罗托克（Rotork）IQ智能执行器 在高密度聚乙烯装置的应用

张爱霞

（天津津滨石化设备有限公司，天津 300270）

1 工艺概况

中沙石化高密度聚乙烯装置储料罐V4001 底部共有四条排料线，分别为SAS A、SAS B、LV40005A线及LV40005B 线。在正常工况下，V4001 底部通过SAS A 及SAS B 线进行交替排料。当SAS 系统出现故障时，要将V4001 的出料切换至备用排料线LV40005A/B 进行排料，而LV40005A/B 排料线的柱塞阀位于反应框架12 楼，且均为手动柱塞阀，当SAS 异常需要需打开LV40005A/B 备用排料线阀门时，操作人员从外操间到12 楼进行手动操作直至打开阀门至少需要30min，排料阀门不能及时打开易造成储料罐V4001 料位高高报警，从而联锁反应造成高密生产装置全面停车。

为方便人员操作，避免装置停车，对LV40005A/B排料线的手动柱塞阀进行技术改造，在现有柱塞阀的基础上增加罗托克（Rotork）IQ 智能型电动执行机构，实现现场就地控制和中控室远程控制，缩短阀门的开关时间。

2 工作原理

执行机构又称执行器，是一种自动控制领域常用的机电一体化设备，是自动化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备。主要对一些设备和装置进行自动操作，代替人工作业。

IQ 智能型电动执行机构是英国罗托克（Rotork）公司推出的第二代电动执行机构，它的基型是Rotork 多转电动执行机构，在此基础上增加微处理器、外围芯片电路和软件实现智能控制。它采用红外线手操器设置执行机构参数和现场调试，实现无需“开盖”调试技术。它的限位机构通过霍尔传感器产生数字信号来设定，力矩保护通过测定电机电流和磁场来获得。IQ35 智能型电动执行机构通过电子传感器取代常规的计数器传动机构及凸轮开关组件，便于局部工况监视及安全保障，并简化了调试工作。

3 操作方法

IQ 执行器带有安装底座和输出驱动连接装置，自带的手轮可在电源中断时手动操作阀门。在电动操作执行器期间，手轮通过机械传动与驱动装置脱开。如使用手轮操作，需按下手动/自动选择切换手柄，旋转手轮则可挂上离合器，松开后手轮将保持啮合手动状态。在电动操作开始时，执行器将自动返回电机驱动方式，手轮自动脱离而无需再搬动手柄。

在执行器电气控制端盖上配置两个开关，一个是红色的“就地/停止/远程”选择开关，另一个是黑色的“开阀/关阀”开关。将选择开关打至“就地”位置时，使用相邻的开阀/关阀开关就地开阀、关阀。选择开关打至远程时，可通过来自DCS 的命令控制开关阀。打至停止位置时，阀门停止运转。

4 主要组成

1）电机

IQ 执行器具有高力矩、低惯性的三相F 级绝缘鼠笼式电机，用于把电能转化为机械能，驱动执行机构动作。在标准电压下，以33%的额定输出力矩、25%的周期长度系数运行15min，其温升不超过B 级绝缘的允许值。通过一个紧急状态下具有旁路功能的埋入式温度保护器，可防止电机烧毁。

2）电源模块

IQ 执行器电源模块包括：一个机电联锁接触启动器、一个为内部控制电路供电的电源模块，该电源模块由取自电源中的两相来供电的变压器提供电源，一个由整流电路整流成直流24V DC、5W 的用户电源模块，该电源用于执行器的远程控制，一个相同步(Syncrophase)电路，用于提供了相序调整和掉相保护。

3）控制模块

IQ 执行器包括单片集成电路、执行器逻辑控制硬连线、用于外部设定的红外线接口和可通过PC查询的IQ-Insight 组态及数据记录器。内置数据记录器可随时记录运行数据、阀门力矩/位置分布情况及统计信息。

4）力矩和阀位控制器

输出力矩可以通过直接测量带负载时蜗杆的位移而获得，且不受电压、频率、温度波动的影响。在行程中间启动或者反转时，高惯量负载将使力矩跳断。如收到开阀/关阀信号后未驱动阀门动作，“阀门卡住”的保护电路将使电机电源断开。阀位控制使用简单的无触点式编码器，运行可靠。

5 IQ 执行器安装

1）现场实测定制过渡法兰、连接轴套等，确保与现场原阀门匹配

2）拆卸原来手动阀减速箱及手轮

由于原来的阀门为手动柱塞阀，现改为Rotork电动执行机构，则需要拆除原来的手动执行机构和手轮，安装过度法兰、减速机构，以实现Rotork 电动执行机构与原来阀门固定连接。拆除旧的执行机构前，必须经过确认泄压完全，阀内无压力，确保操作安全。

3）组装匹配的减速机构

根据现场原柱塞阀的设备实际情况，为保证执行器与原来阀门匹配，选用的智能执行器型号为IQ35F16B4，该执行器的底座为可拆卸非推力式底座，带有标准的法兰和驱动轴套， 轴套为实心轴套，需要重新加工组装。

（1）拆卸驱动轴承套重新加工：①卸下底盘的四个螺栓，确保底盘安全，卸下底盘可看到驱动轴套和卡簧；②用外卡簧钳胀开卡簧，同时向外拉动驱动轴套。驱动轴套将从执行器中心套筒上脱开，但卡簧仍留在轴套的槽中；③将驱动轴承套送至生产厂家，按照阀杆尺寸进行加工使其适用于阀杆。

（2）重新组装驱动轴套：①润滑驱动轴套和卡簧，将卡簧装入驱动轴套的槽中；②将驱动轴套送入执行器中心套筒底部，对准键和槽。在驱动轴套推入中心套筒时，胀开卡簧，驱动轴套将继续进入； ③放开卡簧，确保卡簧正确卡进驱动轴套和中心套筒的槽中；④重新安装底盘并用四个螺栓固定紧。

4）固定新的执行器至连接法兰

将执行器与底座连为一体，将已加工的驱动轴套按位置要求装入底座，将执行器吊装，降低执行器到阀杆螺纹上，将执行器切换到手动模式，向开阀方向旋转手轮，使驱动轴套与阀杆啮合，继续旋转直到执行器落实到阀门法兰上，再旋转两圈，安装固定螺栓并上紧。在执行器驱动轴套与阀杆全部啮合，执行器与阀门的法兰吻合之前，执行器被吊装设备吊起以方便安装。

6 电缆敷设及接线

1）电缆敷设

至IQ 执行器接线端子盒敷设动力电缆和控制电缆各300m，动力电缆起点为高密变电所低压配电柜备用抽屉单元，控制电缆起点为DCS 室控制柜。动力电缆和控制电缆均沿着反应框架电缆桥架敷设，至电动阀IQ 执行器附近时配保护钢管，电缆穿钢管敷设至电动阀接线盒。

2）接线

打开端盖，使用6mm 的六角扳手松开四个固定螺栓，不能使用螺丝刀撬开端盖，防止损坏密封圈和防爆面。

（1）动力电缆接线

动力电缆为执行器内部的三相交流电动机提供动力电源，前三芯接至端子1、2、3，第四芯保护接地线接至外壳接地端子。

（2）控制电缆接线

控制电缆提供来自仪表DCS 的开阀、关阀干接点命令和手自动状态及阀位回讯信号至DCS。工艺生产要求此电动阀的关阀命令优先于其它任何指令，无论电动阀当前处于何种状态，收到关阀命令时立即关闭阀门以满足工艺生产需要，因此关阀命令信号线接至紧急保护（ESD）端子。对于工艺控制要求比较低的电动阀，其关阀命令接至普通关阀命令输入端子33、36 而不是紧急保护（ESD）端子25、31。具体接线方式如图1所示。

图1 IQ 执行器接线图

7 组态调试

IQ 执行器控制板具有简单逻辑编程功能，使用红外线设定器可以设定力矩、限位、输入输出等功能。使用设定器对准执行器液晶面板，可以设置相应的参数。所有设定功能均存储在执行器内部非易失性存储器内。只有各种参数设置正确，输入输出端子功能正确组态后，电动阀执行机构才能正确动作。

1）调试基本要求

首先，就地/选择开关必须选择在就地停止位置；其次，必须输入密码，密码正确后才允许设置更改参数，否则只能浏览菜单。

2）设置方法

按下设定器“向下”键，进入基本设置菜单。多次按“向下”键，直到液晶窗口显示需要设置的参数代码，按“+”或者“-”更改数值，按“回车”键确认。

3）基本参数清单

基本参数需要设置关阀方向C1、关阀方式C2、开阀方式C3、关阀力矩tC、开阀力矩tO、全开限位LC、全关限位LO。全开限位LC 和全关限位LO 需要工艺配合确定具体位置。基本参数调试清单见表1基本参数清单。

4）组态设定参数清单

组态设定是根据工艺要求来进行的。工艺要求电动阀打至远程自动时，可以实现DCS 开阀和关阀，并且来自DCS 的关阀命令必须是最高级别的，要超越其他任何现场和远程的命令优先执行。控制端子25、31 是ESD 紧急停车命令输入端子，所以关阀命令控制线必须接至控制端子25、31 然后再进行相关参数组态。其他参数如开阀命令、开阀回信、关阀回信、手自动选择状态回信信号均已经按要求接线完毕后，方可进行参数组态。

表1 基本参数清单

组态参数调试前，基本参数必须已经调试完毕。

组态设定包括指示触点组态和控制模式组态。

指示触点组态：需要设置执行器指示触点R1-R4的功能，这些触点可以代表当前执行器的动作状态，例如是在全关位置还是处于全开位置，是报警还是ESD 动作等状态信号，同时还要设置R1-R4 四组组触点的动作形式，是选择常开点还是常闭点。

控制模式组态：是决定在ESD 控制、就地控制、远程控制以及两线远程控制条件下如何响应。ESD输入命令是最高级命令，无论电动阀处于何种工作状态，一旦ESD 端子有命令输入，则立即按照ESD 组态的模式动作。由于有ESD 命令输入，必须对A1-A9参数进行组态， ESD 命令才能正确执行。（注意：如果ESD 端子没有命令输入，则A1-A9 不需要进行组态，均为默认值，只需要设置基本参数即可）。具体组态参数设置清单见表2组态参数设置清单。

表2 组态参数设置清单

8 应用中的故障处理

1）电动阀现场无法手动开关操作和手操器控制均无法操作，阀门不动作：是由于来自控制室的EDS联锁信号未解除，导致远程、就地控制均不起作用。 控制室取消ESD 信号，则恢复正常。

2）工艺要求的开阀、关阀时，电动阀执行相反命令：是由于执行器参数A1 组态错误。 A1 组态参数由CL(ESD时关阀)改为OP（ESD时开阀）。

3）力矩开关跳断：屏幕显示力矩跳断报警图标，即执行器当前力矩值达到基本参数设置的开阀tO或者关阀tC 力矩值。若为一个方向过力矩报警，可能是阀门卡涩。此时不能再继续向同一方向操作阀门，而应该反方向操作，并清理阀杆内的脏污。如果阀门在中间位置，两个方向均过力矩，使用手轮操作阀门并未有卡涩现象，则可能是执行器的主板或力矩部件故障，需要更换。

4）就地使用设定器或者手轮操作阀门动作正常，切至远方自动控制时阀门不动作：输入信号接线错误，接错端子，或者组态错误，也可能是来自DCS 的命令未到达执行器端子，需要检查接线、组态参数、DCS 信号是否正常。

9 结论

近年来智能电动执行机构获得了快速发展。新型的电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体，不仅实现了PID 调节、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，还增加了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护等功能。智能化控制技术取代纯电子控制技术，红外遥控的非接触式调试技术取代接触式手动调试技术，是今后执行机构发展的必然趋势。

[1] 厂家资料.Rotork IQ 系列安装维护手册.

[2] 付敬奇.执行器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2009.