李進 蔣宏業(yè) 劉長林 劉穎

摘 要：機械電磁式電動驅(qū)動器在川渝地區(qū)已經(jīng)使用近30年，目前已經(jīng)普遍出現(xiàn)故障現(xiàn)象。由于年代久遠(yuǎn)，國外廠家早已停止生產(chǎn)機械電磁式電動驅(qū)動器，國內(nèi)廠家對該設(shè)備也欠缺相應(yīng)了解，設(shè)備的維修和配件的采購存在較大難度。本文在分析機械電磁式電動驅(qū)動器結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，通過對機械電磁式電動驅(qū)動器的力矩位置檢測控制部分、內(nèi)部控制回路以及用戶操作界面等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分別采用速度傳感器和電機電流傳感器、多回轉(zhuǎn)絕對編碼器及集成電路板等技術(shù)手段進行改造，成功實現(xiàn)了對一臺機械電磁式電動驅(qū)動器的國產(chǎn)智能化改造，證實了改造的技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性，為以后降低輸配氣站場對進口驅(qū)動器的依賴度，提升站場設(shè)備管理水平提供了技術(shù)思路。

關(guān)鍵詞：電動驅(qū)動器；機械電磁式；國產(chǎn)智能化改造；可行性

1 前言

電動驅(qū)動器是過程控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行單元，主要是對一些設(shè)備和裝置的開度和動作進行自動控制和調(diào)節(jié)。電動驅(qū)動器在結(jié)構(gòu)上主要由電動機、減速部分、手動操作和切換部分以及位置檢測，力矩保護等部分組成，其中位置檢測、力矩保護部分是電動驅(qū)動器的核心部分。

按位置檢測、力矩保護控制部分采用的不同標(biāo)準(zhǔn)電動驅(qū)動器可分為：機械電磁式控制型、電子控制型、智能控制型（帶HART、FF協(xié)議）、等。機械電磁式控制型電動驅(qū)動器為老式產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，電動驅(qū)動器由最初的機械電磁式，改進到電子控制型，然后升級到現(xiàn)在廣泛使用的智能控制型。目前川渝地區(qū)天然氣長輸管道使用的進口驅(qū)動器有機械電磁式和智能控制型兩大類。

2 機械電磁式電動驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)特點及使用現(xiàn)狀

2.1 工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

機械電磁式電動驅(qū)動器通過三相電機帶動減速蝸桿渦輪轉(zhuǎn)動，從而帶動閥門閥芯做90°的開關(guān)動作或帶動閥桿作上下直線運動實現(xiàn)對設(shè)備的自動控制。機械電磁式電動驅(qū)動器接受的是機械干觸點信號，內(nèi)部控制電路將干觸點信號作為電路的通斷信號，實現(xiàn)對電動機啟停的控制。當(dāng)驅(qū)動器內(nèi)部位置檢測控制機構(gòu)的機械凸輪撞擊閥位限位開關(guān)時，控制回路斷開，電動機停轉(zhuǎn)。當(dāng)閥門出現(xiàn)超力矩情況時，力矩檢測控制機構(gòu)的力矩彈簧抵緊凸輪，控制回路斷開，電動機停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)力矩保護[1]。

2.1.1 位置檢測控制

機械電磁式電動驅(qū)動器采用軸承及傳動桿帶動凸輪撞擊閥位限位開關(guān)實現(xiàn)對閥門位置的定位。在初次安裝設(shè)備調(diào)試時，需要拆卸驅(qū)動器手動調(diào)節(jié)設(shè)定閥門定位凸輪位置。

2.1.2 力矩檢測控制

通過調(diào)節(jié)凸輪位置（即力矩彈簧）卷緊和放松實現(xiàn)對控制回路的開斷來調(diào)節(jié)力矩大小，力矩彈簧外部有可調(diào)節(jié)齒輪（開、關(guān)各一只），用于調(diào)節(jié)凸輪位置。初次調(diào)試時，需要拆卸驅(qū)動器外殼根據(jù)閥門運行情況手動反復(fù)調(diào)節(jié)找到最佳的凸輪位置。

2.1.3 控制界面

現(xiàn)場操作界面的五種狀態(tài)按鈕都通過機械干觸點與內(nèi)部電路進行閉合斷開，實現(xiàn)不同控制回路的通斷，達到選擇設(shè)備運行狀態(tài)的目的。

2.2 機械電磁式電動驅(qū)動器的特點

機械電磁式電動驅(qū)動器具有以下四個特點：

①力矩檢測方面：無法計算力矩值，力矩傳輸速度滯后，調(diào)節(jié)精度差，隨著使用時間的增長，彈簧易發(fā)生疲勞斷裂[2]；

②位置檢測方面：沒有位置傳感器，閥位沒有分辨率，只能人為設(shè)定，不能實時顯示閥門動作過程中的閥位位置。閥位指針只有50%和100%兩個狀態(tài)，即閥門一開始動，則指針立即指向50%，然后保持不變，當(dāng)閥門開到位時，指針再立即指向100%。指針指示不能真實顯示閥門位置，容易造成對閥門是否開關(guān)到位產(chǎn)生誤判斷，不利于現(xiàn)場安全操作；

③控制回路方面：內(nèi)部控制回路無自檢功能，不能主動提示故障信息，增加了故障排查難度[2]；

④設(shè)備外觀方面：無液晶顯示屏，無用戶視窗，無法直接觀察設(shè)備運行狀態(tài)，不能獲取故障信息。

2.3 使用現(xiàn)狀

機械電磁式電動驅(qū)動器隨著使用時間的增長，設(shè)備位置力矩檢測控制機構(gòu)上的齒輪、凸輪以及力矩彈簧會因反復(fù)使用發(fā)生磨損和疲勞失效，控制界面狀態(tài)選擇觸點和內(nèi)部控制電路也會逐步老化，導(dǎo)致目前機械電磁式電動驅(qū)動器經(jīng)常出現(xiàn)定位不準(zhǔn)、力矩彈簧斷裂、按鈕接觸不良、無法電動等故障。由于該類電動驅(qū)動器國外廠家早已停止生產(chǎn)，國內(nèi)廠家對其也少有了解，無法購買到設(shè)備維修所需的專業(yè)配件。一旦發(fā)生故障只能對其進行簡單臨時處理，無法從根本上解決問題，在一定程度上也影響了輸氣站場的安全生產(chǎn)。

3 機械電磁式電動驅(qū)動器的智能化改造

為解決機械電磁式電動驅(qū)動器的老化、故障和維修困難等問題，提高設(shè)備控制精度和操作穩(wěn)定性，在不改變原有電機、齒輪箱、減速渦輪蝸桿及傳動裝置的基礎(chǔ)上，對ROTORK機械電磁式電動驅(qū)動器進行智能化改造。

3.1 技術(shù)改造措施

綜合考慮新、老驅(qū)動器控制部分的差異，對機械電磁式電動驅(qū)動器的四個特點分別采用針對性的技術(shù)措施進行改造：

①將彈簧式力矩控制改造為采用速度傳感器和電機電流互感器進行力矩檢測，提高力矩檢測控制精度，由于采用的是無觸點方式進行力矩數(shù)據(jù)采集，延長元件的使用壽命[3]；

②將凸輪式閥位控制改造為采用多回轉(zhuǎn)絕對編碼器進行閥位檢測。進口電動驅(qū)動器采用霍爾效應(yīng)傳感器進行位置檢測，當(dāng)電動驅(qū)動器遇到強磁干擾（如智能檢測）或電源長期掉電情況下，霍爾效應(yīng)傳感器失效，在現(xiàn)場表現(xiàn)為電動驅(qū)動器掉閥位，強磁干擾還有可能使干簧管動作引起閥門異常開關(guān)。針對這種情況，選擇基于光電轉(zhuǎn)換和光柵原理的多回轉(zhuǎn)絕對編碼器作為閥位位置檢測元件。該元件不受強磁干擾和電源掉電影響（功耗低、備用電池可使用5年），能夠長時間保持閥位。改造時將原來的凸輪和行程開關(guān)齒輪機構(gòu)全部取下，將多回轉(zhuǎn)編碼器固定到裝置上原來小齒輪旁邊，再將交流接觸器配接好即可；

③將內(nèi)部控制回路改造為具有電路自檢功能的國產(chǎn)集成電路板控制，當(dāng)電路故障時可以主動提示故障信息；

④在操作界面方面增加液晶顯示屏，顯示開關(guān)位置、力矩值、報警及故障代碼等信息；外殼增加視窗欄，便于觀看液晶顯示屏信息；

⑤將原電機里的溫度保護開關(guān)線接入新電路板電機保護接口，保持對原電機的保護保[4]。

3.2 改造成果

經(jīng)現(xiàn)場實施，成功對一臺ROTORK故障的機械電磁式電動驅(qū)動器實現(xiàn)了智能化改造。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)開關(guān)驗證，電動驅(qū)動器的位置反饋和閥門實際行程位置吻合較好。設(shè)備改造后運行情況良好，改造后的電動驅(qū)動器主要具有以下優(yōu)點：

①通過直接測量電機轉(zhuǎn)速及電機電流，實現(xiàn)高精度檢測力矩值，力矩保護精確達到1%；

②采用多回轉(zhuǎn)絕對編碼器進行閥位位置的測量和控制，位置檢測分辨率達到0.1%；

③所有內(nèi)部傳感器均為無接觸式，延長了使用壽命和控制精度；

④采用具有自檢功能的集成電路板控制，減少了內(nèi)部機械零件數(shù)量，提高了設(shè)備的可靠性，增強了故障信息的自動判斷功能，便于維修人員查找故障區(qū)域；

⑤增強型現(xiàn)場操作界面，便于操作人員操作和監(jiān)控設(shè)備運行情況。初始調(diào)試時通過現(xiàn)場操作界面和自帶遙控板進行參數(shù)設(shè)置，不用對電動驅(qū)動器外殼進行拆卸即可完成調(diào)試，在危險場所使其具備了非侵入式特征，大大縮短了調(diào)試時間，提高了設(shè)備的可靠性；

⑥電路板各項性能參數(shù)穩(wěn)定，與進口電動驅(qū)動器電路板基本保持一致；

⑦將改造所需費用和更換同型號的新進口電動驅(qū)動器進行比較，可以看出改造方案具有較好的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文以機械電磁式電動驅(qū)動器結(jié)構(gòu)原理分析為基礎(chǔ)，借鑒智能型電動驅(qū)動器的優(yōu)點，綜合考慮新老設(shè)備結(jié)構(gòu)差異，通過對機械電磁式電動驅(qū)動器的力矩位置檢測控制機構(gòu)、內(nèi)部控制回路以及用戶操作界面等關(guān)鍵部位分別采用速度及電機電流傳感器、多回轉(zhuǎn)絕對編碼器及集成電路板等技術(shù)手段進行改造，成功實現(xiàn)了對一臺機械電磁式電動驅(qū)動器的國產(chǎn)智能化改造，證實了改造的技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性，為以后降低輸配氣站場對進口驅(qū)動器的依賴度，提升站場設(shè)備管理水平提供了技術(shù)思路。

4.2 建議

目前僅對一臺機械電磁式電動驅(qū)動器實施了國產(chǎn)智能化改造，應(yīng)適當(dāng)增加改造的機械電磁式電動驅(qū)動器的類型和數(shù)量，進一步測試改造后的設(shè)備性能、完善設(shè)備功能。

參考文獻：

[1] E170C2.ROTORK電動執(zhí)行機構(gòu)安裝和維護手冊[S].英國：ROTORK公司，2002.

[2] ROTORK故障現(xiàn)象分析說明書[S].成都：成都中寰機電社編有限公司，2012.

[3] ZTYPE.智能型多回轉(zhuǎn)執(zhí)行器用戶手冊[S].常州：常州國力閥門控制有限公司，2014.

[4] GB/T28270-2012.智能型閥門電動裝置[S].北京：標(biāo)新（北京）科技有限公司.2012.

作者簡介：

李進（1982- ），男，漢族，四川成都人，高級工程師，主要從事天然氣長輸管道、生產(chǎn)運行管理及相關(guān)技術(shù)研究工作。