邢占元 李代軍

中國石油西部管道甘肅輸油氣分公司

【摘要】 REXA（瑞克薩）執(zhí)行器目前已經(jīng)廣泛安裝在西部成品油管道在RTU閥室(遠(yuǎn)程控制閥室)及站場ESD（緊急關(guān)斷）系統(tǒng)。 REXA執(zhí)行器的安裝對于提高西部成品油管道應(yīng)急狀態(tài)下管道維搶修響應(yīng)，以及搶修復(fù)產(chǎn)的快速完成有著重要意義。本文通過對REXA執(zhí)行器控制系統(tǒng)的原理、流程及內(nèi)部組件分析，研究了REXA開關(guān)閥控制系統(tǒng)及充壓控制系統(tǒng)，重點對充壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹、并用protel-99se軟件對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行了電路探討，分析了REXA執(zhí)行器在管道維搶修工藝處置中可能存在的問題及注意事項。通過對開關(guān)閥控制系統(tǒng)作用對象（主要分析了壓差、力矩、球閥轉(zhuǎn)角）建立數(shù)學(xué)模型分析了管道搶修停輸及復(fù)產(chǎn)過程中開關(guān)閥控制可能存在的風(fēng)險及應(yīng)對措施。

【關(guān)鍵詞】 REXA執(zhí)行器 控制系統(tǒng) MATLAB數(shù)學(xué)仿真 步進(jìn)電機(jī)

1、引言

目前，REXA執(zhí)行器已經(jīng)在國內(nèi)管道廣泛應(yīng)用在RTU閥室及站場ESD系統(tǒng)，如圖1-1所示。執(zhí)行器作為控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作的可靠性、可控性和功能的優(yōu)劣，將直接影響調(diào)節(jié)、控制結(jié)果的成敗和設(shè)備的安全性，并制約著管道維搶修工藝處置遠(yuǎn)程自動化的實現(xiàn)，本文通過對REXA開關(guān)球閥控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件的數(shù)學(xué)建模、仿真及對充壓控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)工作原理分析，在控制原理上剖析REXA執(zhí)行器控制系統(tǒng)在管道維搶修工作中可能存在的風(fēng)險、問題，及日常使用維護(hù)時注意事項，為管道搶修提供技術(shù)依據(jù)。

2、REXA控制系統(tǒng)控制流程

2.1 REXA控制系統(tǒng)概況

REXA執(zhí)行器是一個由三套自成體系的控制系統(tǒng)組成的有機(jī)組合體。他們分別是由壓力開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器、油泵、蓄能器，壓力表組成的充壓控制系統(tǒng)，由電磁閥、單向節(jié)流閥、蓄能器、旋轉(zhuǎn)油缸，球閥、旋轉(zhuǎn)電位計組成的開關(guān)球閥控制系統(tǒng)（各組成單元部位機(jī)械制圖見圖2-1）以及手動控制系統(tǒng)（充壓、開關(guān)）。

2.2 系統(tǒng)充壓控制流程

REXA執(zhí)行器充壓控制系統(tǒng)是由西門子公司S7-200 PLC（數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器）提供控制信號經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器生成脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)給活塞式蓄能器打壓，并經(jīng)測量元件（壓力表）反饋活塞式蓄能器的壓力值，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。充壓控制系統(tǒng)流程圖如圖2-2所示。

2.3 系統(tǒng)開關(guān)球閥控制流程

REXA執(zhí)行器開關(guān)球閥控制系統(tǒng)是一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它由開關(guān)信號經(jīng)PLC生成控制信號控制流量配對閥開閉，液壓油進(jìn)入旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動活塞帶動齒條運(yùn)動輸出扭矩，實現(xiàn)開閉球閥。球閥開閉到位后電器接近開關(guān)（限位開關(guān)）開關(guān)被激活，執(zhí)行器停止轉(zhuǎn)動， PLC顯示實際位置信號。開關(guān)球閥的控制系統(tǒng)流程圖如圖2-3所示。

3 關(guān)球閥控制系統(tǒng)

開關(guān)球閥控制是使用REXA執(zhí)行器的主要功用，因此REXA執(zhí)行器能否正常開關(guān)球閥是使用REXA執(zhí)行器的關(guān)鍵；在日常的使用中REXA執(zhí)行器常出現(xiàn)無法開動球閥的現(xiàn)象。本文將從控制系統(tǒng)原理及對控制系統(tǒng)作用對象建立MATLAB仿真數(shù)學(xué)模型對該問題做進(jìn)一步的分析。

3.1 執(zhí)行器扭矩與球閥開啟關(guān)系

球閥力矩主要是介質(zhì)壓力和密封預(yù)壓力擠壓球體，與閥座之間產(chǎn)生摩擦力矩。當(dāng)球體在0°～90°全行程的運(yùn)行過程中，隨開度的增大球體因受壓面減少及壓差的下降，力矩也相應(yīng)下降。當(dāng)球體自關(guān)閉向打開方向旋轉(zhuǎn)時，首先要克服密封比壓及管道介質(zhì)在閥前后造成的壓差及填料等摩擦因素產(chǎn)生的靜力矩，當(dāng)驅(qū)動大于靜摩擦力時，球體便開始轉(zhuǎn)動。所需力矩因從靜摩擦轉(zhuǎn)為動摩擦而有所減小，當(dāng)球心轉(zhuǎn)過閥座密封線，閥前后介質(zhì)貫通，壓差也逐步減小，從而動摩擦力矩也在隨開度的加大而減小。

根據(jù)此及流體力學(xué)相關(guān)關(guān)系建立球閥閥桿力矩的數(shù)學(xué)模型

開 關(guān) 型 電 液 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 主 要 應(yīng) 用 的 成 品 油站場及閥室的ESD閥公稱通徑是500mm型號是： 500/20〞 T31/T32。球閥的摩擦系數(shù)介于0.10～0.17之間。

通過MATLAB對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，可以得到如圖3-1所示的不同壓差、不同轉(zhuǎn)角時開啟球閥所需的轉(zhuǎn)矩。

通過此關(guān)系圖可在MATLAB中畫出當(dāng)壓差逐漸減少時的轉(zhuǎn)角與所需執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩的關(guān)系曲線，如圖3-2所示。

由該關(guān)系曲線可見驅(qū)動球閥所需扭矩隨轉(zhuǎn)角的增大而減少，并始終不會超過起始的扭矩。所以對于執(zhí)行器開閥流程只要最初能夠啟動便可以實現(xiàn)球閥開啟。所以只要考慮球閥最初啟動時能承受的最大壓差既可以。

通過matlab數(shù)學(xué)仿真可得最大扭矩22597 N•m時的壓差，如圖所示：

從 該 m a t l a b 仿 真 曲 線 可 知 摩 擦 系 數(shù) 介 于0.10～0.17之間時扭矩最大時的壓差應(yīng)小于2.666MPa～4.532 MPa，取決于摩擦系數(shù)（摩擦系數(shù)是在不斷變化的）。

綜上可知，對于啟輸時需要遠(yuǎn)程啟動的閥室的REXA執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只要在最初啟動壓差小于由不同摩擦系數(shù)確定的壓差即可成功啟動。所以要保證REXA執(zhí)行器啟動時壓差不能過大。在啟動REXA執(zhí)行機(jī)構(gòu)前要密切關(guān)注球閥壓差情況，如出現(xiàn)壓差過大時只能通過旁通閥泄壓到可啟動的壓差時才可以啟動，或提前采取相應(yīng)的措施保證管道搶修工作的開展。

3.2 執(zhí)行器扭矩與球閥關(guān)閉關(guān)系

球閥關(guān)閉過程是開啟的逆過程，而關(guān)閉時球閥前后的壓差幾乎為零，在關(guān)閉過程中壓差變化也不大，由球閥閥桿力矩的數(shù)學(xué)模型可知，球閥關(guān)閉過程主要克服的是填料及滑動軸承對閥桿的摩擦及變化不大的壓差的壓力對球體與閥座密封面間摩擦產(chǎn)生的扭矩，而啟動時只需克服填料及滑動軸承對閥桿的摩擦力矩。對此關(guān)系通過matlab仿真可得如圖3-4所示關(guān)系。

該仿真曲線模擬仿真了在極限摩擦系數(shù)范圍內(nèi)球閥關(guān)閉所需的扭矩區(qū)間�？梢钥闯鯮EXA執(zhí)行器輸出扭矩22597 N•m遠(yuǎn)大于球閥關(guān)閉所需的扭矩，所以球閥關(guān)閉時是完全可以順利進(jìn)行的。在 控制系統(tǒng)上不存在任何風(fēng)險和問題，所以在管道搶修狀態(tài)下可以直接遠(yuǎn)程關(guān)閉球閥，而不存在扭矩不夠的問題。

4 結(jié)論

本論文根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)關(guān)系對球閥的運(yùn)動過程建立數(shù)學(xué)模型，使用matlab仿真軟件對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，分別對開閥、關(guān)閥過程進(jìn)行仿真分析，通過仿真結(jié)果討論了執(zhí)行器輸出力矩能否驅(qū)動球閥，從而在理論上推測了管道應(yīng)急維搶修狀態(tài)下REXA執(zhí)行機(jī)構(gòu)工藝控制存在的控制風(fēng)險，確定了REXA執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的可靠性，有助于減少維搶修工作中的不確定因素，為管道搶修創(chuàng)造條件。 ◢

（作者： 邢占元，甘肅輸油氣分公司管道科副科長）

2014年第5期（總第18期）