手動調節閥門的數控改造及應用效果分析

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手動調節閥門的數控改造及應用效果分析

崔海亮（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

機械式手動調節閥門在采油廠應用范圍廣泛，根據現場的生產實際，員工需要手動調節閥門滿足壓力、流量在一定控制范圍內，精度需求較高，但由于現場儀表與閥門不在同一地點，調節時需要多名員工配合，且每次調節時間長達1～2 h，費時費力。通過外加機械裝置對手動調節閥門進行改造，實現對閥門進行電氣數字控制，且現場應用后取得了較好效果。

單片機；數控改造；機械閥門

閥門電氣數字控制系統主要由機械閥門數控改造調節裝置、無線圖像傳輸裝置、無線閥門調節控制系統組成。通過員工在屏幕上觀測無線回傳的壓力表圖像，根據壓力數值，無線控制步進電動機進行調節閥門，可精確操作閥門，提高工作效率，降低工作強度。

1　裝置結構

1.1閘閥機械改造

1）抱箍齒輪。注水電動機旁的潤滑油閥門為閘閥，員工通過手動旋轉手輪來調節閥門的張開程度，同時泵的壓力也相應發生改變。手動調節精確度低、耗時長，更換為高精度電磁調節閥成本高，改造需要停產，因此設計一種機械裝置將手動改為旋轉法蘭變為可控機械調節來進行改造［1］，設計抱箍齒輪，將手輪抱住，同時保證同軸心，可進行機械傳動。抱箍齒輪外徑（20 cm）需大于法蘭外徑及抱箍螺絲寬度之和。同時由于為后改裝的機械調節裝置有一定誤差，為了保證傳動穩定性，將齒高值取為8 mm。

2）傳動部分支架。傳動支架由管道抱箍、緊固底座、電動機底座組成。

1.2球閥機械改造

潤滑油泵的總閥門為球閥，關閉為調節臂與閥門成90°，全開時夾角為0°，此種閥門調節時動作精度要求更高，采用絲杠傳動方式推動閥門：絲桿傳動有著更高的精度，配合步進電動機，需1200個電動機脈沖，絲桿才會帶動滑塊推動閥門打開或關閉1mm。

2　電氣控制裝置

電氣控制裝置由電源部分、無線通訊部分、步進電動機驅動電路、液晶顯示部分組成。其電路板設計如圖1所示［2］。

圖1　控制裝置電路板

1）主控芯片。主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，內部有60 KB的Flash和1280 B的RAM有36 個IO口，驅動電流為20 mA，具有8路10 bit高精度ADC。系統時鐘為35 MHz/s，運行全部功能任務函數［3］。

2）電源芯片。步進電動機需要12～24 V直流電壓驅動，為該部分最高直流電壓，因此操控裝置的電源設計采用12 V直流電源供電，而芯片需要5 V電壓，采用7805芯片做DC-DC轉換芯片，為單片機及無線模塊提供5 V電源電壓。

3）無線模塊。閥門與儀表聯動采用無線信號控制。無線通訊采用STC12C2052單片機，與主控單片機構成雙核CPU，并行總線傳遞數據，實現多任務運行。通過Sun2014射頻無線模塊來與控制總閥門與分閥門的控制器進行無線通訊，控制打開或者關小閥門。

4）液晶模塊。液晶模塊采用黑白工業顯示液晶屏，分辨率為128×64 ppi，單片機通過并行總線，讀寫液晶屏，可以進行高速數據顯示。通過員工操作，顯示閥門開關狀態［3］。

5）步進電動機及驅動器。采用57兩相四線制步進電動機，轉矩為3 Nm，最大電流為3 A，通過齒輪傳動加力，可產生30 kg的轉矩，帶動機械閥門。步進電動機驅動器與單片機接口為CP、CW、EN，分別控制轉速、轉向及鎖定。

計算閘閥驅動控制精度：抱箍齒輪齒數為60，電動機齒輪齒數為10，傳動比為6，計算出控制精度為0.156，則單次脈沖可以讓閘閥手輪旋轉0.156°，實現高精度控制。

計算球閥驅動控制精度：根據傳動螺桿螺距為2 mm，無轉矩細分情況下的單次脈沖旋轉角度為5°，計算出控制精度為0.013。則單次脈沖可以讓球閥扳手前進0.013 mm，實現對球閥高精度控制。

6）閉環反饋系統。該裝置可讀取數字儀表數據實現閉環聯動，在無法實現儀表聯動的場合，可采用圖像傳輸的方式，在壓力表位置處，安裝一無線攝像頭，將壓力表圖像數據無線傳輸至控制箱，讓調試人員通過圖像數據進行調節［4］。

3　現場應用效果

經現場試驗，該設備可以完成對壓力的設定及自動調節，同時在液晶屏上顯示壓力數值，調節控制精度可達0.01 MP，實現員工對總潤滑油泵壓力及分潤滑油泵壓力的自動調節。

原調節1次潤滑油泵需要4名員工調節1 h，采用該裝置后調節1次，僅需1名員工15 min，平均每調節1次節約3.75工時，按每工時60元計算，一次可產生經濟效益225元，每年需對潤滑油泵調節約180余次，因此可產生經濟效益為40 500元。

數控研究對手動調節閥門進行改造，實現對潤滑油泵壓力的自動控制與調節，降低了員工的勞動強度，提高了工作效率，為企業帶來了效益。

［1］席先覺.單片微型計算機及其應用［M］.北京：高等教育出版社，1989：57-69.

［2］郭天祥.51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業出版社，2009：113-156.

［3］趙保經.微電子技術與新技術革命［M］.北京：國防工業出版社，1985：7.

［4］王煜冬.傳感器應用電路400例［M］.北京：中國電力出版社，2008：66-98.

（編輯王古月）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.005

崔海亮，2011年畢業于東北石油大學（電子信息工程專業），從事電氣設計、油田污水和注水設計管理工作，E-mail：cuihailiang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責任公司第四采油廠規劃設計研究所，163000。

2016-03-25