崔海亮　（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

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手動調(diào)節(jié)閥門的數(shù)控改造及應(yīng)用效果分析

崔海亮（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

機械式手動調(diào)節(jié)閥門在采油廠應(yīng)用范圍廣泛，根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)實際，員工需要手動調(diào)節(jié)閥門滿足壓力、流量在一定控制范圍內(nèi)，精度需求較高，但由于現(xiàn)場儀表與閥門不在同一地點，調(diào)節(jié)時需要多名員工配合，且每次調(diào)節(jié)時間長達1～2 h，費時費力。通過外加機械裝置對手動調(diào)節(jié)閥門進行改造，實現(xiàn)對閥門進行電氣數(shù)字控制，且現(xiàn)場應(yīng)用后取得了較好效果。

單片機；數(shù)控改造；機械閥門

閥門電氣數(shù)字控制系統(tǒng)主要由機械閥門數(shù)控改造調(diào)節(jié)裝置、無線圖像傳輸裝置、無線閥門調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)組成。通過員工在屏幕上觀測無線回傳的壓力表圖像，根據(jù)壓力數(shù)值，無線控制步進電動機進行調(diào)節(jié)閥門，可精確操作閥門，提高工作效率，降低工作強度。

1　裝置結(jié)構(gòu)

1.1閘閥機械改造

1）抱箍齒輪。注水電動機旁的潤滑油閥門為閘閥，員工通過手動旋轉(zhuǎn)手輪來調(diào)節(jié)閥門的張開程度，同時泵的壓力也相應(yīng)發(fā)生改變。手動調(diào)節(jié)精確度低、耗時長，更換為高精度電磁調(diào)節(jié)閥成本高，改造需要停產(chǎn)，因此設(shè)計一種機械裝置將手動改為旋轉(zhuǎn)法蘭變?yōu)榭煽貦C械調(diào)節(jié)來進行改造［1］，設(shè)計抱箍齒輪，將手輪抱住，同時保證同軸心，可進行機械傳動。抱箍齒輪外徑（20 cm）需大于法蘭外徑及抱箍螺絲寬度之和。同時由于為后改裝的機械調(diào)節(jié)裝置有一定誤差，為了保證傳動穩(wěn)定性，將齒高值取為8 mm。

2）傳動部分支架。傳動支架由管道抱箍、緊固底座、電動機底座組成。

1.2球閥機械改造

潤滑油泵的總閥門為球閥，關(guān)閉為調(diào)節(jié)臂與閥門成90°，全開時夾角為0°，此種閥門調(diào)節(jié)時動作精度要求更高，采用絲杠傳動方式推動閥門：絲桿傳動有著更高的精度，配合步進電動機，需1200個電動機脈沖，絲桿才會帶動滑塊推動閥門打開或關(guān)閉1mm。

2　電氣控制裝置

電氣控制裝置由電源部分、無線通訊部分、步進電動機驅(qū)動電路、液晶顯示部分組成。其電路板設(shè)計如圖1所示［2］。

圖1　控制裝置電路板

1）主控芯片。主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，內(nèi)部有60 KB的Flash和1280 B的RAM有36 個IO口，驅(qū)動電流為20 mA，具有8路10 bit高精度ADC。系統(tǒng)時鐘為35 MHz/s，運行全部功能任務(wù)函數(shù)［3］。

2）電源芯片。步進電動機需要12～24 V直流電壓驅(qū)動，為該部分最高直流電壓，因此操控裝置的電源設(shè)計采用12 V直流電源供電，而芯片需要5 V電壓，采用7805芯片做DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，為單片機及無線模塊提供5 V電源電壓。

3）無線模塊。閥門與儀表聯(lián)動采用無線信號控制。無線通訊采用STC12C2052單片機，與主控單片機構(gòu)成雙核CPU，并行總線傳遞數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多任務(wù)運行。通過Sun2014射頻無線模塊來與控制總閥門與分閥門的控制器進行無線通訊，控制打開或者關(guān)小閥門。

4）液晶模塊。液晶模塊采用黑白工業(yè)顯示液晶屏，分辨率為128×64 ppi，單片機通過并行總線，讀寫液晶屏，可以進行高速數(shù)據(jù)顯示。通過員工操作，顯示閥門開關(guān)狀態(tài)［3］。

5）步進電動機及驅(qū)動器。采用57兩相四線制步進電動機，轉(zhuǎn)矩為3 Nm，最大電流為3 A，通過齒輪傳動加力，可產(chǎn)生30 kg的轉(zhuǎn)矩，帶動機械閥門。步進電動機驅(qū)動器與單片機接口為CP、CW、EN，分別控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及鎖定。

計算閘閥驅(qū)動控制精度：抱箍齒輪齒數(shù)為60，電動機齒輪齒數(shù)為10，傳動比為6，計算出控制精度為0.156，則單次脈沖可以讓閘閥手輪旋轉(zhuǎn)0.156°，實現(xiàn)高精度控制。

計算球閥驅(qū)動控制精度：根據(jù)傳動螺桿螺距為2 mm，無轉(zhuǎn)矩細分情況下的單次脈沖旋轉(zhuǎn)角度為5°，計算出控制精度為0.013。則單次脈沖可以讓球閥扳手前進0.013 mm，實現(xiàn)對球閥高精度控制。

6）閉環(huán)反饋系統(tǒng)。該裝置可讀取數(shù)字儀表數(shù)據(jù)實現(xiàn)閉環(huán)聯(lián)動，在無法實現(xiàn)儀表聯(lián)動的場合，可采用圖像傳輸?shù)姆绞?，在壓力表位置處，安裝一無線攝像頭，將壓力表圖像數(shù)據(jù)無線傳輸至控制箱，讓調(diào)試人員通過圖像數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)［4］。

3　現(xiàn)場應(yīng)用效果

經(jīng)現(xiàn)場試驗，該設(shè)備可以完成對壓力的設(shè)定及自動調(diào)節(jié)，同時在液晶屏上顯示壓力數(shù)值，調(diào)節(jié)控制精度可達0.01 MP，實現(xiàn)員工對總潤滑油泵壓力及分潤滑油泵壓力的自動調(diào)節(jié)。

原調(diào)節(jié)1次潤滑油泵需要4名員工調(diào)節(jié)1 h，采用該裝置后調(diào)節(jié)1次，僅需1名員工15 min，平均每調(diào)節(jié)1次節(jié)約3.75工時，按每工時60元計算，一次可產(chǎn)生經(jīng)濟效益225元，每年需對潤滑油泵調(diào)節(jié)約180余次，因此可產(chǎn)生經(jīng)濟效益為40 500元。

數(shù)控研究對手動調(diào)節(jié)閥門進行改造，實現(xiàn)對潤滑油泵壓力的自動控制與調(diào)節(jié)，降低了員工的勞動強度，提高了工作效率，為企業(yè)帶來了效益。

［1］席先覺.單片微型計算機及其應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，1989：57-69.

［2］郭天祥.51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：113-156.

［3］趙保經(jīng).微電子技術(shù)與新技術(shù)革命［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1985：7.

［4］王煜冬.傳感器應(yīng)用電路400例［M］.北京：中國電力出版社，2008：66-98.

（編輯王古月）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.005

崔海亮，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（電子信息工程專業(yè)），從事電氣設(shè)計、油田污水和注水設(shè)計管理工作，E-mail：cuihailiang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責任公司第四采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所，163000。

2016-03-25