防止電動執行機構閥位丟失的新設計

王繼沖 郭敏

摘 要 當今在電力、化工、冶金等領域廣泛使用的非侵入電動執行機構，多數采用霍爾元件計數器作為閥位反饋裝置，該閥位反饋裝置必須在控制電路有供電電源的情況下才能發揮作用，當電動執行機構斷電后，只能依靠干電池保持閥位。本文通過設計一款利用全浮充蓄電池組防止電動執行機構閥位丟失的裝置，代替了原干電池。在電動執行機構供電工作期間，對蓄電池持續浮充;在電動執行機構停電檢修過程中，采用蓄電池作為閥位記憶電源。因該裝置選擇的蓄電池組容量遠遠大于干電池，其持續工作時間將大大加長。通過適當選取蓄電池容量，完全可以實現電池免更換。隨著新能源汽車的快速普及，我國動力鋰電池的數量與日俱增，退役動力鋰電池的梯次利用被提上日程。新能源汽車淘汰下來的動力鋰電池電芯恰恰是作為電動執行機構浮充蓄電池的絕佳選擇。通過資源優化配置，即可以為退役動力鋰電池的梯次利用開辟新的市場，同時又為增加浮充蓄電池裝置的新型電動執行機構降低生產成本。

關鍵詞 電動執行機構 閥位 全浮充 動力鋰電池 梯次利用

中圖分類號：TM32 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）03-0026-02

1 概述

電動執行機構是一種能提供直線或旋轉運動的驅動裝置，它利用電動機驅動并在某種控制信號作用下工作，用以控制閥門、閘門、連桿等目標執行器的動作。其基本類型有部分回轉（Part-Turn）、多回轉（Multi-Turn）及直行程（Linear）三種形式。

如從維護操作方式方面來分類，電動執行機構分為侵入式電動執行機構和非侵入電動執行機構兩類。侵入式電動執行機構需要拆下執行機構外殼，通過凸輪、絲桿、螺母、齒輪等機械結構的調整來進行力矩、限位等功用的設置和調試，維護調試相對繁瑣;而非侵入電動執行機構用紅外線設定遙控器就可快速對進行力矩、限位、控制及顯現功用的調整，維護調試簡單便利。

現在的非侵入電動執行機構里面多數都裝有干電池，斷電后能夠保持閥位記憶不被變更，不管動力電源供給與否，均可對執行器進行非侵入式設定。[1]

2 存在的問題

隨著工業自動化水平的提升以及人工成本的增加，非侵入電動執行機構的使用在電力、化工、冶金等領域愈發廣泛，但在使用中也暴露出一些問題。

早期的非侵入電動執行機構部分采用可變電阻來反饋閥位變化。由于控制電路線路電阻易受外界因素干擾，可變電阻相關電路必須進行特殊設計，且閥位記憶效果不佳，當今多數非侵入電動執行機構已不再采用。

現在的非侵入電動執行機構多數采用霍爾元件計數器來反饋閥位變化?；魻栐嫈灯饔芯雀?、信號容易處理、適合數字電路、造價低廉等優勢;但同時，也存在斷電后無法計數、無法發出脈沖信號的硬傷。

霍爾元件作為閥位反饋裝置，必須在控制電路有供電電源的情況下發揮作用，當電動執行機構斷電后，只能依靠干電池保持閥位（部分電動門在有供電時依然依靠干電池保持閥位）。受限于干電池容量較小，受氣溫、濕度等因素影響性能波動大，在工廠停電檢修期間很容易發生閥位丟失或者閥位不正常改變的情況。定期更換電池可部分解決這一問題，但并不徹底，很容易發生疏漏。一旦出現閥位丟失或者改變，輕者需重新設置，影響系統試運、設備開機;重者閥位記憶錯誤，可能會損壞閥門、頂彎閥桿;給工廠造成惡劣影響，帶來巨大損失。

3 解決方案

為了避免這些不良影響發生，我們參照汽車啟動蓄電池的思路，設計了一款利用全浮充蓄電池組防止電動執行機構閥位丟失的裝置。接線示意圖如下（圖1）。

該裝置中蓄電池組的充電電源取自電動執行機構供電電源（AC380V或者AC220V），通過隔離變、直流電源模塊將電源轉換為與電動執行機構所要求干電池電壓一致的直流電壓，在電動執行機構供電工作期間，對蓄電池持續浮充;在電動執行機構停電檢修過程中，采用蓄電池作為閥位記憶電源。

因該裝置選擇的蓄電池組容量遠遠大于干電池，其持續工作時間將大大加長。電力、化工、冶金等行業生產較為連續，例如，正常情況下，發電廠電動執行機構停電檢修時間不會超過3個月（一個完整的機組A級檢修時長）。通過適當選取蓄電池容量，完全可以保證3個月甚至半年內不會發生閥位丟失等故障。電動門送電后立即開始給蓄電池充電應對以后工況需要，充電完成后一直保持全浮充狀態。這樣就完全實現了電池免更換，也在一定程度上實現了電動執行機構免維護，大大提高了電動執行機構的設備可靠性，減少了調試維護工作量。[2]

4 實驗驗證

我們利用生產現場具備的條件，采用1臺修復的上儀AI系列非侵入式電動執行機構、1臺隔離變壓器（輸入AC380V，輸出AC220V）、1臺9V路由器用蓄電池（標稱容量3000mAh）及其電源適配器搭建起了實驗平臺。

在9V蓄電池浮充滿電后，對該實驗平臺斷開AC380V電源，經3個月時長驗證，該實驗平臺閥位記憶仍然正確，所有斷電后手搖操作均未對電動執行機構閥位記憶造成影響。證實該設計思路完全可以實現預期目標。

5 設計的意義

1.對于生產企業來講，將所有已投用電動執行機構按此設計思路進行逐一改造，需要占用的工作量較大，也沒有必要。但可以選擇性地對部分有必要改造的電動執行機構增加外掛的全浮充蓄電池組以提高設備整體的可靠性。

2.對于電動門生產廠家來講，按此設計思路生產帶有利用蓄電池防止電動門閥位丟失的裝置更有價值。裝置中隔離變壓器、電源轉換模塊均可集成于電動門的變壓器模塊中，而裝置中的蓄電池組可安裝于接線端子端蓋中，并采用相應的防著火措施提高安全性。這一創新對提升我國裝備制造業競爭力有一定的幫助。[3]

3.隨著新能源汽車的快速普及，我國動力鋰電池的數量與日俱增，電池原材料價格的不斷上漲，大量廢棄電池對環境影響的壓力也越來越大，退役動力鋰電池的梯次利用被提上日程。由于循環壽命長（三元鋰電池循環次數約800次，磷酸鐵鋰電池循環次數甚至可達2500次）、重量輕、能量密度高等優勢，新能源汽車淘汰下來的動力鋰電池電芯恰恰是作為電動執行機構浮充蓄電池的絕佳選擇。通過資源優化配置，即可以為退役動力鋰電池的梯次利用開辟新的市場，同時又為新型電動執行機構的生產降低了成本。

參考文獻：

[1] 張兵，唐猛，王金鵬，幸權.智能電動執行器力矩保護控制系統設計[J].微特電機，2014，42（08）：80-82.

[2] 閆敏，李靜.基于AT89C51單片機控制的閥門電動執行器設計[C].第十五屆沈陽科學學術年會論文集，2018.

[3] 趙慧嫻，吳新偉.一種電動執行器控制系統設計與應用[J].儀表技術與傳感器，2017（04）：83-87.

1.廣州華潤熱電有限公司，廣東 廣州

2.中國科學院 廣州工業研究院，廣東 廣州