羅托克（Rotork）IQ智能執行器 在高密度聚乙烯裝置的應用

張愛霞

（天津津濱石化設備有限公司，天津 300270）

1 工藝概況

中沙石化高密度聚乙烯裝置儲料罐V4001 底部共有四條排料線，分別為SAS A、SAS B、LV40005A線及LV40005B 線。在正常工況下，V4001 底部通過SAS A 及SAS B 線進行交替排料。當SAS 系統出現故障時，要將V4001 的出料切換至備用排料線LV40005A/B 進行排料，而LV40005A/B 排料線的柱塞閥位于反應框架12 樓，且均為手動柱塞閥，當SAS 異常需要需打開LV40005A/B 備用排料線閥門時，操作人員從外操間到12 樓進行手動操作直至打開閥門至少需要30min，排料閥門不能及時打開易造成儲料罐V4001 料位高高報警，從而聯鎖反應造成高密生產裝置全面停車。

為方便人員操作，避免裝置停車，對LV40005A/B排料線的手動柱塞閥進行技術改造，在現有柱塞閥的基礎上增加羅托克（Rotork）IQ 智能型電動執行機構，實現現場就地控制和中控室遠程控制，縮短閥門的開關時間。

2 工作原理

執行機構又稱執行器，是一種自動控制領域常用的機電一體化設備，是自動化儀表的三大組成部分（檢測設備、調節設備和執行設備）中的執行設備。主要對一些設備和裝置進行自動操作，代替人工作業。

IQ 智能型電動執行機構是英國羅托克（Rotork）公司推出的第二代電動執行機構，它的基型是Rotork 多轉電動執行機構，在此基礎上增加微處理器、外圍芯片電路和軟件實現智能控制。它采用紅外線手操器設置執行機構參數和現場調試，實現無需“開蓋”調試技術。它的限位機構通過霍爾傳感器產生數字信號來設定，力矩保護通過測定電機電流和磁場來獲得。IQ35 智能型電動執行機構通過電子傳感器取代常規的計數器傳動機構及凸輪開關組件，便于局部工況監視及安全保障，并簡化了調試工作。

3 操作方法

IQ 執行器帶有安裝底座和輸出驅動連接裝置，自帶的手輪可在電源中斷時手動操作閥門。在電動操作執行器期間，手輪通過機械傳動與驅動裝置脫開。如使用手輪操作，需按下手動/自動選擇切換手柄，旋轉手輪則可掛上離合器，松開后手輪將保持嚙合手動狀態。在電動操作開始時，執行器將自動返回電機驅動方式，手輪自動脫離而無需再搬動手柄。

在執行器電氣控制端蓋上配置兩個開關，一個是紅色的“就地/停止/遠程”選擇開關，另一個是黑色的“開閥/關閥”開關。將選擇開關打至“就地”位置時，使用相鄰的開閥/關閥開關就地開閥、關閥。選擇開關打至遠程時，可通過來自DCS 的命令控制開關閥。打至停止位置時，閥門停止運轉。

4 主要組成

1）電機

IQ 執行器具有高力矩、低慣性的三相F 級絕緣鼠籠式電機，用于把電能轉化為機械能，驅動執行機構動作。在標準電壓下，以33%的額定輸出力矩、25%的周期長度系數運行15min，其溫升不超過B 級絕緣的允許值。通過一個緊急狀態下具有旁路功能的埋入式溫度保護器，可防止電機燒毀。

2）電源模塊

IQ 執行器電源模塊包括：一個機電聯鎖接觸啟動器、一個為內部控制電路供電的電源模塊，該電源模塊由取自電源中的兩相來供電的變壓器提供電源，一個由整流電路整流成直流24V DC、5W 的用戶電源模塊，該電源用于執行器的遠程控制，一個相同步(Syncrophase)電路，用于提供了相序調整和掉相保護。

3）控制模塊

IQ 執行器包括單片集成電路、執行器邏輯控制硬連線、用于外部設定的紅外線接口和可通過PC查詢的IQ-Insight 組態及數據記錄器。內置數據記錄器可隨時記錄運行數據、閥門力矩/位置分布情況及統計信息。

4）力矩和閥位控制器

輸出力矩可以通過直接測量帶負載時蝸桿的位移而獲得，且不受電壓、頻率、溫度波動的影響。在行程中間啟動或者反轉時，高慣量負載將使力矩跳斷。如收到開閥/關閥信號后未驅動閥門動作，“閥門卡住”的保護電路將使電機電源斷開。閥位控制使用簡單的無觸點式編碼器，運行可靠。

5 IQ 執行器安裝

1）現場實測定制過渡法蘭、連接軸套等，確保與現場原閥門匹配

2）拆卸原來手動閥減速箱及手輪

由于原來的閥門為手動柱塞閥，現改為Rotork電動執行機構，則需要拆除原來的手動執行機構和手輪，安裝過度法蘭、減速機構，以實現Rotork 電動執行機構與原來閥門固定連接。拆除舊的執行機構前，必須經過確認泄壓完全，閥內無壓力，確保操作安全。

3）組裝匹配的減速機構

根據現場原柱塞閥的設備實際情況，為保證執行器與原來閥門匹配，選用的智能執行器型號為IQ35F16B4，該執行器的底座為可拆卸非推力式底座，帶有標準的法蘭和驅動軸套， 軸套為實心軸套，需要重新加工組裝。

（1）拆卸驅動軸承套重新加工：①卸下底盤的四個螺栓，確保底盤安全，卸下底盤可看到驅動軸套和卡簧；②用外卡簧鉗脹開卡簧，同時向外拉動驅動軸套。驅動軸套將從執行器中心套筒上脫開，但卡簧仍留在軸套的槽中；③將驅動軸承套送至生產廠家，按照閥桿尺寸進行加工使其適用于閥桿。

（2）重新組裝驅動軸套：①潤滑驅動軸套和卡簧，將卡簧裝入驅動軸套的槽中；②將驅動軸套送入執行器中心套筒底部，對準鍵和槽。在驅動軸套推入中心套筒時，脹開卡簧，驅動軸套將繼續進入； ③放開卡簧，確保卡簧正確卡進驅動軸套和中心套筒的槽中；④重新安裝底盤并用四個螺栓固定緊。

4）固定新的執行器至連接法蘭

將執行器與底座連為一體，將已加工的驅動軸套按位置要求裝入底座，將執行器吊裝，降低執行器到閥桿螺紋上，將執行器切換到手動模式，向開閥方向旋轉手輪，使驅動軸套與閥桿嚙合，繼續旋轉直到執行器落實到閥門法蘭上，再旋轉兩圈，安裝固定螺栓并上緊。在執行器驅動軸套與閥桿全部嚙合，執行器與閥門的法蘭吻合之前，執行器被吊裝設備吊起以方便安裝。

6 電纜敷設及接線

1）電纜敷設

至IQ 執行器接線端子盒敷設動力電纜和控制電纜各300m，動力電纜起點為高密變電所低壓配電柜備用抽屜單元，控制電纜起點為DCS 室控制柜。動力電纜和控制電纜均沿著反應框架電纜橋架敷設，至電動閥IQ 執行器附近時配保護鋼管，電纜穿鋼管敷設至電動閥接線盒。

2）接線

打開端蓋，使用6mm 的六角扳手松開四個固定螺栓，不能使用螺絲刀撬開端蓋，防止損壞密封圈和防爆面。

（1）動力電纜接線

動力電纜為執行器內部的三相交流電動機提供動力電源，前三芯接至端子1、2、3，第四芯保護接地線接至外殼接地端子。

（2）控制電纜接線

控制電纜提供來自儀表DCS 的開閥、關閥干接點命令和手自動狀態及閥位回訊信號至DCS。工藝生產要求此電動閥的關閥命令優先于其它任何指令，無論電動閥當前處于何種狀態，收到關閥命令時立即關閉閥門以滿足工藝生產需要，因此關閥命令信號線接至緊急保護（ESD）端子。對于工藝控制要求比較低的電動閥，其關閥命令接至普通關閥命令輸入端子33、36 而不是緊急保護（ESD）端子25、31。具體接線方式如圖1所示。

圖1 IQ 執行器接線圖

7 組態調試

IQ 執行器控制板具有簡單邏輯編程功能，使用紅外線設定器可以設定力矩、限位、輸入輸出等功能。使用設定器對準執行器液晶面板，可以設置相應的參數。所有設定功能均存儲在執行器內部非易失性存儲器內。只有各種參數設置正確，輸入輸出端子功能正確組態后，電動閥執行機構才能正確動作。

1）調試基本要求

首先，就地/選擇開關必須選擇在就地停止位置；其次，必須輸入密碼，密碼正確后才允許設置更改參數，否則只能瀏覽菜單。

2）設置方法

按下設定器“向下”鍵，進入基本設置菜單。多次按“向下”鍵，直到液晶窗口顯示需要設置的參數代碼，按“+”或者“-”更改數值，按“回車”鍵確認。

3）基本參數清單

基本參數需要設置關閥方向C1、關閥方式C2、開閥方式C3、關閥力矩tC、開閥力矩tO、全開限位LC、全關限位LO。全開限位LC 和全關限位LO 需要工藝配合確定具體位置。基本參數調試清單見表1基本參數清單。

4）組態設定參數清單

組態設定是根據工藝要求來進行的。工藝要求電動閥打至遠程自動時，可以實現DCS 開閥和關閥，并且來自DCS 的關閥命令必須是最高級別的，要超越其他任何現場和遠程的命令優先執行。控制端子25、31 是ESD 緊急停車命令輸入端子，所以關閥命令控制線必須接至控制端子25、31 然后再進行相關參數組態。其他參數如開閥命令、開閥回信、關閥回信、手自動選擇狀態回信信號均已經按要求接線完畢后，方可進行參數組態。

表1 基本參數清單

組態參數調試前，基本參數必須已經調試完畢。

組態設定包括指示觸點組態和控制模式組態。

指示觸點組態：需要設置執行器指示觸點R1-R4的功能，這些觸點可以代表當前執行器的動作狀態，例如是在全關位置還是處于全開位置，是報警還是ESD 動作等狀態信號，同時還要設置R1-R4 四組組觸點的動作形式，是選擇常開點還是常閉點。

控制模式組態：是決定在ESD 控制、就地控制、遠程控制以及兩線遠程控制條件下如何響應。ESD輸入命令是最高級命令，無論電動閥處于何種工作狀態，一旦ESD 端子有命令輸入，則立即按照ESD 組態的模式動作。由于有ESD 命令輸入，必須對A1-A9參數進行組態， ESD 命令才能正確執行。（注意：如果ESD 端子沒有命令輸入，則A1-A9 不需要進行組態，均為默認值，只需要設置基本參數即可）。具體組態參數設置清單見表2組態參數設置清單。

表2 組態參數設置清單

8 應用中的故障處理

1）電動閥現場無法手動開關操作和手操器控制均無法操作，閥門不動作：是由于來自控制室的EDS聯鎖信號未解除，導致遠程、就地控制均不起作用。 控制室取消ESD 信號，則恢復正常。

2）工藝要求的開閥、關閥時，電動閥執行相反命令：是由于執行器參數A1 組態錯誤。 A1 組態參數由CL(ESD時關閥)改為OP（ESD時開閥）。

3）力矩開關跳斷：屏幕顯示力矩跳斷報警圖標，即執行器當前力矩值達到基本參數設置的開閥tO或者關閥tC 力矩值。若為一個方向過力矩報警，可能是閥門卡澀。此時不能再繼續向同一方向操作閥門，而應該反方向操作，并清理閥桿內的臟污。如果閥門在中間位置，兩個方向均過力矩，使用手輪操作閥門并未有卡澀現象，則可能是執行器的主板或力矩部件故障，需要更換。

4）就地使用設定器或者手輪操作閥門動作正常，切至遠方自動控制時閥門不動作：輸入信號接線錯誤，接錯端子，或者組態錯誤，也可能是來自DCS 的命令未到達執行器端子，需要檢查接線、組態參數、DCS 信號是否正常。

9 結論

近年來智能電動執行機構獲得了快速發展。新型的電動執行器利用微機和現場總線通信技術將伺服放大器與執行機構合為一體，不僅實現了PID 調節、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能，還增加了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護等功能。智能化控制技術取代純電子控制技術，紅外遙控的非接觸式調試技術取代接觸式手動調試技術，是今后執行機構發展的必然趨勢。

[1] 廠家資料.Rotork IQ 系列安裝維護手冊.

[2] 付敬奇.執行器及其應用[M].北京:機械工業出版社,2009.