一种旋转式阀门执行器的性能检测系统及检测方法

1.本发明属于阀门检测技术领域，具体涉及一种旋转式阀门执行器的性能检测系统及检测方法。


背景技术：

2.阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。在管道上主要起切断和节流作用。电动执行器可用于控制各类大小的阀门。执行器具有智能扭矩控制，可对电机进行失速保护，同时在待机状态保持低功率运行，为阀门的核心部件。目前在各种阀门执行器的性能检测中，均为单一种类阀门检测方法，不具备通用性以及完整性。已有技术多为执行器单功能检测，如行程检测，位置控制等，对执行器的实际工况过程中的扭矩变化，角度变化及电参数变化等引起的执行器工作状态的变化，是否满足性能指标要求，无法进行有效验证。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种旋转式阀门执行器的性能检测系统及检测方法。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
5.一种旋转式阀门执行器的性能检测系统，包括计算机系统、控制系统、数据采集系统、工装夹具系统和驱动系统；
6.计算机系统包括带有串行通讯口与usb通讯口的工业计算机；
7.控制系统包括通过usb通讯口与工业计算机相连的数字量模拟量控制板卡，用来控制执行器供电电路；
8.数据采集系统包括分别经过隔离模块通过usb通讯口与工业计算机相连的扭矩传感器、角编码盘、功率分析仪和温度传感器；数据采集系统在测试过程中分别对执行器进行实时测量，其中，扭矩传感器测量执行器输出扭矩，角编码盘测量执行器旋转角度，功率分析仪测量执行器电压、电流和功率，温度传感器测量执行器温度；
9.工装夹具系统包括执行器固定装置、伺服电机固定装置和联轴器；执行器固定装置包括直线式执行器固定装置、旋转式执行器固定装置，用于将执行器固定于机台上；伺服电机固定装置用于将伺服电机固定于机台上；联轴器用于实现执行器与伺服电机的连接，将伺服电机的扭矩传输至执行器；
10.驱动系统包括直流电源、交流电源和伺服电机；直流电源用于给直流式执行器供电；交流电源用于给交流式执行器供电；伺服电机用于给执行器提供反向堵转或正向驱动扭矩。
11.一种旋转式阀门执行器的性能检测方法。
12.本发明所达到的有益效果：
13.本发明的方法解决了目前各种旋转式阀门执行器类型进行性能测试时，需要提供
各种不同测试台的问题，更具有通用性；进一步还解决了执行器在不同的实际工况下工作状态变化情况下的性能检测问题，实现了执行器在扭矩突破测试、角度突破测试过程中执行器性能的测试。在执行器正反向工作时，测试系统对执行器提供同向驱动扭矩，检测执行器的工作性能；或测试系统对提供异向驱动扭矩，检测执行器的工作性能。
附图说明
14.图1是旋转式阀门执行器的性能检测系统连接示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
16.结合图1所示，旋转式阀门执行器的性能检测系统，包括计算机系统、控制系统、数据采集系统、工装夹具系统和驱动系统。
17.计算机系统包括带有串口通讯口与usb通讯口的工业计算机(工控机)和显示器。
18.控制系统包括通过usb通讯口与工业计算机相连的数字量模拟量控制板卡，用来控制执行器供电电路。
19.数据采集系统包括扭矩传感器、角编码盘、功率分析仪、温度传感器，都分别经过隔离模块通过usb通讯口与工业计算机相连。数据采集系统在测试过程中分别对执行器进行实时测量，其中，扭矩传感器测量执行器输出扭矩，角编码盘测量执行器旋转角度，功率分析仪测量执行器电压、电流和功率，温度传感器测量执行器温度。
20.扭矩传感器包括：0-10n，0-100n，0-200n等不同测量范围与精度的型号。
21.扭矩传感器包括扭矩表和传感器主体。
22.角编码盘包括角度表和编码盘主体。
23.工装夹具系统包括执行器固定装置、伺服电机固定装置和联轴器。
24.执行器固定装置包括直线式执行器固定装置(简称直线工装)、旋转式执行器固定装置(简称旋转工装)，用于将执行器固定于机台上。
25.伺服电机固定装置用于将伺服电机固定于机台上。
26.联轴器用于实现执行器与伺服电机的连接，将伺服电机的扭矩传输至执行器。
27.驱动系统包括直流电源、交流电源和伺服电机。
28.直流电源用于给直流式执行器供电。
29.交流电源用于给交流式执行器供电。
30.伺服电机用于给执行器提供反向堵转或正向驱动扭矩。
31.本检测系统专用于测试执行器产品在不同工况下的工作状态。根据不同扭矩范围的执行器，配置不同的扭矩传感器。执行器工作时，通过控制伺服电机的扭矩，对执行器进行电气以及工作情况的采集。通过控制伺服电机的转矩，给出执行器相应的驱动指令，读取不同工况下的扭矩值和角编码盘参数、电气参数(电压、电流、功率)，记录峰值参数和平均参数，确定执行器的最大驱动能力和精度。
32.如果执行器有不同的电源要求，还需要切换直流电源和交流电源，并通过数字量模拟量控制板卡控制相应的电路和模拟量参数，读取电压、电流、功率等电气参数。
33.为了适应不同的执行器，需要配合选择对应的直线工装和旋转工装，直线工装和旋转工装(统称为工装)更换操作步骤如下：
34.在进行工装更换前，确认所有电气已断电；
35.在进行工装更换时，需对伺服电机、各固定装置、数据采集系统中的各种传感器、通讯线缆逐一确认后方可进行上电使用；
36.在进行工装更换后，需要在空载状态下对扭矩表与角度表进行清零操作，以免影响测试。
37.检测系统对执行器检测的内容主要包括行程驱动测试、位置突破测试、堵转扭矩测试。
38.1、行程驱动测试方法具体步骤为：
39.使执行器在正方向或负方向上运动工作，在执行器运动到最大角度或行程时，记录该过程中的时差、平均电气参数(电压、电流、功率在这个过程中的平均值，为执行器工作整个行程时的消耗)和峰值参数(电压、电流、功率在这个过程中的最大值，为执行器工作时的最大所需量)，记录校准行程(指执行器运行的最大行程，即执行器的工作范围)及该行程时间和该行程时间对应的上述平均电气参数和峰值参数。在此过程中，将执行器运动角度在5
°
～15
°
、40
°
～50
°
、80
°
～90
°
阶段进行详细的参数记录。
40.测试得到的峰值参数与平均电气参数、校准行程、行程时间，会进行该型号执行器既定参数上下限的判断，每个型号执行器均具备对应的出厂参数上下限，将测试得到的结果与该型号执行器具备的出厂参数上下限进行比较判断，从而判断该执行器是否合格。
41.2、位置突破测试(正转或反转)包括两种方式：
42.第1种测试方式：定扭矩突破位置方式，即扭矩固定的情况下，测试执行器是否能够在该扭矩下到达或突破设定位置；
43.第2种测试方式：定位置突破扭矩方式，即运动至设定位置，加载扭矩，继续前进，看执行器是否能够在该扭矩下到达或突破该设定位置。
44.两种方式都是为了测试在有负载的情况下，执行器的性能。在该位置能否正常工作以及能否运动至该位置。因此两种方式都需要测试。
45.第1种定扭矩突破位置方式，具体步骤为：
46.首先控制伺服电机对执行器施加第一设定扭矩，然后维持该扭矩使执行器在正方向或负方向运动至超过设定的角度或者设定的位置，记录电气峰值参数(电压、电流、功率在这个过程中的最大值，为执行器工作时的最大所需量)和其平均参数，目的是检测在该角度或位置下执行器的最大工作扭矩，及该最大工作扭矩时对应的电气参数，提高扭矩至第二设定扭矩，重复上述步骤，直至在第n设定扭矩下执行器运动时无法超过设定角度或者设定位置，执行器堵转或者反转。
47.对得到的无法工作的第n设定扭矩，认定为该角度或位置下的最大工作扭矩，进行该型号执行器既定参数上下限的判断，每个型号的执行器均具备对应的出厂参数上下限，将测试得到的结果与出厂参数上下限进行比较判断，从而判断该执行器是否合格。
48.如果执行器的最大工作扭矩太小，说明在有外部负载存在的情况下，该执行器无法工作，因此要测试该项，保证在一定的负载扭矩下，执行器能够正常工作。
49.第2种定位置突破扭矩方式，具体步骤为：
50.首先控制执行器在正方向或负方向运动至设定的角度或者设定的位置，保持该位置，控制伺服电机对执行器施加第一设定扭矩，控制执行器继续运行，记录该过程中的电气峰值参数(包括扭矩、电流、电压和功率)和其平均参数；
51.控制执行器再次运动至设定的角度或者设定的位置，保持该位置，提高扭矩至第二设定扭矩，重复上述步骤，直至在第n设定扭矩下执行器在该角度运动时无法超过设定角度或者设定位置，执行器堵转或者反转。
52.上述两种方式都是对得到的最大工作扭矩(第n设定扭矩)进行该型号执行器既定参数上下限的判断，每个型号的执行器具备对应的出厂参数上下限，将测试得到的结果与出厂参数上下限进行比较判断，从而判断该执行器是否合格。
53.本实施例中，位置突破测试时，对执行器施加各扭矩时均采用扭矩加载算法加载扭矩，维持该扭矩时采用保持扭矩算法进行扭矩维持，提高扭矩时采用扭矩增大算法增大扭矩。
54.所述扭矩加载算法，具体步骤包括：
55.首先对输入的伺服电机对执行器施加的设定扭矩及加载速度进行分阶段设置，使分段后各阶段扭矩在加载过程中以平滑的加载速度加载至设定的目标扭矩。每段扭矩施加过程中，在目标扭矩基础上设置一动态阈值，越接近设定扭矩时，动态阈值越低。扭矩变化速度通过微分算法计算，每个阶段的扭矩起始值与目标扭矩值及变化曲线作为函数，进行扭矩与时间的一阶微分计算，微分运算时dt中的时间取usb通讯口的通讯时间。在前期阶段控制中，需要满足快速达到目标扭矩的需求，因此将函数设置为线性函数，扭矩变化速度为常量。其中，控制阶段越接近设定扭矩，该阶段的速度常量越小。在最后阶段控制中，需要满足精度高的需求，因此采用扭矩增大或减小算法，将函数设置为非线性函数，扭矩变化速度为变量，逐步逼近设定扭矩。本扭矩加载算法具有控制节拍短，控制精度高的优点。
56.分阶段设置举例如下：
57.假设需要对执行器施加的第一设定扭矩为10n
·
m，本实施例中假设分为三阶段平滑加载逼近第一设定扭矩，第一阶段的扭矩加载增大至目标扭矩5n
·m±
10％，即达到4.5-5.5n
·
m即完成第一阶段的扭矩加载；进入第二阶段，扭矩加载增大至目标扭矩，8n
·m±
5％，即达到7.6-8.4n
·
m即完成第二阶段的扭矩加载；进入第三阶段，扭矩加载增大至目标扭矩10n
·
m-3％，大于9.7n
·
m即完成扭矩加载算法，进入扭矩保持算法。
58.所述保持扭矩算法，具体步骤包括：
59.通过当前保持扭矩进行扭矩边界判定，即对不同的扭矩设定相应的控制范围，判定扭矩是否在设定扭矩的公差范围内，如果实际扭矩小于设定扭矩-下公差扭矩，则进行增大扭矩，直至扭矩增大到落在控制范围内；如果实际扭矩大于设定扭矩 上公差扭矩，则进行减小扭矩，直至扭矩减小到落在控制范围内；其中，减小或增大扭矩的速度进行自适应调整，与距离所需扭矩的差值成正相关，距离所需扭矩的差值越大时，减小或增大扭矩的速度越大，反之同理。
60.所述扭矩增大或扭矩减小算法，具体步骤为：
61.依据已知执行器特性对应的扭矩初始变化率(变化率即扭矩增大或降低的速度)，初始变化率即为上述前一阶段的最后一个阶段的加载速度，其中，线性函数的微分运算得到速度为常量，二阶微分得到的加速度为0，无法满足速度逐渐降低为0的过程中逼近扭矩
的效果，因此，在增大或减小扭矩的过程中，将阶段的扭矩起始值与目标扭矩值及变化曲线设置为非线性函数，使得微分运算得到的速度为逐渐变为0的变量，二阶微分得到的加速度为常量，逐步逼近设定扭矩。
62.3、堵转扭矩测试(正转或反转)具体步骤为：
63.设定驱动扭矩和测试角度后，首先使执行器在正方向或负方向上运动，逐渐增加伺服电机驱动扭矩，直到执行器锁定或反向操作，测试该过程中的电压、电流和功率的平均电气参数，记录峰值参数(电压、电流、功率、驱动扭矩)和锁定角度；执行器锁定时进入堵转模式后，减小驱动扭矩使执行器进入保持扭矩模式，测试该过程中执行器的位移差，记录该过程中的功耗。堵转模式下，执行器堵住不动，通过降低扭矩时测试的位移差，可以判断执行器会不会抖动位移，若执行器不发生抖动位移或位移差不大于设定的位移差阈值，则该锁定角度对应的驱动扭矩为该执行器的堵转扭矩，否则判断执行器有问题ng。
64.进行该型号执行器既定参数上下限的判断，每个型号的执行器具备对应的出厂参数上下限，将测试得到的结果与出厂参数上下限进行比较判断，所有的测试项都满足要求，才能判断这个执行器是合格的。
65.本实施例中，堵转扭矩测试时，保持扭矩模式时采用保持扭矩算法。
66.本检测系统的检测方法满足了各种阀门执行器的性能检测需求，解决了不同类型执行器测试困难的难题；满足了执行器不同工况下的性能检测。
67.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。