基于物联网高性能电动执行器的研究与设计

申景双

上海海维工业控制有限公司 上海 201417

引言

随着智能制造及工业2025国家战略的实施，过程控制工业自动化水平快速提升，智能电动执行器的研究和应用越来越受到行业的重视。由原来的机械式、半自动、就地控制方式向智能化、高精度、总线控制、云监控方向快速发展。原有的电动执行器大多满足不了现场工况的要求，亟须升级改造，结合数字通信及信息技术，实现智能化、智慧化升级[1]。本文结合中石油集团新疆高探1井高压电动阀的工况要求，面向智慧钻探，研究开发了基于DSP芯片控制技术、LCD液晶显示、带物联网通信模块，具有远程云平台监控功能的智能电动执行器。现场试验表明，该执行器能够满足现场工况要求，并为未来钻井平台整个物联网、智慧监控奠定了良好的基础。

1 设计需求

本项目是中石油集团面向深层石油勘探钻井平台而开发的智能电动执行器。近年来，深层石油勘探迅猛发展，由于油层深度为地下三千至五千米，原有采油设备性能达不到要求。为此，由上海海维工业控制公司主导，专为深层采油平台研制高压智能设备配套的电动执行器。

由于深层采油需要140MPa及以上超高压，采油平台的除砂装置及采油树均为高压设备。如何研制生产出高压采油设备是本项目的难点。电动执行器属于配套设备，与高压控制阀配套使用，由于阀门承受超高压力，造成执行器全关时会出现高压抖动，造成关不死现象。为此，本文设计了压电感应式力矩传感器来感知阀门行程中动态力矩。当阀门接近全关时，阀杆受到的力矩会出现急剧加大，此时力矩传感器把感知到的力矩信号传输给执行器，由执行器发出控制指令，柔性控制电机转速，降低执行器输出转速，减少阀门关闭时的惯性，从而减少高压抖动，既可以完全关闭阀门，又不会造成阀座损伤。本文设计的执行器同时具有物联网通信功能，能够实现无线云平台监控，检测到阀门的运行状态及历史事件记录，同时可以远程开关阀门，实现远程柔性控制。

2 电动执行器总体方案设计

2.1 主要构成

本文设计的智能电动执行器是一种先进的机电一体化产品。有电机、蜗轮蜗杆传动机构、集成控制电路等组成。蜗轮蜗杆传动机构等机械部分位于执行器中间，电机和控制单元分贝位于执行器两端，保证执行器重心位于结构的中心，紧凑对称的结构与精美的外形使得更像工艺品。这些装置均密封在标准最高为IP68的双密封防水外壳内，使用手持式红外设定器即可对智能电动执行器进行各种参数的设定,不必打开执行机构[2]。该执行器具有自动保护功能和隔爆功能，即使在危险区域也无须打开正在工作中的执行机构电气箱盖就可以进行调节、参数检查、故障诊断。该执行器综合了精密机械技术、系统集成芯片技术与信息通信技术，成为新一代智能型一体化产品。

2.1.1 充分应用电子工业及IT行业的最新技术。以DSP为代表的系统集成芯片技术是使执行器的响应速度和处理能力大大提高，E2PROM保证执行器失电后数据不丢失，复电后实时反映当前状态。

2.1.2 多样性控制，包括就地旋钮电动、设定器电动、远程脉冲控制、远程模拟量控制、远程总线控制、就地手动等。

2.1.3 免开盖调试，使用设定器可以完成所有参数设定，整个设定过程分非常简单便捷，通常几分钟便可完成。

2.1.4 强大的自诊断功能，执行器在运行中实时检测外部通讯及内部运行状况，如有异常，能有效区分故障类型，即外部通讯故障、执行器本身故障等。

2.2 工作原理

电动执行器工作原理如图1所示，阀位处理器接收当前阀位信号，并与设定阀位信号相比较，如在误差范围内，则中央CPU不发出驱动指令，执行器不予动作。如果当前阀位与设定阀位差值超出误差范围，中央CPU发出驱动指令到驱动模块，从而驱动电机运转，执行关阀或开阀。随之阀位数值的变化，阀位处理器把最新阀位信号与设定阀位极限相比较，如未达到，则继续把信息发送给中央处理器，由中央处理器发出驱动信号，直至达到阀位极限为止。同理，扭矩处理器则把设定扭矩极限值与执行器运行力矩相比较，如超出设定扭矩极限，则发出信号给中央处理器，请求中央处理器发出停止电机运转的控制信号，此时，过力矩保护则起作用。如果未超出扭矩极限，则扭矩处理器不发出请求，中央处理器继续执行电机运转命令，执行器正常工作[3]。

图1 电动执行器工作原理图

3 电控主电路设计

3.1 执行器主电路设计

为实现以上功能，电动执行器硬件电路包括主板、电源板、就地控制板、变压器模块、就地旋钮、显示模块、反馈触点输出模块以及模拟量输入输出模块等。

3.2 执行器物联网通信器设计

本文设计的一种物联网通信器专用于智能电动执行器，与智能电动执行器配套，组成物联网电动执行器。与传统物联网通信器相比，本设计物联网通信器具有如下特点。①通过RS485/TTL串口直接与电动执行机构主控制器相连，与无线天线整体可安装在电动执行器控制单元内部，不单独占用空间。内置GPRS以及NB-IoT双通信模块，可自由切换，直接与远程云服务器无线通信。②除电动执行器外，温度变送器、流量变送器、压力变送器以及其他具有ModBus 485通信协议的其他变送器均可与本物联网通信器相连，统一打包与云服务器通信。③该物联网通信器可同时感知执行器运行状态数据、阀位参数、管道温度参数、执行器内部湿度参数、执行器报警参数、执行器寿命参数，以及执行器地理位置等。④支持GPRS、NBIoT以及短信息双通道传输数据，支持多中心数据通信，支持远程参数设置、程序在线升级等。

本设计物联网通信器功能说明如图2所示，每个通信模块均包含无线发送模块和无线接收模块，无线发送模块由无线通信有码模块和高频发射模块组成，接收模块是由高频选频模块和解调模块组成。前端通过串口采集数据，物联网通信器通过天线与物联网服务器实时发送和接收数据，用户则可以通过电脑Web浏览器进行数据远程检测、远程控制及数据导出等，也可通过手机微信小程序进行远程参数设定、标定及校验。云服务报警事件则可通过手机短信发送给管理员。

图2 执行器物联网通信模块

物联网通信器结构示意图如图3所示，微处理器模块是通信器的核心部件，是基于ARM的DSP高速运算微处理单元。而执行器运行状态模块、电动执行器阀位传感器、温度传感器、湿度传感器、执行器报警模块均与微处理模块连接并实时交换数据。

图3 物联网通信器结构图

4 执行器监控云平台设计

随着物联网技术的快速发展，尤其是基于云服务器及云计算的飞速发展，基于云服务器及云计算的产品日新月异，本文设计的一种电动执行器云平台。该云平台可通过电脑web网址打开，并与云服务器实时通信，进行数据交换，云服务器通过物联网与电动执行器实时数据交换，从而实现本云平台与远程工业现场电动执行器的实时监控。

该云平台位置信息模块通过GPRS进行更新，可精确到具体厂区、道路或生产装置。设备管理模块包括六个子模块，含设备编号、设备名称、规格型号、出厂编号、安装位置、安装时间。其中设备名称可用户自定义，规格型号指电动执行器的具体规格参数，便于维护调阅。 设备操作模块包括目标位置、开阀、关阀及停止。

5 性能测试试验

本文设计的电动执行器研制出来之后，历经50余次反复改进，包括主控电路EMC优化、力矩传感器内部橡胶膜片的材质选取、柔性启停、物联网通信、远程云平台无线监控等，最终达到了验收标准。本项目研制的智能执行器，处于国内领先地位，与国外一流产品处于同一水平，可完全替代进口。

6 结束语

中石油新疆高探1井是我国深井钻探的标杆工程，是国家十三五时期重点项目之一。本项目研制的高压电动阀属于行业首创，打破了国外垄断，在行业内起到了很好的示范效应，具有较高的经济效益和社会效益。

随着深井油气田钻采的快速发展，本文研制的电动执行器将具有广阔的应用前景。未来，将继续优化设计，向小型化、高性能、耐严寒工况方向努力，更好满足石油钻采的严酷工况需要。

参考论文

[1] 冯领.电动执行机构生产测试系统设计[J].自动化应用,2020(7): 27-29.

[2] 苏醒. 智能型电动执行机构控制器的研究与设计[D].银川:北方民族大学,2020.

[3] 罗兆荣,刘旭华,褚俊.电动执行机构用现场总线冗余控制技术研究[J].电工技术,2019(8):7-8,14.