CN110475995B - 用于监测阀歧管组件中的响应时间的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种现场总线电磁阀组件，具有传感器，该传感器用于检测用于使气缸和活塞组件中的活塞移动的致动循环的开始。位置传感器在致动循环结束时检测活塞在气缸和活塞组件中的端位置。计时器对从活塞的致动循环的开始到用于检测端位置的位置传感器在致动循环结束时检测到活塞处于其端位置之间的经过时间进行计时。比较器可操作地连接到存储装置和传感器，以便将来自传感器的经过时间与存储装置中的标准化时间或分布以及预定容差边界进行比较。如果经过时间在设定的容差范围之外，则致动报警装置。

Description

用于监测阀歧管组件中的响应时间的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种阀歧管控制***，并且更具体地涉及一种用于监测阀歧管中的控制阀及其相应的现场装置的执行响应时间的***。
背景技术
结合歧管组件的现场总线***通常在工业生产线中使用，以选择性地将气动压力引导至各种气动操作的现场装置。歧管组件通常是模块化的，并且由多个单独的现场总线模块组装而成，其中现场总线模块包括I/O模块、通信模块和歧管构件。歧管构件包括歧管块，该歧管块安装了一个或多个单独的控制阀(通常被称为电磁阀)、阀块，或者仅包括控制用于操作相应现场装置的气动流的方向的阀构件。歧管构件通常具有共同的先导压力通道和主压力通道，这些压力通道连接到电磁阀，电磁阀又控制到相应的气动动操作的现场装置的主压力流。现场装置通常由活塞和气缸组件来操作，活塞和气缸组件从缩回位置循环到伸出位置，反之亦然。如本文所使用的，运动循环是从缩回位置到伸出位置或从伸出位置到缩回位置。
这些歧管组件具有结合许多歧管块和阀站的能力，阀站又在大型制造或工业生产线中操作许多现场装置。由于每个控制阀需要正确操作以维持相应的现场装置的正确操作，单个控制阀及其相应的气动操作的现场装置的故障可能导致整个制造或工业生产线停止运行。
优选让每个现场装置及其控制阀和连接管道保持在运行状态，并在定期维护和正常停机时间期间在任何部件发生故障之前更换该部件，以防止线路意外中断。但是，仅监测控制阀是有限的。仅监测控制阀不提供关于下游(即在通向现场装置的气动管道处或在现场装置自身内)的任何问题的任何信息。因此，非常希望并且有利的是同时监测执行时间，即活塞和气缸组件从循环开始到循环结束的响应时间，然后可以判断出是否可能在现场装置或其到控制阀的上游任何位置出现任何问题。可影响执行的各种参数的部分列表是压紧或断开的管道，在例如阀、气缸、配件或管道中的泄漏，对流量控制的手动改变或窜改，在压力调节器中的手动改变或调整，负荷变化，由磨损或杆侧负载或阀磨损引起的气缸结合，气缸磨损或传感器故障。
先前的用于监测现场装置的监测参数已在先前发送至现场总线PLC。为了让地面上的操作员看到来自PLC的任何警告，PLC需要向气缸组的主控制单元发送指示信号，然后主控制单元需要将指示信号发送到适当的I/O单元。这种接收和重新发送指示信号到PLC并通过主控制单元和I/O单元徒增复杂。
所希望的是提供一种快速构造的警告***，该警告***提供从现场总线处的阀的致动到现场装置的最终循环位置的计时功能，例如活塞缸从缩回位置移动到伸出位置或从伸出位置移动到缩回位置所需的循环时间，并且其中经过时间信号然后被直接发送到现场总线中的I/O模块以用于歧管组中的相应歧管控制阀。还希望具有智能和存储器的现场总线***，以将经过时间信号值与预定的可接受经过时间值进行比较，并且如果相较于预定的可接受经过时间值已经发生经过时间阀的不可接受的变化，则在现场总线模块处提供警告或其他指示。还期望通过使用已经安装和/或容易获得的硬件而具有监测***的上述优点。
发明内容
根据本发明的一方面，现场总线电磁阀组件具有至少一个电子通信模块，该电子通信模块具有至少一个输入/输出连接器，该输入/输出连接器是一体的或者通过I/O模块连接到电子通信模块。通信模块连接到至少一个具有阀体的歧管构件，该阀体具有通过螺线管安装和操作的螺线管操作控制阀。歧管构件具有用于向至少一个阀体的端口供应加压流体和从上述端口排放加压流体的第一流动路径和第二流动路径。在第一流动路径和第二流动路径内的加压流体的供应和排放取决于螺线管操作控制阀的位置。
活塞和气缸组件具有活塞，该活塞在气缸内在气缸的缩回端和伸出端之间可滑动地移动。活塞和气缸组件在缩回端和伸出端处连接到第一流动路径和第二流动路径，以便活塞在气缸内往返于缩回端位置和伸出端位置之间。第一位置传感器容纳在气缸的一端附近，以便在活塞处于其伸出端位置或缩回端位置时进行检测。检测传感器检测用于使活塞和气缸组件中的活塞移动的致动循环的开始。
计时器装置对从活塞的循环的开始到用于检测端位置的位置传感器在循环结束时检测到活塞处于其端位置之间的经过时间进行计时。存储装置可操作地连接到位置传感器和检测传感器，以便接收和存储标准化循环时间分布并且存储来自标准化循环时间分布的预定容差边界。比较器可操作地连接到存储装置、位置传感器和检测传感器，以便将由检测传感器和位置传感器开始和结束的时间参数与标准化循环分布和预定容差边界进行比较。报警器连接到比较器，并且如果比较器将经过时间与标准化分布和预定容差边界进行比较并确定经过时间在预定容差边界之外，则报警器被致动。
优选地，检测传感器和位置传感器电连接到与通信模块连接的I/O模块中的单独I/O。在一个实施例中，位置传感器是线性电位计，该线性电位计根据活塞在气缸内的线性位置来测量模拟电压，以便测量加速度和减速度。
在一个实施例中，检测传感器是第二位置传感器，该第二位置传感器从第一位置传感器安装在气缸壳体的另一端上。在一个实施例中，第二位置传感器安装在气缸壳体的另一端上，使可以测量用于伸出活塞杆和缩回活塞杆这两个操作的循环时间。
根据本发明的另一方面，I/O模块连接到通信模块，该通信模块连接到歧管构件。歧管构件具有安装在其上的控制阀，该控制阀由螺线管在第一位置和第二位置之间操作。通信模块、至少一个I/O模块和螺线管一起电连接到致动控制阀的致动电路。歧管构件具有用于向至少一个阀体的端口供应加压流体和从上述端口排放加压流体的第一流动路径和第二流动路径，在第一流动路径和第二流动路径内的加压流体的供应和排放取决于控制阀的位置。活塞缸组件具有气缸，该气缸具有第一端和第二端以及活塞，该活塞在气缸内在第一端位置和第二端位置之间可滑动地移动。活塞缸组件在其第一端和第二端处连接到第一流动路径和第二流动路径以接收加压流体，从而使活塞在气缸内在第一端位置和第二端位置之间往复移动。第一位置传感器和第二位置传感器容纳在相应的第一端和第二端附近，以便在活塞处于其第一端位置或第二端位置时进行检测。
计时器装置连接到传感器，以便对从使活塞从初始端位置移动的致动循环的开始到如由第一位置传感器或第二位置传感器所感测的活塞到达另一端位置之间的经过时间进行计时。存储装置也可操作地连接到位置传感器和致动电路，以便接收和存储标准化循环时间分布并且存储来自标准化循环时间分布的预定容差边界。比较器可操作地连接到存储装置、致动电路、以及第一位置传感器和第二位置传感器，以便将由致动电路启动且由位置传感器结束的时间参数与标准化循环分布和预定容差边界进行比较。如果比较器确计时间参数(即经过时间)在预设的容差边界之外，则报警器被致动。计时器装置、存储装置、比较器和报警器可以容纳在通信模块或连接到通信模块的I/O模块中。
在一个实施例中，检测传感器检测致动循环的开始，该致动循环用于使活塞和气缸组件中的活塞从到达螺线管的使控制阀移动的信号的启动开始从其第一位置移动到其第二位置或者从其第二位置移动到其第一位置。计时器装置对从到达螺线管的使控制阀移动的信号的开始到如由第二位置传感器感测的活塞到达第二端位置或者到如由第一位置传感器感测的活塞到达第一端之间的经过时间进行计时。比较器可操作地连接到存储装置、致动电路、以及第一位置传感器和第二位置传感器，以便将由致动电路启动且由来自位置传感器的信号结束的时间参数与标准化循环分布和预定容差边界进行比较。
根据本发明的另一方面，用于现场总线电磁阀组件的检测***具有传感器，该传感器用于检测用于使气缸和活塞组件中的活塞移动的致动循环的开始。位置传感器在循环结束时检测活塞在气缸和活塞组件中的端位置。计时器测量从活塞的循环的开始到位置传感器在循环结束时检测到活塞处于其端位置之间的经过时间。存储装置可操作地连接到传感器以接收参数数据，参数数据用于建立标准化循环分布并存储预定容差边界。比较器可操作地连接到存储装置和传感器，以便将来自传感器的经过时间与标准化循环分布和预定容差边界进行比较。报警装置可操作地连接到比较器，并且如果比较器将来自传感器的参数与标准化分布和预定容差边界进行比较并且发现该参数在预定容差边界之外，则致动报警装置。
附图说明
现在参考附图，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的透视和部分示意图。
图2是图1中所示的阀壳和歧管块的剖视图；以及
图3是示出本发明一个实施例的典型操作的示意流程图。
具体实施方式
现在参照图1，流体控制***10本质上是模块化的，并且具有多个阀歧管构件(也称为歧管单元)12，这些阀歧管构件与通信模块14和一系列I/O模块16互连在一起。通信模块14可连接到由可编程逻辑计算机(PLC)和通信卡15控制的现场总线网络17。歧管单元12的特定数量取决于安装在每个单元12中的电路的应用和容量。每个歧管单元12包括歧管块19，该歧管块可以在其上表面13上安装一个或两个控制阀18。
参照图2和图3，每个歧管块19具有流体供应和流体排出通道20、22和24，这些通道横向延伸经过块以与相邻的块19连通。每个歧管块还具有排放通道21和23，这些排放通道延伸到外壁29以便通过两个气动导管32和34连接到气动操作的现场装置30，如图3所示。每个歧管块还具有横向先导压力通道25。每个通道20、21、22、23、24和25连接到在歧管块19的上表面13处的相应端口40、42、44、46、48和49，这些相应端口与阀18中的相应端口50、52、54、56、58和59连通。
电路板60以已知的方式安装在歧管块19中，并且向控制阀的电磁阀线圈64供应电力，以便致动电磁阀18并使其阀芯66通过来自端口59的比先前压力大的力气动压力而移动。当阀芯66轴向移动时，其控制端口50-58之间的连通，即端口50-58的打开和关闭。阀芯66可以众所周知的方式通过弹簧68向一个方向偏置。尽管所示实施例是单个电磁阀组件，但是应该理解，也可以使用市售的双电磁阀组件。简而言之为双电磁阀。取消复位弹簧68并操作第二螺线管，以提供流体压力使阀芯66返回(如图2所示向右)。
现场装置30通常由活塞和气缸组件70操作，该活塞和气缸组件具有连接到活塞杆73的活塞72，该活塞杆从气缸74的一端76延伸出来。活塞72可滑动地容纳在气缸壳体74内，在缩回位置(图1中的右侧)和伸出位置(图1中的左侧)之间。气动导管32和34连接到相对的端部75和76，并与相对的内部压力室77和78连通，以向腔室77和78中的任一者提供流体压力，以便活塞72在气缸壳体74内来回循环以缩回或伸出活塞杆73。
两个位置传感器80和81安装在气缸壳体74上。这些位置传感器80和81可以是霍尔效应传感器。活塞72可以具有安装在其上的磁体83，当接近传感器80或81中的任一者时，该磁体触发传感器以发送输出信号。
位置传感器80和81各自电连接到相应I/O单元16的单独输入82和84，该相应I/O单元对应于气动连接到现场装置30的阀18。该连接通过两根导电电缆86和88进行。预计无线通信也是一种可能性。
现在参考图3来描述所公开实施例的一般操作。参照框100，操作员(用户)选择操作相应现场装置30的适当阀线圈64，并且然后输入与阀线圈18相关联的每个I/O 16的适当时间和其他参数数据，如框102所指示。如框104中所述重复这些步骤，直到确定所有输出参数。在设置所有适当输出之后，循环操作开始。如本文所使用的，当主通信模块14发送信号(通过提供操作电压或结束操作电压)以致动或解除致动阀18的螺线管线圈64时，循环开始。该信号实际上开始循环，以使活塞72从其当前的端位置(缩回或伸出)移动到另一个端位置(伸出或缩回)。当循环开始时，检测传感器检测致动电路线中的电压变化，并且主通信模块14中的内部计时器Tn启动，如框106所指示。可接受的限制和容差已经在框100的第一步骤中设置，并被存储在主通信模块的内部存储装置中。
如果计时器由于某些缺陷而没有关闭，则时间“Tn”将超过相关联输入Y(输入82或84)的所允许时间，如方框108所指示，并发送警报。警报可以是在I/O单元模块16的图形显示器92或通信模块74的显示器90上的视觉指示。还可以将警报发送到集成的网络服务器或PLC 15或IPC和DCS等，如框110所指示。预计音频以及视觉警报。
当活塞72移动到另一端时，位置传感器80和81中的一个将感测活塞何时到达端位置，并且信号经由电缆86或88发送到输入82或84，该输入82或84关闭计时器并提供最终时间Tn，如框112所指示。然后比较器比较Tn并确定Tn是否在先前针对阀设定的容差内，如框114所指示。如果超出容差，则从I/O单元向通信模块发送报警，并在图形显示器90或92、集成的网络服务器、或PLC 15、或IPC和DCS等上显示警报，如框116所指示。应该注意的是，容差也可以设置得太短。如果有人手动增加主线压力超过所需压力、降低现场装置上的负载或可能导致比正确时间更快的其他变化，则可能会出现过快的时间。
如果最终时间Tn在参数内，则***继续并且程序被重置以用于下一循环，如框118所指示。
其他参数(诸如阀芯运动或流速)可以代替或者补充位置和时间参数。可以根据控制阀的具体应用来选择参数。
当控制阀或其伴随的现场装置30在完整故障之前呈现出一些劣化时，提供音频警报或视觉通知，该音频警报或视觉通知允许在下一个停机时间或在完整故障发生之前的定期维护中修理或更换控制阀或现场装置30，然后可以避免计划外和不必要的线路停止。
预见另选的实施例，其中来自霍尔效应传感器的信号也启动计时器，而不是计时器在循环开始时启动。
还预见双电磁阀可以与该监测和计时***一起使用。当使用双电磁阀时，当致动电压被发送到阀的相应的第一螺线管或第二螺线管时，相应的循环开始。忽略致动电压的停止以便设置下一个循环。当致动电压被发送到第一螺线管或第二螺线管中的另一个时，下一个循环开始。
还预见位置传感器中的一个可以是线性电位计，该线性电位计根据活塞在气缸内的线性位置来测量模拟电压，以便使用活塞的位置和经过时间来测量加速度和减速度。
以这种方式，通过使启动循环的信号还启动计时器并且从信号启动的时刻开始对循环进行计时直到活塞达到其端位置，实现了改进的预测水平或预防性维护。不仅监测阀，还监测气动管道32和34，并且可以检测与气缸和活塞或连接到活塞杆73的现场装置的其他结合部分的任何结合或问题。从循环开始到结束监测循环。可影响循环时间的参数包括例如阀缸配件和管道中的泄漏，流量控制的手动改变，压力调节器的手动改变，负载变化，由于磨损或杆侧负荷引起的气缸和活塞组件中的结合，阀磨损，气缸磨损，电磁阀中的弱复位弹簧，传感器故障，输入模块故障和其他变化或故障。
对以发送到线圈的致动电压变化开始并以活塞到达其端而结束的循环的计时可用于监测功能，并且如果感测到随时间的任何变化以及与所述正确时间的偏差，则可发送适当的警报，以提供从线圈和阀到现场装置的线路中的某些操作不符合设计和设定标准的警告。
在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，其他变化和修改是可能的。

Claims (13)

1.一种现场总线电磁阀组件，其特征在于：
通信模块，所述通信模块连接到具有阀体的至少一个歧管构件，所述阀体具有通过螺线管安装和操作的螺线管操作控制阀；
所述歧管构件具有用于向所述阀体的端口供应加压流体的第一流动路径和从所述阀体的所述端口排放加压流体的第二流动路径，在所述第一流动路径和所述第二流动路径内的加压流体的供应和排放取决于所述螺线管操作控制阀的致动状态；
活塞缸组件，包括活塞，所述活塞在气缸内在所述气缸的缩回端和伸出端之间能滑动地移动；
所述活塞缸组件在所述缩回端和所述伸出端处连接到所述第一流动路径和所述第二流动路径，以便所述活塞在所述气缸内往返于所述缩回端的位置和所述伸出端的位置之间；
第一位置传感器，容纳在所述气缸的一端附近，以用于检测何时所述活塞处于伸出端的位置或缩回端的位置中；
检测传感器，用于检测使活塞缸组件中的活塞移动的致动循环的开始；
计时器装置，用于对从所述活塞的所述致动循环的开始到用于检测端位置的所述第一位置传感器在所述致动循环结束时检测到所述活塞处于其端位置之间的经过时间进行计时；
存储装置，所述存储装置能操作地连接到所述第一位置传感器和所述检测传感器，以便接收和存储标准化循环时间分布并且存储来自所述标准化循环时间分布的预定容差边界；
比较器，所述比较器能操作地连接到所述存储装置和所述第一位置传感器以及所述检测传感器，以便将由所述检测传感器和所述第一位置传感器起始和结束的时间参数与所述标准化循环时间分布和所述预定容差边界进行比较；以及
报警器，连接到所述比较器，并且如果所述比较器将所述经过时间与所述标准化循环时间分布和所述预定容差边界进行比较并确定所述经过时间在所述预定容差边界之外，则致动所述报警器。
2.根据权利要求1所述的现场总线电磁阀组件，其特征还在于：
所述检测传感器和所述第一位置传感器电连接到与所述通信模块连接的I/O模块中的单独I/O。
3.根据权利要求1所述的现场总线电磁阀组件，其特征还在于：
所述第一位置传感器是线性电位计，所述线性电位计根据所述活塞在所述气缸内的线性位置来测量模拟电压，以便测量加速度和减速度。
4.根据权利要求1所述的现场总线电磁阀组件，其特征还在于：
所述检测传感器是第二位置传感器。
5.根据权利要求4所述的现场总线电磁阀组件，其特征还在于：
所述第一位置传感器与所述第二位置传感器中的一个是线性电位计，该线性电位计根据所述活塞在所述气缸内的线性位置来测量模拟电压，以便测量加速度和减速度。
6.一种现场总线电磁阀组件，其特征在于：
I/O模块，连接到通信模块，所述通信模块连接到歧管构件，所述歧管构件具有安装在其上的由螺线管操作的控制阀；
所述通信模块在所述I/O模块和所述螺线管处一起电连接到操作所述控制阀的致动电路；
歧管构件，所述歧管构件具有用于向至少一个阀体的端口供应加压流体的第一流动路径和从所述至少一个阀体的端口排放加压流体的第二流动路径，在所述第一流动路径和所述第二流动路径内的加压流体的供应和排放取决于所述控制阀的位置；
活塞缸组件，具有第一端和第二端并且包括活塞，所述活塞在气缸内在第一端位置和第二端位置之间能滑动地移动；
所述活塞缸组件在所述第一端和所述第二端处连接到所述第一流动路径和所述第二流动路径，以便所述活塞在所述气缸内在第一端位置和第二端位置之间往复移动；
第一位置传感器和第二位置传感器，容纳在所述第一端和所述第二端附近，以便检测何时所述活塞处于其第一端位置或第二端位置；
所述I/O模块具有计时器装置，所述计时器装置连接到所述第一位置传感器与所述第二位置传感器，以便对从使所述活塞从初始端位置移动的致动循环的开始到当由所述第一位置传感器或所述第二位置传感器感测到所述活塞到达最终端位置之间的经过时间进行计时；
所述I/O模块具有存储装置，所述存储装置能操作地连接到所述第一位置传感器与所述第二位置传感器和所述致动电路，以便接收和存储标准化循环时间分布并且存储来自所述标准化循环时间分布的预定容差边界；并且
所述I/O模块具有比较器，所述比较器能操作地连接到所述存储装置、所述致动电路、以及所述第一位置传感器和所述第二位置传感器，以便将从所述致动循环的开始到所述第一位置传感器和所述第二位置传感器检测到所述活塞到达另一个端位置所经过的时间与所述标准化循环时间分布和所述预定容差边界进行比较；并且
所述I/O模块具有报警器，所述报警器连接到所述比较器，并且如果所述比较器将所感测的经过时间与所述标准化循环时间分布和所述预定容差边界进行比较、并且确定所述经过时间在所述预定容差边界之外，则致动所述报警器。
7.根据权利要求6所述的现场总线电磁阀组件，其特征还在于：
所述第一位置传感器和所述第二位置传感器电连接到所述I/O模块中的单独I/O。
8.根据权利要求6所述的现场总线电磁阀组件，其特征还在于：
所述第一位置传感器与所述第二位置传感器中的至少一个是线性电位计，该线性电位计根据所述活塞在所述气缸内的线性位置来测量模拟电压，以便测量加速度和减速度。
9.根据权利要求6所述的现场总线电磁阀组件，其特征还在于：
检测传感器，用于检测所述致动循环的开始，所述致动循环用于使活塞缸组件中的活塞从到达所述螺线管的使所述控制阀移动的信号的启动开始，从其第一位置移动到其第二位置或者从其第二位置移动到其第一位置；
所述计时器装置对从到达所述螺线管的使所述控制阀移动以使所述控制阀从其第一位置移动到其第二位置或者从其第二位置移动到其第一位置的信号的启动、到当由所述第二位置传感器感测的所述活塞到达所述第二端位置或者到当由所述第一位置传感器感测的所述活塞到达所述第一端之间的经过时间进行计时；以及
所述比较器能操作地连接到所述存储装置、所述致动电路、以及所述第一位置传感器和所述第二位置传感器，以便将由所述致动电路启动且由所述第一位置传感器和所述第二位置传感器结束的时间参数与所述标准化循环时间分布和所述预定容差边界进行比较。
10.一种用于现场总线电磁阀组件的检测***，其特征在于：
检测传感器，用于检测使活塞缸组件中的活塞移动的致动循环的开始；
第一位置传感器，用于在所述致动循环结束时检测活塞缸组件中的活塞的端位置；
计时器，用于对从所述活塞的所述致动循环的开始到用于检测端位置的所述第一位置传感器在所述致动循环结束时检测到所述活塞处于其端位置中之间的经过时间进行计时；
存储装置，所述存储装置能操作地连接到所述检测传感器与所述第一位置传感器以接收参数数据，所述参数数据用于建立标准化循环时间分布并存储从所述标准化循环时间分布确定的预定容差边界；
比较器，能操作地连接到所述存储装置和所述检测传感器与所述第一位置传感器，以便将来自所述检测传感器与所述第一位置传感器的经过时间与所述标准化循环时间分布和所述预定容差边界进行比较；以及
报警装置，能操作地连接到所述比较器，如果所述比较器将来自所述检测传感器与所述第一位置传感器中至少一个的参数与所述标准化循环时间分布和所述预定容差边界进行比较、并且确定所述参数在所述预定容差边界之外，则致动所述报警装置。
11.根据权利要求10所述的检测***，其特征还在于：
用于检测使活塞缸组件中的活塞移动的致动循环的开始的所述检测传感器检测操作控制阀的螺线管的信号的启动。
12.根据权利要求10所述的检测***，其特征还在于：
用于检测致动循环的开始的所述检测传感器是第二位置传感器，该第二位置传感器用于感测活塞在活塞缸组件中的第一端位置。
13.根据权利要求10所述的检测***，其特征还在于：
所述检测传感器与所述第一位置传感器中的一个是线性电位计，所述线性电位计根据活塞在气缸内的线性位置来测量模拟电压，以便测量加速度和减速度。
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