Мехатронные подшипниковые узлы электроприводов линейной арматуры трубопроводов

А.М. Малышенко, Е.И.Громаков, А.В.Воронин, Томский политехнический университет (mam@tpu.ru)


Запорно-регулирующая арматура (ЗРА) является довольно распространенным исполнительным механизмом, применяемым при перекачке нефти и нефтепродуктов по магистральным нефтепроводам. Основным ее назначением является изменение сечения нефтепровода в целях регулирования потока жидкости. Потребность в компактных, экономичных и надежных приводах для ЗРА остается актуальной и в настоящее время. Качественное улучшение работы электроприводов ЗРА может быть достигнуто за счет применения современных технологий управления, в том числе, технологий интеллектуального управления асинхронными двигателями (АД), которые, в настоящее время, являются основой практически любого электропривода ЗРА.

Для интеллектуальной системы управления задвижкой на основе электропривода  проблемой является точная идентификация вращающего момента  двигателя и его формирование во времени  с заданной точностью  (в первую очередь речь идет о так называемой  надежной "работе на упор") на всем сроке эксплуатации.

В частности, типовыми можно считать такие требования как:   

1.   Устройство должно обеспечивать требуемый закон изменения момента во времени с точностью порядка 10% от заданного значения.

2.   Устройство должно обеспечивать "останов" с точностью до 10 градусов поворота штока арматуры.

3.   Устройство должно быть дистанционно управляемым по каналам компьютерных интерфейсов.

Достаточно жесткие требования к формированию момента объясняются тем, что важным  показателем качества при работе задвижки является герметичность закрытия клинового затвора. Герметичность обеспечивается силой сжимания уплотнительных поверхностей, которая создается в результате углового перемещения затвора в зоне его "работы на упор" в специально подобранной на заводе изготовителе геометрии уплотняющих поверхностей.

Реализация высоких требований эксплуатационных характеристик запорной арматуры предполагает решение трех задач: углового контроля  вектора вращающего момента, контроль позиционного положения исполнительного органа – клина задвижки и организация такого управления АД, при котором можно было бы четко задавать и контролировать уровень момента на выходе электродвигателя в каждый момент времени.

Фактически, это означает то, что требуется организовать на основе электропривода такую систему управления поворотом задвижки, которая за счет внешних характеристик АД могла бы обеспечивать необходимые моменты во  всем рабочем диапазоне  позиционных перемещений запорной арматуры. В  этих задачах важную роль играет датчик положения.

Решение первой задачи связано с контролем позиционного положения ротора при формировании вращения его потокосцепления. Вариантом указанной схемы является микропроцессорная система прямого управления моментом,  решающая в реальном времени системы дифференциальных уравнений, описывающих работу асинхронного двигателя, с целью вычисления потока и момента двигателя и посредством инвертора коммутирующий вращающий магнитный  поток и момент двигателя.

Решение второй задачи связано с  повышением надежности приводов за счет исключения из системы механических муфт и концевых выключателей при достижении задвижкой крайних положений.

Решение третьей задачи связано с реализацией запорно-регулирующего режима работы арматуры, позволяющей оптимизировать динамические режимы потока энергоносителя в нефтепроводах.  Как правило,  датчики положения в этом режиме должны измерять угловое положение, считать число выполненных оборотов двигателя в единицу времени. Определение положения задвижки в каждый момент времени позволяет выполнять требования  технологического процесса управления потоком в трубопроводе, задавая различные параметры отработки для каждой из его координат: скорости движения, площади сечения, силы уплотнения, обеспечивающей герметичность перекрытия, времени выдержки момента на упоре и т.д. Это, в свою очередь, дает возможность более эффективно отрабатывать технологический процесс поворота задвижки для режима движения в середине траектории (небольшой момент ограничения, высокая скорость вращения ротора) и в концевых положениях (небольшая скорость движения, выставленное моментоограничение в зоне конечного положения).

Еще одна функция датчика положения – информационная, обеспечивающая формирование телеметрического сигнала при достижении крайнего положения задвижки.

Применение датчика положения позволяет также реализовать возможность самонастройки электропривода путем определения крайних положений арматуры. В режиме автокалибровки привод периодически может определять свои  крайние положения ("открыто", "закрыто") через останов по моментоограничению. Такая  система моментоограничения обеспечивает также защиту от заклинивания механизма.

В рамках приведенных требований к функциональным характеристикам электропривода ЗРА становится очевидным необходимость  оптимизации его конструкции за счет комплексного подхода к разработке электродвигателя, редуктора, блока измерения и управления в сочетании с реализацией алгоритмов прямого цифрового управления задвижкой. Привод управления задвижкой должен проектироваться как мехатронный модуль движения, в который конструктивно в виде единого блока интегрированы устройства контроля позиционирования,  контроллер управления приводом, силовой преобразователь, исполнительный двигатель и редуктор. При этом важна не только интеграция электронной и механической  частей, но и интеграция системы измерения и наблюдения, с тем, чтобы мехатронный узел использовал бы всю необходимую информацию о позиционных координатах и при этом был компактным, надежным, желательно многофункциональным и совместимым с современными средствами дистанционной обработки и передачи информации.

Известны типовые мехатронные решения опорного модуля привода в различных областях техники, некоторые из которых могут служить прототипами при создании приводов ЗРА. Одним из таких решений является ASB технология (разработанная компанией SNR Roulements) управление колесами автомобиля, для реализации которой используются "интеллектуальные" подшипники, сочетающие функции обычного силового подшипника с возможностями многофункционального датчика положения и угловой скорости (cм. статья "Мехатронные подшипники ASB"). В новых разработках. SNR с помощью подобного мехатронного модуля измеряются также температура и амплитуды вибрации. Sensor Line Encoder (промышленный мехатронный блок ASB разработки SNR), встроенный в подшипник, обеспечивает точность позиционирования более, чем 0,1°.

Это позволяет сделать подшипниковый узел любого электропривода еще более функциональным. В автомобилестроении, применение подобных элементов позволило получить значительный эффект в компактности, надежности и стоимости ступичных узлов автомобилей.

"Мехатронный" подшипник представляет собой объединение в одной конструкции механического устройства, чувствительного элемента и микропроцессорного устройства, обеспечивающего передачу измерительной информации по стандартным цифровым CAN каналам связи. Для измерения положения внутреннего кольца подшипника относительно наружного в ASB модулях используются датчики Холла, которые хорошо зарекомендовали себя в системах управления трехфазными электродвигателями различных приводов, особенно, с высокими пусковыми нагрузками.



Рис. 1.

Датчик Холла относится к измерителям накапливающего типа, так как предполагает вычисление угловых координат по "квадратурным" сигналам, поступающим с чувствительных устройств. В частности, датчик SS526DT f. Honeywell объединяет в одном корпусе два независимых сенсора Холла, центры которых удалены друг от друга  строго на 1,4 мм. Они расположены так, чтобы посылать два прямоугольных сигнала с фазовым смещением 90°. Поскольку при этом вместе с направлением вращения изменяется и знак фазового смещения, то его можно непосредственно использовать в качестве индикации направления вращения в реальном времени. Такое схемное решение датчика Холла позволяет многократно увеличить разрешающую позиционную способность датчика. Одновременно такой датчик позволяет с высокой точностью формировать вектор управления трех фазным АД.

Подшипники со встроенными датчиками обладают рядом  преимуществ по сравнению с внешними датчиками и кодирующими устройствами:

·     прочной и простой конструкцией, защищенной от внешних механических и электромагнитных воздействий;

·     простотой сборки - дополнительные механические связи и регулировки не требуются;

·     интеграцией и стандартизацией, способствующих оптимизации эксплуатационных свойств деталей и снижению полной стоимости для потребителя;

Использование мехатронных узлов для управления ЗРА, позволяет с высокой точностью определять скорость, угловое положение, момент электродвигателя по его внутренним параметрам. Это в свою очередь позволяет решать все основные задачи технологического процесса управления потоком в трубопроводе. Мехатронные узлы обеспечивают высокие эксплуатационные способности ЗРА в течение длительного срока.

Источник информации
Портал машиностроения
Опубликовано 03.08.2006