礦用隔爆型電動閥門執(zhí)行器的研發(fā)與應(yīng)用

萬 勇

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

礦用隔爆型電動閥門執(zhí)行器的研發(fā)與應(yīng)用

萬 勇

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

針對當前絕大多數(shù)煤礦地面永久瓦斯抽放泵站及發(fā)電站，在傳統(tǒng)手動閥門的使用過程中，管道系統(tǒng)存在無法實現(xiàn)遠程操作及按照邏輯程序?qū)崿F(xiàn)自動化控制等問題，提出了基于RS-485總線型控制理論。采用就地本安按鈕及上位機組態(tài)王軟件，研發(fā)了一種礦用隔爆型電動閥門執(zhí)行器，實現(xiàn)了閥門就地及遠程開、關(guān)，以及部分開度控制。結(jié)合配套管理軟件能實現(xiàn)遠程、自動控制及開度控制,并闡述其工作原理等內(nèi)容。本閥門執(zhí)行器具有維護成本低、操作簡單方便、執(zhí)行器控制精度高、故障率低等特點。通過在煤礦現(xiàn)場長期實際應(yīng)用情況，表明礦用隔爆型電動閥門執(zhí)行器完全能夠按照事先編制的邏輯關(guān)系程序及步驟實現(xiàn)自動化控制，對相關(guān)煤炭企業(yè)在瓦斯抽采與煤層氣利用的管道系統(tǒng)中實現(xiàn)自動化及減少值班人員工作勞動強度等有著重要意義。

煤礦； 防爆； 隔爆型； 電動閥門； 執(zhí)行器； 限流電路； 通信

0 引言

目前煤礦領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的分體式電動閥門一般由數(shù)字控制部分和執(zhí)行部分組成[1]，但是兩部分相互獨立，控制電路被置于專門的控制箱內(nèi)，存在安裝接線繁瑣、可靠性差、后期維護困難等缺陷。為克服分體式電動閥門的不便性、提高智能化程度，常州貝斯特和蘭陵閥門控制有限公司等廠商研發(fā)并推出了礦用一體化電動閥門，將電氣控制部分與閥門電動裝置合成一體，不再需要專用控制箱，用戶在安裝、調(diào)試、檢修時較為方便。但是其均采用4腔體設(shè)計，存在體積和質(zhì)量較大、控制信號接口種類不夠豐富、對現(xiàn)場種類繁多的主控設(shè)備適應(yīng)能力較差等問題。

根據(jù)2015年國家安全監(jiān)管總局頒布的《關(guān)于開展“機械化換人、自動化減人”的通知》(安監(jiān)總科技[2015]63號)要求[2]，煤炭企業(yè)要逐步實現(xiàn)以機械化生產(chǎn)替換人工作業(yè)、以自動化控制減少人為操作，大力提高企業(yè)安全生產(chǎn)科技保障能力。因此，本文設(shè)計了一種礦用隔爆兼本安型一體化智能閥門執(zhí)行器，除了具有通用一體化電動閥門的開閉控制、過力矩自動保護、閥體開度顯示等基本功能外，還針對煤礦等特殊領(lǐng)域、電源質(zhì)量差等工況條件開發(fā)出電機驅(qū)動保護和故障自診斷功能[3]。該設(shè)計針對現(xiàn)場多種主控設(shè)備，具有靈活的現(xiàn)場總線型通信接口和控制功能[4]，并能夠按照PLC預(yù)先編制的邏輯關(guān)系程序及步驟實現(xiàn)自動化控制[5]，對相關(guān)煤炭企業(yè)在瓦斯抽采與煤層氣利用的管道系統(tǒng)中實現(xiàn)自動化及減少值班人員工作勞動強度具有重要意義。

1 工作原理及研發(fā)設(shè)計思路

1.1 電動執(zhí)行器工作原理

閥門電動執(zhí)行器主要由防爆電動機、齒輪減速機構(gòu)、電氣控制腔體、狀態(tài)檢測傳感器和相關(guān)電氣控制模塊組成。電氣控制模塊通過控制功率開關(guān)的不同導(dǎo)通相序來控制電機的正反向轉(zhuǎn)動，電機通過齒輪減速機構(gòu)帶動閥門等執(zhí)行機構(gòu)動作，智能化的閥門控制模塊通過限位開關(guān)、過力矩開關(guān)和角度傳感器、電流互感器、熱保護開關(guān)等傳感部件的信息來判斷電機和齒輪機構(gòu)的工作狀態(tài)、診斷其故障狀況并進行有效的保護[6-8]。

1.2 研發(fā)設(shè)計思路

首先通過現(xiàn)場調(diào)研，獲取煤礦現(xiàn)場瓦斯抽放系統(tǒng)、通風(fēng)、排水系統(tǒng)和防滅火系統(tǒng)常用閥門管徑型號、壓力等級、材質(zhì)要求等參數(shù)。然后，根據(jù)調(diào)研的參數(shù)要求，選擇閥體供應(yīng)商，按現(xiàn)場實際情況和工況條件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行改進，并兼容閘閥、蝶閥驅(qū)動結(jié)構(gòu)。最后，開始電動執(zhí)行器軟、硬件設(shè)計開發(fā)工作，主要包含以下幾個方面：①電機驅(qū)動及保護，執(zhí)行器可靠性提升；②智能診斷系統(tǒng)設(shè)計；③直流電機驅(qū)動及保護。

電動執(zhí)行器整機方案框圖如圖1所示。

綜上所述，學(xué)前教育的質(zhì)量會直接影響幼兒的健康成長。首先，由高校牽頭，吸納政府及相關(guān)幼兒服務(wù)單位以成立幼教協(xié)會，并由專人負責(zé)與政府、高校、用人單位的協(xié)同合作事宜。其次，嚴把學(xué)生質(zhì)量，應(yīng)招收有藝術(shù)加試合格證的學(xué)生入學(xué)，這是保障人才質(zhì)量的基石。最后，對入學(xué)后的學(xué)生要進行職業(yè)認同感及社會責(zé)任感的思政培訓(xùn)，讓學(xué)生牢記社會使命，肩負起學(xué)前教育事業(yè)健康發(fā)展的重任。

圖1 電動執(zhí)行器整機方案框圖

2 分部設(shè)計概況

2.1 電機驅(qū)動和保護設(shè)計

閥門電動執(zhí)行器電機采用結(jié)構(gòu)簡單、低慣量、高力矩的專用三相異步交流電動機，并采用具有簡單可靠、成本低廉、額定電壓高等特點的接觸器作為開關(guān)和換相器件。為了保證其工作穩(wěn)定可靠，保障用戶的用電及生產(chǎn)安全，對驅(qū)動部分進行軟件和硬件的多級保護。第一級硬件保護電路是利用接觸器的常閉輔助觸點進行開關(guān)換相接觸器互鎖保護。當主控電路開向接觸器KO閉合時，電機執(zhí)行開向轉(zhuǎn)動，此時接觸器上常閉輔助觸點斷開，關(guān)向接觸器KC的控制線圈回路被切斷，主控電路無法使關(guān)向接觸器動作，從而防止因接觸器同時閉合造成的相間短路事故，有效實現(xiàn)互鎖保護。

除了第一級的接觸器互鎖保護之外，微控制器也會通過電流互感器監(jiān)測電機的工作電流，一旦產(chǎn)生大電流，微控制器會切斷電機電源并給出故障提示，接觸器控制電路的中間繼電器及其控制回路也采用了多重保護。此外，微控制器的開閥控制信號通過硬件邏輯電路與開到位和開過矩信號實現(xiàn)互鎖，關(guān)閥控制信號通過硬件邏輯電路與關(guān)到位和關(guān)過矩信號實現(xiàn)互鎖，保證在微控制器發(fā)生故障或者死機的時候，閥門到位或過力矩后仍然能夠自動停止執(zhí)行。

2.2 缺相檢測與相序識別和自動糾正電路

對于三相交流電機來說，電源缺相的危害很大。當發(fā)生缺相運行時，定子的旋轉(zhuǎn)磁場嚴重不平衡，會嚴重增加電機震動，從而破壞軸承和機座。此外，定子會產(chǎn)生負序電流，引起轉(zhuǎn)子電流劇增及嚴重發(fā)熱，使電機帶載能力急劇下降；電機會吸收大量有功功率，導(dǎo)致定子電流急劇增加。但增大的電流不能使熔絲熔斷，如果長期缺相運行，溫度上升很快，容易燒毀電動機。在實踐中，60%～70%的電動機燒毀事故都是由于電源缺相運行所致，故對電動機的缺相保護十分重要。

電動執(zhí)行器的相序檢測與缺相保護電路如圖2所示。三相交流電經(jīng)光電耦合隔離后，得到整形后的三路電壓波形信號進入微處理器；采用軟件計算三路波形的相位差，判斷是否發(fā)生缺相及識別三相波形相序[9]，完成相序自動糾正。

圖2 相序檢測與缺相保護電路

2.3 通信與控制接口方案

隨著煤礦自動化水平的提高，全數(shù)字化通信和分散控制易于系統(tǒng)的重構(gòu)和擴展[6]。煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化主控設(shè)備越來越多，控制接口和控制方式也越來越多。為更好地適應(yīng)現(xiàn)場不同主控設(shè)備，本電動閥門執(zhí)行器設(shè)計了觸點控制、RS-485總線通信、4～20 mA電流信號輸入輸出等接口。目前，工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用RS-485串行總線標準，通信距離可達千米，其采用的平衡發(fā)送和差分接收方式可抑制共模干擾。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一個點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互聯(lián)時非常方便，可以節(jié)省許多信號線，聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)。本電動閥門執(zhí)行器采用ADM2582，該芯片集成了磁隔離技術(shù)。和傳統(tǒng)的光電耦合隔離相比，該芯片可以簡化設(shè)計、減少PCB板面積、提高數(shù)據(jù)收發(fā)速率、增強通信接口的可靠性[10-17]。

2.4 電動閥門執(zhí)行器驅(qū)動與保護設(shè)計

電機驅(qū)動采用接觸器互鎖換相控制電路控制電機正反轉(zhuǎn)。這種換相技術(shù)簡單可靠、成本低廉，易于控制和檢修。為了保證控制電路抗干擾能力，采用交流電機驅(qū)動保護技術(shù)，包括缺相、過載、過流、過力矩、過熱保護等功能，保證電機可靠工作。

執(zhí)行器的電氣控制部分采用模塊化設(shè)計，主要由變壓器模塊、智能控制模塊、接觸器、電流互感器、行程限位開關(guān)組、過力矩開關(guān)組、角度傳感器等構(gòu)成，接觸器的控制回路和智能控制模塊供電回路統(tǒng)一采用36 VAC控制電壓，全系列閥門電動執(zhí)行器均采用相同的控制模塊和控制電路結(jié)構(gòu)，380 V和660 V的電動執(zhí)行器僅電動機和變壓器模塊不同，通過軟件配置控制模塊的各項參數(shù)來適應(yīng)不同大小的閥門。

2.5 電動執(zhí)行器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

閘閥電動裝置一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計[18]包括控制腔、接線腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，與閘閥、蝶閥的接口設(shè)計和標準統(tǒng)一，電氣控制部分模塊化、系列化通用設(shè)計，現(xiàn)場操作結(jié)構(gòu)的設(shè)計，信息顯示系統(tǒng)和顯示窗隔爆設(shè)計等方面。根據(jù)GB 3836.1-2001爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求，電動執(zhí)行器的控制腔和接線腔采用獨立分隔的設(shè)計，接線腔的控制信號通過隔爆接線端子引入控制腔；控制腔設(shè)有顯示窗口，該窗口采用復(fù)合要求的鋼化玻璃隔爆。電機采用具有防爆合格證和安標證的礦用閥門電動裝置專用電機，電機引線通過隔爆導(dǎo)管引入控制腔。電動執(zhí)行器采用多回轉(zhuǎn)設(shè)計，輸出部分為棘爪結(jié)構(gòu)。驅(qū)動閘閥、隔膜閥等作推拉運動的執(zhí)行機構(gòu)時，采用絲杠的方式直接接入，驅(qū)動蝶閥、球閥、風(fēng)門等部分回轉(zhuǎn)的執(zhí)行機構(gòu)時，采用加裝蝸桿減速機構(gòu)的方式接入。

2.6 本安直流電動閥限流設(shè)計

為了適應(yīng)本安電源負載電流和沖擊電流受限的特點，在電源的引入端口設(shè)計了限流電路。通過硬件對整機的工作電流進行初步限制，引入限流電路也可以有效隔離電機驅(qū)動電路中的大容量儲能電容的能量向外部電路釋放，避免產(chǎn)生可以點燃瓦斯的電火花。限流電路原理圖如圖3所示。

圖3 限流電路原理圖

圖3中，整機工作電流通過R6進行取樣，U3和分壓電阻R7、R8為誤差放大器LM258提供參考電壓，當電流超過設(shè)定值時，誤差放大器驅(qū)動調(diào)整管Q2進行分壓，使得負載上的電壓降低，從而保持電流恒定不再增大，實現(xiàn)了恒流限流的功能。

本安直流電動裝置采用無刷直流電機[19-20]作為動力源。和有刷直流電機相比，無刷直流電動機沒有換相電刷，運行時不會產(chǎn)生電火花，具有安全性高、噪聲小、效率高、壽命長的特點。無刷直流電機依靠電子功率開關(guān)完成換相，故其驅(qū)動電路和驅(qū)動軟件比有刷直流電機復(fù)雜得多。本電動裝置采用MOS管無刷直流電機依靠電子功率開關(guān)完成換相，并采用MOS管作為電機換相的功率開關(guān)，將驅(qū)動開關(guān)、驅(qū)動電路和電動機的引線用環(huán)氧樹脂澆封到一起，從而最大程度保證安全。由于電機功率較小，采用集成的PN雙MOS芯片作為功率開關(guān)，使得整個驅(qū)動電路簡潔、可靠。通過采樣電阻和軌對軌運算放大器完成電流的采集和放大，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大20倍后，進入微處理器的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供軟件處理。

3 系統(tǒng)性能試驗

3.1 試驗室測試

電動閥門執(zhí)行器經(jīng)過裝配及初步調(diào)試完畢后，就地在試驗室進行一般參數(shù)及轉(zhuǎn)矩性能測試，測試數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)記錄

3.2 現(xiàn)場實際應(yīng)用效果分析比較

2016年度，在四川芙蓉(集團)實業(yè)公司白皎煤礦泵站排水管道、四川省古敘煤田開發(fā)股份公司敘永煤礦抽放泵站，根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊拇笮∽詣娱_閉排空和供氣的管道，分別進行了對應(yīng)于不同應(yīng)用場合及工況條件的工業(yè)性試驗。試驗期間，閥門平均4天動作一次。現(xiàn)場應(yīng)用中，兩個煤礦的運行均未出現(xiàn)故障，完全能夠按照瓦斯抽放泵站生產(chǎn)運行流程實現(xiàn)閥門開關(guān)順序及閥門開度等控制邏輯關(guān)系，實現(xiàn)了工業(yè)自動化控制。與傳統(tǒng)閥門相比，本設(shè)計優(yōu)化效果如下。①電動執(zhí)行器與閥體一體化設(shè)計，有一套完整的一體化組裝工藝。在裝配及實際安裝時較簡易，避免了目前分體式的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場的繁瑣安裝；具備就地、遠程控制功能，符合業(yè)界自動化控制需求；傳統(tǒng)手動閥門，必須要有相關(guān)配件及管路安裝才能匹配，裝配相對復(fù)雜，需要承擔(dān)較多的保養(yǎng)費用，且不能滿足自動化控制要求的條件，電動閥門性能及經(jīng)濟成本較手動閥門劃算。②電動閥門執(zhí)行器具有多重保護機制與智能故障處理功能，在CPU程序內(nèi)部建立一般故障數(shù)據(jù)庫，可實時根據(jù)各傳感器數(shù)據(jù)綜合判斷設(shè)備運行狀態(tài)，保證執(zhí)行器工作穩(wěn)定可靠；較傳統(tǒng)手動閥門開閉完全靠人工憑借工作經(jīng)驗控制，提升了實現(xiàn)故障預(yù)處理及預(yù)保護功能。③閘閥、蝶閥驅(qū)動兼容性設(shè)計，實現(xiàn)了一種執(zhí)行器配接驅(qū)動兩種閥體。④本安直流無刷電機驅(qū)動技術(shù)，滿足本安電源負載電流和沖擊電流受限要求。

4 結(jié)束語

本項目設(shè)計研發(fā)的一系列電動閥門采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，與傳統(tǒng)的分體式閥門電動執(zhí)行器相比，具有維護成本低、操作簡單方便、控制精度高、故障率低等優(yōu)點，滿足國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒布的《關(guān)于開展“機械化換人、自動化減人”的通知》(安監(jiān)總科技[2015]63號)要求。與目前煤炭自動化領(lǐng)域廠商生產(chǎn)的礦用一體化閥門電動執(zhí)行器相比，本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、腔體相對較少、有效減輕質(zhì)量、降低安裝和運輸成本的優(yōu)點。執(zhí)行器具有多重自保護和故障處理系統(tǒng)，采用非侵入式操作和參數(shù)設(shè)置，在保障設(shè)備穩(wěn)定、可靠運行的同時提供了友好的人機交互方式。產(chǎn)品具有靈活、豐富的控制與通信接口，便于不同工程和系統(tǒng)的應(yīng)用；具有開放的通信協(xié)議，可以接入常用的工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，也可以無縫接入KJ90NB煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。

電動閥門執(zhí)行器的產(chǎn)品系列化，覆蓋了煤礦現(xiàn)場常用管徑范圍，為產(chǎn)品競爭力的提升和經(jīng)濟的增長提供了支持。由前期的現(xiàn)場試驗和部分產(chǎn)品的銷售情況可以看出，該電動閥門執(zhí)行器完全能夠滿足現(xiàn)場的實際需求，得到了客戶的廣泛認可，對煤炭相關(guān)企業(yè)實現(xiàn)抽采自動化及減少值班人員勞動強度的有重要意義。

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Development and Application of the Explosion Isolated Electric Valve Actuator for Mining Use

WAN Yong

(Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Chongqing 400039,China)

At present,in most of the ground permanent gas pumping stations and power generation stations of coal mines,due to the fact that the traditional manual operated valves are used,remote operation and automatic logic control cannot be implemented for the pipeline system;to solve the problems,the control theory based on RS-485 is proposed. Adopting the local and intrinsic safe button and PC KingVIEW configuration software,the explosion isolated electric valve actuator for mining use is designed and developed to control On/Off and opening of the valve on spot and lemotely.Combined with the management software,the remote,automatic control and opening control can be realized,and the working principle is expounded.The valve actuator features low maintenance cost,simple and convenient operation,high control precision and low failure rate.Through the practical application in the coal mine site for a long period,the explosion isolated electric valve actuator can completely implement the automatic control according to the logic program and procedures programmed in advance.It is of great significance for the relevant coal enterprises to realize the automation and reduce the labor intensity of the workers in the pipeline systems of the gas extraction and coalbed methane utilization.

Coal mine; Explosion-proof; Exd; Electric valve; Actuator; Current limiting circuit; Communication

國家“十三五”重大專項基金資助項目(101564116、101564216)、中煤科工集團重慶研究院有限公司礦用閥門項目(CQ1616)

萬勇(1980—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事瓦斯抽放監(jiān)控技術(shù)和儀器儀表及自動化系統(tǒng)的研發(fā)工作。 E-mail:280210058@qq.com。

TH-39；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708013

修改稿收到日期:2017-04-07