矿用隔爆型电动阀门执行器的研发与应用

万 勇

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

矿用隔爆型电动阀门执行器的研发与应用

万 勇

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

针对当前绝大多数煤矿地面永久瓦斯抽放泵站及发电站，在传统手动阀门的使用过程中，管道系统存在无法实现远程操作及按照逻辑程序实现自动化控制等问题，提出了基于RS-485总线型控制理论。采用就地本安按钮及上位机组态王软件，研发了一种矿用隔爆型电动阀门执行器，实现了阀门就地及远程开、关，以及部分开度控制。结合配套管理软件能实现远程、自动控制及开度控制,并阐述其工作原理等内容。本阀门执行器具有维护成本低、操作简单方便、执行器控制精度高、故障率低等特点。通过在煤矿现场长期实际应用情况，表明矿用隔爆型电动阀门执行器完全能够按照事先编制的逻辑关系程序及步骤实现自动化控制，对相关煤炭企业在瓦斯抽采与煤层气利用的管道系统中实现自动化及减少值班人员工作劳动强度等有着重要意义。

煤矿； 防爆； 隔爆型； 电动阀门； 执行器； 限流电路； 通信

0 引言

目前煤矿领域广泛应用的分体式电动阀门一般由数字控制部分和执行部分组成[1]，但是两部分相互独立，控制电路被置于专门的控制箱内，存在安装接线繁琐、可靠性差、后期维护困难等缺陷。为克服分体式电动阀门的不便性、提高智能化程度，常州贝斯特和兰陵阀门控制有限公司等厂商研发并推出了矿用一体化电动阀门，将电气控制部分与阀门电动装置合成一体，不再需要专用控制箱，用户在安装、调试、检修时较为方便。但是其均采用4腔体设计，存在体积和质量较大、控制信号接口种类不够丰富、对现场种类繁多的主控设备适应能力较差等问题。

根据2015年国家安全监管总局颁布的《关于开展“机械化换人、自动化减人”的通知》(安监总科技[2015]63号)要求[2]，煤炭企业要逐步实现以机械化生产替换人工作业、以自动化控制减少人为操作，大力提高企业安全生产科技保障能力。因此，本文设计了一种矿用隔爆兼本安型一体化智能阀门执行器，除了具有通用一体化电动阀门的开闭控制、过力矩自动保护、阀体开度显示等基本功能外，还针对煤矿等特殊领域、电源质量差等工况条件开发出电机驱动保护和故障自诊断功能[3]。该设计针对现场多种主控设备，具有灵活的现场总线型通信接口和控制功能[4]，并能够按照PLC预先编制的逻辑关系程序及步骤实现自动化控制[5]，对相关煤炭企业在瓦斯抽采与煤层气利用的管道系统中实现自动化及减少值班人员工作劳动强度具有重要意义。

1 工作原理及研发设计思路

1.1 电动执行器工作原理

阀门电动执行器主要由防爆电动机、齿轮减速机构、电气控制腔体、状态检测传感器和相关电气控制模块组成。电气控制模块通过控制功率开关的不同导通相序来控制电机的正反向转动，电机通过齿轮减速机构带动阀门等执行机构动作，智能化的阀门控制模块通过限位开关、过力矩开关和角度传感器、电流互感器、热保护开关等传感部件的信息来判断电机和齿轮机构的工作状态、诊断其故障状况并进行有效的保护[6-8]。

1.2 研发设计思路

首先通过现场调研，获取煤矿现场瓦斯抽放系统、通风、排水系统和防灭火系统常用阀门管径型号、压力等级、材质要求等参数。然后，根据调研的参数要求，选择阀体供应商，按现场实际情况和工况条件对产品结构进行改进，并兼容闸阀、蝶阀驱动结构。最后，开始电动执行器软、硬件设计开发工作，主要包含以下几个方面：①电机驱动及保护，执行器可靠性提升；②智能诊断系统设计；③直流电机驱动及保护。

电动执行器整机方案框图如图1所示。

综上所述，学前教育的质量会直接影响幼儿的健康成长。首先，由高校牵头，吸纳政府及相关幼儿服务单位以成立幼教协会，并由专人负责与政府、高校、用人单位的协同合作事宜。其次，严把学生质量，应招收有艺术加试合格证的学生入学，这是保障人才质量的基石。最后，对入学后的学生要进行职业认同感及社会责任感的思政培训，让学生牢记社会使命，肩负起学前教育事业健康发展的重任。

图1 电动执行器整机方案框图

2 分部设计概况

2.1 电机驱动和保护设计

阀门电动执行器电机采用结构简单、低惯量、高力矩的专用三相异步交流电动机，并采用具有简单可靠、成本低廉、额定电压高等特点的接触器作为开关和换相器件。为了保证其工作稳定可靠，保障用户的用电及生产安全，对驱动部分进行软件和硬件的多级保护。第一级硬件保护电路是利用接触器的常闭辅助触点进行开关换相接触器互锁保护。当主控电路开向接触器KO闭合时，电机执行开向转动，此时接触器上常闭辅助触点断开，关向接触器KC的控制线圈回路被切断，主控电路无法使关向接触器动作，从而防止因接触器同时闭合造成的相间短路事故，有效实现互锁保护。

除了第一级的接触器互锁保护之外，微控制器也会通过电流互感器监测电机的工作电流，一旦产生大电流，微控制器会切断电机电源并给出故障提示，接触器控制电路的中间继电器及其控制回路也采用了多重保护。此外，微控制器的开阀控制信号通过硬件逻辑电路与开到位和开过矩信号实现互锁，关阀控制信号通过硬件逻辑电路与关到位和关过矩信号实现互锁，保证在微控制器发生故障或者死机的时候，阀门到位或过力矩后仍然能够自动停止执行。

2.2 缺相检测与相序识别和自动纠正电路

对于三相交流电机来说，电源缺相的危害很大。当发生缺相运行时，定子的旋转磁场严重不平衡，会严重增加电机震动，从而破坏轴承和机座。此外，定子会产生负序电流，引起转子电流剧增及严重发热，使电机带载能力急剧下降；电机会吸收大量有功功率，导致定子电流急剧增加。但增大的电流不能使熔丝熔断，如果长期缺相运行，温度上升很快，容易烧毁电动机。在实践中，60%～70%的电动机烧毁事故都是由于电源缺相运行所致，故对电动机的缺相保护十分重要。

电动执行器的相序检测与缺相保护电路如图2所示。三相交流电经光电耦合隔离后，得到整形后的三路电压波形信号进入微处理器；采用软件计算三路波形的相位差，判断是否发生缺相及识别三相波形相序[9]，完成相序自动纠正。

图2 相序检测与缺相保护电路

2.3 通信与控制接口方案

随着煤矿自动化水平的提高，全数字化通信和分散控制易于系统的重构和扩展[6]。煤矿生产现场的自动化主控设备越来越多，控制接口和控制方式也越来越多。为更好地适应现场不同主控设备，本电动阀门执行器设计了触点控制、RS-485总线通信、4～20 mA电流信号输入输出等接口。目前，工业现场广泛使用RS-485串行总线标准，通信距离可达千米，其采用的平衡发送和差分接收方式可抑制共模干扰。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一个点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互联时非常方便，可以节省许多信号线，联网构成分布式系统。本电动阀门执行器采用ADM2582，该芯片集成了磁隔离技术。和传统的光电耦合隔离相比，该芯片可以简化设计、减少PCB板面积、提高数据收发速率、增强通信接口的可靠性[10-17]。

2.4 电动阀门执行器驱动与保护设计

电机驱动采用接触器互锁换相控制电路控制电机正反转。这种换相技术简单可靠、成本低廉，易于控制和检修。为了保证控制电路抗干扰能力，采用交流电机驱动保护技术，包括缺相、过载、过流、过力矩、过热保护等功能，保证电机可靠工作。

执行器的电气控制部分采用模块化设计，主要由变压器模块、智能控制模块、接触器、电流互感器、行程限位开关组、过力矩开关组、角度传感器等构成，接触器的控制回路和智能控制模块供电回路统一采用36 VAC控制电压，全系列阀门电动执行器均采用相同的控制模块和控制电路结构，380 V和660 V的电动执行器仅电动机和变压器模块不同，通过软件配置控制模块的各项参数来适应不同大小的阀门。

2.5 电动执行器一体化结构设计

闸阀电动装置一体化结构设计[18]包括控制腔、接线腔结构设计，与闸阀、蝶阀的接口设计和标准统一，电气控制部分模块化、系列化通用设计，现场操作结构的设计，信息显示系统和显示窗隔爆设计等方面。根据GB 3836.1-2001爆炸性环境设备通用要求，电动执行器的控制腔和接线腔采用独立分隔的设计，接线腔的控制信号通过隔爆接线端子引入控制腔；控制腔设有显示窗口，该窗口采用复合要求的钢化玻璃隔爆。电机采用具有防爆合格证和安标证的矿用阀门电动装置专用电机，电机引线通过隔爆导管引入控制腔。电动执行器采用多回转设计，输出部分为棘爪结构。驱动闸阀、隔膜阀等作推拉运动的执行机构时，采用丝杠的方式直接接入，驱动蝶阀、球阀、风门等部分回转的执行机构时，采用加装蜗杆减速机构的方式接入。

2.6 本安直流电动阀限流设计

为了适应本安电源负载电流和冲击电流受限的特点，在电源的引入端口设计了限流电路。通过硬件对整机的工作电流进行初步限制，引入限流电路也可以有效隔离电机驱动电路中的大容量储能电容的能量向外部电路释放，避免产生可以点燃瓦斯的电火花。限流电路原理图如图3所示。

图3 限流电路原理图

图3中，整机工作电流通过R6进行取样，U3和分压电阻R7、R8为误差放大器LM258提供参考电压，当电流超过设定值时，误差放大器驱动调整管Q2进行分压，使得负载上的电压降低，从而保持电流恒定不再增大，实现了恒流限流的功能。

本安直流电动装置采用无刷直流电机[19-20]作为动力源。和有刷直流电机相比，无刷直流电动机没有换相电刷，运行时不会产生电火花，具有安全性高、噪声小、效率高、寿命长的特点。无刷直流电机依靠电子功率开关完成换相，故其驱动电路和驱动软件比有刷直流电机复杂得多。本电动装置采用MOS管无刷直流电机依靠电子功率开关完成换相，并采用MOS管作为电机换相的功率开关，将驱动开关、驱动电路和电动机的引线用环氧树脂浇封到一起，从而最大程度保证安全。由于电机功率较小，采用集成的PN双MOS芯片作为功率开关，使得整个驱动电路简洁、可靠。通过采样电阻和轨对轨运算放大器完成电流的采集和放大，将电流信号转换为电压信号并放大20倍后，进入微处理器的A/D转换模块转换为数字信号供软件处理。

3 系统性能试验

3.1 试验室测试

电动阀门执行器经过装配及初步调试完毕后，就地在试验室进行一般参数及转矩性能测试，测试数据记录如表1所示。

表1 测试数据记录

3.2 现场实际应用效果分析比较

2016年度，在四川芙蓉(集团)实业公司白皎煤矿泵站排水管道、四川省古叙煤田开发股份公司叙永煤矿抽放泵站，根据瓦斯浓度的大小自动开闭排空和供气的管道，分别进行了对应于不同应用场合及工况条件的工业性试验。试验期间，阀门平均4天动作一次。现场应用中，两个煤矿的运行均未出现故障，完全能够按照瓦斯抽放泵站生产运行流程实现阀门开关顺序及阀门开度等控制逻辑关系，实现了工业自动化控制。与传统阀门相比，本设计优化效果如下。①电动执行器与阀体一体化设计，有一套完整的一体化组装工艺。在装配及实际安装时较简易，避免了目前分体式的复杂结构和现场的繁琐安装；具备就地、远程控制功能，符合业界自动化控制需求；传统手动阀门，必须要有相关配件及管路安装才能匹配，装配相对复杂，需要承担较多的保养费用，且不能满足自动化控制要求的条件，电动阀门性能及经济成本较手动阀门划算。②电动阀门执行器具有多重保护机制与智能故障处理功能，在CPU程序内部建立一般故障数据库，可实时根据各传感器数据综合判断设备运行状态，保证执行器工作稳定可靠；较传统手动阀门开闭完全靠人工凭借工作经验控制，提升了实现故障预处理及预保护功能。③闸阀、蝶阀驱动兼容性设计，实现了一种执行器配接驱动两种阀体。④本安直流无刷电机驱动技术，满足本安电源负载电流和冲击电流受限要求。

4 结束语

本项目设计研发的一系列电动阀门采用一体化结构设计，与传统的分体式阀门电动执行器相比，具有维护成本低、操作简单方便、控制精度高、故障率低等优点，满足国家安全生产监督管理总局颁布的《关于开展“机械化换人、自动化减人”的通知》(安监总科技[2015]63号)要求。与目前煤炭自动化领域厂商生产的矿用一体化阀门电动执行器相比，本设计具有结构简单、腔体相对较少、有效减轻质量、降低安装和运输成本的优点。执行器具有多重自保护和故障处理系统，采用非侵入式操作和参数设置，在保障设备稳定、可靠运行的同时提供了友好的人机交互方式。产品具有灵活、丰富的控制与通信接口，便于不同工程和系统的应用；具有开放的通信协议，可以接入常用的工业现场控制系统，也可以无缝接入KJ90NB煤矿瓦斯监控系统。

电动阀门执行器的产品系列化，覆盖了煤矿现场常用管径范围，为产品竞争力的提升和经济的增长提供了支持。由前期的现场试验和部分产品的销售情况可以看出，该电动阀门执行器完全能够满足现场的实际需求，得到了客户的广泛认可，对煤炭相关企业实现抽采自动化及减少值班人员劳动强度的有重要意义。

[1] 谢碧蓉.总线型智能电动执行机构研究[J].重庆电力高等专科学校学报，2007,12(4):13-16.

[2] 袁辉.设备“转型升级”安全“脱胎换骨”：访国家安全监管总局规划科技司副司长施卫祖[J].现代职业安全,2015(9):8-13.

[3] 安群涛.三相电机驱动系统中逆变器故障诊断与容错控制策略研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[4] 张学辉.基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计[J].自动化仪表,2017,38(3)：41-43.

[5] 曹益凌.基于PLC技术在电气工程自动化控制中的应用分析[J].山东工业技术,2017(3):84-84.

[6] 谢碧蓉.总线型智能电动执行机构研究[D].重庆:重庆大学，2006.

[7] 张建渊.智能电动执行机构研究与实现[D].重庆:重庆大学，2006.

[8] 钱荣.阀门电动执行机构的控制与检测技术研究[D].北京:华北电力大学,2013.

[9] 付燕星，杨年法，盛占石，等.三相交流电源过零点及相序检测电路设计[J].信息技术,2016(3):132-135.

[10]刘东波，吕方，陈玉娟，等.现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用[J].自动化仪表,2015,36(11):41-44.

[11]陈新亚，牛玉广，余康，等.总线型智能电动执行机构的研究与设计[C]//全国自动化应用学术交流会暨中国计量学会冶金分会2009年会,2009.

[12]缪学勤.工业4.0推动机电一体化走向智能技术系统[J].自动化仪表,2016,37(1):1-5.

[13]杜品圣.回归“工业4.0”的本源,驶向智能制造的快车道[J].自动化仪表,2016,37(6):1-7.

[14]祝荣荣，张士文，殳国华.智能型阀门电动执行机构控制器的设计[J].工业仪表与自动化装置,2005(4):26-28.

[15]诸银兴，施竹仁，巢乐，等.现场总线智能电动执行机构的研制[J].自动化仪表,2001,22(2):5-6.

[16]王晓明，刘大为，孙力，等.智能型阀门电动执行机构控制器的研制[J].管道技术与设备,2008(1):22-23.

[17]陈新亚，牛玉广，余康，等.总线型智能电动执行机构的研究与设计[J].冶金自动化,2009,33(s2)：812-816.

[18]王莉,王福忠,苏波,等. 机电一体化智能大流量电动执行机构的研究[J]. 工业仪表与自动化装置,2003(3):20-23.

[19]朱世安.煤矿无刷直流电机无位置传感器启动技术[J].煤矿安全,2016,47(6):115-118.

[20]张懿，徐源，魏海峰.电动阀门用无刷直流电机控制系统设计[J].变频器世界,2016(9):80-82.

Development and Application of the Explosion Isolated Electric Valve Actuator for Mining Use

WAN Yong

(Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Chongqing 400039,China)

At present,in most of the ground permanent gas pumping stations and power generation stations of coal mines,due to the fact that the traditional manual operated valves are used,remote operation and automatic logic control cannot be implemented for the pipeline system;to solve the problems,the control theory based on RS-485 is proposed. Adopting the local and intrinsic safe button and PC KingVIEW configuration software,the explosion isolated electric valve actuator for mining use is designed and developed to control On/Off and opening of the valve on spot and lemotely.Combined with the management software,the remote,automatic control and opening control can be realized,and the working principle is expounded.The valve actuator features low maintenance cost,simple and convenient operation,high control precision and low failure rate.Through the practical application in the coal mine site for a long period,the explosion isolated electric valve actuator can completely implement the automatic control according to the logic program and procedures programmed in advance.It is of great significance for the relevant coal enterprises to realize the automation and reduce the labor intensity of the workers in the pipeline systems of the gas extraction and coalbed methane utilization.

Coal mine; Explosion-proof; Exd; Electric valve; Actuator; Current limiting circuit; Communication

国家“十三五”重大专项基金资助项目(101564116、101564216)、中煤科工集团重庆研究院有限公司矿用阀门项目(CQ1616)

万勇(1980—)，男，学士，工程师，主要从事瓦斯抽放监控技术和仪器仪表及自动化系统的研发工作。 E-mail:280210058@qq.com。

TH-39；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708013

修改稿收到日期:2017-04-07