智能電動(dòng)執(zhí)行器及其發(fā)展趨勢

工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(duì)象組成。其中執(zhí)行器總是不可缺shao，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(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(jī)構(gòu)等附件。

執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動(dòng)化中起著十分重要的作用，常被稱為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的“手足"。電動(dòng)執(zhí)行器以電能為動(dòng)力，接受調(diào)節(jié)器來的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(模擬量或數(shù)字量)，通過將這信號(hào)變成相對(duì)應(yīng)的機(jī)械位移(轉(zhuǎn)角、直線或多轉(zhuǎn))來自動(dòng)改變操作變量(調(diào)節(jié)閥、風(fēng)門、擋板開度等)，以達(dá)到對(duì)被調(diào)參數(shù)(溫度、壓力、流量、液位等)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求進(jìn)行。所以電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大影響。

相對(duì)氣動(dòng)、液動(dòng)執(zhí)行器而言，電動(dòng)執(zhí)行器主要有3點(diǎn)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(shí)，也能保持原執(zhí)行位置；

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

(3)與計(jì)算機(jī)連接方便簡潔，更適應(yīng)采用電子信息新技術(shù)。

一、DKJ型電動(dòng)執(zhí)行器及其不足

電動(dòng)執(zhí)行器有角行程和線行程之分。DKJ型角行程電動(dòng)執(zhí)行器是DDZ-II型電動(dòng)單元組合儀表中的執(zhí)行單元，是傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行器的典型產(chǎn)品。它主要由伺服放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，接受來自調(diào)節(jié)單元、變送單元或手動(dòng)操作器輸出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的機(jī)械位移輸出。

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

(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(fù)雜系統(tǒng)要求；

(2)沒有力矩保護(hù)和行程開關(guān)，雖然電動(dòng)機(jī)能堵轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)矩(或力矩)一直施加在閥門或生產(chǎn)設(shè)備上，使閥門或生產(chǎn)設(shè)備容易受損而減小使用壽命；

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

(4)在機(jī)械上不能自鎖，增加了對(duì)制動(dòng)器的可靠性要求。

二、智能電動(dòng)執(zhí)行器及特點(diǎn)

近年來，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dòng)執(zhí)行器。新型智能電動(dòng)執(zhí)行器利用微機(jī)和現(xiàn)場總線通信技術(shù)將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)合為一體，不僅實(shí)現(xiàn)了雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動(dòng)標(biāo)定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能，還增設(shè)了行程保護(hù)、過力矩保護(hù)、電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)、斷電信號(hào)保護(hù)、輸出現(xiàn)場閥位指示和故障報(bào)警等功能。它可進(jìn)行現(xiàn)場操作或遠(yuǎn)方操作，完成手動(dòng)操作及手動(dòng)/自動(dòng)之間無擾動(dòng)切換。

智能電動(dòng)執(zhí)行器采用新穎結(jié)構(gòu)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)。有的伺服放大器中還采用變頻器技術(shù)，可更有效控制伺服電機(jī)動(dòng)作。減速器采用新穎傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高，無爬行、摩擦小。位置發(fā)送器采用新技術(shù)和新方法，有的采用霍爾效應(yīng)傳感器，直接感應(yīng)閥桿的縱向或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，實(shí)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(dǎo)電材質(zhì)做成的電阻薄片；有的采用磁阻效應(yīng)的非接觸式旋轉(zhuǎn)角度傳感器。

智能電動(dòng)執(zhí)行器通常都有液晶顯示器和手動(dòng)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(dòng)操作等。

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

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

(2)采用*微機(jī)和數(shù)字顯示技術(shù)，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(dòng)頻繁而造成人眼疲勞的問題。

(3)功能強(qiáng)、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(jí)調(diào)節(jié)器，直接接受變送器信號(hào)。

(4)增加了流量特性軟件修正。采用微處理機(jī)后，能靈活地設(shè)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(jìn)行閥芯形狀修正(蝶閥)的閥也可改變流量特性，可以使非標(biāo)準(zhǔn)特性修正為標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)和斷續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)，對(duì)具有自鎖功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可取消機(jī)械摩擦制動(dòng)器，提高了整機(jī)的可靠性。

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

三、幾種典型智能電動(dòng)執(zhí)行器

1. IKZL智能型電動(dòng)執(zhí)行器

IKZL智能型電動(dòng)執(zhí)行器由上海自動(dòng)化儀表股份有限公司下屬自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算處理后，最終驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)輸出與之相對(duì)應(yīng)的直線位移。該機(jī)構(gòu)可方便與調(diào)節(jié)閥配套成自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，具備調(diào)節(jié)閥本身所要求的各種動(dòng)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(diǎn)：

(1)以單相交流220V電源為動(dòng)力；

(2)采用高性能導(dǎo)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(jī)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)，短時(shí)間超負(fù)荷情況下不會(huì)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(dòng)記下現(xiàn)場數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入電壓恢復(fù)正常后，能保證系統(tǒng)繼續(xù)工作；

(5)備有標(biāo)準(zhǔn)RS-485通信口。

(6)除自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)閥門的開度操作外，也可在現(xiàn)場以手動(dòng)操作按鍵方式電動(dòng)改變閥門開度；

(7)當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電路中MCU發(fā)出開或關(guān)的命令后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在6s內(nèi)不動(dòng)作，將被判定為電機(jī)堵轉(zhuǎn)，同時(shí)顯示器出現(xiàn)閃爍，并停止發(fā)出開或關(guān)命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將停止運(yùn)行。直到儀表被復(fù)位后，才可再次投入使用。

(8)僅配上輸入信號(hào)線及單相交流電源線即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)而無需另配伺服放大器；

(9)該執(zhí)行器設(shè)計(jì)成全封閉，防塵、防水。采用MCU控制，無需開蓋，就可進(jìn)行機(jī)械行程設(shè)定，輸入信號(hào)標(biāo)定，且操作簡單、方便；

2. ONTRAC MOE700/MME800系列智能電動(dòng)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(jī)械自鎖的蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)，三相電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)和智能化監(jiān)控、數(shù)字檢測技術(shù)，其運(yùn)行速度和力矩可在線或離線寬范圍設(shè)定，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。具有功能強(qiáng)大，使用簡單和維護(hù)量小的特點(diǎn)，配上不同減速裝置，可輸出角位移(力矩可達(dá)40000Nm)和直線位移(推力可達(dá)80KN)，驅(qū)動(dòng)各類閥體或擋板。其主要特點(diǎn)如下：

(1)高度智能化設(shè)計(jì)，位移、力矩、速度等全范圍微處理器現(xiàn)代控制技術(shù)，組態(tài)靈活，功能強(qiáng)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(qiáng)；復(fù)合傳感，位移、速度和轉(zhuǎn)向由同一傳感器檢測；

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

(4)電機(jī)速度、負(fù)載變頻控制，不受電源電壓波動(dòng)影響，同一產(chǎn)品應(yīng)用面寬，備品少；

(5)高可靠設(shè)計(jì)，電子化監(jiān)控、診斷、報(bào)警等，功能齊備，正常工作參數(shù)值為報(bào)警保護(hù)值的一半；電子參數(shù)調(diào)控型代替原機(jī)械額定值型，大大提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dòng)，平滑定位；

(8)蝸輪、蝸桿機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有逆向自鎖特性，電機(jī)無需剎車，維護(hù)量少；

(9)防護(hù)等級(jí)IP67，可選IP68。

3. IQ系列智能電動(dòng)執(zhí)行器

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

(1)便利的參數(shù)遙控設(shè)定功能。投入使用前，只要使用由廠家提供的專用設(shè)定工具，對(duì)準(zhǔn)執(zhí)行器就可進(jìn)行參數(shù)的遙控設(shè)定。不僅簡化了設(shè)定工作程序，還提高了設(shè)備安全運(yùn)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(shù)，利用內(nèi)置式液晶顯示板，不僅可準(zhǔn)確顯示閥門開、關(guān)狀態(tài)和正常閥門開度等，且在參數(shù)設(shè)定或執(zhí)行器有故障時(shí)，也能顯示出重要信息；

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

(4)*的控制功能。采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，把*自動(dòng)跟隨控制技術(shù)設(shè)計(jì)為它的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)功能。執(zhí)行器響應(yīng)速度與實(shí)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(yīng)品質(zhì)；

(5)較強(qiáng)的現(xiàn)場適應(yīng)性。整機(jī)設(shè)計(jì)具有IP54級(jí)防護(hù)能力，且對(duì)執(zhí)行器內(nèi)部與外部信號(hào)的口也都采用光電隔離技術(shù)，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(dòng)，積木式結(jié)構(gòu)使維修非常方便。

四、智能電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展趨勢

綜上所述，智能電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展趨勢可以歸納為：機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)逐步取代組合式結(jié)構(gòu)，智能化控制技術(shù)逐步取代純電子控制技術(shù)，帶通信技術(shù)功能的逐步取代不帶通信技術(shù)的，數(shù)字控制方式逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制方式，運(yùn)用紅外遙控的非接觸式調(diào)試技術(shù)逐步取代接觸式手動(dòng)調(diào)試技術(shù)等等。

當(dāng)智能電動(dòng)執(zhí)行器與現(xiàn)場總線連接時(shí)，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(shí)它不僅具有執(zhí)行器功能，還具有控制、運(yùn)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(dòng)執(zhí)行器產(chǎn)品，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)今后發(fā)展的必然趨勢，它的成功研究與應(yīng)用給電動(dòng)執(zhí)行器的進(jìn)一步發(fā)展打下良好基礎(chǔ)，并將給智能電動(dòng)執(zhí)行器帶來廣闊的市場發(fā)展前景。(end)