電動執(zhí)行器的發(fā)展與結構

1、電動執(zhí)行器的發(fā)展與結構班級：010852學號：04085147姓名：姬生毅電動執(zhí)行器的發(fā)展與結構一、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)場驅動裝置，其能源取用方便、安裝調試簡單，在電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應用。電動執(zhí)行器包括電動執(zhí)行機構和調節(jié)閥兩部分，控制精度主要決定于電動執(zhí)行機構的控制性能，它能夠將系統(tǒng)的控制信號轉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節(jié)機構，使被控介質按系統(tǒng)要求狀態(tài)工作。 1電動執(zhí)行器的研制及應用現(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)行機構進行仿制開始的，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)行機構兩大類產(chǎn)品進入市場，DKJ、DKZ是我國最早的、唯一生產(chǎn)的電動執(zhí)行器，此產(chǎn)品以結構簡單、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)整體綜合技術水平普遍上升，微電子技術和計算機技術在儀器儀表產(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性改進： （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，形成了便于維護的即插即用型。因此，普通DKJ型和DKZ型的可靠性、精度、負載能力、信號品質系數(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)行機構就具備這些特點，其位置控制基本誤差=±1%，重復性誤差：（設定行程時間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)行機構采用全封閉、一體化結構；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、自調整和PID調節(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技術生產(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)行機構采用了法國新一代先進技術。因此，與國際上先進的智能化電動執(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)的實際要求進行參數(shù)的現(xiàn)場調整，不能組成網(wǎng)絡進行遠程控制等問題。在安全防爆性能等方面，遠遠低于氣動執(zhí)行機構，影響了它的應用。 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)行機構以來，國際上電動執(zhí)行器技術水平發(fā)展迅速。20世紀80年代起，國外相繼推出了符合各種現(xiàn)場總線標準的智能執(zhí)行器，在工業(yè)現(xiàn)場取得了較好的應用效果。由于高新技術的迅猛發(fā)展，目前國外己開發(fā)出新一代智能化電動執(zhí)行機構產(chǎn)品，電子計算機技術、微機控制技術己在閥門設計中得到廣泛應用。這些智能化電動執(zhí)行

6、器功能強大、簡單可靠、技術先進。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定使它可用在任何環(huán)境中，防水防暴，終身可靠，調試及故障排除簡單。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。代表著該領域的世界先進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，一般動作頻率達到1200/h就是很高的了?？傊瑖H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)行器利用微機技術和現(xiàn)場通信技術，實現(xiàn)雙向通信、PID調節(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，有效提高控制水平。 （2）機電一體化新型智能化電動執(zhí)行機構將伺服放大器與執(zhí)行機構合為一體，驅動電路應用功能強大的集成模塊，結構簡單，控制性能好。 （3）控制策略更為先進的控制方法有利于解決電機的慣性問題，實現(xiàn)準確定位，提高控制精度。Nucom電動執(zhí)行器利用先進的電制動技術，控制精度可達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、計算機技術及通訊技術的快速發(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構；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，以適應不斷發(fā)展的自動控制的要求。 2.1總線化、網(wǎng)絡化 國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術為基礎的工廠自動化（FactoryAutomation）工程技術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)行器為適應這一發(fā)展趨勢，也應具有標準的串行通信接口（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)絡化等優(yōu)點，使它與Interent的結合成為可能，現(xiàn)場總線技術應用于電動執(zhí)行器成為必然趨勢?，F(xiàn)場總線技術的應用，取代了傳統(tǒng)的420mA模擬信號，實現(xiàn)了電動執(zhí)行器的遠程監(jiān)控，狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，完成遠程參數(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 智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢，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)行器中應用現(xiàn)代控制理論的先進算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡等）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，應用參數(shù)調度和模型辨識自適應控制將大大

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)絡化方面還有較大差距，具有自主知識產(chǎn)權的高性能電動執(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，通過我們的努力盡快減小國產(chǎn)電動執(zhí)行器與世界先進水平的差距。二、電動執(zhí)行器的結構原理電動執(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、電動調節(jié)閥、PID電動調節(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節(jié)器或其它儀表送來的010，420毫安或15伏電壓的標準值流電信號，經(jīng)執(zhí)行器后變成位移推力或

13、轉角力矩，以操作開關、閥門等，完成自動調節(jié)的任務。這兩種執(zhí)行器以前都是由伺服放大器與執(zhí)行機構兩大部分組成的?，F(xiàn)在有機電一體智能化的結構，它們的結構、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 閥門的種類相當多，工作原理也不太一樣，一般以轉動閥板角度、升降閥板等方式來實現(xiàn)啟閉控制，當與電動執(zhí)行器配套時首先應根據(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（轉角<360度） 電動執(zhí)行器輸出軸的轉動小于一周，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多回轉電動執(zhí)行器（轉角>360度） 電動執(zhí)行器輸出軸的轉動大于一周，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，不是轉動形式。 此類電動執(zhí)行器適用于單座調節(jié)閥、雙座調節(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型（開環(huán)控制）和調節(jié)型（閉環(huán)

15、控制）兩大類。2.1開關型（開環(huán)控制） 開關型電動執(zhí)行器一般實現(xiàn)對閥門的開或關控制，閥門要么處于全開位置，要么處于全關位置，此類閥門不需對介質流量進行精確控制。 特別值得一提的是開關型電動執(zhí)行器因結構形式的不同還可分為分體結構和一體化結構。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)分體結構（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行配套。 此結構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)一體化結構（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，遠程只需輸出相關控制信息就可對其進行操作。 此結構的優(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)的一體化結構產(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，關于智能電動執(zhí)行器后面將再做說明。 2.2調節(jié)型（閉環(huán)控制） 調節(jié)型電動執(zhí)行器不僅具有開關型一體化結構的功能，它還能對閥門進行精確控制，從而精確調節(jié)介質流量。因篇幅有限其工作原理在此不作詳細說明。下面就調節(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、電關型） 調節(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信號對應的是閥關，20mA對應的是閥開），另一種為電關型（以4-20mA的控制為例，電開型是指4mA信號對應的是閥開，20mA對應的是閥關）。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)場設定隨時修改。 c)失信號保護 失信號保護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定的保護值，常見的保護值為全開、全關、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)場設定進行靈活修改，并可設定任意位置（0100%）為保護值。 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)行器的輸出扭力負責，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、熱過載繼電器保護起跳等故障現(xiàn)象。參考文