Электроприводы

Автор: Антропов А.Т., Компания ЭлеСи

В качестве примера можно привести линейные технологические сооружения магистральных нефтепроводов, газопроводов и продуктопроводов, а так же промысловые площадки нефтегазодобывающих предприятий.  

В связи с тем, что такие технологические сооружения удалены от пунктов обслуживания и диспетчерских пунктов на значительные расстояния, к электроприводу трубопроводной арматуры управляемой по каналам телемеханики предъявляются особые требования.   Прежде всего, это касается надежности работы всех элементов электропривода трубопроводной арматуры, начиная от пускозащитной аппаратуры, заканчивая датчиками контроля положения.

Парк трубопроводной арматуры, используемой на удаленных технологических сооружениях, состоит в основном из электроприводов различных производителей на базе асинхронных электродвигателей переменного тока, оснащенных контактными (электромеханическими) датчиками положения и предельного крутящего момента на выходном валу электропривода.

Основными достоинствами  указанных электроприводов являются простота управления и неприхотливость к отклонениям параметров питающей сети.  Действительно, схема управления электроприводом, приведенная на рисунке 1, предельно проста. Она предусматривает пуск приводного электродвигателя трубопроводной арматуры прямым включением в сеть с помощью магнитных пускателей и его отключение от сети посредством тех же магнитных пускателей.  Включение и отключение приводного электродвигателя  может быть инициировано либо автоматически, замыканием соответствующих контактов в системе автоматики, либо эксплуатирующим персоналом по месту установки арматуры с помощью кнопок местного управления.

Ограничение хода запорного элемента арматуры в ту или иную сторону осуществляется контактными путевыми и моментными выключателями, которые размыкают цепь питания магнитного пускателя электродвигателя. Указанные путевые и моментные  выключатели связаны с выходным валом электропривода запорной арматуры специальным кулачковым механизмом.

Схема управления предусматривает так же защиту приводного электродвигателя трубопроводной арматуры от перегрузок и коротких замыканий с помощью теплового реле и автоматического выключателя с комбинированным расцепителем.

В тоже время электроприводы с электромеханическими датчиками положения отличаются рядом довольно существенных недостатков. Прежде всего, это сложность настройки контактных датчиков контроля положения и крутящего момента  на выходном валу электропривода, особенно заметная в полевых условиях, характерных для удаленных технологических сооружений. Это усугубляется необходимостью достаточно частой перенастройки, поскольку положение контактных датчиков в процессе эксплуатации сбивается. Кроме того, контактные датчики контроля положения и крутящего момента ненадежны в эксплуатации, часто подгорают и залипают.

К недостаткам можно отнести так же защиту электродвигателя от перегрузок с помощью тепловых реле.  Указанные реле имеют низкую эксплуатационную надежность и большой разброс параметров. Кроме того, для возврата реле в исходное положение после срабатывания, необходимо привлечение обслуживающего персонала. А это требует больших материальных и временных затрат на удаленных технологических сооружениях, управляемых по каналам телемеханики.

Не лучшим образом сказывается на состоянии трубопроводной арматуры и прямой пуск электродвигателя. При прямом пуске асинхронного электродвигателя происходит резкий скачок крутящего момента (удар), что снижает эксплуатационный ресурс, как самого электропривода,   так и запорной арматуры.

С целью устранения перечисленных недостатков предприятия, производящие электроприводы трубопроводной арматуры, начали постепенный переход на современную элементную базу.

Новые электроприводы трубопроводной арматуры оснащаются бесконтактными электронными датчиками положения и момента. В них встраиваются электронные плавные пускатели и преобразователи частоты для управления приводным электродвигателем. Примером могут служить взрывозащищенные электроприводы типа ЭПЦ производства  ЗАО «ТОМЗЭЛ» либо «ТОМПРИН» производства ООО НПО «Сибмаш».

Электроприводы ЭПЦ  ЗАО «ТОМЗЭЛ» оснащены асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями и электронными блоками управления типа БУР, производства ЗАО «ЭлеСи» и ООО НПП  ТЭК г. Томск.

Блоки управления БУР имеют три модификации М, Д, Т. Блоки всех модификаций оснащены бесконтактным энергонезависимым электронным датчиком положения. Контроль крутящего момента на выходном валу электропривода и его ограничение осуществляется так же с помощью электроники косвенным путем исходя из текущих значений тока и напряжения, потребляемых приводным электродвигателем.

Предусмотрена возможность настройки электроприводов без вскрытия блока с помощью кнопок местного управления либо с помощью  внешнего пульта через  инфракрасный последовательный порт.

Все блоки БУР имеют встроенный электронный пускатель, позволяющий производить плавный пуск электродвигателя. Кроме того, в блоках БУР производства ЗАО «ЭлеСи» с помощью указанного электронного пускателя предусмотрено формирование момента электродвигателя,   как при отрыве запорного органа, так и при его затяжке.  

Отличие модификаций блоков БУР друг от друга заключается в следующем. В блоки БУР модификации М встраивается нереверсивный электронный  пускатель. Поэтому блоки БУР модификации М применяются в комплекте с внешним реверсивным магнитным пускателем.

В блоках БУР исполнения Д и Т применяется реверсивный электронный пускатель приводного электродвигателя и, следовательно, установка дополнительных магнитных пускателей не требуется. Кроме того блоки БУР исполнения Т оснащены последовательным интерфейсом  RS-485  с протоколом обмена Modbus RTU для связи современными системами телемеханики и автоматики.

Электроприводы «ТОМПРИН» на базе волновых редукторов и асинхронных короткозамкнутых электродвигателей оснащаются электронными блоками управления типа ESD-VC производства ЗАО «ЭлеСи».

Отличие электроприводов «ТОМПРИН» от ЭПЦ с блоком управления БУР-Т заключается в том, что блок управления ESD-VC  имеет встроенный преобразователь частоты, который позволяет регулировать скорость вращения приводного электродвигателя в диапазоне от 0 до 2-х номинальных скоростей вращения. Кроме того, ESD-VC  позволяет сформировать любую диаграмму изменения крутящего момента на выходном валу электропривода в зависимости от положения запорного органа трубопроводной арматуры и скорости его перемещения.  Все это позволяет максимально упростить адаптацию электропривода под конкретный тип запорной арматуры и максимально продлить срок ее службы.

Очевидно, что электроприводы типа ЭПЦ и «ТОМПРИН» выгодно отличаются от электромеханических приводов своей функциональностью и удобством обслуживания. Однако высокая стоимость, зачастую при  избыточной функциональности, мешает их внедрению на технологических сооружениях, удаленных от баз обслуживания.

В этой связи в ЗАО «ЭлеСи» были инициированы работы по созданию ряда устройств, которые позволяли бы создавать электроприводы трубопроводной арматуры, не уступающие по основным техническим  характеристикам электроприводам типа ЭПЦ и «ТОМПРИН» при более умеренной стоимости и более высокой надежности. В настоящий момент такие устройства разработаны и поставлены на  производство. К указанному ряду относятся блок контроля положения ESD-VP и блок управления и защиты электродвигателя ESD-TMF. Сюда же можно отнести давно производящийся блок управления и защиты электродвигателя типа ESD-TR.

Блок ESD-VP предназначен для контроля положения запорного органа в многооборотных и неполноповоротных электроприводах трубопроводной арматуры.

Основным элементом блока ESD-VP является энергонезависимый электронный датчик углового положения, размещенный в оболочке с видом взрывозащиты d. В состав блока входят так же управляющий микроконтроллер и источник питания.

Питание блока может осуществляться от сети переменного тока 220 В, 50Гц или сети постоянного тока с напряжением 24 В.

Информация о положении запорного органа трубопроводной арматуры передается  на уровень управления следующим образом:

• по последовательному интерфейсу RS-485 с протоколом обмена Modbus RTU;
• в виде унифицированного токового сигнала 4...20 мА;
• дискретными сигналами типа «сухой контакт» при достижении крайних положений: «открыто» или «закрыто».

  Помимо дискретных сигналов о достижении крайних положений блоком генерируется еще ряд дискретных сигналов типа «сухой контакт». К ним относятся:

• сигналы управления внешним реверсивным магнитным пускателем («открыть», «закрыть», «стоп»);
• сигналы контроля движения («арматура открывается», «арматура закрывается»);
• сигнал «авария».

Блок  оснащен встроенным четырехразрядным светодиодным индикатором и инфракрасным последовательным портом. Используя инфракрасный последовательный порт можно производить настройку и осуществлять управление электроприводом трубопроводной арматуры. Для этого используется специальный пульт управления трубопроводной арматуры, тоже оснащенные инфракрасным последовательным портом связи.

Блок ESD-MF предназначен для выполнения следующих функций:

• управление трехфазным асинхронным короткозамкнутым электродвигателем переменного тока (включая пуск в двух направлениях, остановку, переключение схемы соединения обмоток статора со звезды на треугольник);
• контроль амплитуды напряжения  подводимого к статору трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя переменного тока;
• контроль тока потребляемого статорными обмотками трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя переменного тока;
• вычисление момента нагрузки на валу трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя переменного тока;
• обмен информацией с блоком ESD-VP  по протоколу Modbus RTU через интерфейс RS-485;
• обмен информацией с системой телемеханики по протоколу Modbus RTU через второй интерфейс RS-485.

Блок ESD-MF выполнен на базе сигнального микропроцессора, который производит все вычисления и управляет работой блока. Блок предназначен для установки в помещении КП, поэтому выполнен в недорогом пластиковом корпусе со степенью защиты IP20 по ГОСТ 15150.

В состав блока входят датчики контроля тока и напряжения, а так же источник питания и элементы сопряжения с внешними устройствами. Блок оснащен двумя последовательными портами типа RS-485, потенциальными дискретными входами на 24 В, выходами типа «сухой контакт», а так же аналоговым входом для подключения датчика температуры в обмотках электродвигателя.

Схема управления электроприводом трубопроводной арматуры линейных технологических сооружений на базе блоков управления ESD-VP и ESD-MF представлена на рисунке 8. Электропривод трубопроводной запорной арматуры, выполненный на базе блоков ESD-VP и ESD-MF, обладает характеристиками свойственными электроприводам  ЭПЦ и ЭЛЕСИБ при более низкой стоимости. Так, например, указанный электропривод имеет устройство бесконтактного контроля положения и крутящего момента, а так же инфракрасный коммуникационный порт, что повышает надежность электропривода и позволяет вести его настройку  без вскрытия корпуса.    

Электропривод имеет последовательный порт RS-485, что позволяет выполнять его сопряжение с системой телемеханики более естественным и современным способом. Имеется возможность ведения внутреннего журнала событий и аварий.

Кроме того, электропривод имеет еще ряд свойств, которые становятся наиболее существенным в полевых условиях свойственных линейным технологическим сооружениям магистральных трубопроводов. В электроприводе в зону непосредственной установки запорной арматуры вынесено минимальное количество электронной аппаратуры. Блок  ESD-VP не имеет элементов управления на корпусе. Местное управление электроприводом осуществляется с помощью специального пульта через инфракрасный порт. Пульт управлений имеет минимальные габариты и стоимость.

Пусковая аппаратура и блок управления размещаются в помещении КП. Все это повышает защищенность электропривода от вандализма, снижают влияние окружающей среды на надежность функционирования электропривода.

Кроме того, блок ESD-MF, входящий в состав электропривода, позволяет осуществлять многоступенчатую защиту приводного электродвигателя от перегрузки. При этом защита, в отличие от тепловых реле, может быть снята дистанционно. Схема управления на базе блоков ESD-VP и ESD-MF позволяет адаптировать электропривод к любым схемам управления уже существующим на КП линейных технологических сооружений.

Возможен вариант построения электропривода трубопроводной арматуры на базе блоков управления ESD-VP и ESD-TR. При этом совокупная стоимость электропривода несколько возрастает и приближается к стоимости электропривода ЭПЦ. Однако характеристики электропривода при этом становятся полностью  идентичными характеристикам электропривода ЭПЦ. К этому еще добавляется повышенная защищенность от вандализма и от  воздействий окружающей среды.

В целом электроприводы на базе блоков управления ESD-VP,  ESD-MF и ESD-TR занимают ценовую нишу между электромеханическими и интеллектуальными электроприводами, вплотную приближаясь к интеллектуальным электроприводам трубопроводной арматуры по техническим характеристикам. Обладая при этом повышенной защищенностью.

 

Рисунок 1. Схема управления электроприводом трубопроводной запорной арматуры на базе блоков управления ESD-VP и ESD-TR.

Размещено компанией ЭлеСи [14.12.2011]