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）執行器目前已經廣泛安裝在西部成品油管道在RTU閥室(遠程控制閥室)及站場ESD（緊急關斷）系統。 REXA執行器的安裝對于提高西部成品油管道應急狀態下管道維搶修響應，以及搶修復產的快速完成有著重要意義。本文通過對REXA執行器控制系統的原理、流程及內部組件分析，研究了REXA開關閥控制系統及充壓控制系統，重點對充壓控制系統進行了介紹、并用protel-99se軟件對步進電機驅動器進行了電路探討，分析了REXA執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。通過對開關閥控制系統作用對象（主要分析了壓差、力矩、球閥轉角）建立數學模型分析了管道搶修停輸及復產過程中開關閥控制可能存在的風險及應對措施。

【關鍵詞】 REXA執行器 控制系統 MATLAB數學仿真 步進電機

1、引言

目前，REXA執行器已經在國內管道廣泛應用在RTU閥室及站場ESD系統，如圖1-1所示。執行器作為控制系統的終端執行機構，其工作的可靠性、可控性和功能的優劣，將直接影響調節、控制結果的成敗和設備的安全性，并制約著管道維搶修工藝處置遠程自動化的實現，本文通過對REXA開關球閥控制系統關鍵部件的數學建模、仿真及對充壓控制系統的步進電機工作原理分析，在控制原理上剖析REXA執行器控制系統在管道維搶修工作中可能存在的風險、問題，及日常使用維護時注意事項，為管道搶修提供技術依據。

2、REXA控制系統控制流程

2.1 REXA控制系統概況

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

2.2 系統充壓控制流程

REXA執行器充壓控制系統是由西門子公司S7-200 PLC（數字運算操作電子系統的可編程邏輯控制器）提供控制信號經步進電機驅動器生成脈沖信號控制步進電機給活塞式蓄能器打壓，并經測量元件（壓力表）反饋活塞式蓄能器的壓力值，構成一個完整的閉環控制系統。充壓控制系統流程圖如圖2-2所示。

2.3 系統開關球閥控制流程

REXA執行器開關球閥控制系統是一個完整的閉環控制系統，它由開關信號經PLC生成控制信號控制流量配對閥開閉，液壓油進入旋轉油缸驅動活塞帶動齒條運動輸出扭矩，實現開閉球閥。球閥開閉到位后電器接近開關（限位開關）開關被激活，執行器停止轉動， PLC顯示實際位置信號。開關球閥的控制系統流程圖如圖2-3所示。

3 關球閥控制系統

開關球閥控制是使用REXA執行器的主要功用，因此REXA執行器能否正常開關球閥是使用REXA執行器的關鍵；在日常的使用中REXA執行器常出現無法開動球閥的現象。本文將從控制系統原理及對控制系統作用對象建立MATLAB仿真數學模型對該問題做進一步的分析。

3.1 執行器扭矩與球閥開啟關系

球閥力矩主要是介質壓力和密封預壓力擠壓球體，與閥座之間產生摩擦力矩。當球體在0°～90°全行程的運行過程中，隨開度的增大球體因受壓面減少及壓差的下降，力矩也相應下降。當球體自關閉向打開方向旋轉時，首先要克服密封比壓及管道介質在閥前后造成的壓差及填料等摩擦因素產生的靜力矩，當驅動大于靜摩擦力時，球體便開始轉動。所需力矩因從靜摩擦轉為動摩擦而有所減小，當球心轉過閥座密封線，閥前后介質貫通，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。

根據此及流體力學相關關系建立球閥閥桿力矩的數學模型

開 關 型 電 液 執 行 機 構 主 要 應 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。球閥的摩擦系數介于0.10～0.17之間。

通過MATLAB對所建立的數學模型進行仿真，可以得到如圖3-1所示的不同壓差、不同轉角時開啟球閥所需的轉矩。

通過此關系圖可在MATLAB中畫出當壓差逐漸減少時的轉角與所需執行機構扭矩的關系曲線，如圖3-2所示。

由該關系曲線可見驅動球閥所需扭矩隨轉角的增大而減少，并始終不會超過起始的扭矩。所以對于執行器開閥流程只要最初能夠啟動便可以實現球閥開啟。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數學仿真可得最大扭矩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 介 于0.10～0.17之間時扭矩最大時的壓差應小于2.666MPa～4.532 MPa，取決于摩擦系數（摩擦系數是在不斷變化的）。

綜上可知，對于啟輸時需要遠程啟動的閥室的REXA執行機構，只要在最初啟動壓差小于由不同摩擦系數確定的壓差即可成功啟動。所以要保證REXA執行器啟動時壓差不能過大。在啟動REXA執行機構前要密切關注球閥壓差情況，如出現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，或提前采取相應的措施保證管道搶修工作的開展。

3.2 執行器扭矩與球閥關閉關系

球閥關閉過程是開啟的逆過程，而關閉時球閥前后的壓差幾乎為零，在關閉過程中壓差變化也不大，由球閥閥桿力矩的數學模型可知，球閥關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。對此關系通過matlab仿真可得如圖3-4所示關系。

該仿真曲線模擬仿真了在極限摩擦系數范圍內球閥關閉所需的扭矩區間�？梢钥闯鯮EXA執行器輸出扭矩22597 N•m遠大于球閥關閉所需的扭矩，所以球閥關閉時是完全可以順利進行的。在 控制系統上不存在任何風險和問題，所以在管道搶修狀態下可以直接遠程關閉球閥，而不存在扭矩不夠的問題。

4 結論

本論文根據流體力學的相關關系對球閥的運動過程建立數學模型，使用matlab仿真軟件對該數學模型進行了數學仿真，分別對開閥、關閥過程進行仿真分析，通過仿真結果討論了執行器輸出力矩能否驅動球閥，從而在理論上推測了管道應急維搶修狀態下REXA執行機構工藝控制存在的控制風險，確定了REXA執行機構控制的可靠性，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）