淺談進口機械電磁式閥門電動驅動器的國產智能化改造

李進 蔣宏業 劉長林 劉穎

摘 要：機械電磁式電動驅動器在川渝地區已經使用近30年，目前已經普遍出現故障現象。由于年代久遠，國外廠家早已停止生產機械電磁式電動驅動器，國內廠家對該設備也欠缺相應了解，設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動器結構原理的基礎上，通過對機械電磁式電動驅動器的力矩位置檢測控制部分、內部控制回路以及用戶操作界面等關鍵結構分別采用速度傳感器和電機電流傳感器、多回轉絕對編碼器及集成電路板等技術手段進行改造，成功實現了對一臺機械電磁式電動驅動器的國產智能化改造，證實了改造的技術可行性和經濟可行性，為以后降低輸配氣站場對進口驅動器的依賴度，提升站場設備管理水平提供了技術思路。

關鍵詞：電動驅動器；機械電磁式；國產智能化改造；可行性

1 前言

電動驅動器是過程控制系統的重要執行單元，主要是對一些設備和裝置的開度和動作進行自動控制和調節。電動驅動器在結構上主要由電動機、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準電動驅動器可分為：機械電磁式控制型、電子控制型、智能控制型（帶HART、FF協議）、等。機械電磁式控制型電動驅動器為老式產品，經過幾十年的技術發展，電動驅動器由最初的機械電磁式，改進到電子控制型，然后升級到現在廣泛使用的智能控制型。目前川渝地區天然氣長輸管道使用的進口驅動器有機械電磁式和智能控制型兩大類。

2 機械電磁式電動驅動器的結構特點及使用現狀

2.1 工作原理及內部結構

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

2.1.1 位置檢測控制

機械電磁式電動驅動器采用軸承及傳動桿帶動凸輪撞擊閥位限位開關實現對閥門位置的定位。在初次安裝設備調試時，需要拆卸驅動器手動調節設定閥門定位凸輪位置。

2.1.2 力矩檢測控制

通過調節凸輪位置（即力矩彈簧）卷緊和放松實現對控制回路的開斷來調節力矩大小，力矩彈簧外部有可調節齒輪（開、關各一只），用于調節凸輪位置。初次調試時，需要拆卸驅動器外殼根據閥門運行情況手動反復調節找到最佳的凸輪位置。

2.1.3 控制界面

現場操作界面的五種狀態按鈕都通過機械干觸點與內部電路進行閉合斷開，實現不同控制回路的通斷，達到選擇設備運行狀態的目的。

2.2 機械電磁式電動驅動器的特點

機械電磁式電動驅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，調節精度差，隨著使用時間的增長，彈簧易發生疲勞斷裂[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，即閥門一開始動，則指針立即指向50%，然后保持不變，當閥門開到位時，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到位產生誤判斷，不利于現場安全操作；

③控制回路方面：內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設備外觀方面：無液晶顯示屏，無用戶視窗，無法直接觀察設備運行狀態，不能獲取故障信息。

2.3 使用現狀

機械電磁式電動驅動器隨著使用時間的增長，設備位置力矩檢測控制機構上的齒輪、凸輪以及力矩彈簧會因反復使用發生磨損和疲勞失效，控制界面狀態選擇觸點和內部控制電路也會逐步老化，導致目前機械電磁式電動驅動器經常出現定位不準、力矩彈簧斷裂、按鈕接觸不良、無法電動等故障。由于該類電動驅動器國外廠家早已停止生產，國內廠家對其也少有了解，無法購買到設備維修所需的專業配件。一旦發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。

3 機械電磁式電動驅動器的智能化改造

為解決機械電磁式電動驅動器的老化、故障和維修困難等問題，提高設備控制精度和操作穩定性，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上，對ROTORK機械電磁式電動驅動器進行智能化改造。

3.1 技術改造措施

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

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據采集，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絕對編碼器進行閥位檢測。進口電動驅動器采用霍爾效應傳感器進行位置檢測，當電動驅動器遇到強磁干擾（如智能檢測）或電源長期掉電情況下，霍爾效應傳感器失效，在現場表現為電動驅動器掉閥位，強磁干擾還有可能使干簧管動作引起閥門異常開關。針對這種情況，選擇基于光電轉換和光柵原理的多回轉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齒輪機構全部取下，將多回轉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將內部控制回路改造為具有電路自檢功能的國產集成電路板控制，當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

經現場實施，成功對一臺ROTORK故障的機械電磁式電動驅動器實現了智能化改造。經過現場反復開關驗證，電動驅動器的位置反饋和閥門實際行程位置吻合較好。設備改造后運行情況良好，改造后的電動驅動器主要具有以下優點：

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

②采用多回轉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，減少了內部機械零件數量，提高了設備的可靠性，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域；

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

⑥電路板各項性能參數穩定，與進口電動驅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動器進行比較，可以看出改造方案具有較好的經濟性。

4 結論與建議

4.1 結論

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

4.2 建議

目前僅對一臺機械電磁式電動驅動器實施了國產智能化改造，應適當增加改造的機械電磁式電動驅動器的類型和數量，進一步測試改造后的設備性能、完善設備功能。

參考文獻：

[1] E170C2.ROTORK電動執行機構安裝和維護手冊[S].英國：ROTORK公司，2002.

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

[3] ZTYPE.智能型多回轉執行器用戶手冊[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、生產運行管理及相關技術研究工作。