一种基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法
技术领域
本发明属于阀门安全技术领域，具体涉及一种基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法。
背景技术
阀门是管道系统中应用最广泛的执行机构，可以用来截断或调节管道系统的介质流量，在工业生产中发挥着重要的作用。随着使用年限的增加，部分阀门存在老化、性能下降或发生损坏等问题，若在生产过程中阀门损坏，对生产的经济性、安全性以及对环境都会带来重大的影响，而阀门的维修、更换费用也是一笔不小的开销。因此，对阀门进行性能测试，提前发现阀门存在的潜在问题，提前消除安全隐患，能够有效地提高生产效益和生产过程的安全程度。
现有技术中的阀门测试仪器只能显示测试的参数，然后由人工进行记录和分析，当需要测试的阀门类别和数量较多时，进行人工登记不仅耗时长、速度慢，而且容易出错，分析的结果不一定准确；此外，若测试过程中出现异常情况，无法及时中止测试试验，存在一定的安全风险。因此，亟需一种智能阀门性能分析系统进行自动测试与分析，代替人工操作。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中阀门性能分析效率低的问题。
为此，本发明提供了一种基于物联网的智能阀门性能分析系统，包括智能终端和可移动测试装置，所述可移动测试装置包括数据采集与逻辑控制模块、传感器模块以及报警保护模块；
所述传感器模块用于采集阀门状态信息；
所述数据采集与逻辑控制模块用于接受阀门状态信息，根据传感器采集的数据，计算阀门行程开关、力矩开关动作和复位值、零点、量程、50％死区、线性度及阀门摩擦力；以及还用于接收智能终端发出的阀门开关指令信号，根据阀门类型和测试项目，产生开关量或模拟量指令信号，控制阀门开关；
所述智能终端用于对采集的数据进行分析计算，得到阀门阀杆摩擦力、力矩开关动作和复位值，最终自动生成阀门性能参数报表；
所述报警保护用于检测阀门状态异常而切断电源。
优选地，所述阀门状态信息包括阀门开度、阀门压力、阀门启动及工作时电压电流以及阀门电机的三相电压电流。
优选地，所述传感器模块包括钳形电流互感器、钳形电压互感器、压力变送器以及一台位置变送器；
所述钳形电流互感器及钳形电压互感器分别用于测量电动阀电机的三相电流及电压；
所述压力变送器用于测量气缸气压及气动调节阀电气转换器(EP)输出气压信号；
所述位置变送器用于测量阀门行程。
优选地，数据采集与逻辑控制模块采用以PLC为核心的逻辑控制器，所述以PLC为核心的逻辑控制器向外提供模拟输入接口(A/I)、模拟输出接口(A/O)、数字输入接口(D/I)以及数字输出接口(D/O)；PLC的网络接口用于与笔记本电脑进行通信使用；一个24V整流电源将220交流整流为24V，为PLC和传感器提供工作电源。
优选地，数据采集与逻辑控制模块采用以ARM为核心的逻辑控制器，所述以ARM为核心的逻辑控制器通过串口或者网口与所述智能终端通信连接。
优选地，所述以ARM为核心的逻辑控制器包括ARM内核、外围电路、继电器、A/D电路及传感器信号接口，所述传感器信号接口与所述ARM内核之间通过A/D电路连接，所述继电器与所述ARM内核之间通过外围电路连接。
优选地，所述智能终端为移动电脑，所述移动电脑用于显示阀门状态信息、阀门性能参数报表以及趋势分析图。
优选地，所述智能终端具有实时监视、调试试验、数据分析、报表管理、基础信息管理、系统管理功能；其中，所述数据分析包括数据查询及结果分析，所述报表管理包括报表下载及报表生成，所述基础信息管理包括案例管理、设备管理、试验对象管理及资料管理，所述系统管理功能包括用户管理、角色管理及日志管理。
优选地，所述试验对象管理用于管理阀门编号、阀门类型、阀门数量、阀门图片、阀门外形、阀门接口类型及阀门接口数量。
本发明还提供了一种于物联网的智能阀门性能分析方法，包括：
通过传感器采集阀门状态信息，在可移动测试装置上选择相应阀门类型，启动智能终端开始测试；
若出现异常，则报警并切断电源并生成阀门性能参数报表；
若正常，则继续测试并生成阀门性能参数报表。
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法，包括智能终端和可移动测试装置，可移动测试装置包括数据采集与逻辑控制模块、传感器模块以及报警保护模块。通过传感器采集阀门状态信息，在可移动测试装置上选择相应阀门类型，启动智能终端开始测试，若出现异常，则报警并切断电源并生成阀门性能参数报表，若正常，则继续测试并生成阀门性能参数报表。该方案能够对测试试验的过程进行实时监控，监测到异常时立即报警并切断电源，中止试验并生成阀门性能参数报表，能够保障测试过程的安全性。对阀门进行测试时，系统能够自动采集测试数据并记录，通过采集的数据，自动进行计算分析、绘制趋势图、得出性能参数报表，无需人工记录与分析，测试的速度快、准确度和可靠性高。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法的系统结构示意图；
图2是本发明基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法的基于PLC的系统结构框图；
图3是本发明基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法的基于ARM的电路设计框图；
图4是本发明基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法的系统功能模块图；
图5是本发明基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法的阀门性能分析流程图；
图6是本发明基于物联网的智能阀门性能分析系统及方法的监视流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种基于物联网的智能阀门性能分析系统，包括智能终端和可移动测试装置，所述可移动测试装置包括数据采集与逻辑控制模块、传感器模块以及报警保护模块；
所述传感器模块用于采集阀门状态信息；
所述数据采集与逻辑控制模块用于接受阀门状态信息，根据传感器采集的数据，计算阀门行程开关、力矩开关动作和复位值、零点、量程、50％死区、线性度及阀门摩擦力；以及还用于接收智能终端发出的阀门开关指令信号，根据阀门类型和测试项目，产生开关量或模拟量指令信号，控制阀门开关；
所述智能终端用于对采集的数据进行分析计算，得到阀门阀杆摩擦力、力矩开关动作和复位值，最终自动生成阀门性能参数报表；
所述报警保护用于检测阀门状态异常而切断电源。
如图1、图5和图6所示，操作人员通过电脑端发布指令，工具箱接收电脑端发出的信号并将信号传递给现场阀门，控制阀门开关，继而工具箱将采集到的阀门动作信号传递给电脑，电脑对采集的数据进行分析计算，可以得到阀门阀杆摩擦力、力矩开关动作和复位值等指标，最终自动生成阀门性能参数报表。
具体功能如下：
选择调试阀门类型后，发出提示信息，指导调试人员逐项完成阀门调试；
调试过程中，根据需要发出阀门开关指令(开关量和模拟量指令)；
调试过程中实时监视阀门相关参数，并在显示和操作画面上显示阀门重要参数及其趋势。
调试过程中出现异常时，显示屏上发出相应的异常报警，并触发保护，切断电源；
自动完成性能参数的测量，并生成阀门性能参数报表；
自动保存调试过程中试验数据及趋势图，调试人员可随时调阅，分析试验数据；
对趋势图分析时，可对趋势图放大、缩小，同时通过设置光标，显示选择的两点间时间、参数；
测量阀门标杆应力，计算阀门阀杆推力。
智能终端为PC机即移动电脑，操作人员通过电脑端发布指令，可移动测试装置接收电脑端发出的信号并将信号传递给现场阀门，控制阀门开关，继而可移动测试装置将采集到的阀门动作信号传递给电脑，电脑对采集的数据进行分析计算，可以得到阀门阀杆摩擦力、力矩开关动作和复位值等指标，最终自动生成阀门性能参数报表。
可移动测试装置内设：数据采集与逻辑控制模块、传感器模块、电源模块，数据采集与逻辑控制模块可以采用以PLC为核心或以ARM为核心的逻辑控制器。
基于PLC的智能阀门性能分析系统各模块内容如下，图2为基于PLC的智能阀门性能分析系统结构框图。数据采集与逻辑控制模块接受阀门状态信号和移动电脑发出的阀门开关指令信号，根据阀门类型和测试项目，产生开关量或模拟量指令信号，控制阀门开关，同时，在阀门测试过程中，根据传感器采集的数据，计算阀门行程开关、力矩开关动作和复位值，阀门和EP零点、量程及50％死区及线性度，阀门摩擦力等。同时，实时采集阀门相关参数信号，传输至显示器进行显示。
传感器模块由1个三相电流变送器、1台三相电压变送器、3台压力变送器、1台阀位变送器组成。阀位变送器测量阀门行程，三相电流、电压变送器测量电动阀电机三相电流和电压，1台压力变送器测量气动阀膜盒或气缸气压，另一个测量气动调节阀电气转换器(EP)输出气压信号。在阀门调试和性能参数分析过程中，通过移动电脑操作，经PLC输出DO或AO信号控制阀门开关，完成阀门调试和性能分析参数测量。
电源及控制回路模块由24V直流电源和电动阀驱动控制回路组成，其中24V直流电源为将220交流整流为24V直流而成，为PLC和传感器提供工作电源；PLC输出的电动阀开关指令信号控制中间继电器的动作，实现阀门开关接触器的吸合和断开，从而控制电动阀的正、反转。
基于ARM的智能阀门性能分析系统各模块内容如下，图3为基于ARM的电路设计框图。数据采集与逻辑控制模块用于实现阀门开度测量、阀门压力测量、阀门启动及工作时电压电流测量以及阀门电机的三相电压电流测量，并能够通过外围电路控制继电器，进而控制阀门电机的运行。ARM能够通过串口或者网口向移动电脑进行数据的传输，移动电脑也能够通过串口或者网口向ARM发送阀门电机的控制信号。
传感器模块由1个位置变送器、2台压力变送器、1个电压变速器、1个电流变速器、3个电压互感器、6个电流互感器组成。位置变送器用于测量阀门开度，位置变送器放置在可移动测试装置内，在测量阀门行程或进行阀门性能参数测量时，取出后安装在阀体上，输出信号联接到采控装置上的位置变送器接头；2台压力变送器用于测量阀门压力，2台压力变送器固定安装在该工具携带箱内，1台压力变送器测量气动阀膜盒或气缸气压，另1个测量气动调节阀电气转换器(EP)输出气压信号。当测量压力时，用专用橡胶软管联接压力测点和变送器，专用电缆联接采控装置。1个电压变速器、1个电流变速器用于测量电动阀启动和运行电流，以及阀门运行时有功功率，从而计算阀门阀杆摩擦力、力矩开关动作和复位值。3个电流互感器固定安装在“可移动测试装置内”，用于时时测量电动阀电机三相电流；另外3个电流互感器(钳形电流互感器)用于智能电动阀电机电流测量，使用时用快速接头与三相电流变送器联接。3个电压互感器(钳形电流互感器)，用于智能电动阀电机三相电压测量，使用时用快速接头与三相电压变送器连接。
电源控制模块由24V直流电源和电动阀驱动控制回路组成，其中24V直流电源为将220交流整流为24V直流而成，为ARM和传感器模块提供工作电源。
本系统的平台软件融合功能选择模块、实时监视模块、调试试验模块、数据分析模块、报表管理模块、基础信息管理模块、系统管理模块等功能。基于物联网的智能阀门性能分析系统功能模块图如图4所示，各模块的功能介绍如下：
功能选择模块主要包括7个区域：系统功能选择区、树型列表区、快捷查询区、当前节点路径区、快捷操作区、信息列表和详细信息区。其中，系统功能选择区：是系统功能切换的入口，所有功能之间的切换都通过点击不同的选项进行，同时支持新测试对象类型拓展；树型列表区：根据功能选择的不同，树型列表显示不同的内容，以便进行后续的选择操作；快捷查询区：根据设备型号，实现当前级别范围内的快速定位的功能，以便进行后续的操作；当前节点路径区：记录系统操作当前路径；快捷操作区：是当前选择功能条件下主要可以进行的操作，是当前系统的主要操作选项；信息列表：显示当前选择的功能信息，也显示一些相关操作的链接；详细信息区：显示当前选择功能的全部详细信息，也是信息编辑处理的位置所在。
实时监视模块为用户提供调试过程的监视功能。在该模块选择所需监视查看的阀门开度、压力、电流、电压等信息，页面展示该阀门对应的采集重要参数及其趋势。该模块还实时显示测试用例的执行步骤及执行内容概览，方便用户掌控试验的进展节点。在调试过程中，页面会展示该调试项目对应的各种监视参数信息，并在显示和操作画面上显示重要参数及其趋势。
调试试验部分主要执行阀门的各项调试操作，该模块采用动态可扩展方式进行开发，方便后期实际工作现场的增删改操作，在该功能模块下根据树形列表提示，选择所需阀门要进行的调试试验，然后按照具体的试验步骤和方法逐项完成调试项目的检查、调整和试验。
数据分析模块主要实现对采集数据(阀门开度、压力、电流、电压等)结果的历史记录和高级分析，包括数据查询、结果分析功能模块。其中，数据查询模块提供对历次调试数据的查询功能；结果分析模块是对采集的相关性能参数进行分析、计算，最终给出阀门性能相关的参数值。
报表管理模块主要是实现历次调试的结果报表信息查询，同时，可以实现报表的下载和生成。其中，报表下载模块是提供阀门调试的历次报表的下载功能，能够以大事记的形式标注历次调试的详细信息，用户可选择所需要的参数报告进行下载；报表生成模块提供用户自定义试验报表生成功能。试验报表的内容和格式可由用户自己定义，试验过程中生成的数据自动填入报告，并在此模块生成为完整的文档。
基础信息管理模块包括调试项目管理、案例管理、设备管理、试验对象管理和资料管理。
案例管理模块将核电站正常工作的阀门信号、引起保护触发动作的信号、保护触发动作信号、标准动作时间、异常动作时间及现场诊断分析结果作为案例库进行存储，运用构建专家知识库的思想，使累计的工作经验作为在分析新数据时的参考，提供分析对比的标准数据库。
设备管理模块对各可移动测试装置内可装设的设备信息进行管理，例如对采控可移动测试装置的名称、外形、采控装置数量、电源类型和数量、电流传感器、电压传感器、位置传感器等信息进行管理。
调试对象管理模块实现对阀门信息的管理，包括阀门编号、阀门类型、阀门数量、阀门图片、阀门外形、阀门接口类型、阀门接口数量等信息的管理。
资料管理模块实现了对调试操作相关的说明书、试验报告、设计手册等文档的信息管理，工作人员可对所管理的资料信息进行添加、删除、修改、下载查看、上传文件操作，方便工作人员对重要资料进行快速检索和浏览。
系统管理模块包括用户管理、角色管理、日志管理三部分。
用户管理是系统安全运行的关键，因此，需要严格限制不同用户所能使用的功能，系统在借鉴其他系统成功经验的基础上，分别设置了用户组和用户两种设置权限的方法，两种方法可以同时使用，取其交集作为用户的权限。用户组管理是系统提供的基础通用管理权限的设置方法，可以设置该组所能够执行的功能，可以对用户组进行多组权限的添加、修改和删除功能。同时系统管理员可以查看用户组的功能。用户管理是在用户组管理的基础上，可以针对个别用户进行单独权限的设置。取两者权限的交集作为用户的最终权限。这样既保证了用户的整体功能权限分配，又保证了局部功能的限制和完善，使得系统配置更加灵活。用户可以根据需要，在满足系统要求的前提下，自行修改本用户的密码。系统管理员可以对用户的权限进行查询和管理，可分为按人员姓名、编号、和用户组三种方式进行查询。
角色管理模块实现角色权限划分和角色信息管理功能，不同角色具有不同的系统操作权限，只有高级管理员才拥有创建角色的权限。该模块显示角色名称、创建时间、备注信息，可提供查询、添加、修改、功能权限功能。
日志管理模块用于对用户登录情况的记录，用表格的形式记录登录属性，日志列表包括用户名、真实姓名、登录模块、详细信息、操作时间、结果以及登录IP等信息，这是系统安全性的保障。系统提供以用户名、登录模块、结果、起始时间、终止时间的筛选方式查询具体用户登录的信息。便携智能式阀门调试及性能分析平台还可提供审计日志与登录日志查询功能，用户在系统内部的操作均记录在审计日志中，设置审计日志开关，为保证性能，可关闭部分功能的审计日志。系统各模块均含有审计日志开关。
2、分析流程
采用本发明提供的一种基于物联网的智能阀门性能分析系统进行阀门性能分析的具体流程如下，图5为进行阀门性能分析的流程图。
选择阀门类型，可选类型包括：电动开关阀、电动调节阀、气动开关阀、气动调节阀，阀门类型选择完毕后，装置发出提示信息，指导测试人员逐项完成阀门测试；
进行测试试验，内容包括：初步检查、电气检查、操作检查等，根据需要发出阀门开关指令(开关量和模拟量指令)；
测量性能参数，系统自动完成性能参数的测量；
进行数据采集与存储，系统根据输入的调试阀门编码，自动生成数据收集文件，在调试过程中，实时收集、保存阀门的相关参数，并在显示和操作画面上显示重要参数及其趋势。采集的数据内容包括：阀门开度数据、压力数据、电压数据、电流数据等，存储的数据内容包括：性能参数、试验数据、趋势图等，自动保存测试过程中试验数据及趋势图，测试人员可随时调阅，分析试验数据；
进行分析计算，根据采集的数据及存储的数据，进行数据调阅、数据分析、数据计算等，对趋势图进行分析时，可自行放大、缩小趋势图，同时通过设置光标，显示选择的两点间时间、参数；
生成阀门性能参数报表，完成阀门性能参数测量后，系统根据收集的数据，自动分析、计算阀门性能参数，最终生成阀门性能参数报表。
此外，在阀门性能分析过程中，系统对测试过程进行实时监视，图6为进行实时监视的流程图。监视的内容包括阀门状态和其他异常情况，若测试过程中出现异常时，显示屏上发出相应的异常报警，并触发保护，切断电源，生成本次阀门性能参数报表后结束。
本发明要达到以下目的：
1、提供一种基于物联网的智能阀门性能分析方法及系统，适用于电力、化工等行业电动开关阀、电动调节阀、气动开关阀及气动调节阀的测试及性能分析，适用范围广，采用本系统对阀门进行测试时，系统能够自动采集测试数据并记录，通过采集的数据，自动进行计算分析、绘制趋势图、得出性能参数报表，无需人工记录与分析，测试的速度快、准确度和可靠性高。
2、提供一种基于物联网的智能阀门性能分析方法及系统，能够对测试试验的过程进行实时监控，监测到异常时立即报警并切断电源，中止试验并生成阀门性能参数报表，能够保障测试过程的安全性。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
