一种电液执行机构的备用电源控制装置

技术领域

本发明涉及一种备用控制装置，尤其涉及一种电液执行机构的备用电源控制装置。

背景技术

电液执行机构具有推力大，速度快，抗偏离能力好等优点，广泛应用于冶金，电力，石化等工业控制系统中，但在错综复杂的生产现场的使用过程中，难免有时会出现故障，特别是在出现断电故障的情况下，电液执行机构的阀门急需关闭或打开的情况下，没有备用电源作为应急工作电源，极易使事故扩大，造成设备的损坏或人身伤害事故。

现有的保护装置只能按照预先的设定进行开关操作，操作人员不知阀门是否开关到位，这时对设备进行抢修，极易产生误动作的情况，这是现有的电液执行机构保护装置不够完善的地方。为了防止此类事故的发生，尽可能地降低现场的损失，亟需人们设计出一种在这种情况下，依然能够保障电液执行机构正常开关阀门的备用电源控制装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电液执行机构的备用电源控制装置，是基于4G网络及超级电容为后备电源的远程控制系统，以解决上述背景技术中的一些问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电液执行机构的备用电源控制装置，由检测模块，外部控制接口，主控制器，电源转换模块，位置传感器，驱动模块，液压系统组成，其特征在于，在装置中增加了储能电源单元和无线通信单元，可在断电的情况下，实现以远程控制的方式继续进行电液执行机构阀门的开关操作。

所述的储能电源单元可以是蓄电池组，也可以是超级电容器组，其输出的工作电压都为DC24V。

所述的蓄电池组是由两块12V/5Ah的蓄电池串联组成。

所述的超级电容组是采用10个2.75V 30F单个电容器串联而成的电容器组，每个超级电容器的两端都并联着一个BW6101模块，并通过MOS管泄放回路来保障每个电容的电压不超过其2.65V的阀值。

所述的无线通信单元可以是使用局域无线通信网络的装置，也可以是使用GPRS的4G无线通信网络的装置。

所述的使用GPRS的4G无线通信网络的装置，采用的是ATK-M750 4G DTU无线通信模块，通过主控制器的串口连接实现相互通信，此模块支持五模十四频，全网通工作模式。

所述的外部控制接口分为外部端子和RS485通讯接口两部分，外部端子的内部电路采用光耦进行隔离，实现设备与控制室的有线连接控制；RS485通讯接口直接采用金升阳TD301DRS485双向隔离模块，即可以与执行机构其它传感器模块进行通讯又可以作为主控制器的总线接口与控制室连接。

所述的主控制器选用微控制器STM32F103RCT6为核心的控制单元，ARM架构，Cortex-M内核，主频72MHz,256(KB)FLASH,48(KB)RAM,51个通用I/O口。

所述的液压系统选用囊式蓄能器为断电后执行机构的动力源，通过24V换向阀来切换蓄能器的泄压路径进驱动摆动缸，进而实现开关阀门的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在常规电液执行机构的基础上构建了带有4G无线通信网络的备用电源控制装置，可在断电等异常情况下具有RS485总线和4G网络两种控制方式。电路结构简单，灵活性强，不仅满足了正常情况下阀门的快速开关功能，又可实现在有线方式、总线方式失效的情况下通过手机或者互联网的电脑进行远程控制，既减轻了操作者的工作强度同时也降低了现场的事故风险，避免了更大事故的发生。

附图说明

图1是本发明的控制系统结构示意图。

图2是本发明的液压系统原理图。

图3是本发明的电源自动切换的电路图。

图4是本发明的后备电源(超级电容组)的电路图。

图5是本发明的4G通讯模块的电路图。

图6是本发明的4G无线通讯示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的电液执行机构的备用电源控制装置的具体结构作进一步的详细说明。

如图1所示，是本发明的一种电液执行机构的备用电源控制装置。

该装置由检测模块，外部控制接口，主控制器，电源转换模块，位置传感器，驱动模块，储能电源单元，无线通讯单元和液压系统组成。其中检测模块用来检测系统外部供电是否异常，如异常则切换到储能电源单元，由储能电源单元为整个电液执行机构系统供电，同时通过电源转换模块把电压转换成系统所需的5V，3.3V电压，为主控制器和接口电路供电。主控制器收到检测模块的信号后，进入断电工作状态并检查外部端子和RS485总线接口是否收到动作指令，同时通过串口及无线通信单元向云平台发送当前主控制器采集到的状态信息(如编码器信息等)。手机APP或者联接互联网电脑也可以通过访问云平台，在查看信息后也可给无线通信单元发送指令，无线通信单元把接收到的指令信息通过串口把数据传给主控制器，主控制器接收到指令后，控制NMOS管导通进而控制电磁阀导通，使液压系统的执行机构继续工作来实现阀门的开、关功能。

所述的储能电源单元可以是蓄电池组，也可以是超级电容器组，其输出的工作电压都为DC24V。如果采用蓄电池组的话，则由两块12V/5Ah的蓄电池串联组成。如果采用超级电容器的话，则采用10个2.75V 30F单个电容器串联而组成电容器组，每个超级电容器的两端都并联着一个BW6101模块，并通过MOS管泄放回路来保障每个电容器的电压不超过其2.65V的阀值。

所述的无线通信单元可以时使用局域无线通信网络的装置，也可以是使用GPRS的4G无线通信网络的装置。

所述的使用GPRS的4G无线通信网络的装置，采用的是ATK-M750 4G DTU无线通信模块，通过主控器的串口连接实现相互通信，此模块支持五模十四频，全网通工作模式。

所述的外部控制接口分为外部端子和RS485通讯接口两部分，外部端子的内部电路采用光耦进行隔离，实现设备与控制室的有线连接控制；RS485通讯接口直接采用金升阳TD301DRS485双向隔离模块，即可以与执行机构其它传感器模块进行通讯又可以作为主控制器的总线接口与控制室连接。

所述的主控制器选用微控制器STM32F103RCT6为核心的控制单元，ARM架构，Cortex-M内核，主频72MHz,256(KB)FLASH,48(KB)RAM,51个通用I/O口，运行FreeRTOS实时操作系统来满足系统实时性的要求。

如图2所示为系统的液压原理图，其中框选的部分为断电保护液压系统的重要器件。工作方式为在外部供电正常情况下先打开电磁阀1关闭蓄能器泄压通路，电机带动油泵通过单向阀给蓄能器充到系统压力；当主控制器检测到现场供电电源异常时或者接受到控制指令时，电磁阀1失电，蓄能器泄压通路打开，主控制器通过驱动换向阀2来驱动摆动缸旋转进而实现阀门的开关功能。蓄能器为囊式蓄能器，可作为断电后执行机构的动力源，通过24V换向阀来切换蓄能器的泄压路径。

如图3所示为电源检测及切换后备电源电路。掉电检测模块是由R7，R8分压产生大约18V的参考输入电压，当外部供电低于18V时运放输出低电平电平，光耦T3，T2导通，R1有电流流过进而使T1导通启动，超级电容器组经过降压模块继续为装置供电。由于光耦导通，同时给微控制器低电平的外部供电异常信号。主控制器进行实时的数据处理，同时芯片的电源和I/O口都进行隔离处理，提高系统的可靠性。

如图4所示为超级电容器组电路。超级电容器具有体积小，但具有法拉级电容量，高寿命，高放电电流的优点。但单个超级电容器的额定电压偏低，为满足电磁阀24V的电压需求，本装置采用10个2.75V 30F串联的超级电容器组为备用电源。同时每个超级电容器都并联一个BW6101模块进行保护，当单个电容器的端电压超过BW6101芯片阀值电压(2.65V)时，高出的电压通过电阻和MOS管组成的泄压回路释放，保证了超级电容器组的工作可靠性。

如图5所示为ATK-M750模块电路图。系统用5V为其供电，此模块与主控器的串口连接实现相互通信。SIM卡槽与模块的10,11,12,13引脚连接同时用33PF电容滤波，同时每根线路上用ESD芯片进行保护。此模块的复位引脚可以通过按键，或者主控制器进行控制。

如图6所示为远程通讯系统的结构示意图。当主控制器发送信息时，主控制器通过串口与4G模块通信，然后4G模块把数据通过4G网络传到云平台，用户可通过用手机，电脑等可联网设备访问云服务器接收数据，也可通过云平台向4G模块发送数据，4G模块通过串口使主控制器接收数据。

本发明的工作过程是这样的：在外部供电正常的情况下，电磁阀1得电工作，电机带动油泵通过单向阀给蓄能器充到系统压力，同时外部电源给超级电容器组进行充电。当外部电源异常的情况下，电磁阀1失电，蓄能器泄压回路打开，掉电检测模块会给主控制器发出信号，同时切换超级电容器组继续为系统供电。主控制器接收到信号进入断电工作状态并检查外部端子和RS485总线接口是否收到动作指令，同时通过串口与4G模块通信向云平台发送当前主控制器采集到状态信息。用户可以通过RS485总线，无线远程控制两种方式来给系统发出指令，主控制器接收到指令信息，通过驱动模块控制电磁换向阀2最终驱动摆动缸旋转开关阀门，同时主控器通过编码器采集到的阀位信息会通过4G模块实时向云平台发送数据，用户可以通过手机APP等设备查看当前阀门的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在常规电液执行机构的基础上构建了带有4G无线通信网络的备用电源控制装置，可在断电等异常情况下具有RS485总线和4G网络两种控制方式。电路结构简单，灵活性强，不仅满足了正常情况下阀门的快速开关功能，又可实现在有线方式、总线方式失效的情况下通过手机或者互联网的电脑进行远程控制，既减轻了操作者的工作强度同时也降低了现场的事故风险，避免了更大事故的发生。