智能電動執(zhí)行器及其發(fā)展趨勢

工業(yè)生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由檢測器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)對象組成。其中執(zhí)行器總是不可缺shao，一般由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構(一般稱為調(diào)節(jié)閥)組成。此外，根據(jù)需要還可配上閥門定位器和手輪機構等附件。

執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動化中起著十分重要的作用，常被稱為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的“手足"。電動執(zhí)行器以電能為動力，接受調(diào)節(jié)器來的標準信號(模擬量或數(shù)字量)，通過將這信號變成相對應的機械位移(轉角、直線或多轉)來自動改變操作變量(調(diào)節(jié)閥、風門、擋板開度等)，以達到對被調(diào)參數(shù)(溫度、壓力、流量、液位等)進行自動調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按預定要求進行。所以電動執(zhí)行器對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全運行、可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大影響。

相對氣動、液動執(zhí)行器而言，電動執(zhí)行器主要有3點優(yōu)勢：

(1)無需特殊的氣源和空氣凈化等裝置。即使電源失電時，也能保持原執(zhí)行位置；

(2)可遠距離傳輸信號，電纜敷設比氣管和液體管道敷設方便得多，且便于線路檢查；

(3)與計算機連接方便簡潔，更適應采用電子信息新技術。

一、DKJ型電動執(zhí)行器及其不足

電動執(zhí)行器有角行程和線行程之分。DKJ型角行程電動執(zhí)行器是DDZ-II型電動單元組合儀表中的執(zhí)行單元，是傳統(tǒng)電動執(zhí)行器的典型產(chǎn)品。它主要由伺服放大器和執(zhí)行機構兩部分組成，接受來自調(diào)節(jié)單元、變送單元或手動操作器輸出的統(tǒng)一標準電流信號，將其轉換成與之相對應的機械位移輸出。

雖然DKJ型電動執(zhí)行器在各工業(yè)部門都有較多應用，但它存在著不足，主要有以下幾點：

(1)產(chǎn)品規(guī)格品種較單一，且只有一種位移速度，不能滿足一些復雜系統(tǒng)要求；

(2)沒有力矩保護和行程開關，雖然電動機能堵轉，但其轉矩(或力矩)一直施加在閥門或生產(chǎn)設備上，使閥門或生產(chǎn)設備容易受損而減小使用壽命；

(3)制動器容易磨損，電容擊穿問題也較大，平均故障間隔時間(MTBF)為10000h左右；

(4)在機械上不能自鎖，增加了對制動器的可靠性要求。

二、智能電動執(zhí)行器及特點

近年來，電動執(zhí)行機構獲得了快速發(fā)展，國內(nèi)外一些廠商相繼推出帶現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能電動執(zhí)行器。新型智能電動執(zhí)行器利用微機和現(xiàn)場總線通信技術將伺服放大器與執(zhí)行機構合為一體，不僅實現(xiàn)了雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能，還增設了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護、斷電信號保護、輸出現(xiàn)場閥位指示和故障報警等功能。它可進行現(xiàn)場操作或遠方操作，完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換。

智能電動執(zhí)行器采用新穎結構部件。伺服放大器中采用了微處理器系統(tǒng)，所有控制功能均可通過編程實現(xiàn)，還具有數(shù)字通信接口，從而具有HART協(xié)議或現(xiàn)場總線通信功能，成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點。有的伺服放大器中還采用變頻器技術，可更有效控制伺服電機動作。減速器采用新穎傳動結構，運行平穩(wěn)、傳動效率高，無爬行、摩擦小。位置發(fā)送器采用新技術和新方法，有的采用霍爾效應傳感器，直接感應閥桿的縱向或旋轉動作，實現(xiàn)了非接觸式定位檢測；有的采用特殊電位器，電位器中裝有球軸承和特種導電材質(zhì)做成的電阻薄片；有的采用磁阻效應的非接觸式旋轉角度傳感器。

智能電動執(zhí)行器通常都有液晶顯示器和手動操作按鈕，用于顯示各種狀態(tài)信息和輸入組態(tài)數(shù)據(jù)以及手動操作等。

智能電動執(zhí)行器與傳統(tǒng)電動執(zhí)行器相比，主要有如下特點：

(1)主要參數(shù)技術指標*，如工作死區(qū)、基本誤差、回差等指標已達到或接近世界 先jin水平，超過國內(nèi)現(xiàn)有DDZ-II、III型電動執(zhí)行器。

(2)采用*微機和數(shù)字顯示技術，以智能伺服放大器取代傳統(tǒng)伺服放大器，以數(shù)字式操作器取代原有模擬指針式操作器，解決了數(shù)字顯示跳動頻繁而造成人眼疲勞的問題。

(3)功能強、使用方便，具有自診斷、自調(diào)整和PI調(diào)節(jié)等功能，尤其是PI調(diào)節(jié)功能可省去前級調(diào)節(jié)器，直接接受變送器信號。

(4)增加了流量特性軟件修正。采用微處理機后，能靈活地設定、改變流量特性，提高調(diào)節(jié)閥控制性能，使一種固有特性的調(diào)節(jié)閥可以擁有多種輸出特性，使不能進行閥芯形狀修正(蝶閥)的閥也可改變流量特性，可以使非標準特性修正為標準特性，該功能將改變長期以來靠閥芯加工修正流量特性的現(xiàn)狀。

(5)在調(diào)節(jié)中采用電制動和斷續(xù)調(diào)節(jié)技術，對具有自鎖功能的執(zhí)行機構可取消機械摩擦制動器，提高了整機的可靠性。

(6)三相放大器的設計采用由單相智能伺服放大器外接三相功率轉換器的組合式方案，方便了生產(chǎn)和備料，為控制室不進三相電源的控制提供了可能。

三、幾種典型智能電動執(zhí)行器

1. IKZL智能型電動執(zhí)行器

IKZL智能型電動執(zhí)行器由上海自動化儀表股份有限公司下屬自動化儀表十一廠研制。它采用現(xiàn)代高效單片MCU和外圍芯片組成控制單元，接收統(tǒng)一標準直流信號，經(jīng)過運算處理后，最終驅動交流電機輸出與之相對應的直線位移。該機構可方便與調(diào)節(jié)閥配套成自動調(diào)節(jié)閥，具備調(diào)節(jié)閥本身所要求的各種動作變換功能，適用于電力、冶金、石油、化工及輕工等工業(yè)部門。其主要特點：

(1)以單相交流220V電源為動力；

(2)采用高性能導電塑料電位器為位置傳感器，精確度高、壽命長；

(3)用永磁式交流同步電機作驅動電機，短時間超負荷情況下不會損壞；

(4)內(nèi)置記憶芯片于控制部件，在輸入電壓低于額定電壓前的瞬間，自動記下現(xiàn)場數(shù)據(jù)，當輸入電壓恢復正常后，能保證系統(tǒng)繼續(xù)工作；

(5)備有標準RS-485通信口。

(6)除自動跟蹤輸入信號實現(xiàn)閥門的開度操作外，也可在現(xiàn)場以手動操作按鍵方式電動改變閥門開度；

(7)當執(zhí)行機構控制電路中MCU發(fā)出開或關的命令后，執(zhí)行機構在6s內(nèi)不動作，將被判定為電機堵轉，同時顯示器出現(xiàn)閃爍，并停止發(fā)出開或關命令，執(zhí)行機構將停止運行。直到儀表被復位后，才可再次投入使用。

(8)僅配上輸入信號線及單相交流電源線即可控制運轉而無需另配伺服放大器；

(9)該執(zhí)行器設計成全封閉，防塵、防水。采用MCU控制，無需開蓋，就可進行機械行程設定，輸入信號標定，且操作簡單、方便；

2. ONTRAC MOE700/MME800系列智能電動執(zhí)行器

MOE700系列為數(shù)字調(diào)節(jié)型-S2控制模式，MME800系列為連續(xù)調(diào)節(jié)型-S4控制模式。它們采用機械自鎖的蝸輪、蝸桿結構，三相電機變頻驅動和智能化監(jiān)控、數(shù)字檢測技術，其運行速度和力矩可在線或離線寬范圍設定，標準化程度高。具有功能強大，使用簡單和維護量小的特點，配上不同減速裝置，可輸出角位移(力矩可達40000Nm)和直線位移(推力可達80KN)，驅動各類閥體或擋板。其主要特點如下：

(1)高度智能化設計，位移、力矩、速度等全范圍微處理器現(xiàn)代控制技術，組態(tài)靈活，功能強大；

(2)電子化、數(shù)字化霍爾傳感器檢測，精確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強；復合傳感，位移、速度和轉向由同一傳感器檢測；

(3)組態(tài)方法有本機控制、遙控或系統(tǒng)在線3種方式，簡化了調(diào)試和設置操作；

(4)電機速度、負載變頻控制，不受電源電壓波動影響，同一產(chǎn)品應用面寬，備品少；

(5)高可靠設計，電子化監(jiān)控、診斷、報警等，功能齊備，正常工作參數(shù)值為報警保護值的一半；電子參數(shù)調(diào)控型代替原機械額定值型，大大提高執(zhí)行機構可靠性、可控性和壽命。

(6)輸入、輸出方式組態(tài)靈活，數(shù)字量、脈沖量、模擬量和現(xiàn)場總線方式根據(jù)需要選配，具有廣泛的適用性；

(7)定位平穩(wěn)，反向、減速制動，平滑定位；

(8)蝸輪、蝸桿機械傳動結構，具有逆向自鎖特性，電機無需剎車，維護量少；

(9)防護等級IP67，可選IP68。

3. IQ系列智能電動執(zhí)行器

英國羅托克(ROTORK)公司于90年代推出了智能型電動執(zhí)行器(IQ系列)，與普通執(zhí)行器相比具有如下特點：

(1)便利的參數(shù)遙控設定功能。投入使用前，只要使用由廠家提供的專用設定工具，對準執(zhí)行器就可進行參數(shù)的遙控設定。不僅簡化了設定工作程序，還提高了設備安全運行性，特別是那些要求防爆的場所尤為重要；

(2)豐富的在線顯示功能。采用液晶顯示技術，利用內(nèi)置式液晶顯示板，不僅可準確顯示閥門開、關狀態(tài)和正常閥門開度等，且在參數(shù)設定或執(zhí)行器有故障時，也能顯示出重要信息；

(3)完善的自診斷及保護功能。它可在線診斷出伺服電機過載、過熱情況及電源的狀態(tài)等，還能自動識別三相電源相位，緊急情況時，執(zhí)行器可保位或運行到預先設定的安全位置；

(4)*的控制功能。采用了計算機技術，把*自動跟隨控制技術設計為它的一項標準功能。執(zhí)行器響應速度與實際要求偏差大小成比例，即所謂的“變速控制"，大大提高了執(zhí)行器響應品質(zhì)；

(5)較強的現(xiàn)場適應性。整機設計具有IP54級防護能力，且對執(zhí)行器內(nèi)部與外部信號的口也都采用光電隔離技術，提高了可靠性、特別是執(zhí)行器內(nèi)部控制卡件采用了防震固定法，所有接插件都帶有“反扣"以防松動，積木式結構使維修非常方便。

四、智能電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢

綜上所述，智能電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢可以歸納為：機電一體化結構逐步取代組合式結構，智能化控制技術逐步取代純電子控制技術，帶通信技術功能的逐步取代不帶通信技術的，數(shù)字控制方式逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制方式，運用紅外遙控的非接觸式調(diào)試技術逐步取代接觸式手動調(diào)試技術等等。

當智能電動執(zhí)行器與現(xiàn)場總線連接時，智能執(zhí)行器就成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)中的一塊現(xiàn)場儀表，這時它不僅具有執(zhí)行器功能，還具有控制、運算和通信等功能。由此可見，我國目前新一代符合現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行器產(chǎn)品，是執(zhí)行機構今后發(fā)展的必然趨勢，它的成功研究與應用給電動執(zhí)行器的進一步發(fā)展打下良好基礎，并將給智能電動執(zhí)行器帶來廣闊的市場發(fā)展前景。(end)