基于物聯網高性能電動執行器的研究與設計

申景雙

上海海維工業控制有限公司 上海 201417

引言

隨著智能制造及工業2025國家戰略的實施，過程控制工業自動化水平快速提升，智能電動執行器的研究和應用越來越受到行業的重視。由原來的機械式、半自動、就地控制方式向智能化、高精度、總線控制、云監控方向快速發展。原有的電動執行器大多滿足不了現場工況的要求，亟須升級改造，結合數字通信及信息技術，實現智能化、智慧化升級[1]。本文結合中石油集團新疆高探1井高壓電動閥的工況要求，面向智慧鉆探，研究開發了基于DSP芯片控制技術、LCD液晶顯示、帶物聯網通信模塊，具有遠程云平臺監控功能的智能電動執行器。現場試驗表明，該執行器能夠滿足現場工況要求，并為未來鉆井平臺整個物聯網、智慧監控奠定了良好的基礎。

1 設計需求

本項目是中石油集團面向深層石油勘探鉆井平臺而開發的智能電動執行器。近年來，深層石油勘探迅猛發展，由于油層深度為地下三千至五千米，原有采油設備性能達不到要求。為此，由上海海維工業控制公司主導，專為深層采油平臺研制高壓智能設備配套的電動執行器。

由于深層采油需要140MPa及以上超高壓，采油平臺的除砂裝置及采油樹均為高壓設備。如何研制生產出高壓采油設備是本項目的難點。電動執行器屬于配套設備，與高壓控制閥配套使用，由于閥門承受超高壓力，造成執行器全關時會出現高壓抖動，造成關不死現象。為此，本文設計了壓電感應式力矩傳感器來感知閥門行程中動態力矩。當閥門接近全關時，閥桿受到的力矩會出現急劇加大，此時力矩傳感器把感知到的力矩信號傳輸給執行器，由執行器發出控制指令，柔性控制電機轉速，降低執行器輸出轉速，減少閥門關閉時的慣性，從而減少高壓抖動，既可以完全關閉閥門，又不會造成閥座損傷。本文設計的執行器同時具有物聯網通信功能，能夠實現無線云平臺監控，檢測到閥門的運行狀態及歷史事件記錄，同時可以遠程開關閥門，實現遠程柔性控制。

2 電動執行器總體方案設計

2.1 主要構成

本文設計的智能電動執行器是一種先進的機電一體化產品。有電機、蝸輪蝸桿傳動機構、集成控制電路等組成。蝸輪蝸桿傳動機構等機械部分位于執行器中間，電機和控制單元分貝位于執行器兩端，保證執行器重心位于結構的中心，緊湊對稱的結構與精美的外形使得更像工藝品。這些裝置均密封在標準最高為IP68的雙密封防水外殼內，使用手持式紅外設定器即可對智能電動執行器進行各種參數的設定,不必打開執行機構[2]。該執行器具有自動保護功能和隔爆功能，即使在危險區域也無須打開正在工作中的執行機構電氣箱蓋就可以進行調節、參數檢查、故障診斷。該執行器綜合了精密機械技術、系統集成芯片技術與信息通信技術，成為新一代智能型一體化產品。

2.1.1 充分應用電子工業及IT行業的最新技術。以DSP為代表的系統集成芯片技術是使執行器的響應速度和處理能力大大提高，E2PROM保證執行器失電后數據不丟失，復電后實時反映當前狀態。

2.1.2 多樣性控制，包括就地旋鈕電動、設定器電動、遠程脈沖控制、遠程模擬量控制、遠程總線控制、就地手動等。

2.1.3 免開蓋調試，使用設定器可以完成所有參數設定，整個設定過程分非常簡單便捷，通常幾分鐘便可完成。

2.1.4 強大的自診斷功能，執行器在運行中實時檢測外部通訊及內部運行狀況，如有異常，能有效區分故障類型，即外部通訊故障、執行器本身故障等。

2.2 工作原理

電動執行器工作原理如圖1所示，閥位處理器接收當前閥位信號，并與設定閥位信號相比較，如在誤差范圍內，則中央CPU不發出驅動指令，執行器不予動作。如果當前閥位與設定閥位差值超出誤差范圍，中央CPU發出驅動指令到驅動模塊，從而驅動電機運轉，執行關閥或開閥。隨之閥位數值的變化，閥位處理器把最新閥位信號與設定閥位極限相比較，如未達到，則繼續把信息發送給中央處理器，由中央處理器發出驅動信號，直至達到閥位極限為止。同理，扭矩處理器則把設定扭矩極限值與執行器運行力矩相比較，如超出設定扭矩極限，則發出信號給中央處理器，請求中央處理器發出停止電機運轉的控制信號，此時，過力矩保護則起作用。如果未超出扭矩極限，則扭矩處理器不發出請求，中央處理器繼續執行電機運轉命令，執行器正常工作[3]。

圖1 電動執行器工作原理圖

3 電控主電路設計

3.1 執行器主電路設計

為實現以上功能，電動執行器硬件電路包括主板、電源板、就地控制板、變壓器模塊、就地旋鈕、顯示模塊、反饋觸點輸出模塊以及模擬量輸入輸出模塊等。

3.2 執行器物聯網通信器設計

本文設計的一種物聯網通信器專用于智能電動執行器，與智能電動執行器配套，組成物聯網電動執行器。與傳統物聯網通信器相比，本設計物聯網通信器具有如下特點。①通過RS485/TTL串口直接與電動執行機構主控制器相連，與無線天線整體可安裝在電動執行器控制單元內部，不單獨占用空間。內置GPRS以及NB-IoT雙通信模塊，可自由切換，直接與遠程云服務器無線通信。②除電動執行器外，溫度變送器、流量變送器、壓力變送器以及其他具有ModBus 485通信協議的其他變送器均可與本物聯網通信器相連，統一打包與云服務器通信。③該物聯網通信器可同時感知執行器運行狀態數據、閥位參數、管道溫度參數、執行器內部濕度參數、執行器報警參數、執行器壽命參數，以及執行器地理位置等。④支持GPRS、NBIoT以及短信息雙通道傳輸數據，支持多中心數據通信，支持遠程參數設置、程序在線升級等。

本設計物聯網通信器功能說明如圖2所示，每個通信模塊均包含無線發送模塊和無線接收模塊，無線發送模塊由無線通信有碼模塊和高頻發射模塊組成，接收模塊是由高頻選頻模塊和解調模塊組成。前端通過串口采集數據，物聯網通信器通過天線與物聯網服務器實時發送和接收數據，用戶則可以通過電腦Web瀏覽器進行數據遠程檢測、遠程控制及數據導出等，也可通過手機微信小程序進行遠程參數設定、標定及校驗。云服務報警事件則可通過手機短信發送給管理員。

圖2 執行器物聯網通信模塊

物聯網通信器結構示意圖如圖3所示，微處理器模塊是通信器的核心部件，是基于ARM的DSP高速運算微處理單元。而執行器運行狀態模塊、電動執行器閥位傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、執行器報警模塊均與微處理模塊連接并實時交換數據。

圖3 物聯網通信器結構圖

4 執行器監控云平臺設計

隨著物聯網技術的快速發展，尤其是基于云服務器及云計算的飛速發展，基于云服務器及云計算的產品日新月異，本文設計的一種電動執行器云平臺。該云平臺可通過電腦web網址打開，并與云服務器實時通信，進行數據交換，云服務器通過物聯網與電動執行器實時數據交換，從而實現本云平臺與遠程工業現場電動執行器的實時監控。

該云平臺位置信息模塊通過GPRS進行更新，可精確到具體廠區、道路或生產裝置。設備管理模塊包括六個子模塊，含設備編號、設備名稱、規格型號、出廠編號、安裝位置、安裝時間。其中設備名稱可用戶自定義，規格型號指電動執行器的具體規格參數，便于維護調閱。 設備操作模塊包括目標位置、開閥、關閥及停止。

5 性能測試試驗

本文設計的電動執行器研制出來之后，歷經50余次反復改進，包括主控電路EMC優化、力矩傳感器內部橡膠膜片的材質選取、柔性啟停、物聯網通信、遠程云平臺無線監控等，最終達到了驗收標準。本項目研制的智能執行器，處于國內領先地位，與國外一流產品處于同一水平，可完全替代進口。

6 結束語

中石油新疆高探1井是我國深井鉆探的標桿工程，是國家十三五時期重點項目之一。本項目研制的高壓電動閥屬于行業首創，打破了國外壟斷，在行業內起到了很好的示范效應，具有較高的經濟效益和社會效益。

隨著深井油氣田鉆采的快速發展，本文研制的電動執行器將具有廣闊的應用前景。未來，將繼續優化設計，向小型化、高性能、耐嚴寒工況方向努力，更好滿足石油鉆采的嚴酷工況需要。

參考論文

[1] 馮領.電動執行機構生產測試系統設計[J].自動化應用,2020(7): 27-29.

[2] 蘇醒. 智能型電動執行機構控制器的研究與設計[D].銀川:北方民族大學,2020.

[3] 羅兆榮,劉旭華,褚俊.電動執行機構用現場總線冗余控制技術研究[J].電工技術,2019(8):7-8,14.