智能电动执行器及其发展趋势

作者：杨平 彭道刚 王志萍 徐兆龙

欢迎访问e展厅 展厅 4 伺服与运动控制展厅 电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ... 工业生产过程自动调节系统一般由检测器、调节器、执行器和调节对象组成。其中执行器总是不可缺少，一般由执行机构和调节机构(一般称为调节阀)组成。此外，根据需要还可配上阀门定位器和手轮机构等附件。 执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用，常被称为实现生产过程自动化的“手足”。电动执行器以电能为动力，接受调节器来的标准信号(模拟量或数字量)，通过将这信号变成相对应的机械位移(转角、直线或多转)来自动改变操作变量(调节阀、风门、挡板开度等)，以达到对被调参数(温度、压力、流量、液位等)进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。所以电动执行器对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响。 相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有3点优势： (1)无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电时，也能保持原执行位置； (2)可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查； (3)与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。 一、DKJ型电动执行器及其不足 电动执行器有角行程和线行程之分。DKJ型角行程电动执行器是DDZ-II型电动单元组合仪表中的执行单元，是传统电动执行器的典型产品。它主要由伺服放大器和执行机构两部分组成，接受来自调节单元、变送单元或手动操作器输出的统一标准电流信号，将其转换成与之相对应的机械位移输出。 虽然DKJ型电动执行器在各工业部门都有较多应用，但它存在着不足，主要有以下几点： (1)产品规格品种较单一，且只有一种位移速度，不能满足一些复杂系统要求； (2)没有力矩保护和行程开关，虽然电动机能堵转，但其转矩(或力矩)一直施加在阀门或生产设备上，使阀门或生产设备容易受损而减小使用寿命； (3)制动器容易磨损，电容击穿问题也较大，平均故障间隔时间(MTBF)为10000h左右； (4)在机械上不能自锁，增加了对制动器的可靠性要求。 二、智能电动执行器及特点 近年来，电动执行机构获得了快速发展，国内外一些厂商相继推出带现场总线通信协议的智能电动执行器。新型智能电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体，不仅实现了双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，还增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位指示和故障报警等功能。它可进行现场操作或远方操作，完成手动操作及手动/自动之间无扰动切换。 智能电动执行器采用新颖结构部件。伺服放大器中采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现，还具有数字通信接口，从而具有HART协议或现场总线通信功能，成为现场总线控制系统中的一个节点。有的伺服放大器中还采用变频器技术，可更有效控制伺服电机动作。减速器采用新颖传动结构，运行平稳、传动效率高，无爬行、摩擦小。位置发送器采用新技术和新方法，有的采用霍尔效应传感器，直接感应阀杆的纵向或旋转动作，实现了非接触式定位检测；有的采用特殊电位器，电位器中装有球轴承和特种导电材质做成的电阻薄片；有的采用磁阻效应的非接触式旋转角度传感器。 智能电动执行器通常都有液晶显示器和手动操作按钮，用于显示各种状态信息和输入组态数据以及手动操作等。 智能电动执行器与传统电动执行器相比，主要有如下特点： (1)主要参数技术指标先进，如工作死区、基本误差、回差等指标已达到或接近世界先进水平，超过国内现有DDZ-II、III型电动执行器。 (2)采用先进微机和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统伺服放大器，以数字式操作器取代原有模拟指针式操作器，解决了数字显示跳动频繁而造成人眼疲劳的问题。 (3)功能强、使用方便，具有自诊断、自调整和PI调节等功能，尤其是PI调节功能可省去前级调节器，直接接受变送器信号。 (4)增加了流量特性软件修正。采用微处理机后，能灵活地设定、改变流量特性，提高调节阀控制性能，使一种固有特性的调节阀可以拥有多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正(蝶阀)的阀也可改变流量特性，可以使非标准特性修正为标准特性，该功能将改变长期以来靠阀芯加工修正流量特性的现状。 (5)在调节中采用电制动和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可取消机械摩擦制动器，提高了整机的可靠性。 (6)三相放大器的设计采用由单相智能伺服放大器外接三相功率转换器的组合式方案，方便了生产和备料，为控制室不进三相电源的控制提供了可能。 三、几种典型智能电动执行器 1. IKZL智能型电动执行器 IKZL智能型电动执行器由上海自动化仪表股份有限公司下属自动化仪表十一厂研制。它采用现代高效单片MCU和外围芯片组成控制单元，接收统一标准直流信号，经过运算处理后，最终驱动交流电机输出与之相对应的直线位移。该机构可方便与调节阀配套成自动调节阀，具备调节阀本身所要求的各种动作变换功能，适用于电力、冶金、石油、化工及轻工等工业部门。其主要特点： (1)以单相交流220V电源为动力； (2)采用高性能导电塑料电位器为位置传感器，精确度高、寿命长； (3)用永磁式交流同步电机作驱动电机，短时间超负荷情况下不会损坏； (4)内置记忆芯片于控制部件，在输入电压低于额定电压前的瞬间，自动记下现场数据，当输入电压恢复正常后，能保证系统继续工作； (5)备有标准RS-485通信口。 (6)除自动跟踪输入信号实现阀门的开度操作外，也可在现场以手动操作按键方式电动改变阀门开度； (7)当执行机构控制电路中MCU发出开或关的命令后，执行机构在6s内不动作，将被判定为电机堵转，同时显示器出现闪烁，并停止发出开或关命令，执行机构将停止运行。直到仪表被复位后，才可再次投入使用。 (8)仅配上输入信号线及单相交流电源线即可控制运转而无需另配伺服放大器； (9)该执行器设计成全封闭，防尘、防水。采用MCU控制，无需开盖，就可进行机械行程设定，输入信号标定，且操作简单、方便； 2. ONTRAC MOE700/MME800系列智能电动执行器 该系列智能电动执行器是重庆川仪十厂由德国H&B公司(现属ABB集团)引进并推出的。MOE700系列为数字调节型-S2控制模式，MME800系列为连续调节型-S4控制模式。它们采用机械自锁的蜗轮、蜗杆结构，三相电机变频驱动和智能化监控、数字检测技术，其运行速度和力矩可在线或离线宽范围设定，标准化程度高。具有功能强大，使用简单和维护量小的特点，配上不同减速装置，可输出角位移(力矩可达40000Nm)和直线位移(推力可达80KN)，驱动各类阀体或挡板。其主要特点如下： (1)高度智能化设计，位移、力矩、速度等全方位微处理器现代控制技术，组态灵活，功能强大； (2)电子化、数字化霍尔传感器检测，精确度高、可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强；复合传感，位移、速度和转向由同一传感器检测； (3)组态方法有本机控制、遥控或系统在线3种方式，简化了调试和设置操作； (4)电机速度、负载变频控制，不受电源电压波动影响，同一产品应用面宽，备品少； (5)高可靠设计，电子化监控、诊断、报警等，功能齐备，正常工作参数值为报警保护值的一半；电子参数调控型代替原机械额定值型，大大提高执行机构可靠性、可控性和寿命。 (6)输入、输出方式组态灵活，数字量、脉冲量、模拟量和现场总线方式根据需要选配，具有广泛的适用性； (7)定位平稳，反向、减速制动，平滑定位； (8)蜗轮、蜗杆机械传动结构，具有逆向自锁特性，电机无需刹车，维护量少； (9)防护等级IP67，可选IP68。 3. IQ系列智能电动执行器 英国罗托克(ROTORK)公司于90年代推出了智能型电动执行器(IQ系列)，与普通执行器相比具有如下特点： (1)便利的参数遥控设定功能。投入使用前，只要使用由厂家提供的专用设定工具，对准执行器就可进行参数的遥控设定。不仅简化了设定工作程序，还提高了设备安全运行性，特别是那些要求防爆的场所尤为重要； (2)丰富的在线显示功能。采用液晶显示技术，利用内置式液晶显示板，不仅可准确显示阀门开、关状态和正常阀门开度等，且在参数设定或执行器有故障时，也能显示出重要信息； (3)完善的自诊断及保护功能。它可在线诊断出伺服电机过载、过热情况及电源的状态等，还能自动识别三相电源相位，紧急情况时，执行器可保位或运行到预先设定的安全位置； (4)先进的控制功能。采用了计算机技术，把先进自动跟随控制技术设计为它的一项标准功能。执行器响应速度与实际要求偏差大小成比例，即所谓的“变速控制”，大大提高了执行器响应品质； (5)较强的现场适应性。整机设计具有IP54级防护能力，且对执行器内部与外部信号的口也都采用光电隔离技术，提高了可靠性、特别是执行器内部控制卡件采用了防震固定法，所有接插件都带有“反扣”以防松动，积木式结构使维修非常方便。 四、智能电动执行器的发展趋势 综上所述，智能电动执行器的发展趋势可以归纳为：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，带通信技术功能的逐步取代不带通信技术的，数字控制方式逐步取代传统的模拟控制方式，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术等等。 当智能电动执行器与现场总线连接时，智能执行器就成了现场总线控制系统(FCS)中的一块现场仪表，这时它不仅具有执行器功能，还具有控制、运算和通信等功能。由此可见，我国目前新一代符合现场总线的智能电动执行器产品，是执行机构今后发展的必然趋势，它的成功研究与应用给电动执行器的进一步发展打下良好基础，并将给智能电动执行器带来广阔的市场发展前景。(end)

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