防止電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位丟失的新設(shè)計(jì)

王繼沖 郭 敏

（1.廣州華潤熱電有限公司，廣東 廣州 511455；2.中國科學(xué)院 廣州工業(yè)研究院，廣東 廣州 511458）

1 概述

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并在某種控制信號(hào)作用下工作，用以控制閥門、閘門、連桿等目標(biāo)執(zhí)行器的動(dòng)作。其基本類型有部分回轉(zhuǎn)(Part-Turn)、多回轉(zhuǎn)(Multi-Turn)及直行程(Linear)三種形式。

如從維護(hù)操作方式方面來分類，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為侵入式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩類。侵入式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要拆下執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼，通過凸輪、絲桿、螺母、齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整來進(jìn)行力矩、限位等功用的設(shè)置和調(diào)試，維護(hù)調(diào)試相對(duì)繁瑣；而非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用紅外線設(shè)定遙控器就可快速對(duì)進(jìn)行力矩、限位、控制及顯現(xiàn)功用的調(diào)整，維護(hù)調(diào)試簡單便利。

現(xiàn)在的非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)里面多數(shù)都裝有干電池，斷電后能夠保持閥位記憶不被變更，不管動(dòng)力電源供給與否，均可對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行非侵入式設(shè)定。[1]

2 存在的問題

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提升以及人工成本的增加，非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用在電力、化工、冶金等領(lǐng)域愈發(fā)廣泛，但在使用中也暴露出一些問題。

早期的非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分采用可變電阻來反饋閥位變化。由于控制電路線路電阻易受外界因素干擾，可變電阻相關(guān)電路必須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，且閥位記憶效果不佳，當(dāng)今多數(shù)非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)已不再采用。

現(xiàn)在的非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多數(shù)采用霍爾元件計(jì)數(shù)器來反饋閥位變化。霍爾元件計(jì)數(shù)器有精度高、信號(hào)容易處理、適合數(shù)字電路、造價(jià)低廉等優(yōu)勢；但同時(shí)，也存在斷電后無法計(jì)數(shù)、無法發(fā)出脈沖信號(hào)的硬傷。

霍爾元件作為閥位反饋裝置，必須在控制電路有供電電源的情況下發(fā)揮作用，當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷電后，只能依靠干電池保持閥位（部分電動(dòng)門在有供電時(shí)依然依靠干電池保持閥位）。受限于干電池容量較小，受氣溫、濕度等因素影響性能波動(dòng)大，在工廠停電檢修期間很容易發(fā)生閥位丟失或者閥位不正常改變的情況。定期更換電池可部分解決這一問題，但并不徹底，很容易發(fā)生疏漏。一旦出現(xiàn)閥位丟失或者改變，輕者需重新設(shè)置，影響系統(tǒng)試運(yùn)、設(shè)備開機(jī)；重者閥位記憶錯(cuò)誤，可能會(huì)損壞閥門、頂彎閥桿；給工廠造成惡劣影響，帶來巨大損失。

3 解決方案

為了避免這些不良影響發(fā)生，我們參照汽車啟動(dòng)蓄電池的思路，設(shè)計(jì)了一款利用全浮充蓄電池組防止電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位丟失的裝置。接線示意圖如下（圖1）。

該裝置中蓄電池組的充電電源取自電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源（AC380V 或者AC220V），通過隔離變、直流電源模塊將電源轉(zhuǎn)換為與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求干電池電壓一致的直流電壓，在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電工作期間，對(duì)蓄電池持續(xù)浮充；在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停電檢修過程中，采用蓄電池作為閥位記憶電源。

因該裝置選擇的蓄電池組容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干電池，其持續(xù)工作時(shí)間將大大加長。電力、化工、冶金等行業(yè)生產(chǎn)較為連續(xù)，例如，正常情況下，發(fā)電廠電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停電檢修時(shí)間不會(huì)超過3 個(gè)月（一個(gè)完整的機(jī)組A 級(jí)檢修時(shí)長）。通過適當(dāng)選取蓄電池容量，完全可以保證3 個(gè)月甚至半年內(nèi)不會(huì)發(fā)生閥位丟失等故障。電動(dòng)門送電后立即開始給蓄電池充電應(yīng)對(duì)以后工況需要，充電完成后一直保持全浮充狀態(tài)。這樣就完全實(shí)現(xiàn)了電池免更換，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)免維護(hù)，大大提高了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)備可靠性，減少了調(diào)試維護(hù)工作量。[2]

圖1 全浮充蓄電池組接線示意圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們利用生產(chǎn)現(xiàn)場具備的條件，采用1 臺(tái)修復(fù)的上儀AI 系列非侵入式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、1 臺(tái)隔離變壓器（輸入AC380V，輸出AC220V）、1 臺(tái)9V 路由器用蓄電池（標(biāo)稱容量3000mAh）及其電源適配器搭建起了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在9V 蓄電池浮充滿電后，對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)斷開AC380V電源，經(jīng)3 個(gè)月時(shí)長驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)閥位記憶仍然正確，所有斷電后手搖操作均未對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位記憶造成影響。證實(shí)該設(shè)計(jì)思路完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

5 設(shè)計(jì)的意義

1.對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來講，將所有已投用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按此設(shè)計(jì)思路進(jìn)行逐一改造，需要占用的工作量較大，也沒有必要。但可以選擇性地對(duì)部分有必要改造的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加外掛的全浮充蓄電池組以提高設(shè)備整體的可靠性。

2.對(duì)于電動(dòng)門生產(chǎn)廠家來講，按此設(shè)計(jì)思路生產(chǎn)帶有利用蓄電池防止電動(dòng)門閥位丟失的裝置更有價(jià)值。裝置中隔離變壓器、電源轉(zhuǎn)換模塊均可集成于電動(dòng)門的變壓器模塊中，而裝置中的蓄電池組可安裝于接線端子端蓋中，并采用相應(yīng)的防著火措施提高安全性。這一創(chuàng)新對(duì)提升我國裝備制造業(yè)競爭力有一定的幫助。[3]

3.隨著新能源汽車的快速普及，我國動(dòng)力鋰電池的數(shù)量與日俱增，電池原材料價(jià)格的不斷上漲，大量廢棄電池對(duì)環(huán)境影響的壓力也越來越大，退役動(dòng)力鋰電池的梯次利用被提上日程。由于循環(huán)壽命長（三元鋰電池循環(huán)次數(shù)約800次，磷酸鐵鋰電池循環(huán)次數(shù)甚至可達(dá)2500 次）、重量輕、能量密度高等優(yōu)勢，新能源汽車淘汰下來的動(dòng)力鋰電池電芯恰恰是作為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)浮充蓄電池的絕佳選擇。通過資源優(yōu)化配置，即可以為退役動(dòng)力鋰電池的梯次利用開辟新的市場，同時(shí)又為新型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)降低了成本。