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浅谈进口机械电磁式阀门电动驱动器的国产智能化改造

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-01-31  来源:网络  浏览次数:321
  摘 要:机械电磁式电动驱动器在川渝地区已经使用近30年,目前已经普遍出现故障现象。由于年代久远,国外厂家早已停止生产机械电磁式电动驱动器,国内厂家对该设备也欠缺相应了解,设备的维修和配件的采购存在较大难度。本文在分析机械电磁式电动驱动器结构原理的基础上,通过对机械电磁式电动驱动器的力矩位置检测控制部分、内部控制回路以及用户操作界面等关键结构分别采用速度传感器和电机电流传感器、多回转绝对编码器及集成电路板等技术手段进行改造,成功实现了对一台机械电磁式电动驱动器的国产智能化改造,证实了改造的技术可行性和经济可行性,为以后降低输配气站场对进口驱动器的依赖度,提升站场设备管理水平提供了技术思路。
  关键词:电动驱动器;机械电磁式;国产智能化改造;可行性
  1 前言
  电动驱动器是过程控制系统的重要执行单元,主要是对一些设备和装置的开度和动作进行自动控制和调节。电动驱动器在结构上主要由电动机、减速部分、手动操作和切换部分以及位置检测,力矩保护等部分组成,其中位置检测、力矩保护部分是电动驱动器的核心部分。
  按位置检测、力矩保护控制部分采用的不同标准电动驱动器可分为:机械电磁式控制型、电子控制型、智能控制型(带HART、FF协议)、等。机械电磁式控制型电动驱动器为老式产品,经过几十年的技术发展,电动驱动器由最初的机械电磁式,改进到电子控制型,然后升级到现在广泛使用的智能控制型。目前川渝地区天然气长输管道使用的进口驱动器有机械电磁式和智能控制型两大类。
  2 机械电磁式电动驱动器的结构特点及使用现状
  2.1 工作原理及内部结构
  机械电磁式电动驱动器通过三相电机带动减速蜗杆涡轮转动,从而带动阀门阀芯做90°的开关动作或带动阀杆作上下直线运动实现对设备的自动控制。机械电磁式电动驱动器接受的是机械干触点信号,内部控制电路将干触点信号作为电路的通断信号,实现对电动机启停的控制。当驱动器内部位置检测控制机构的机械凸轮撞击阀位限位开关时,控制回路断开,电动机停转。当阀门出现超力矩情况时,力矩检测控制机构的力矩弹簧抵紧凸轮,控制回路断开,电动机停转,实现力矩保护[1]。
  2.1.1 位置检测控制
  机械电磁式电动驱动器采用轴承及传动杆带动凸轮撞击阀位限位开关实现对阀门位置的定位。在初次安装设备调试时,需要拆卸驱动器手动调节设定阀门定位凸轮位置。
  2.1.2 力矩检测控制
  通过调节凸轮位置(即力矩弹簧)卷紧和放松实现对控制回路的开断来调节力矩大小,力矩弹簧外部有可调节齿轮(开、关各一只),用于调节凸轮位置。初次调试时,需要拆卸驱动器外壳根据阀门运行情况手动反复调节找到最佳的凸轮位置。
  2.1.3 控制界面
  现场操作界面的五种状态按钮都通过机械干触点与内部电路进行闭合断开,实现不同控制回路的通断,达到选择设备运行状态的目的。
  2.2 机械电磁式电动驱动器的特点
  机械电磁式电动驱动器具有以下四个特点:
  ①力矩检测方面:无法计算力矩值,力矩传输速度滞后,调节精度差,随着使用时间的增长,弹簧易发生疲劳断裂[2];
  ②位置检测方面:没有位置传感器,阀位没有分辨率,只能人为设定,不能实时显示阀门动作过程中的阀位位置。阀位指针只有50%和100%两个状态,即阀门一开始动,则指针立即指向50%,然后保持不变,当阀门开到位时,指针再立即指向100%。指针指示不能真实显示阀门位置,容易造成对阀门是否开关到位产生误判断,不利于现场安全操作;
  ③控制回路方面:内部控制回路无自检功能,不能主动提示故障信息,增加了故障排查难度[2];
  ④设备外观方面:无液晶显示屏,无用户视窗,无法直接观察设备运行状态,不能获取故障信息。
  2.3 使用现状
  机械电磁式电动驱动器随着使用时间的增长,设备位置力矩检测控制机构上的齿轮、凸轮以及力矩弹簧会因反复使用发生磨损和疲劳失效,控制界面状态选择触点和内部控制电路也会逐步老化,导致目前机械电磁式电动驱动器经常出现定位不准、力矩弹簧断裂、按鈕接触不良、无法电动等故障。由于该类电动驱动器国外厂家早已停止生产,国内厂家对其也少有了解,无法购买到设备维修所需的专业配件。一旦发生故障只能对其进行简单临时处理,无法从根本上解决问题,在一定程度上也影响了输气站场的安全生产。
  3 机械电磁式电动驱动器的智能化改造
  为解决机械电磁式电动驱动器的老化、故障和维修困难等问题,提高设备控制精度和操作稳定性,在不改变原有电机、齿轮箱、减速涡轮蜗杆及传动装置的基础上,对ROTORK机械电磁式电动驱动器进行智能化改造。
  3.1 技术改造措施
  综合考虑新、老驱动器控制部分的差异,对机械电磁式电动驱动器的四个特点分别采用针对性的技术措施进行改造:
  ①将弹簧式力矩控制改造为采用速度传感器和电机电流互感器进行力矩检测,提高力矩检测控制精度,由于采用的是无触点方式进行力矩数据采集,延长元件的使用寿命[3];
  ②将凸轮式阀位控制改造为采用多回转绝对编码器进行阀位检测。进口电动驱动器采用霍尔效应传感器进行位置检测,当电动驱动器遇到强磁干扰(如智能检测)或电源长期掉电情况下,霍尔效应传感器失效,在现场表现为电动驱动器掉阀位,强磁干扰还有可能使干簧管动作引起阀门异常开关。针对这种情况,选择基于光电转换和光栅原理的多回转绝对编码器作为阀位位置检测元件。该元件不受强磁干扰和电源掉电影响(功耗低、备用电池可使用5年),能够长时间保持阀位。改造时将原来的凸轮和行程开关齿轮机构全部取下,将多回转编码器固定到装置上原来小齿轮旁边,再将交流接触器配接好即可;
  ③将内部控制回路改造为具有电路自检功能的国产集成电路板控制,当电路故障时可以主动提示故障信息;   ④在操作界面方面增加液晶显示屏,显示开关位置、力矩值、报警及故障代码等信息;外壳增加视窗栏,便于观看液晶显示屏信息;
  ⑤将原电机里的温度保护开关线接入新电路板电机保护接口,保持对原电机的保护保[4]。
  3.2 改造成果
  经现场实施,成功对一台ROTORK故障的机械电磁式电动驱动器实现了智能化改造。经过现场反复开关验证,电动驱动器的位置反馈和阀门实际行程位置吻合较好。设备改造后运行情况良好,改造后的电动驱动器主要具有以下优点:
  ①通过直接测量电机转速及电机电流,实现高精度检测力矩值,力矩保护精确达到1%;
  ②采用多回转绝对编码器进行阀位位置的测量和控制,位置检测分辨率达到0.1%;
  ③所有内部传感器均为无接触式,延长了使用寿命和控制精度;
  ④采用具有自检功能的集成电路板控制,减少了内部机械零件数量,提高了设备的可靠性,增强了故障信息的自动判断功能,便于维修人员查找故障区域;
  ⑤增强型现场操作界面,便于操作人员操作和监控设备运行情况。初始调试时通过现场操作界面和自带遥控板进行参数设置,不用对电动驱动器外壳进行拆卸即可完成调试,在危险场所使其具备了非侵入式特征,大大缩短了调试时间,提高了设备的可靠性;
  ⑥电路板各项性能参数稳定,与进口电动驱动器电路板基本保持一致;
  ⑦将改造所需费用和更换同型号的新进口电动驱动器进行比较,可以看出改造方案具有较好的经济性。
  4 结论与建议
  4.1 结论
  本文以机械电磁式电动驱动器结构原理分析为基础,借鉴智能型电动驱动器的优点,综合考虑新老设备结构差异,通过对机械电磁式电动驱动器的力矩位置检测控制机构、内部控制回路以及用户操作界面等关键部位分别采用速度及电机电流传感器、多回转绝对编码器及集成电路板等技术手段进行改造,成功实现了对一台机械电磁式电动驱动器的国产智能化改造,证实了改造的技术可行性和经济可行性,为以后降低输配气站场对进口驱动器的依赖度,提升站场设备管理水平提供了技术思路。
  4.2 建议
  目前仅对一臺机械电磁式电动驱动器实施了国产智能化改造,应适当增加改造的机械电磁式电动驱动器的类型和数量,进一步测试改造后的设备性能、完善设备功能。
  参考文献:
  [1] E170C2.ROTORK电动执行机构安装和维护手册[S].英国:ROTORK公司,2002.
  [2] ROTORK故障现象分析说明书[S].成都:成都中寰机电社编有限公司,2012.
  [3] ZTYPE.智能型多回转执行器用户手册[S].常州:常州国力阀门控制有限公司,2014.
  [4] GB/T28270-2012.智能型阀门电动装置[S].北京:标新(北京)科技有限公司.2012.
  作者简介:
  李进(1982- ),男,汉族,四川成都人,高级工程师,主要从事天然气长输管道、生产运行管理及相关技术研究工作。
 
 
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