智能电动执行机构的数字控制系统简介

1.DKJ型电动执行机构及其不足

电动执行机构有角行程和线行程之分。DKJ型角行程电动执行机构是DDZ—Ⅱ型电动单元组合仪表中的执行单元，是传统电动执行机构的典型产品。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型电动执行机构在各工业部门都有较多应用，但它存在着一些不足，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。

2.智能电动执行机构特点

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机构。新型智能电动执行机构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。

智能电动执行机构的伺服放大器采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现，具有数字通信接口，支持HART协议或现场总线通信，能够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动机动作。减速器采用新型传动结构，运行平稳、传动效率高。位置发送器采用新技术和新方法例如采用霍耳效应传感器，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。

智能电动执行机构按控制电源划分有单相和三相两大类，与传统的电动执行机构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型电动执行机构。

2）采用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式操作器。

3）功能强、使用方便，具有自诊断、自调整和PI调节等功能。

4）增加了流量特性软件修正。采用微处理器后，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。

5）在调节中采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械摩擦制动器，大大提高了整机的可靠性。

3.单相智能电动执行机构工作原理

单相智能电动执行机构的结构如图6-7-1所示。从框图可看出：来自上位调节器或变送器的模拟量信号，经处理后进入智能伺服放大器，智能伺服放大器中的微处理器定时检测该输入信号与位置反馈信号。当接受上位调节器信号且不进行修正时，微处理器比较两个信号，一旦信号不平衡，偏差超出要求值，即发出控制信号，经放大隔离后驱动智能伺服放大器中的功率晶闸管，使其导通带动电动机转动，进而调节阀门开度，同时微处理器也将表示阀门开度的位置信号转换成相应的脉冲量发往操作器的显示器。操作人员可从数字操作器上观察阀门的开度。

图6-7-1 单相智能电动执行机构的结构

当接收变送器信号进入PI调节工作方式时，微处理器是将变送器信号与给定值进行比较，并按预先设置好的参数PI进行计算并发出控制信号，调节阀门，直至两个信号达到平衡当进入特性修正工作方式时，微处理器将不再是仅比较两种信号是否相等，而是对信号按预先设置的特性参数进行计算，使输入信号与阀门位移呈要求的非线性关系。这样就使得改变调节阀流量特性变得很方便，为改善系统的稳定性提供新的方法。

三相智能电动执行机构采用了智能单相电动执行机构的主体部分，其对输入信号的处理、特性修正、故障诊断等都是一样的。只是对输出信号的处理和控制软件做了些改动。智能伺服放大器的输出进入三相功率转换器，由其转换成三相功率输出，再驱动三相伺服电动机工作。

4.几种典型智能电动执行机构

（1）IKZL智能型电动执行机构

IKZL智能型电动执行机构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，最终驱动交流电动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，其主要特点有：

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，准确度高、寿命长。

3）用永磁式交流同步电动机作驱动电动机，短时间超负荷情况下不会损坏。(www.xing528.com)

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操作外，也可在现场以手动操作按键方式改变阀门开度。

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，将被判定为电动机堵转，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须另配伺服放大器。

9）该执行机构设计成全封闭，防尘、防水。采用MCU控制，无须开盖，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系列智能电动执行机构

该系列智能电动执行机构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，三相电动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40000N·m）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、数字化霍耳传感器检测，准确度高、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）电动机速度、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，电动机无须刹车，维护量少。

（3）IQ系列智能电动执行机构

英国罗托克（ROTORK）公司于20世纪90年代推出了智能型电动执行机构（IQ系列），与普通执行机构相比具有如下特点：

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，对准执行机构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机构有故障时，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动机过载、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，执行机构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。执行机构响应速度与实际要求偏差大小成比例，即所谓的“变速控制”，大大提高了执行机构响应品质。

5）较强的现场适应性。整机设计具有IP54级防护能力，且对执行机构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，特别是执行机构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。

5.调节阀流量特性修正

调节阀的种类、形状千差万别，其特性也各不相同。对一台调节阀来说，一旦加工、装配好，其位移与流量、压差的关系就固定下来了。如果用传统的电动执行机构，只能如实地复现原调节阀的固有特性。智能电动执行机构通过微处理器的计算、修正，可以相对改变调节阀的流量特性。

实现调节阀特性修正的基本原理是：输入待修正阀门的固有特性和要达到标准特性的必要参数，计算出达到标准特性时阀门的实际开度。通过修正可使一种调节阀的流量特性变为多种，使固有特性不能通过加工阀门形状来改变的阀（如蝶阀）也可修正到理想特性。