邢占元 李代军

中国石油西部管道甘肃输油气分公司

【摘要】 REXA（瑞克萨）执行器目前已经广泛安装在西部成品油管道在RTU阀室(远程控制阀室)及站场ESD（紧急关断）系统。 REXA执行器的安装对于提高西部成品油管道应急状态下管道维抢修响应，以及抢修复产的快速完成有着重要意义。本文通过对REXA执行器控制系统的原理、流程及内部组件分析，研究了REXA开关阀控制系统及充压控制系统，重点对充压控制系统进行了介绍、并用protel-99se软件对步进电机驱动器进行了电路探讨，分析了REXA执行器在管道维抢修工艺处置中可能存在的问题及注意事项。通过对开关阀控制系统作用对象（主要分析了压差、力矩、球阀转角）建立数学模型分析了管道抢修停输及复产过程中开关阀控制可能存在的风险及应对措施。

【关键词】 REXA执行器 控制系统 MATLAB数学仿真 步进电机

1、引言

目前，REXA执行器已经在国内管道广泛应用在RTU阀室及站场ESD系统，如图1-1所示。执行器作为控制系统的终端执行机构，其工作的可靠性、可控性和功能的优劣，将直接影响调节、控制结果的成败和设备的安全性，并制约着管道维抢修工艺处置远程自动化的实现，本文通过对REXA开关球阀控制系统关键部件的数学建模、仿真及对充压控制系统的步进电机工作原理分析，在控制原理上剖析REXA执行器控制系统在管道维抢修工作中可能存在的风险、问题，及日常使用维护时注意事项，为管道抢修提供技术依据。

2、REXA控制系统控制流程

2.1 REXA控制系统概况

REXA执行器是一个由三套自成体系的控制系统组成的有机组合体。他们分别是由压力开关、步进电机及其驱动器、油泵、蓄能器，压力表组成的充压控制系统，由电磁阀、单向节流阀、蓄能器、旋转油缸，球阀、旋转电位计组成的开关球阀控制系统（各组成单元部位机械制图见图2-1）以及手动控制系统（充压、开关）。

2.2 系统充压控制流程

REXA执行器充压控制系统是由西门子公司S7-200 PLC（数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器）提供控制信号经步进电机驱动器生成脉冲信号控制步进电机给活塞式蓄能器打压，并经测量元件（压力表）反馈活塞式蓄能器的压力值，构成一个完整的闭环控制系统。充压控制系统流程图如图2-2所示。

2.3 系统开关球阀控制流程

REXA执行器开关球阀控制系统是一个完整的闭环控制系统，它由开关信号经PLC生成控制信号控制流量配对阀开闭，液压油进入旋转油缸驱动活塞带动齿条运动输出扭矩，实现开闭球阀。球阀开闭到位后电器接近开关（限位开关）开关被激活，执行器停止转动， PLC显示实际位置信号。开关球阀的控制系统流程图如图2-3所示。

3 关球阀控制系统

开关球阀控制是使用REXA执行器的主要功用，因此REXA执行器能否正常开关球阀是使用REXA执行器的关键；在日常的使用中REXA执行器常出现无法开动球阀的现象。本文将从控制系统原理及对控制系统作用对象建立MATLAB仿真数学模型对该问题做进一步的分析。

3.1 执行器扭矩与球阀开启关系

球阀力矩主要是介质压力和密封预压力挤压球体，与阀座之间产生摩擦力矩。当球体在0°～90°全行程的运行过程中，随开度的增大球体因受压面减少及压差的下降，力矩也相应下降。当球体自关闭向打开方向旋转时，首先要克服密封比压及管道介质在阀前后造成的压差及填料等摩擦因素产生的静力矩，当驱动大于静摩擦力时，球体便开始转动。所需力矩因从静摩擦转为动摩擦而有所减小，当球心转过阀座密封线，阀前后介质贯通，压差也逐步减小，从而动摩擦力矩也在随开度的加大而减小。

根据此及流体力学相关关系建立球阀阀杆力矩的数学模型

开 关 型 电 液 执 行 机 构 主 要 应 用 的 成 品 油站场及阀室的ESD阀公称通径是500mm型号是： 500/20〞 T31/T32。球阀的摩擦系数介于0.10～0.17之间。

通过MATLAB对所建立的数学模型进行仿真，可以得到如图3-1所示的不同压差、不同转角时开启球阀所需的转矩。

通过此关系图可在MATLAB中画出当压差逐渐减少时的转角与所需执行机构扭矩的关系曲线，如图3-2所示。

由该关系曲线可见驱动球阀所需扭矩随转角的增大而减少，并始终不会超过起始的扭矩。所以对于执行器开阀流程只要最初能够启动便可以实现球阀开启。所以只要考虑球阀最初启动时能承受的最大压差既可以。

通过matlab数学仿真可得最大扭矩22597 N•m时的压差，如图所示：

从 该 m a t l a b 仿 真 曲 线 可 知 摩 擦 系 数 介 于0.10～0.17之间时扭矩最大时的压差应小于2.666MPa～4.532 MPa，取决于摩擦系数（摩擦系数是在不断变化的）。

综上可知，对于启输时需要远程启动的阀室的REXA执行机构，只要在最初启动压差小于由不同摩擦系数确定的压差即可成功启动。所以要保证REXA执行器启动时压差不能过大。在启动REXA执行机构前要密切关注球阀压差情况，如出现压差过大时只能通过旁通阀泄压到可启动的压差时才可以启动，或提前采取相应的措施保证管道抢修工作的开展。

3.2 执行器扭矩与球阀关闭关系

球阀关闭过程是开启的逆过程，而关闭时球阀前后的压差几乎为零，在关闭过程中压差变化也不大，由球阀阀杆力矩的数学模型可知，球阀关闭过程主要克服的是填料及滑动轴承对阀杆的摩擦及变化不大的压差的压力对球体与阀座密封面间摩擦产生的扭矩，而启动时只需克服填料及滑动轴承对阀杆的摩擦力矩。对此关系通过matlab仿真可得如图3-4所示关系。

该仿真曲线模拟仿真了在极限摩擦系数范围内球阀关闭所需的扭矩区间。可以看出REXA执行器输出扭矩22597 N•m远大于球阀关闭所需的扭矩，所以球阀关闭时是完全可以顺利进行的。在 控制系统上不存在任何风险和问题，所以在管道抢修状态下可以直接远程关闭球阀，而不存在扭矩不够的问题。

4 结论

本论文根据流体力学的相关关系对球阀的运动过程建立数学模型，使用matlab仿真软件对该数学模型进行了数学仿真，分别对开阀、关阀过程进行仿真分析，通过仿真结果讨论了执行器输出力矩能否驱动球阀，从而在理论上推测了管道应急维抢修状态下REXA执行机构工艺控制存在的控制风险，确定了REXA执行机构控制的可靠性，有助于减少维抢修工作中的不确定因素，为管道抢修创造条件。 ◢

（作者： 邢占元，甘肃输油气分公司管道科副科长）

2014年第5期（总第18期）