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(jīng)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(chǎng)ESD（緊急關(guān)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(tài)下管道維搶修響應，以及搶修復產(chǎn)的快速完成有著(zhù)重要意義。本文通過(guò)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(kāi)關(guān)閥控制系統及充壓控制系統，重點(diǎn)對充壓控制系統進(jìn)行了介紹、并用protel-99se軟件對步進(jìn)電機驅動(dòng)器進(jìn)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(wèn)題及注意事項。通過(guò)對開(kāi)關(guān)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(xué)模型分析了管道搶修停輸及復產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)關(guān)閥控制可能存在的風(fēng)險及應對措施。

【關(guān)鍵詞】 REXA執行器 控制系統 MATLAB數學(xué)仿真 步進(jìn)電機

1、引言

目前，REXA執行器已經(jīng)在國內管道廣泛應用在RTU閥室及站場(chǎng)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(yōu)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(zhù)管道維搶修工藝處置遠程自動(dòng)化的實(shí)現，本文通過(guò)對REXA開(kāi)關(guān)球閥控制系統關(guān)鍵部件的數學(xué)建模、仿真及對充壓控制系統的步進(jìn)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(fēng)險、問(wèn)題，及日常使用維護時(shí)注意事項，為管道搶修提供技術(shù)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(gè)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(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機及其驅動(dòng)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(kāi)關(guān)球閥控制系統（各組成單元部位機械制圖見(jiàn)圖2-1）以及手動(dòng)控制系統（充壓、開(kāi)關(guān)）。

2.2 系統充壓控制流程

REXA執行器充壓控制系統是由西門(mén)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(jīng)步進(jìn)電機驅動(dòng)器生成脈沖信號控制步進(jìn)電機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，構成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統。充壓控制系統流程圖如圖2-2所示。

2.3 系統開(kāi)關(guān)球閥控制流程

REXA執行器開(kāi)關(guān)球閥控制系統是一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統，它由開(kāi)關(guān)信號經(jīng)PLC生成控制信號控制流量配對閥開(kāi)閉，液壓油進(jìn)入旋轉油缸驅動(dòng)活塞帶動(dòng)齒條運動(dòng)輸出扭矩，實(shí)現開(kāi)閉球閥。球閥開(kāi)閉到位后電器接近開(kāi)關(guān)（限位開(kāi)關(guān)）開(kāi)關(guān)被激活，執行器停止轉動(dòng)， PLC顯示實(shí)際位置信號。開(kāi)關(guān)球閥的控制系統流程圖如圖2-3所示。

3 關(guān)球閥控制系統

開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)球閥是使用REXA執行器的關(guān)鍵；在日常的使用中REXA執行器常出現無(wú)法開(kāi)動(dòng)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(xué)模型對該問(wèn)題做進(jìn)一步的分析。

3.1 執行器扭矩與球閥開(kāi)啟關(guān)系

球閥力矩主要是介質(zhì)壓力和密封預壓力擠壓球體，與閥座之間產(chǎn)生摩擦力矩。當球體在0°～90°全行程的運行過(guò)程中，隨開(kāi)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(guān)閉向打開(kāi)方向旋轉時(shí)，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，當驅動(dòng)大于靜摩擦力時(shí)，球體便開(kāi)始轉動(dòng)。所需力矩因從靜摩擦轉為動(dòng)摩擦而有所減小，當球心轉過(guò)閥座密封線(xiàn)，閥前后介質(zhì)貫通，壓差也逐步減小，從而動(dòng)摩擦力矩也在隨開(kāi)度的加大而減小。

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

開(kāi) 關(guān) 型 電 液 執 行 機 構 主 要 應 用 的 成 品 油站場(chǎng)及閥室的ESD閥公稱(chēng)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(guò)MATLAB對所建立的數學(xué)模型進(jìn)行仿真，可以得到如圖3-1所示的不同壓差、不同轉角時(shí)開(kāi)啟球閥所需的轉矩。

通過(guò)此關(guān)系圖可在MATLAB中畫(huà)出當壓差逐漸減少時(shí)的轉角與所需執行機構扭矩的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3-2所示。

由該關(guān)系曲線(xiàn)可見(jiàn)驅動(dòng)球閥所需扭矩隨轉角的增大而減少，并始終不會(huì )超過(guò)起始的扭矩。所以對于執行器開(kāi)閥流程只要最初能夠啟動(dòng)便可以實(shí)現球閥開(kāi)啟。所以只要考慮球閥最初啟動(dòng)時(shí)能承受的最大壓差既可以。

通過(guò)matlab數學(xué)仿真可得最大扭矩22597 N•m時(shí)的壓差，如圖所示：

從 該 m a t l a b 仿 真 曲 線(xiàn) 可 知 摩 擦 系 數 介 于0.10～0.17之間時(shí)扭矩最大時(shí)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(shí)需要遠程啟動(dòng)的閥室的REXA執行機構，只要在最初啟動(dòng)壓差小于由不同摩擦系數確定的壓差即可成功啟動(dòng)。所以要保證REXA執行器啟動(dòng)時(shí)壓差不能過(guò)大。在啟動(dòng)REXA執行機構前要密切關(guān)注球閥壓差情況，如出現壓差過(guò)大時(shí)只能通過(guò)旁通閥泄壓到可啟動(dòng)的壓差時(shí)才可以啟動(dòng)，或提前采取相應的措施保證管道搶修工作的開(kāi)展。

3.2 執行器扭矩與球閥關(guān)閉關(guān)系

球閥關(guān)閉過(guò)程是開(kāi)啟的逆過(guò)程，而關(guān)閉時(shí)球閥前后的壓差幾乎為零，在關(guān)閉過(guò)程中壓差變化也不大，由球閥閥桿力矩的數學(xué)模型可知，球閥關(guān)閉過(guò)程主要克服的是填料及滑動(dòng)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(dòng)時(shí)只需克服填料及滑動(dòng)軸承對閥桿的摩擦力矩。對此關(guān)系通過(guò)matlab仿真可得如圖3-4所示關(guān)系。

該仿真曲線(xiàn)模擬仿真了在極限摩擦系數范圍內球閥關(guān)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(guān)閉所需的扭矩，所以球閥關(guān)閉時(shí)是完全可以順利進(jìn)行的。在 控制系統上不存在任何風(fēng)險和問(wèn)題，所以在管道搶修狀態(tài)下可以直接遠程關(guān)閉球閥，而不存在扭矩不夠的問(wèn)題。

4 結論

本論文根據流體力學(xué)的相關(guān)關(guān)系對球閥的運動(dòng)過(guò)程建立數學(xué)模型，使用matlab仿真軟件對該數學(xué)模型進(jìn)行了數學(xué)仿真，分別對開(kāi)閥、關(guān)閥過(guò)程進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真結果討論了執行器輸出力矩能否驅動(dòng)球閥，從而在理論上推測了管道應急維搶修狀態(tài)下REXA執行機構工藝控制存在的控制風(fēng)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(chuàng )造條件。 ◢

（作者： 邢占元，甘肅輸油氣分公司管道科副科長(cháng)）

2014年第5期（總第18期）