительно включающий следующие этапы:

- проверка наличия на кривой тока соленоида пика и/или последующих минимальных (m) и максимальных (М) относительных точек на участке между первым пиковым значением тока (IPEAK) и точки минимального значения тока (IVALLEY);

- вычисление средних значений производной тока по времени в интервале времени, который является предшествующим текущему интервалу времени, непосредственно следующему за точкой перегиба или за минимальной относительной точкой;

- сравнение упомянутых средних значений с соответствующими эталонными значениями;

- проверка, того находится ли по меньшей мере одно из упомянутых абсолютных средних значений ниже соответствующего эталонного значения.

4. Способ по предыдущему пункту, в котором наличие упомянутого пика и/или дополнительных относительных точек максимума (М) и минимума (m) определяется путем вычисления производной тока во времени (di/dt) и проверки того, принимает ли данная производная нулевое или положительное значение в двух моментах времени (Та, Тb) в промежутке, следующем за моментом, в котором был достигнут пик на кривой тока, а также до того, как ток соленоида достигнет максимального значения.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором характеристики кривой тока соленоида содержат, по меньшей мере, первый временной интервал (Т1), соответствующий времени, прошедшему между моментом возбуждения соленоида и моментом достижения пикового значения тока, возникающего при замыкании подвижного сердечника.

6. Способ по предыдущему пункту, в котором упомянутый первый временной интервал определяют с помощью аналоговой цепи обнаружения пиковых значений тока (40), которая сравнивает мгновенное значение тока соленоида со значением тока соленоида с предварительно заданной задержкой, или при помощи средства цифровой обработки цепи кривой тока соленоида.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором эталонными характеристиками являются характеристики кривой тока соленоида, полученные при испытании электромагнитного клапана во время или после выпуска с завода-изготовителя.

8. Способ по любому из пп. 1-6, в котором эталонными характеристиками являются характеристики кривой тока соленоида, полученные на основе средних значений, определенных на основе набора ранее полученных значений.

9. Устройство диагностики неисправностей в соленоидном клапане, в котором соленоидный клапан содержит электромагнит (10) и корпус клапана (12), в котором предусмотрено одно или несколько отверстий (14, 16, 18) для прохождения текучей среды под давлением и в котором электромагнит (10) содержит соленоид (102), управляемый током соленоида, и магнитную цепь, содержащую подвижный сердечник (104), расположенный и перемещаемый в соленоиде, диагностическое устройство содержит электронную диагностическую цепь с микроконтроллером, выполненную с возможностью осуществления способа диагностики по любому из предыдущих пунктов.

10. Устройство по предыдущему пункту, в котором диагностическая цепь установлена на плате блока питания и управления, установленной на соленоидном клапане.

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

12. Устройство по предыдущему пункту, в котором упомянутое средство связи выполнено с возможностью передачи сигнала состояния на внешний блок управления, принимающий 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, предназначенную для отбора значений формы кривой в заранее заданном интервале времени.

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

15. Соленоидный клапан, состоящий из электромагнита (10) и корпуса клапана (12), содержащий одно или несколько отверстий (14, 16, 18), предназначенных для прохождения текучей среды, находящейся под давлением, и в котором электромагнит (10) содержит соленоид (102), управляемый током соленоида, и магнитную цепь, содержащую подвижный сердечник (104), расположенный и перемещаемый в соленоиде, причем соленоидный клапан дополнительно содержит устройство диагностики по любому из пп. 9-14.

16. Соленоидный клапан согласно предыдущему пункту, содержащий блок питания и управления (120), диагностическое устройство, установленное на упомянутом блоке питания и управления (120).

17. Соленоидный клапан согласно предыдущему 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 в системе клапанов, причем 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 эталонные характеристики связаны с каждым из соленоидных клапанов в системе клапанов или группы соленоидных клапанов в системе соленоидных клапанов, и в котором регистрируемые характеристики получены при возбуждении каждого соленоидного клапана в отдельности или каждой группой соленоидных клапанов.