智能型电动执行机构控制信号电源及接线设计

        随着生产装置大型化、自动化程度越来越高等发展趋势，大型石油石化生产装置中电动阀的应用越来越广泛。电动阀的主要用途包括紧急隔离阀（EBV阀）、顺序控制阀和代替手动操作的电动大口径阀门等。
        电动阀的执行机构是电动阀的重要组成部分，是集驱动、控制、保护等功能的机构。它除了实现传统的控制、保护功能外，还可与现场总线技术兼容，从而为全厂性一体化自动控制系统提供更为丰富的信息，满足不同应用场所的要求。在实际使用过程中，由于对其控制信号的供电和接线方法没有统一标准，实际应用中发生过一些由于供电和接线方式不恰当造成阀门误动作甚至造成装置停车的事故。本文以Rotork智能型电动执行结构为例，介绍常用电动阀控制信号的电源和接线方式。
        1 电动执行机构主要技术参数
        RotorkIQ及IQT系列执行机构是目前电动阀使用最为普遍的电动执行机构，是一种对电动阀进行就地及远程电动控制的非侵入式自控设备。红外线IQ及IQT设定器是无需打开电气端盖即可进行调试和查询的执行机构。
        （1）IQ＆IQT3相电源有：50Hz：220、240、380、400、415、440、460、480、500、550、660和690V。60Hz：200、208、220、230、240、380、400、440、460、480、575、590、600、660和690V。执行机构在电压误差为±10%，频率误差为±5Hz的情况下，其运行性能可得到保证。执行器在最大压降为15%时可正常启动，并按正常速度运转。
        （2）防爆防护等级。防爆等级：EExdIIBT4、ATEX（94/9/EC）II2GD或EExdIICT4、ATEX（94/9/EC）II2GD；防护等级：IP68（IEC60529）。
        （3）电气接口。IQ和IQT执行机构可提供3个螺纹入口：一个1－1/2”NPT（F）和两个1”NPT（F）；或一个M40×1.5和两个M25×1.5。
        （4）IQ及IQT执行结构可提供丰富的保护功能：力矩保护、电机的过热保护、自动相位校正（掉相保护、阀门卡住的保护、瞬间反转保护）和ASTD自动自检和诊断。
        （5）信号类型：硬线信号；RO-TORKPakscan；Profibus；FoundationFieldbus；Devi-ceNet；Modbus。
        2 电动执行机构控制功能
        （1）控制功能。IQ及IQT系列智能型电动阀门执行机构的控制功能主要分为就地控制、远程控制和紧急保护－ESD三部分。详见图1。

        （2）就地控制。在电气控制端盖上有非侵入式就地控制开关，包括一个就地/停止/远程并可锁定在每个位置的选择开关和一个开阀/关阀开关。就地控制可组态为保持或点动操作。就地控制也可使用配备的IQ设定器进行操作。设定器包括专用的开/停/关的按键，在距离显示窗口0.75m以内操作。就地控制开关可以组态为受远程控制限制，或与远程控制无关。
        （3）远程控制。远程控制有6个控制输入端：开阀、关阀、停止/保持；紧急保护（ESD）；开阀联锁和关阀联锁；远程控制可连接为保持点动、“步进”控制。远程控制输入采用光隔离接口，能抵御2kV高压。标准控制为正极开关（如特殊说明可提供负极开关）。标准IQ执行器可使用如下规定的远程控制信号：外部用户供电控制电源：范围20～60VAC/DC或60～120VAC。执行器内部供电控制电源：24VDC。（如有特殊要求，也可为120VAC）。每个控制输入端的电流：24VDC时为5mA，120VAC时为12mA。“ON”最小电压：20V；“OFF”最大电压：3V；信号最短时间：300ms；远程控制电缆的芯间最大电容2μF。
        （4）紧急保护－ESD。有效的紧急保护信号将超越任何现场或远程控制信号、紧急保护操作的电源公共端独立于开阀、关阀和停止的远程控制信号。紧急保护信号可组态为：ESD信号：高电平有效（触点闭合）；低电平有效（触点断开）；ESD动作：关阀、开阀、保位；ESD优先：超越电机温度保护（旁路电机温度保护器将使危险区域的认证无效）、就地停止、联锁运行、中继计时器选项；除非特殊指定，执行器出厂前优先级将设定如下：高电平有效（触点闭合）、ESD关闭阀门、电机温度保护、就地停止、联锁运行、中继计时器。
        （5）其他控制功能。根据工程应用实际情况，还可以增加附加指示触点模块、比例控制模块、电流阀位变送器模块等可选功能模块。
        3 控制信号电源和接线
        IQ及IQT系列智能型电动阀门执行机构的就地控制模块和远程控制模块的供电均通过执行机构电源模块供电（24VDC）。另外，还设有备用电池模块（9VDC），可保证在电动阀主电源或控制电源故障时，就地控制模块和远程控制模块正常工作，如阀位回讯信号能正常反馈等。就地控制模块和远程控制模块本身的工作供电不能通过外部电源供给。远程控制信号必须为有源信号（20～60VAC/DC），其供电有两种方式：
        （1）利用电动执行机构电源模块输出的24VDC电源。若采取此种方式，来自DCS/SIS的DO命令信号应设置为干触点形式。
        （2）利用外部电源（20～60VAC/DC）。若采取此种方式，来自DCS/SIS的命令信号应设置为有源输出（24VDC）。
        两种供电方式其触点类型的要求是一致的。
        ①开阀、关阀：开关闭合时，即通电状态下动作。停止/保持：开关闭合时，即通电状态下，控制输出为连续保持信号，阀门可全行程动作，开阀/关阀控制信号可设为短脉冲信号；开关断开时，即断电状态下，控制输出为非保持信号，阀门将根据开阀/关阀控制信号的命令动作（只在开阀/关阀控制信号为通电状态下动作）。此功能可实现电动阀的全开/全关或渐开/渐关功能。
        ②紧急保护（ESD）：可设为高电平有效（触点闭合）或低电平有效（触点断开）。信号有效时，电动阀将执行预设的ESD动作（开阀、关阀或保持原位）。ESD动作将超越任何现场控制或远程控制命令。
        ③开阀联锁和关阀联锁：开关闭合时，即通电状态下有效。当开关闭合时，电动阀可以实现允许开阀和允许关阀的功能。开阀联锁和关阀联锁对于紧急保护（ESD）命令不起作用。开阀联锁和关阀联锁与就地控制的优先级可通过组态设定。
        ④阀位回讯信号均为无源干触点信号，可根据需要设定为NC或NO类型；每个控制信号所需的功率为24VDC，5W。利用电动执行机构内部电源模块输出的24VDC电源的接线方式示例见图2。利用外部电源（20～60VAC/DC）供电的控制信号接线方式示例详见图3。

图2 IQ及IQT电动执行机构控制信号内部供电方式示例

        以上两种不同供电方式的远程控制均可满足项目设计要求，且各有优缺点。笔者认为采用外部24VDCUPS供电的方式更为稳妥。因为来自电气的380VAC主电源发生扰动或晃电的情况时有发生，电动阀电源模块的24VDC输出扰动也就不可避免，这样可能使阀门产生误动作，特别是有紧急关阀命令（ESD）的电动阀。这样也容易引起电气和仪表之间的责任不清晰。若采用外部24VDCUPS电源方式可以有效解决此问题。综上，建议对于重要的电动阀，如参与紧急隔离、安全保护、程序控制等，采用外部24VDCUPS供电方式。

图3 IQ及IQT电动执行机构控制信号外部供电方式示例

        4 注意事项
        就地控制是否受远程控制限制：应按装置应用的具体情况考虑确定。在紧急保护－ESD模块投用后，关阀联锁和开阀联锁将同时被激活投用。
        若只需使用其中一个，另外一个应供电，否则阀门将处于受限制状态。停止/保持端是否需要供电应根据具体应用决定。若为实现阀门在接到开阀/关阀命令时执行全开/全关的动作，停止/保持端应长期供电；若为实现阀门在接到开阀/关阀命令时执行渐开/渐关的动作，停止/保持端不应供电。
        远程控制模块中阀位回讯信号缺省为4个回讯信号，可组态为全开、全关、中间任意位置的回讯，触点为NC或NO干触点形式。若需要更多的阀位回讯信号，需要增加“附加指示触点”模块（可选项），可另外增加4个回讯信号。若电动阀需要参与4～20mA控制，需增加“比例控制及电流阀位变送器”模块（可选项）。