電動執(zhí)行器的發(fā)展與結(jié)構(gòu)

1、電動執(zhí)行器的發(fā)展與結(jié)構(gòu)班級：010852學(xué)號：04085147姓名：姬生毅電動執(zhí)行器的發(fā)展與結(jié)構(gòu)一、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢電動執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動裝置，其能源取用方便、安裝調(diào)試簡單，在電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。電動執(zhí)行器包括電動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分，控制精度主要決定于電動執(zhí)行機構(gòu)的控制性能，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的控制信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移、直線位移，控制閥門等截流件的位置或其它調(diào)節(jié)機構(gòu)，使被控介質(zhì)按系統(tǒng)要求狀態(tài)工作。 1電動執(zhí)行器的研制及應(yīng)用現(xiàn)狀 1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀 我國電動執(zhí)行器的研制起步較晚，是從蘇聯(lián)有觸點的執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行仿制開始的，60年代末70年

2、代初，逐步發(fā)展了DDZ-II型和DDZ-III型產(chǎn)品。 80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動執(zhí)行器發(fā)展快速，無觸點的DKJ型角行程和DKZ型直行程電動執(zhí)行機構(gòu)兩大類產(chǎn)品進(jìn)入市場，DKJ、DKZ是我國最早的、唯一生產(chǎn)的電動執(zhí)行器，此產(chǎn)品以結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用等優(yōu)點被最早的國營大型企業(yè)使用。 隨著現(xiàn)代工控計算機管理的發(fā)展，目前我國儀器儀表行業(yè)整體綜合技術(shù)水平普遍上升，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用，多數(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)了智能化。今天，DKJ、DKZ系列與以前相比有了兩大實質(zhì)性改進(jìn)： （1）生產(chǎn)出直接受計算機控制的智能電子型、戶外型、隔爆型等改進(jìn)型產(chǎn)品；（2）將電路控制部分灌封在一個小型

3、塑料盒中，即模塊，形成了便于維護(hù)的即插即用型。因此，普通DKJ型和DKZ型的可靠性、精度、負(fù)載能力、信號品質(zhì)系數(shù)等性能有了很大提高，而且對環(huán)境條件的要求降低了很多； 智能型的電動執(zhí)行器實現(xiàn)了智能控制、防護(hù)等級高、控制精度較高、重量輕、穩(wěn)定性好的功能。如上海光輝自動化閥門有限公司生產(chǎn)的RQM系列智能型電動執(zhí)行機構(gòu)就具備這些特點，其位置控制基本誤差=±1%，重復(fù)性誤差：（設(shè)定行程時間25s）1%。上海工業(yè)自動化儀器儀表研究所開發(fā)的RK-Z系列智能電動執(zhí)行機構(gòu)采用全封閉、一體化結(jié)構(gòu)；傳動系統(tǒng)采用螺桿螺母式，傳動平穩(wěn)、承載能力強、傳動精度高；具有自診斷、自調(diào)整和PID調(diào)節(jié)功能。此外，天津貝爾

4、儀表有限公司生產(chǎn)制造的SKJ快速系列（3s或6s，國內(nèi)最快）特別適用于需要緊急動作的工作場合。但國內(nèi)的許多智能電動執(zhí)行器是引用國外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)制造的，如天津市龍城自動化儀表有限公司生產(chǎn)制造的SH系列智能型電動執(zhí)行機構(gòu)采用了法國新一代先進(jìn)技術(shù)。因此，與國際上先進(jìn)的智能化電動執(zhí)行器相比，現(xiàn)有的國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)仍存在控制方式落后，可靠性不高，不能根據(jù)生產(chǎn)的實際要求進(jìn)行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整，不能組成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等問題。在安全防爆性能等方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣動執(zhí)行機構(gòu)，影響了它的應(yīng)用。 目前國內(nèi)普遍使用DKJ和DKZ型兩大類產(chǎn)品，一些企業(yè)使用DKJ、DKZ的更新?lián)Q代產(chǎn)品，但在控制要求較高的實驗、生產(chǎn)控制中，主要

5、是依賴價格較高的國外智能產(chǎn)品。如德國SIPOS、AUMA、EMG，英國ROTORK，法國BERNARD，美國LIMITORQUE等電動執(zhí)行器。隨著各種過程控制要求的不斷提高，電動執(zhí)行器必須提高控制性能，才能真正提高自動控制水平。 1.2 國際狀況 自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一臺電動執(zhí)行機構(gòu)以來，國際上電動執(zhí)行器技術(shù)水平發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代起，國外相繼推出了符合各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的智能執(zhí)行器，在工業(yè)現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用效果。由于高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前國外己開發(fā)出新一代智能化電動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品，電子計算機技術(shù)、微機控制技術(shù)己在閥門設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。這些智能化電動執(zhí)行

6、器功能強大、簡單可靠、技術(shù)先進(jìn)。國際著名的電動執(zhí)行器公司英國的ROTORK（羅托克）生產(chǎn)的IQ系列智能化電動執(zhí)行器，不但具有智能通信、智能控制、支持多種現(xiàn)場總線的功能，而且其獨有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設(shè)定使它可用在任何環(huán)境中，防水防暴，終身可靠，調(diào)試及故障排除簡單。德國Hartmann&Braum公司新一代產(chǎn)品智能電動執(zhí)行器MOE700實現(xiàn)了智能式電子一體化，變頻變速定位，監(jiān)控等功能。代表著該領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平的公司還有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等幾家國外著名的公司。JORDAN公司的智能電動執(zhí)行器突出特點是動作頻率高，其動作頻率是20004000/h，而國

7、內(nèi)的電動執(zhí)行器動作頻率在2000/h以下，一般動作頻率達(dá)到1200/h就是很高的了。總之，國際上智能電動執(zhí)行器有以下特點： （1）智能通信，智能控制智能電動執(zhí)行器利用微機技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù)，實現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標(biāo)定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能，有效提高控制水平。 （2）機電一體化新型智能化電動執(zhí)行機構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機構(gòu)合為一體，驅(qū)動電路應(yīng)用功能強大的集成模塊，結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好。 （3）控制策略更為先進(jìn)的控制方法有利于解決電機的慣性問題，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，提高控制精度。Nucom電動執(zhí)行器利用先進(jìn)的電制動技術(shù)，控制精度可達(dá)1/250，國產(chǎn)的普通型DKZ及DKJ電動執(zhí)

8、行器控制精度一般為2.5/100。 2電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢 電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展必將推動電動執(zhí)行器更加快速的發(fā)展，機電一體化將取代分體式結(jié)構(gòu)；智能通訊的取代模擬的；控制精度將越來越高，使用環(huán)境越來越廣；功能更強大，可靠性更高，以適應(yīng)不斷發(fā)展的自動控制的要求。 2.1總線化、網(wǎng)絡(luò)化 國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（FactoryAutomation）工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，作為自動控制中自動化儀表之一的電動執(zhí)行器為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口，以增強其與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力

9、，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺、甚至數(shù)十臺電動執(zhí)行器與上位計算機連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線企業(yè)網(wǎng)作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開放性，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點，使它與Interent的結(jié)合成為可能，現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于電動執(zhí)行器成為必然趨勢?，F(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的420mA模擬信號，實現(xiàn)了電動執(zhí)行器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作，提高了它的可靠性，降低了系統(tǒng)及工程成本。目前有影響的現(xiàn)場總線主要有PROFIBUS，F(xiàn)F，HART，CAN等

10、，其實，國外目前的智能電動執(zhí)行器一般都帶有現(xiàn)場總線接口，我國也開發(fā)了一些帶現(xiàn)場總線接口的智能執(zhí)行器。 2.2數(shù)字化、智能化 智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，價格低廉的單片機和新型高速微處理器將全面代替以模擬電子器件為主的電動執(zhí)行器的控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）來提高控制性能。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器一般被看作是線性系統(tǒng)，由放大環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)組成，但實際上，絕大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運行期間會顯著地發(fā)生改變，應(yīng)用參數(shù)調(diào)度和模型辨識自適應(yīng)控制將大大

11、提高電動執(zhí)行器的控制性能。相對氣動、液動執(zhí)行器來說，接線簡單、功能強大、使用可靠的智能電動執(zhí)行器將不斷擴大應(yīng)用范圍。 2.3小型化、機電一體化 電力電子的高度集成化，單片機的使用以及一些功能強大模塊的使用，使電動執(zhí)行器的體積越來越小，向小型化，輕便化發(fā)展。目前，智能電動執(zhí)行器一般將整個控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，將伺服電機，現(xiàn)場儀表控制器安裝為一體。電動執(zhí)行器一體化，使得執(zhí)行器的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化；將整個控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，又減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。 總之，國際上，電動執(zhí)行器正朝著小型化、一體化、數(shù)字化、智能化、總線化和網(wǎng)絡(luò)化方向快

12、速發(fā)展，國產(chǎn)電動執(zhí)行器在產(chǎn)品的品種、控制精度、工藝水平、可靠性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面還有較大差距，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能電動執(zhí)行器十分匱乏。本文旨在找到我們與世界在電動執(zhí)行器方面的差距，明確目標(biāo)，通過我們的努力盡快減小國產(chǎn)電動執(zhí)行器與世界先進(jìn)水平的差距。二、電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理電動執(zhí)行器有五種類型：直行程電動執(zhí)行器、角行程電動執(zhí)行器、電動調(diào)節(jié)閥、PID電動調(diào)節(jié)執(zhí)行器和電磁閥。前四種屬于DDZ型。下面簡要介紹一下直行程電動執(zhí)行器(DKJ)和角行程電動執(zhí)行器(DKZ)。直行程與角行程電動執(zhí)行器的作用是接收調(diào)節(jié)器或其它儀表送來的010，420毫安或15伏電壓的標(biāo)準(zhǔn)值流電信號，經(jīng)執(zhí)行器后變成位移推力或

13、轉(zhuǎn)角力矩，以操作開關(guān)、閥門等，完成自動調(diào)節(jié)的任務(wù)。這兩種執(zhí)行器以前都是由伺服放大器與執(zhí)行機構(gòu)兩大部分組成的?，F(xiàn)在有機電一體智能化的結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法都是相似的，區(qū)別僅在于，一個輸出位移(推力)，一個輸出轉(zhuǎn)角(力矩)。電動執(zhí)行器選型考慮要點 1、根據(jù)閥門類型選擇電動執(zhí)行器 閥門的種類相當(dāng)多，工作原理也不太一樣，一般以轉(zhuǎn)動閥板角度、升降閥板等方式來實現(xiàn)啟閉控制，當(dāng)與電動執(zhí)行器配套時首先應(yīng)根據(jù)閥門的類型選擇電動執(zhí)行器。1.1角行程電動執(zhí)行器（轉(zhuǎn)角<360度） 電動執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)動小于一周，即小于360度，通常為90度就實現(xiàn)閥門的啟閉過程控制。此類電動執(zhí)行器根據(jù)安裝接口方式的

14、不同又分為直連式、底座曲柄式兩種。 a)直連式：是指電動執(zhí)行器輸出軸與閥桿直連安裝的形式。 b)底座曲柄式：是指輸出軸通過曲柄與閥桿連接的形式。 此類電動執(zhí)行器適用于蝶閥、球閥、旋塞閥等。 1.2多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行器（轉(zhuǎn)角>360度） 電動執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)動大于一周，即大于360度，一般需多圈才能實現(xiàn)閥門的啟閉過程控制。 此類電動執(zhí)行器適用于閘閥、截止閥等。 1.3直行程（直線運動） 電動執(zhí)行器輸出軸的運動為直線運動式，不是轉(zhuǎn)動形式。 此類電動執(zhí)行器適用于單座調(diào)節(jié)閥、雙座調(diào)節(jié)閥等。 2、根據(jù)生產(chǎn)工藝控制要求確定電動執(zhí)行器的控制模式 電動執(zhí)行器的控制模式一般分為開關(guān)型（開環(huán)控制）和調(diào)節(jié)型（閉環(huán)

15、控制）兩大類。2.1開關(guān)型（開環(huán)控制） 開關(guān)型電動執(zhí)行器一般實現(xiàn)對閥門的開或關(guān)控制，閥門要么處于全開位置，要么處于全關(guān)位置，此類閥門不需對介質(zhì)流量進(jìn)行精確控制。 特別值得一提的是開關(guān)型電動執(zhí)行器因結(jié)構(gòu)形式的不同還可分為分體結(jié)構(gòu)和一體化結(jié)構(gòu)。選型時必需對此做出說明，不然經(jīng)常會發(fā)生在現(xiàn)場安裝時與控制系統(tǒng)沖突等不匹配現(xiàn)像。 a)分體結(jié)構(gòu)（通常稱為普通型）：控制單元與電動執(zhí)行器分離，電動執(zhí)行器不能單獨實現(xiàn)對閥門的控制，必需外加控制單元才能實現(xiàn)控制，一般外部采用控制器或控制柜形式進(jìn)行配套。 此結(jié)構(gòu)的缺點是不便于系統(tǒng)整體安裝，增加接線及安裝費用，且容易出現(xiàn)故障，當(dāng)故障發(fā)生時不便于診斷和維修，性價比不理想。

16、 b)一體化結(jié)構(gòu)（通常稱為整體型）：控制單元與電動執(zhí)行器封裝成一體，無需外配控制單元即可現(xiàn)實就地操作，遠(yuǎn)程只需輸出相關(guān)控制信息就可對其進(jìn)行操作。 此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是方便系統(tǒng)整體安裝，減少接線及安裝費用，容易診斷并排除故障。但傳統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品也有很多不完善的地方，所以產(chǎn)生了智能電動執(zhí)行器，關(guān)于智能電動執(zhí)行器后面將再做說明。 2.2調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制） 調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器不僅具有開關(guān)型一體化結(jié)構(gòu)的功能，它還能對閥門進(jìn)行精確控制，從而精確調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。因篇幅有限其工作原理在此不作詳細(xì)說明。下面就調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器選型時需注明的參數(shù)做簡要說明。a)控制信號類型（電流、電壓） 調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器控制信號一般有電

17、流信號(420mA、010mA)或電壓信號(05V、15V)，選型時需明確其控制信號類型及參數(shù)。 b)工作形式（電開型、電關(guān)型） 調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器工作方式一般為電開型（以420mA的控制為例，電開型是指4mA信號對應(yīng)的是閥關(guān)，20mA對應(yīng)的是閥開），另一種為電關(guān)型（以4-20mA的控制為例，電開型是指4mA信號對應(yīng)的是閥開，20mA對應(yīng)的是閥關(guān)）。一般情況下選型需明確工作形式，很多產(chǎn)品在出廠后并不能進(jìn)行修改，奧美閥控生產(chǎn)的智能型電動執(zhí)行器可以通過現(xiàn)場設(shè)定隨時修改。 c)失信號保護(hù) 失信號保護(hù)是指因線路等故障造成控制信號丟失時，電動執(zhí)行器將控制閥門啟閉到設(shè)定的保護(hù)值，常見的保護(hù)值為全開、全關(guān)、保

18、持原位三種情況，且出廠后不易修改。奧美閥控生產(chǎn)的智能電動執(zhí)行器可以通過現(xiàn)場設(shè)定進(jìn)行靈活修改，并可設(shè)定任意位置（0100%）為保護(hù)值。 3、根據(jù)閥門所需的扭力確定電動執(zhí)行器的輸出扭力 閥門啟閉所需的扭力決定著電動執(zhí)行器選擇多大的輸出扭力，一般由使用者提出或閥門廠家自行選配，作為執(zhí)行器廠家只對執(zhí)行器的輸出扭力負(fù)責(zé)，閥門正常啟閉所需的扭力由閥門口徑大小、工作壓力等因素決定，但因閥門廠家加工精度、裝配工藝有所區(qū)別，所以不同廠家生產(chǎn)的同規(guī)格閥門所需扭力也有所區(qū)別，即使是同個閥門廠家生產(chǎn)的同規(guī)格閥門扭力也有所差別，當(dāng)選型時執(zhí)行器的扭力選擇太小就會造成無法正常啟閉閥門，因此電動執(zhí)行器必需選擇一個合理的扭力范圍。 4、根據(jù)所選電動執(zhí)行器確定電氣參數(shù) 因不同執(zhí)行器廠家的電氣參數(shù)有所差別，所以設(shè)計選型時一般都需確定其電氣參數(shù)，主要有電機功率、額定電流、二次控制回路電壓等，往往在這方面的疏忽，結(jié)果控制系統(tǒng)與電動執(zhí)行器參數(shù)不匹配造成工作時空開跳閘、保險絲熔斷、熱過載繼電器保護(hù)起跳等故障現(xiàn)象。參考文