智能型电动执行机构的工作原理及应用

摘要：智能型电动执行机构广泛应用于工业控制系统中，对阀门进行控制和调节。本文结合其原理对智能型电动执行机构在工业中的应用加以简单阐述。

关键字：电动执行机构原理应用

中图分类号:P273.5 文献标志码:A

1、引言

随着我国工业生产控制过程自动化程度的提高，电动执行机构得到了越来越广泛的应用。它以电能为动力，接收调节器传来的标准信号，如模拟量和数字量信号,转化成相应的输出动作位移来自动改变操作变量（调节阀、风门、挡板开度等），已达到对被调参数进行自动调节的目的，使生产过程按照预定的要求进行。因此电动执行机构在整个控制系统中起着举足轻重的作用,它的好坏,将直接影响着过程控制工业生产的质量、安全、环境保护，能源消耗等。目前，工业网络化越来越普遍、控制精度要求越来越高，电动执行机构的智能化程度也随之日益完善[[1]曹江,张春喜,张志强.智能变频电动执行机构发展现状及控制技术综述[J].黑龙江水专学报,2007(12):90-100.]。

2、电动执行机构的工作原理

电动执行机构是由三相异步电动机驱动，接收控制器或人工给定的控制信号，将其进行功率放大，并转换为输出轴相应的转角或直线位移，通过蜗轮蜗杆减速，带动空心输出轴输出转矩，连续或断续的去推动各种控制机构，以完成生产过程中各种参量的控制。执行机构的减速器具有手/电动切换机构，当切换处于手动位置时，手轮离合器可以带动齿轮组至梯形螺母使传输轴转动，输出轴的极限尺寸由导管长度决定；电动操作时，切换机构将自动回落至电动的位置，离合器和蜗轮啮合，由三相电机驱动空心输出轴来回转动。电动执行机构的整体结构示意图如图1所示。

图1执行机构整体结构示意图

执行机构的系统从整体上可分为控制器和执行器两部分。控制器是核心，由微控制器、总线接口模块和电磁开关等组成，完成下列功能：

⑴接收和反馈信号，用于控制伺服电机的动作同时向上位机反馈实际信息。

⑵信号选择，选择不同的控制信号（电流或电压模拟量）。

⑶断信号保护，通过读取开关状态，选择断信号是执行机构应处的位置（位于全开、全关或原位）。

⑷参数调整，可以调整灵敏度、零点、行程参数。

执行器在控制器的控制下完成设定的机械动作。主要由驱动装置伺服电机、降低电机速度的减速机构、调节和控制阀门启闭位置的行程控制器、调节转矩并使之不超过预定值的力矩控制器等组成[[2]李忠虎,闰丹.电容式电动角行程执行机构位置发送器设计[J].实验室研究与探索,2013(1):33-34.][[3]胡慕伊.电动执行器直接数字控制[J].自动化与仪器与表,1996(7):31-32.]。

3、在工业上的应用

3.1智能型电动执行机构的自身优势

⑴控制系统的核心采用PLC，更适合工业环境，程序更新方便、更稳定且可监控。

⑵采用人机界面，实时显示当前位置、力矩以及执行机构的运行状态。

⑶智能型电动执行机构采用非侵入式设计，信号以电信号方式传递，可在不打开电气箱盖的情况下可进行调试和参数的保存。

⑷可进行故障自诊断，给出相应报警信号。

⑸对输入的三相电源自动进行相序纠正。

⑹在不改变硬件结构的前提下，升级程序可达到增加新功能的目的。

⑺采用总线技术等多种控制方式，适应新技术的发展。

3.2应用前选型的处理

智能型电动执行机构在工业中多用于管道阀门工艺中。想要在相应的位置安全稳定的工作，必须选择合适的类型。电动执行机构选型需要注意以下几方面：

⑴根据工作环境的防护、防爆等级选择，既能保证工作的安全性又能降低设备寿命的无谓损耗。如：在易燃易爆的危险环境下，要选择防爆等级高的；在水下或扬灰环境下，要选择防水或外壳防护高的。

⑵根据生产工艺控制要求选择控制模式是开关型还是调解型。

⑶根据阀门的类型选择。阀门种类很多，一般以转动阀板角度或升降阀板等方式来实现开闭的控制。直行程的电动执行器输出的是直线位移，不是转动的，一般用于控制各种需要直线位移的调节阀，如单座/双座、套筒阀等调节阀。角行程的电动执行机构又称部分回转执行机构，是一种输出轴小于360度的执行器，大多用于蝶阀、球阀、百叶阀、风门、旋塞阀等。多回转电动执行机构是输出轴大于360的执行器，可用于控制各类闸阀、截止阀等。

⑷根据阀门所需的力矩选择执行机构的输出力矩。阀门的开和关所需的力矩决定着智能型电动执行机构选择多大的输出力矩，当选型时执行机构的力矩如果偏小就会造成无法正常关/闭阀门，如果力矩过大，又容易把阀杆拉坏。因此在与阀门配套应用时，电动执行机构输出的最小控制转矩应不小于调节阀或调节挡板中间位置的运行转矩，额定行程范围值可调整，且额定行程应小于阀门的最大行程。

⑸根据所选电动执行器确定电气参数。不同的执行器厂家的电气参数是有差别的，所以在选型时一般都需要确定其电气参数，主要包括电机功率、额定电流、二次控制回路的电压等。如果控制系统和电动执行器的参数不匹配则会引起工作中空气开关跳闸、保险丝熔断、热继起跳等故障现象[[4]祝荣荣,张士文.智能型阀门电动执行机构控制器的设计[J].工业仪表与自动化装置,2005(4):26-28.][[5]王淑红,魏莹,秦雯.基于CAN总线的只能电动执行器设计[J].自动化仪表,2008(6)62-64.

作者简介:郑维波，本科，工程师，从事电气设备调试与维护；

周宪舟，本科，从事自动化仪器仪表的设计与维护。

]。

3.3应用举例

以SND-Q系列智能型角行程（部分回转）电动执行机构为例。在很多石油、化工的长输管道中，这类执行机构多被用于小尺寸阀门上，如球阀和风门等的控制。它是属于手电动全自动切换的机构，整个切换过程不需人员操作。控制系统主要由专用PLC、人机界面、电子行程控制器、电子力矩控制器、红外遥控器、液晶显示、磁控开关手操电路等组成。

其系统以三相交流伺服电机为驱动装置。电子行程控制器采用绝对编码技术将机械传动通过光电传感器转换成二进制码，由PLC进行相应的运算生成可识别的行程数据。电子力矩控制器将输出转矩直接转换成系统可识别的电信号，来获得准确的力矩测量值。PLC将调节系统的4-20mA控制信号和器件的反馈信号进行比较，比较后的信号偏差经过功率扩展板的放大使功率级导通。电动机旋转驱动执行机构的输出件向减小这一偏差的方向移动,直到偏差信号小于设定值为止。此时，执行机构的输出件就停在与输入信号相对应的位置上。

3.4常见故障的分析

实际运行中可能遇到的故障有：⑴电源：动力电源缺项或无24VDC输出。要检查外部电源是否符合要求，电源接线是否正确，相序检测模块是否工作正常。⑵通信：无法通信或通信时断时续。检查电源是否稳定，PLC模块是否正常，数据格式是否正确，通信插口或通信线路是否完好或稳固。⑶过力矩：没到位置已手摇不动或到位后仍可摇。检查力矩值的设定是否合理，力矩传感器是否正常工作。⑷行程传感器：行程显示始终为一固定值或时断时续或行程数值仅在某段范围内循环变化。要检查形成传感器的线路或元器件或内部扩展模块是否正常，PLC设定是否正确。⑸其它现象：包括电机过热、电机绝缘不好、接触器不稳定、手/电动转换机构故障等，要根据现场实际情况，逐一排查。

4、结束语

智能型电动执行机构结合了电子和总线控制等多种先进技术，在工业生产过程控制当中按照既定的逻辑或电脑指令对实时参数进行系统调整，功能完善、操作灵活，控制数据更加精确、方便。无论在工作的安全性还是环境的保护性上，都起着重要作用。

参考文献

[1]曹江,张春喜,张志强.智能变频电动执行机构发展现状及控制技术综述[J].黑龙江水专学报,2007(12):90-100.

[2]李忠虎,闰丹.电容式电动角行程执行机构位置发送器设计[J].实验室研究与探索,2013(1):33-34.

[3]胡慕伊.电动执行器直接数字控制[J].自动化与仪器与表,1996(7):31-32.

[4]祝荣荣,张士文.智能型阀门电动执行机构控制器的设计[J].工业仪表与自动化装置,2005(4):26-28.

[5]王淑红,魏莹,秦雯.基于CAN总线的只能电动执行器设计[J].自动化仪表,2008(6)62-64.

作者简介:郑维波，本科，工程师，从事电气设备调试与维护；

周宪舟，本科，从事自动化仪器仪表的设计与维护。