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智能電動執行器及其發展趨勢
日期：2024-05-19 14:33
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摘要：
隨著微電子、計算機、通信網絡技術和機電一體化技術的迅速發展，90年代以後，國際上出現了智能電動執行器。它是一種新型帶有微處理器的智能終端執行元件。從此，智能化已形成執行器發展的總趨勢，儘快了解智能電動執行器的發展狀況非常必要。 工業生產過程自動調節係統一般由檢測器、調節器、執行器和調節對象組成。其中執行器總是不可缺少，一般由執行機構和調節機構(一般稱為調節閥)組成。此外，根據需要還可配上閥門定位器和手輪機構等附件。 執行器在現代生產過程自動化中起著十分重要的作用，常被稱為實現生產過程自動化的“手足”。電動執行器以電能為動力，接受調節器來的標準信號(模擬量或數字量)，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(調節閥、風門、擋板開度等)，以達到對被調參數(溫度、壓力、流量、液位等)進行自動調節的目的，使生產過程按預定要求進行。所以電動執行器對自動調節係統的**運行、可靠性及調節品質的優劣都有很大影響。 相對氣動、液動執行器而言，電動執行器主要有3點優勢： (1)無需特殊的氣源和空氣淨化等裝置。即使電源失電時，也能保持原執行位置； (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，且便於線路檢查； (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型電動執行器及其不足 電動執行器有角行程和線行程之分。DKJ型角行程電動執行器是DDZ-II型電動單元組合儀表中的執行單元，是傳統電動執行器的典型產品。它主要由伺服放大器和執行機構兩部分組成，接受來自調節單元、變送單元或手動操作器輸出的統一標準電流信號，將其轉換成與之相對應的機械位移輸出。 雖然DKJ型電動執行器在各工業部門都有較多應用，但它存在著不足，主要有以下幾點： (1)產品規格品種較單一，且隻有一種位移速度，不能滿足一些複雜係統要求； (2)冇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設備上，使閥門或生產設備容易受損而減小使用壽命； (3)製動器容易磨損，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，增加了對製動器的可靠性要求。 二、智能電動執行器及特點 近年來，電動執行機構獲得了快速發展，國內外一些廠商相繼推出帶現場總線通信協議的智能電動執行器。新型智能電動執行器利用微機和現場總線通信技術將伺服放大器與執行機構合為一體，不僅實現了雙向通信、PID調節、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控製技術要求的功能，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、輸出現場閥位指示和故障報警等功能。它可進行現場操作或遠方操作，完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換。 智能電動執行器采用新穎結構部件。伺服放大器中采用了微處理器係統，所有控製功能均可通過編程實現，還具有數字通信接口，從而具有HART協議或現場總線通信功能，成為現場總線控製係統中的一個節點。有的伺服放大器中還采用變頻器技術，可更有效控製伺服電機動作。減速器采用新穎傳動結構，運行平穩、傳動效率高，無爬行、摩擦小。位置發送器采用新技術和新方法，有的采用霍爾效應傳感器，直接感應閥杆的縱向或旋轉動作，實現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。 智能電動執行器通常都有液晶顯示器和手動操作按鈕，用於顯示各種狀態信息和輸入組態數據以及手動操作等。 智能電動執行器與傳統電動執行器相比，主要有如下特點： (1)主要參數技術指標先進，如工作死區、基本誤差、回差等指標已達到或接近世界先進水平，超過國內現有DDZ-II、III型電動執行器。 (2)采用先進微機和數字顯示技術，以智能伺服放大器取代傳統伺服放大器，以數字式操作器取代原有模擬指針式操作器，解決了數字顯示跳動頻繁而造**眼疲勞的問題。 (3)功能強、使用方便，具有自診斷、自調整和PI調節等功能，尤其是PI調節功能可省去前級調節器，直接接受變送器信號。 (4)增加了流量特性軟件修正。采用微處理機後，能靈活地設定、改變流量特性，提高調節閥控製性能，使一種固有特性的調節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狀。 (5)在調節中采用電製動和斷續調節技術，對具有自鎖功能的執行機構可取消機械摩擦製動器，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，方便了生產和備料，為控製室不進三相電源的控製提供了可能。
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三、幾種典型智能電動執行器
1.IKZL智能型電動執行器
IKZL智能型電動執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製。它采用現代高效單片MCU和外圍芯片組成控製單元，接收統一標準直流信號，經過運算處理後，*終驅動交流電機輸出與之相對應的直線位移。該機構可方便與調節閥配套成自動調節閥，具備調節閥本身所要求的各種動作變換功能，適用於電力、冶金、石油、化工及輕工等工業部門。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，**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)內置記憶芯片於控製部件，在輸入電壓低於額定電壓前的瞬間，自動記下現場數據，當輸入電壓恢複正常後，能保證係統繼續工作；
(5)備有標準RS-485通信口。
(6)除自動跟蹤輸入信號實現閥門的開度操作外，也可在現場以手動操作按鍵方式電動改變閥門開度；
(7)當執行機構控製電路中MCU發出開或關的命令後，執行機構在6s內不動作，將被判定為電機堵轉，同時顯示器出現閃爍，並停止發出開或關命令，執行機構將停止運行。直到儀表被複位後，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製運轉而無需另配伺服放大器；
(9)該執行器設計成全封閉，防塵、防水。采用MCU控製，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. ONTRACMOE700/MME800係列智能電動執行器
該係列智能電動執行器是重慶川儀十廠由德國H&B公司(現屬ABB集團)引進並推出的。MOE700係列為數字調節型-S2控製模式，MME800係列為連續調節型-S4控製模式。它們采用機械自鎖的蝸輪、蝸杆結構，三相電機變頻驅動和智能化監控、數字檢測技術，其運行速度和力矩可在線或離線寬範圍設定，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、速度等全方位微處理器現代控製技術，組態靈活，功能強大；
(2)電子化、數字化霍爾傳感器檢測，**度高、可靠性高、穩定性好、抗乾擾能力強；複合傳感，位移、速度和轉向由同一傳感器檢測；
(3)組態方法有本機控製、遙控或係統在線3種方式，簡化了調試和設置操作；
(4)電機速度、負載變頻控製，不受電源電壓波動影響，同一產品應用麵寬，備品少；
(5)高可靠設計，電子化監控、診斷、報警等，功能齊備，正常工作參數值為報警保護值的一半；電子參數調控型代替原機械額定值型，大大提高執行機構可靠性、可控性和壽命。
(6)輸入、輸出方式組態靈活，數字量、脈衝量、模擬量和現場總線方式根據需要選配，具有廣泛的適用性；
(7)定位平穩，反向、減速製動，平滑定位；
(8)蝸輪、蝸杆機械傳動結構，具有逆向自鎖特性，電機無需刹車，維護量少；
(9)防護等級IP67，可選IP68。
3.IQ係列智能電動執行器
英國羅托克(ROTORK)公司於90年代推出了智能型電動執行器(IQ係列)，與普通執行器相比具有如下特點：
(1)便利的參數遙控設定功能。投入使用前，隻要使用由廠家提供的專用設定工具，對準執行器就可進行參數的遙控設定。不僅簡化了設定工作程序，還提高了設備**運行性，特彆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，利用內置式液晶顯示板，不僅可準確顯示閥門開、關狀態和正常閥門開度等，且在參數設定或執行器有故障時，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等，還能自動識彆三相電源相位，緊急情況時，執行器可保位或運行到預先設定的**位置；
(4)先進的控製功能。采用了計算機技術，把先進自動跟隨控製技術設計為它的一項標準功能。執行器響應速度與實際要求偏差大小成比例，即所謂的“變速控製”，大大提高了執行器響應品質；
(5)較強的現場適應性。整機設計具有IP54級防護能力，且對執行器內部與外部信號的口也都采用光電隔離技術，提高了可靠性、特彆是執行器內部控製卡件采用了防震固定法，所有接插件都帶有“反扣”以防鬆動，積木式結構使維修非常方便。
四、智能電動執行器的發展趨勢
綜上所述，智能電動執行器的發展趨勢可以歸納為：機電一體化結構逐步取代組合式結構，智能化控製技術逐步取代純電子控製技術，帶通信技術功能的逐步取代不帶通信技術的，數字控製方式逐步取代傳統的模擬控製方式，運用紅外遙控的非接觸式調試技術逐步取代接觸式手動調試技術等等。
當智能電動執行器與現場總線連接時，智能執行器就成了現場總線控製係統(FCS)中的一塊現場儀表，這時它不僅具有執行器功能，還具有控製、運算和通信等功能。由此可見，我國目前新一代符合現場總線的智能電動執行器產品，是執行機構今後發展的必然趨勢，它的成功研究與應用給電動執行器的進一步發展打下良好基礎，並將給智能電動執行器帶來廣闊的市場發展前景。
