Электропривод регулирующей трубопроводной арматуры «ГУСАР»

Электроприводы изготавливаются с электродвигателями постоянного или переменного тока. Электроприводы переменного тока, как правило, используются на стационарных объектах, а постоянного тока — в транспорте и системах с резервным питанием. Большое применение электроприводы регулирующей трубопроводной арматуры находят в таких отраслях промышленности, как нефтегазовая, химическая и пищевая.

По конструкции редуктора приводы делят на червячные, планетарные, цилиндрические, кулисно-винтовые и сложные (состоящие из двух или более типов передач).

В зависимости от величины и вида перемещения выходного элемента различают многооборотные, неполно­поворотные и прямоходные приводы.

Современный рынок приводов регулирующей трубопроводной арматуры на территории России широко представлен крупными производителями, такими как AUMA и ROTORK. В данной статье рассмотрим новую отечественную разработку, не имеющую аналогов в России, — взрывозащищенный электропривод «ГУСАР» совместной разработки ООО «Мехатроника-Томск» и ООО НПО «Сибирский Машиностроитель».

Существенным отличием данного привода от большинства отечественных и зарубежных аналогов является применение синхронного электродвигателя на постоянных магнитах производства АО «Калужский электромеханический завод». Благодаря этому удалось достичь значительного снижения массы и габаритов устройства, а также повысить энергоэффективность привода в целом. В отличие от массово применяемых асинхронных двигателей, синхронный имеет более высокую перегрузочную способность, что позволяет в режиме уплотнения кратковременно выработать момент, превышающий номинальный в 3–4 раза — без ухудшения характеристик двигателя при дальнейшей эксплуатации. Изображение электропривода приведено на рис. 1. Применение волнового редуктора позволяет также уменьшить массогабаритные характеристики механической части редуктора и оболочки привода даже при наличии ручного дублера.

Рис. 1. Электропривод «ГУСАР» с синхронным электродвигателем ДСМ

Заложенные в блоке управления энергонезависимые энкодеры, один из которых является абсолютным многооборотным, дают возможность использовать блок управления для регулирования положения в многооборотных, неполноповоротных и прямоходных задвижках, что значительно расширяет спектр их применения. Точность останова выходного звена редуктора контролируется с погрешностью не более ±2°.

Отсутствие энергозависимых датчиков позволяет исключить периодические замены элементов питания, подверженных воздействию низких температур.

С целью удержания вала двигателя в точке останова после потери питания или в режиме останова применен электромагнитный тормоз, который в том числе обеспечивает удержание двигателя при работе ручного дублера.

Основные параметры электропривода приведены в таблице.

Встроенное программное обеспечение (ПО) предусматривает управление синхронным электродвигателем в нескольких режимах (моментный, скоростной и позиционный), что позволяет покрыть все возможные варианты применения электропривода задвижки. Полный перечень функций привода представлен следующим образом:

• открытие, закрытие и регулировка проходного сечения трубопроводной арматуры;
• остановка в любых промежуточных положениях по всей длине хода;
• останов электропривода при превышении усилия на выходном звене;
• автоматический повторный пуск электропривода в случае заклинивания запорной арматуры;
• уплотнение (герметизация) запорной арматуры в конечных положениях;
• аварийное перемещение запорной арматуры в заданное положение по сигналу аварии;
• тактовый режим работы электропривода для исключения гидравлических ударов в трубопроводах;
• дистанционное переключение источника команд управления;
• отключение электродвигателя от сети электропитания в аварийных режимах;
• локальное управление электроприводом с лицевой панели блока;
• дистанционное управление электроприводом по цепям управления;
• индикация параметров и режимов работы на лицевой панели;
• быстрая калибровка электропривода по положению без вскрытия корпуса на месте эксплуатации.

Большое значение имеет также вопрос защиты работы блока управления и механической части. Так, чтобы обеспечить функционирование привода задвижек в тяжелых условиях эксплуатации, в температурном диапазоне –60…+50 °С предусмотрена система подогрева компонентов привода. Помимо этого, в системе управления есть защиты, связанные с остановкой электропривода и последующей выдачей соответствующего сигнала при следующих аварийных ситуациях:

• превышение усилия на выходном звене;
• заклинивание запорной арматуры;
• авария сети электропитания (обрыв фаз, повышенное и пониженное напряжение);
• перегрев электродвигателя;
• перегрузка электродвигателя;
• короткое замыкание обмоток электродвигателя;
• заклинивание вала электродвигателя;
• перегрев и переохлаждение блока;
• ввод некорректных параметров настройки блока.

В электроприводе предусмотрены и сервисные функции, позволяющие оценить состояние блока:

• самодиагностика внутренних электронных узлов блока и электропривода;
• учет, архивирование событий и аварий, пусков, количества циклов работы в энергонезависимом журнале.

С целью интеграции в различные технологические процессы, оснащенные как дискретными, так и цифровыми каналами связи, в блок управления интегрированы такие популярные интерфейсы, как RS-485, CAN, USB, Bluetooth, а также аналоговые каналы управления (рис. 2). Дискретные каналы управления предусматривают наличие четырех входов и шести выходов. Токовое аналоговое управление строится на применении одного входа и одного выхода 4–20 мА.

Рис. 2. Функциональная схема системы электропривода:
ДП1 — датчик положения 1,
ДП2 — датчик положения 2,
ИО — исполнительный орган,
МУ — модуль индикации,
СД — синхронный электродвигатель;
ДТ — датчик температуры;
НЭ — нагревательный элемент;
СИ — силовой инвертор;
МПУ — местный мост управления

Использование каналов связи по USB или Bluetooth позволило дать возможность не только настройки привода и локального управления режимами работы, но и обновления прошивки без использования программаторов. Это позволяет анализировать архивы событий и проводить модернизацию ПО блока без вскрытия его корпуса, получив доступ с мобильного телефона или компьютера. Для работы с блоком через USB пользователю предоставляется специализированное ПО MViewer (рис. 3), которое обеспечивает управление и отображение всех параметров блока, логов событий и построение графиков по всем регулируемым координатам привода: скорость, положение, момент и т. д.

Рис. 3. Переходные процессы тока (зеленый) и положения выходного звена (синий), полученные в программе MViewer

Помимо удаленного управления по цифровым или дискретным интерфейсам, пользователю предоставляется возможность локального управления от пульта, интегрированного в блок управления. Для отображения меню и параметров применен двухстрочный 8-символьный LCD-индикатор.

Стоит отметить, что от ближайших аналогов электропривод «ГУСАР», помимо применения синхронного электродвигателя и малых массогабаритов, отличается и доступом к облачной платформе. Развитие цифровых систем управления и сбора информации подталкивает производителей к переосмыслению классических принципов конструирования электроприводов, в том числе запорной арматуры. Доступ к облачной платформе позволяет интегрировать функции, присущие «Интернету вещей»:

• сбор больших данных от технологического оборудования, систем и комплексов;
• обработка массивов больших данных согласно заданным правилам;
• предиктивный анализ состояния оборудования;
• выработка рекомендаций и управляющих воздействий;
• хранение базы данных состояний оборудования;
• хранение библиотеки обновляемого ПО с функцией автообновления.

Такие функции позволяют:

• сократить издержки на обслуживание и контроль за оборудованием;
• снизить риски возникновения техногенных аварий и катастроф;
• предотвратить выход из строя сложного оборудования и не допустить останов технологических процессов;
• предоставить достоверную информацию управляющему звену предприятия;
• сформировать гибко планируемые сроки на планово-предупредительные работы и обслуживание;
• идентифицировать с высокой долей вероятности причины выхода из строя оборудования;
• минимизировать влияние неквалифицированного персонала на расстройство технологического процесса.