防止电动执行机构阀位丢失的新设计
王继冲 郭敏
摘 要 当今在电力、化工、冶金等领域广泛使用的非侵入电动执行机构，多数采用霍尔元件计数器作为阀位反馈装置，该阀位反馈装置必须在控制电路有供电电源的情况下才能发挥作用，当电动执行机构断电后，只能依靠干电池保持阀位。本文通过设计一款利用全浮充蓄电池组防止电动执行机构阀位丢失的装置，代替了原干电池。在电动执行机构供电工作期间，对蓄电池持续浮充;在电动执行机构停电检修过程中，采用蓄电池作为阀位记忆电源。因该装置选择的蓄电池组容量远远大于干电池，其持续工作时间将大大加长。通过适当选取蓄电池容量，完全可以实现电池免更换。随着新能源汽车的快速普及，我国动力锂电池的数量与日俱增，退役动力锂电池的梯次利用被提上日程。新能源汽车淘汰下来的动力锂电池电芯恰恰是作为电动执行机构浮充蓄电池的绝佳选择。通过资源优化配置，即可以为退役动力锂电池的梯次利用开辟新的市场，同时又为增加浮充蓄电池装置的新型电动执行机构降低生产成本。
关键词 电动执行机构 阀位 全浮充 动力锂电池 梯次利用
中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）03-0026-02
1 概述
电动执行机构是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用电动机驱动并在某种控制信号作用下工作，用以控制阀门、闸门、连杆等目标执行器的动作。其基本类型有部分回转（Part-Turn）、多回转（Multi-Turn）及直行程（Linear）三种形式。
如从维护操作方式方面来分类，电动执行机构分为侵入式电动执行机构和非侵入电动执行机构两类。侵入式电动执行机构需要拆下执行机构外壳，通过凸轮、丝杆、螺母、齿轮等机械结构的调整来进行力矩、限位等功用的设置和调试，维护调试相对繁琐;而非侵入电动执行机构用红外线设定遥控器就可快速对进行力矩、限位、控制及显现功用的调整，维护调试简单便利。
现在的非侵入电动执行机构里面多数都装有干电池，断电后能够保持阀位记忆不被变更，不管动力电源供给与否，均可对执行器进行非侵入式设定。[1]
2 存在的问题
随着工业自动化水平的提升以及人工成本的增加，非侵入电动执行机构的使用在电力、化工、冶金等领域愈发广泛，但在使用中也暴露出一些问题。
早期的非侵入电动执行机构部分采用可变电阻来反馈阀位变化。由于控制电路线路电阻易受外界因素干扰，可变电阻相关电路必须进行特殊设计，且阀位记忆效果不佳，当今多数非侵入电动执行机构已不再采用。
现在的非侵入电动执行机构多数采用霍尔元件计数器来反馈阀位变化。霍尔元件计数器有精度高、信号容易处理、适合数字电路、造价低廉等优势;但同时，也存在断电后无法计数、无法发出脉冲信号的硬伤。
霍尔元件作为阀位反馈装置，必须在控制电路有供电电源的情况下发挥作用，当电动执行机构断电后，只能依靠干电池保持阀位（部分電动门在有供电时依然依靠干电池保持阀位）。受限于干电池容量较小，受气温、湿度等因素影响性能波动大，在工厂停电检修期间很容易发生阀位丢失或者阀位不正常改变的情况。定期更换电池可部分解决这一问题，但并不彻底，很容易发生疏漏。一旦出现阀位丢失或者改变，轻者需重新设置，影响系统试运、设备开机;重者阀位记忆错误，可能会损坏阀门、顶弯阀杆;给工厂造成恶劣影响，带来巨大损失。
3 解决方案
为了避免这些不良影响发生，我们参照汽车启动蓄电池的思路，设计了一款利用全浮充蓄电池组防止电动执行机构阀位丢失的装置。接线示意图如下（图1）。
该装置中蓄电池组的充电电源取自电动执行机构供电电源（AC380V或者AC220V），通过隔离变、直流电源模块将电源转换为与电动执行机构所要求干电池电压一致的直流电压，在电动执行机构供电工作期间，对蓄电池持续浮充;在电动执行机构停电检修过程中，采用蓄电池作为阀位记忆电源。
因该装置选择的蓄电池组容量远远大于干电池，其持续工作时间将大大加长。电力、化工、冶金等行业生产较为连续，例如，正常情况下，发电厂电动执行机构停电检修时间不会超过3个月（一个完整的机组A级检修时长）。通过适当选取蓄电池容量，完全可以保证3个月甚至半年内不会发生阀位丢失等故障。电动门送电后立即开始给蓄电池充电应对以后工况需要，充电完成后一直保持全浮充状态。这样就完全实现了电池免更换，也在一定程度上实现了电动执行机构免维护，大大提高了电动执行机构的设备可靠性，减少了调试维护工作量。[2]
4 实验验证
我们利用生产现场具备的条件，采用1台修复的上仪AI系列非侵入式电动执行机构、1台隔离变压器（输入AC380V，输出AC220V）、1台9V路由器用蓄电池（标称容量3000mAh）及其电源适配器搭建起了实验平台。
在9V蓄电池浮充满电后，对该实验平台断开AC380V电源，经3个月时长验证，该实验平台阀位记忆仍然正确，所有断电后手摇操作均未对电动执行机构阀位记忆造成影响。证实该设计思路完全可以实现预期目标。
5 设计的意义
1.对于生产企业来讲，将所有已投用电动执行机构按此设计思路进行逐一改造，需要占用的工作量较大，也没有必要。但可以选择性地对部分有必要改造的电动执行机构增加外挂的全浮充蓄电池组以提高设备整体的可靠性。
2.对于电动门生产厂家来讲，按此设计思路生产带有利用蓄电池防止电动门阀位丢失的装置更有价值。装置中隔离变压器、电源转换模块均可集成于电动门的变压器模块中，而装置中的蓄电池组可安装于接线端子端盖中，并采用相应的防着火措施提高安全性。这一创新对提升我国装备制造业竞争力有一定的帮助。[3]
3.随着新能源汽车的快速普及，我国动力锂电池的数量与日俱增，电池原材料价格的不断上涨，大量废弃电池对环境影响的压力也越来越大，退役动力锂电池的梯次利用被提上日程。由于循环寿命长（三元锂电池循环次数约800次，磷酸铁锂电池循环次数甚至可达2500次）、重量轻、能量密度高等优势，新能源汽车淘汰下来的动力锂电池电芯恰恰是作为电动执行机构浮充蓄电池的绝佳选择。通过资源优化配置，即可以为退役动力锂电池的梯次利用开辟新的市场，同时又为新型电动执行机构的生产降低了成本。
参考文献：
[1] 张兵，唐猛，王金鹏，幸权.智能电动执行器力矩保护控制系统设计[J].微特电机，2014，42（08）：80-82.
[2] 闫敏，李静.基于AT89C51单片机控制的阀门电动执行器设计[C].第十五届沈阳科学学术年会论文集，2018.
[3] 赵慧娴，吴新伟.一种电动执行器控制系统设计与应用[J].仪表技术与传感器，2017（04）：83-87.
1.广州华润热电有限公司，广东 广州
2.中国科学院 广州工业研究院，广东 广州
