崔海亮?。ù髴c油田有限責(zé)任公司第四采油廠)
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手動調(diào)節(jié)閥門的數(shù)控改造及應(yīng)用效果分析
崔海亮(大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠)
機(jī)械式手動調(diào)節(jié)閥門在采油廠應(yīng)用范圍廣泛,根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)實際,員工需要手動調(diào)節(jié)閥門滿足壓力、流量在一定控制范圍內(nèi),精度需求較高,但由于現(xiàn)場儀表與閥門不在同一地點,調(diào)節(jié)時需要多名員工配合,且每次調(diào)節(jié)時間長達(dá)1~2 h,費(fèi)時費(fèi)力。通過外加機(jī)械裝置對手動調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行改造,實現(xiàn)對閥門進(jìn)行電氣數(shù)字控制,且現(xiàn)場應(yīng)用后取得了較好效果。
單片機(jī);數(shù)控改造;機(jī)械閥門
閥門電氣數(shù)字控制系統(tǒng)主要由機(jī)械閥門數(shù)控改造調(diào)節(jié)裝置、無線圖像傳輸裝置、無線閥門調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)組成。通過員工在屏幕上觀測無線回傳的壓力表圖像,根據(jù)壓力數(shù)值,無線控制步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)閥門,可精確操作閥門,提高工作效率,降低工作強(qiáng)度。
1.1閘閥機(jī)械改造
1)抱箍齒輪。注水電動機(jī)旁的潤滑油閥門為閘閥,員工通過手動旋轉(zhuǎn)手輪來調(diào)節(jié)閥門的張開程度,同時泵的壓力也相應(yīng)發(fā)生改變。手動調(diào)節(jié)精確度低、耗時長,更換為高精度電磁調(diào)節(jié)閥成本高,改造需要停產(chǎn),因此設(shè)計一種機(jī)械裝置將手動改為旋轉(zhuǎn)法蘭變?yōu)榭煽貦C(jī)械調(diào)節(jié)來進(jìn)行改造[1],設(shè)計抱箍齒輪,將手輪抱住,同時保證同軸心,可進(jìn)行機(jī)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(jī)械調(diào)節(jié)裝置有一定誤差,為了保證傳動穩(wěn)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(jī)底座組成。
1.2球閥機(jī)械改造
潤滑油泵的總閥門為球閥,關(guān)閉為調(diào)節(jié)臂與閥門成90°,全開時夾角為0°,此種閥門調(diào)節(jié)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(jìn)電動機(jī),需1200個電動機(jī)脈沖,絲桿才會帶動滑塊推動閥門打開或關(guān)閉1mm。
電氣控制裝置由電源部分、無線通訊部分、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路、液晶顯示部分組成。其電路板設(shè)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(jī),內(nèi)部有60 KB的Flash和1280 B的RAM有36 個IO口,驅(qū)動電流為20 mA,具有8路10 bit高精度ADC。系統(tǒng)時鐘為35 MHz/s,運(yùn)行全部功能任務(wù)函數(shù)[3]。
2)電源芯片。步進(jìn)電動機(jī)需要12~24 V直流電壓驅(qū)動,為該部分最高直流電壓,因此操控裝置的電源設(shè)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(zhuǎn)換芯片,為單片機(jī)及無線模塊提供5 V電源電壓。
3)無線模塊。閥門與儀表聯(lián)動采用無線信號控制。無線通訊采用STC12C2052單片機(jī),與主控單片機(jī)構(gòu)成雙核CPU,并行總線傳遞數(shù)據(jù),實現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)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(jìn)行無線通訊,控制打開或者關(guān)小閥門。
4)液晶模塊。液晶模塊采用黑白工業(yè)顯示液晶屏,分辨率為128×64 ppi,單片機(jī)通過并行總線,讀寫液晶屏,可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)顯示。通過員工操作,顯示閥門開關(guān)狀態(tài)[3]。
5)步進(jìn)電動機(jī)及驅(qū)動器。采用57兩相四線制步進(jìn)電動機(jī),轉(zhuǎn)矩為3 Nm,最大電流為3 A,通過齒輪傳動加力,可產(chǎn)生30 kg的轉(zhuǎn)矩,帶動機(jī)械閥門。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器與單片機(jī)接口為CP、CW、EN,分別控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及鎖定。
計算閘閥驅(qū)動控制精度:抱箍齒輪齒數(shù)為60,電動機(jī)齒輪齒數(shù)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(zhuǎn)0.156°,實現(xiàn)高精度控制。
計算球閥驅(qū)動控制精度:根據(jù)傳動螺桿螺距為2 mm,無轉(zhuǎn)矩細(xì)分情況下的單次脈沖旋轉(zhuǎn)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(jìn)0.013 mm,實現(xiàn)對球閥高精度控制。
6)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。該裝置可讀取數(shù)字儀表數(shù)據(jù)實現(xiàn)閉環(huán)聯(lián)動,在無法實現(xiàn)儀表聯(lián)動的場合,可采用圖像傳輸?shù)姆绞?,在壓力表位置處,安裝一無線攝像頭,將壓力表圖像數(shù)據(jù)無線傳輸至控制箱,讓調(diào)試人員通過圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。
經(jīng)現(xiàn)場試驗,該設(shè)備可以完成對壓力的設(shè)定及自動調(diào)節(jié),同時在液晶屏上顯示壓力數(shù)值,調(diào)節(jié)控制精度可達(dá)0.01 MP,實現(xiàn)員工對總潤滑油泵壓力及分潤滑油泵壓力的自動調(diào)節(jié)。
原調(diào)節(jié)1次潤滑油泵需要4名員工調(diào)節(jié)1 h,采用該裝置后調(diào)節(jié)1次,僅需1名員工15 min,平均每調(diào)節(jié)1次節(jié)約3.75工時,按每工時60元計算,一次可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益225元,每年需對潤滑油泵調(diào)節(jié)約180余次,因此可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為40 500元。
數(shù)控研究對手動調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行改造,實現(xiàn)對潤滑油泵壓力的自動控制與調(diào)節(jié),降低了員工的勞動強(qiáng)度,提高了工作效率,為企業(yè)帶來了效益。
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(編輯王古月)
10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.005
崔海亮,2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)(電子信息工程專業(yè)),從事電氣設(shè)計、油田污水和注水設(shè)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(zé)任公司第四采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所,163000。
2016-03-25