張利國 馬金山 齊金濤 郗鳳亮 徐海潮 劉剛 黃強(qiáng) 馬龍

摘 要：針對回壓補(bǔ)償配合單通道節(jié)流管匯全電自動控制系統(tǒng)，采用全電驅(qū)動控制策略，全電驅(qū)動在單通道節(jié)流管匯系統(tǒng)上的應(yīng)用，可大大減少控制操控臺的空間，減少傳動環(huán)節(jié)提高傳動效率。本文基于回壓補(bǔ)償?shù)膯瓮ǖ拦?jié)流管匯提出全電驅(qū)控制策略，硬件基礎(chǔ)為閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在集中式控制柜的配合下，采用冗余控制和分層控制的組合，實(shí)現(xiàn)了節(jié)流管匯全電驅(qū)動控制，并保證了系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：全電驅(qū)動控制;回壓補(bǔ)償;電動執(zhí)行機(jī)構(gòu);冗余控制;分層控制策略

1 引言

全電驅(qū)動控制策略，全電驅(qū)動是科技發(fā)展的必然趨勢，電力驅(qū)動的優(yōu)勢開始展現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械軸系全電推進(jìn)有著節(jié)省空間、易于操控、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，電力推進(jìn)雖然采用線路傳輸節(jié)省了大量的空間[1-4]。

在節(jié)流管匯閥門驅(qū)動中傳統(tǒng)執(zhí)行器為液動，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新的技術(shù)元器件在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用，對于執(zhí)行器的功能與性能有了很大的提高，尤其是近年來交流變頻調(diào)速，直流無刷電機(jī)等在電動執(zhí)行器的應(yīng)用，更是將電動執(zhí)行器技術(shù)推向一個全新的高度。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出推力大、穩(wěn)定性高，但同時造價又低于液動執(zhí)行器，是高性價比的選擇。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝成本也不高，和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，它的能源更易獲取，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)比氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)更具優(yōu)勢的地方在于，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力更大，控制更精確，運(yùn)行也更穩(wěn)定，而且可以無需動力即保持負(fù)載。

全電驅(qū)動控制策略是基于控制的可靠性、快速性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，此策略是參考全電飛機(jī)，全電汽車等控制發(fā)展的方向，力求在設(shè)備小型化，簡化操作維修，智能控制等方面做更多的探索[5-9]。

2 節(jié)流管匯全電驅(qū)動控制

全電驅(qū)動控制考慮的是系統(tǒng)控制的整體頂層設(shè)計(jì)和各個控制環(huán)節(jié)底層的配合設(shè)計(jì)。

2.1 閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型

選擇適合閥門控制的經(jīng)濟(jì)型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1所示，為電動執(zhí)行器原理框圖。閥門與電動執(zhí)行器配套時，應(yīng)根據(jù)閥門的類型選擇電動執(zhí)行器。如應(yīng)用孔板節(jié)流閥，設(shè)計(jì)要求閥門應(yīng)用在精細(xì)控壓鉆井中，流體對象為泥漿。在控壓過程中，要求閥門動作要根據(jù)控制做出快速反應(yīng)、執(zhí)行到位，因此對執(zhí)行器的執(zhí)行時間要求越快越好。

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動單元組合式儀表中的執(zhí)行單元。它是以單相、三相交流或直流電源為動力，接受統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號，通過控制單元驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動減速機(jī)構(gòu)運(yùn)動，從而輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)角位移，操縱風(fēng)門、擋板等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可配用各種電動操作器完成調(diào)節(jié)系統(tǒng)“手動—自動”的無擾動切換，及對被調(diào)對象的遠(yuǎn)方手動操作，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)還設(shè)有電氣限位和機(jī)械限位雙重保護(hù)來完成自動調(diào)節(jié)的任務(wù)。

2.2 節(jié)流管匯全電驅(qū)動控制方案

現(xiàn)有電氣控制和固體功率元件的技術(shù)進(jìn)步使得電力驅(qū)動的優(yōu)勢得以發(fā)揮。相較于傳統(tǒng)的動力傳動方式，全電驅(qū)動更加節(jié)省空間、易于操控而且噪音低。并且在線路的穩(wěn)定性上也取得了較大的進(jìn)步。

電動節(jié)流管匯集中控制采用全電控方式，可精確控制三只電動節(jié)流閥和三只電動平板閥的通斷?？刂蒲b置與電動節(jié)流管匯一體化設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)可以遠(yuǎn)程控制電動節(jié)流閥和電動平板閥的開啟或關(guān)閉，并在控制柜面板上顯示電動節(jié)流閥的閥位開度、電動平板閥的開關(guān)位置及管匯上游、管匯下游的壓力。

1）電動節(jié)流管匯集中控制柜。系統(tǒng)采集壓力信號經(jīng)過壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過采集器進(jìn)行運(yùn)算轉(zhuǎn)換，將數(shù)值進(jìn)行就地顯示和數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。同時進(jìn)行程序控制6個閥的自動開啟和關(guān)閉。采用PLC程序控制形式，具有體積小和運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，安裝在箱體輸出防爆箱內(nèi)（不再單獨(dú)外掛防爆箱），為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，另輔一套PLC做為備用。

2）平板閥閥組控制部分。自動控制：遠(yuǎn)程開啟電動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器帶動平板閥閘板移動，實(shí)現(xiàn)對平板的開啟和關(guān)閉。當(dāng)節(jié)流管匯壓力過高時，系統(tǒng)會自動關(guān)閉平板閥。計(jì)算機(jī)操作界面顯示3個平板閥的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。現(xiàn)場手動控制：現(xiàn)場開啟電動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器帶動平板閥閘板移動，實(shí)現(xiàn)對平板的開啟和關(guān)閉。現(xiàn)場操作面板顯示3個平板閥的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。

3）節(jié)流閥閥組控制部分。自動控制：節(jié)流閥閥位傳感器接收信號，計(jì)算機(jī)自動控制電動執(zhí)行器，調(diào)整節(jié)流閥閥芯的開度，可實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥的開大或關(guān)小的速度及位置。計(jì)算機(jī)操作界面顯示三個節(jié)流閥的閥位。現(xiàn)場手動控制：手動按鈕控制電動執(zhí)行器（面板操作），可控制節(jié)流閥開大或關(guān)小的速度及位置?，F(xiàn)場操作面板顯示三個節(jié)流閥的閥位。

3 電動節(jié)流管匯集中控制系統(tǒng)控制策略

雙PLC冗余控制。節(jié)流管匯控制回壓補(bǔ)償系統(tǒng)在精細(xì)控壓中是確?？貕貉a(bǔ)壓是否能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，安全可靠、簡便的操作是自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，考慮采用雙PLC冗余，一臺運(yùn)行，一臺待機(jī)，高質(zhì)量的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)，配合冗余控制算法實(shí)現(xiàn)冗余控制。如圖3所示，為雙PLC冗余控制流程圖。

1）冗余控制。大系統(tǒng)控制采用硬件冗余，雖有成本投入，但在系統(tǒng)可靠性和軟件編程上具有優(yōu)勢，純硬件冗余的CPU的狀態(tài)監(jiān)視和控制權(quán)的轉(zhuǎn)移由模塊切換完成。軟件冗余是通過軟件編程解決的。因此，軟件冗余編程相對比較復(fù)雜，工作量較大。純硬件冗余的優(yōu)點(diǎn)之一是軟件編程控制只需一套程序，在兩個PCL中下載后，主PLC工作的同時，備用PCL待機(jī)工作，兩塊PLC同時在系統(tǒng)中運(yùn)行，一塊運(yùn)行于主控模式，另一塊運(yùn)行于熱備份模式。當(dāng)其中任一PLC發(fā)生故障時另一塊PLC立即監(jiān)視到并發(fā)出報(bào)警，自動將正常的備用PCL投入主控模式無擾動切換，使系統(tǒng)一直受控，確保了安全性的同時，是控壓系統(tǒng)能夠正常的實(shí)現(xiàn)控制。

2）同步控制。備用PLC實(shí)時待機(jī)，當(dāng)主PLC故障時，切換模塊工作，備用PLC就立即獲取主控制權(quán)而成為主控PLC，主PCL與備用PLC實(shí)時保持信息傳遞，主PLC傳遞信息給備用，備用也要隨時跟蹤主PLC變化，與主PLC保持同步，兩塊PLC進(jìn)行控制權(quán)的轉(zhuǎn)移時，實(shí)現(xiàn)無擾動切換。

4 結(jié)束語

1）全電驅(qū)動控制策略在基于回壓補(bǔ)償?shù)膯瓮ǖ拦?jié)流管匯應(yīng)用屬于方式方法移植;

2）有助于提高能量轉(zhuǎn)換效率，改變簡化操作方式，減少維修保養(yǎng)提高可靠性。

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