基于物聯(lián)網(wǎng)高性能電動(dòng)執(zhí)行器的研究與設(shè)計(jì)

申景雙

上海海維工業(yè)控制有限公司 上海 201417

引言

隨著智能制造及工業(yè)2025國家戰(zhàn)略的實(shí)施，過程控制工業(yè)自動(dòng)化水平快速提升，智能電動(dòng)執(zhí)行器的研究和應(yīng)用越來越受到行業(yè)的重視。由原來的機(jī)械式、半自動(dòng)、就地控制方式向智能化、高精度、總線控制、云監(jiān)控方向快速發(fā)展。原有的電動(dòng)執(zhí)行器大多滿足不了現(xiàn)場工況的要求，亟須升級改造，結(jié)合數(shù)字通信及信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、智慧化升級[1]。本文結(jié)合中石油集團(tuán)新疆高探1井高壓電動(dòng)閥的工況要求，面向智慧鉆探，研究開發(fā)了基于DSP芯片控制技術(shù)、LCD液晶顯示、帶物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，具有遠(yuǎn)程云平臺監(jiān)控功能的智能電動(dòng)執(zhí)行器?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，該執(zhí)行器能夠滿足現(xiàn)場工況要求，并為未來鉆井平臺整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧監(jiān)控奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)需求

本項(xiàng)目是中石油集團(tuán)面向深層石油勘探鉆井平臺而開發(fā)的智能電動(dòng)執(zhí)行器。近年來，深層石油勘探迅猛發(fā)展，由于油層深度為地下三千至五千米，原有采油設(shè)備性能達(dá)不到要求。為此，由上海海維工業(yè)控制公司主導(dǎo)，專為深層采油平臺研制高壓智能設(shè)備配套的電動(dòng)執(zhí)行器。

由于深層采油需要140MPa及以上超高壓，采油平臺的除砂裝置及采油樹均為高壓設(shè)備。如何研制生產(chǎn)出高壓采油設(shè)備是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。電動(dòng)執(zhí)行器屬于配套設(shè)備，與高壓控制閥配套使用，由于閥門承受超高壓力，造成執(zhí)行器全關(guān)時(shí)會(huì)出現(xiàn)高壓抖動(dòng)，造成關(guān)不死現(xiàn)象。為此，本文設(shè)計(jì)了壓電感應(yīng)式力矩傳感器來感知閥門行程中動(dòng)態(tài)力矩。當(dāng)閥門接近全關(guān)時(shí)，閥桿受到的力矩會(huì)出現(xiàn)急劇加大，此時(shí)力矩傳感器把感知到的力矩信號傳輸給執(zhí)行器，由執(zhí)行器發(fā)出控制指令，柔性控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)速，減少閥門關(guān)閉時(shí)的慣性，從而減少高壓抖動(dòng)，既可以完全關(guān)閉閥門，又不會(huì)造成閥座損傷。本文設(shè)計(jì)的執(zhí)行器同時(shí)具有物聯(lián)網(wǎng)通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)無線云平臺監(jiān)控，檢測到閥門的運(yùn)行狀態(tài)及歷史事件記錄，同時(shí)可以遠(yuǎn)程開關(guān)閥門，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程柔性控制。

2 電動(dòng)執(zhí)行器總體方案設(shè)計(jì)

2.1 主要構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)執(zhí)行器是一種先進(jìn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。有電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、集成控制電路等組成。蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等機(jī)械部分位于執(zhí)行器中間，電機(jī)和控制單元分貝位于執(zhí)行器兩端，保證執(zhí)行器重心位于結(jié)構(gòu)的中心，緊湊對稱的結(jié)構(gòu)與精美的外形使得更像工藝品。這些裝置均密封在標(biāo)準(zhǔn)最高為IP68的雙密封防水外殼內(nèi)，使用手持式紅外設(shè)定器即可對智能電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)定,不必打開執(zhí)行機(jī)構(gòu)[2]。該執(zhí)行器具有自動(dòng)保護(hù)功能和隔爆功能，即使在危險(xiǎn)區(qū)域也無須打開正在工作中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣箱蓋就可以進(jìn)行調(diào)節(jié)、參數(shù)檢查、故障診斷。該執(zhí)行器綜合了精密機(jī)械技術(shù)、系統(tǒng)集成芯片技術(shù)與信息通信技術(shù)，成為新一代智能型一體化產(chǎn)品。

2.1.1 充分應(yīng)用電子工業(yè)及IT行業(yè)的最新技術(shù)。以DSP為代表的系統(tǒng)集成芯片技術(shù)是使執(zhí)行器的響應(yīng)速度和處理能力大大提高，E2PROM保證執(zhí)行器失電后數(shù)據(jù)不丟失，復(fù)電后實(shí)時(shí)反映當(dāng)前狀態(tài)。

2.1.2 多樣性控制，包括就地旋鈕電動(dòng)、設(shè)定器電動(dòng)、遠(yuǎn)程脈沖控制、遠(yuǎn)程模擬量控制、遠(yuǎn)程總線控制、就地手動(dòng)等。

2.1.3 免開蓋調(diào)試，使用設(shè)定器可以完成所有參數(shù)設(shè)定，整個(gè)設(shè)定過程分非常簡單便捷，通常幾分鐘便可完成。

2.1.4 強(qiáng)大的自診斷功能，執(zhí)行器在運(yùn)行中實(shí)時(shí)檢測外部通訊及內(nèi)部運(yùn)行狀況，如有異常，能有效區(qū)分故障類型，即外部通訊故障、執(zhí)行器本身故障等。

2.2 工作原理

電動(dòng)執(zhí)行器工作原理如圖1所示，閥位處理器接收當(dāng)前閥位信號，并與設(shè)定閥位信號相比較，如在誤差范圍內(nèi)，則中央CPU不發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令，執(zhí)行器不予動(dòng)作。如果當(dāng)前閥位與設(shè)定閥位差值超出誤差范圍，中央CPU發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令到驅(qū)動(dòng)模塊，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，執(zhí)行關(guān)閥或開閥。隨之閥位數(shù)值的變化，閥位處理器把最新閥位信號與設(shè)定閥位極限相比較，如未達(dá)到，則繼續(xù)把信息發(fā)送給中央處理器，由中央處理器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，直至達(dá)到閥位極限為止。同理，扭矩處理器則把設(shè)定扭矩極限值與執(zhí)行器運(yùn)行力矩相比較，如超出設(shè)定扭矩極限，則發(fā)出信號給中央處理器，請求中央處理器發(fā)出停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制信號，此時(shí)，過力矩保護(hù)則起作用。如果未超出扭矩極限，則扭矩處理器不發(fā)出請求，中央處理器繼續(xù)執(zhí)行電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)命令，執(zhí)行器正常工作[3]。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行器工作原理圖

3 電控主電路設(shè)計(jì)

3.1 執(zhí)行器主電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)以上功能，電動(dòng)執(zhí)行器硬件電路包括主板、電源板、就地控制板、變壓器模塊、就地旋鈕、顯示模塊、反饋觸點(diǎn)輸出模塊以及模擬量輸入輸出模塊等。

3.2 執(zhí)行器物聯(lián)網(wǎng)通信器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一種物聯(lián)網(wǎng)通信器專用于智能電動(dòng)執(zhí)行器，與智能電動(dòng)執(zhí)行器配套，組成物聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)執(zhí)行器。與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信器相比，本設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)通信器具有如下特點(diǎn)。①通過RS485/TTL串口直接與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主控制器相連，與無線天線整體可安裝在電動(dòng)執(zhí)行器控制單元內(nèi)部，不單獨(dú)占用空間。內(nèi)置GPRS以及NB-IoT雙通信模塊，可自由切換，直接與遠(yuǎn)程云服務(wù)器無線通信。②除電動(dòng)執(zhí)行器外，溫度變送器、流量變送器、壓力變送器以及其他具有ModBus 485通信協(xié)議的其他變送器均可與本物聯(lián)網(wǎng)通信器相連，統(tǒng)一打包與云服務(wù)器通信。③該物聯(lián)網(wǎng)通信器可同時(shí)感知執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、閥位參數(shù)、管道溫度參數(shù)、執(zhí)行器內(nèi)部濕度參數(shù)、執(zhí)行器報(bào)警參數(shù)、執(zhí)行器壽命參數(shù)，以及執(zhí)行器地理位置等。④支持GPRS、NBIoT以及短信息雙通道傳輸數(shù)據(jù)，支持多中心數(shù)據(jù)通信，支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序在線升級等。

本設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)通信器功能說明如圖2所示，每個(gè)通信模塊均包含無線發(fā)送模塊和無線接收模塊，無線發(fā)送模塊由無線通信有碼模塊和高頻發(fā)射模塊組成，接收模塊是由高頻選頻模塊和解調(diào)模塊組成。前端通過串口采集數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)通信器通過天線與物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器實(shí)時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，用戶則可以通過電腦Web瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程檢測、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，也可通過手機(jī)微信小程序進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、標(biāo)定及校驗(yàn)。云服務(wù)報(bào)警事件則可通過手機(jī)短信發(fā)送給管理員。

圖2 執(zhí)行器物聯(lián)網(wǎng)通信模塊

物聯(lián)網(wǎng)通信器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，微處理器模塊是通信器的核心部件，是基于ARM的DSP高速運(yùn)算微處理單元。而執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)模塊、電動(dòng)執(zhí)行器閥位傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、執(zhí)行器報(bào)警模塊均與微處理模塊連接并實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)通信器結(jié)構(gòu)圖

4 執(zhí)行器監(jiān)控云平臺設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是基于云服務(wù)器及云計(jì)算的飛速發(fā)展，基于云服務(wù)器及云計(jì)算的產(chǎn)品日新月異，本文設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)執(zhí)行器云平臺。該云平臺可通過電腦web網(wǎng)址打開，并與云服務(wù)器實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，云服務(wù)器通過物聯(lián)網(wǎng)與電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)本云平臺與遠(yuǎn)程工業(yè)現(xiàn)場電動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該云平臺位置信息模塊通過GPRS進(jìn)行更新，可精確到具體廠區(qū)、道路或生產(chǎn)裝置。設(shè)備管理模塊包括六個(gè)子模塊，含設(shè)備編號、設(shè)備名稱、規(guī)格型號、出廠編號、安裝位置、安裝時(shí)間。其中設(shè)備名稱可用戶自定義，規(guī)格型號指電動(dòng)執(zhí)行器的具體規(guī)格參數(shù)，便于維護(hù)調(diào)閱。 設(shè)備操作模塊包括目標(biāo)位置、開閥、關(guān)閥及停止。

5 性能測試試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)執(zhí)行器研制出來之后，歷經(jīng)50余次反復(fù)改進(jìn)，包括主控電路EMC優(yōu)化、力矩傳感器內(nèi)部橡膠膜片的材質(zhì)選取、柔性啟停、物聯(lián)網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程云平臺無線監(jiān)控等，最終達(dá)到了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目研制的智能執(zhí)行器，處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，與國外一流產(chǎn)品處于同一水平，可完全替代進(jìn)口。

6 結(jié)束語

中石油新疆高探1井是我國深井鉆探的標(biāo)桿工程，是國家十三五時(shí)期重點(diǎn)項(xiàng)目之一。本項(xiàng)目研制的高壓電動(dòng)閥屬于行業(yè)首創(chuàng)，打破了國外壟斷，在行業(yè)內(nèi)起到了很好的示范效應(yīng)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

隨著深井油氣田鉆采的快速發(fā)展，本文研制的電動(dòng)執(zhí)行器將具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，將繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，向小型化、高性能、耐嚴(yán)寒工況方向努力，更好滿足石油鉆采的嚴(yán)酷工況需要。

參考論文

[1] 馮領(lǐng).電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2020(7): 27-29.

[2] 蘇醒. 智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的研究與設(shè)計(jì)[D].銀川:北方民族大學(xué),2020.

[3] 羅兆榮,劉旭華,褚俊.電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用現(xiàn)場總線冗余控制技術(shù)研究[J].電工技術(shù),2019(8):7-8,14.