分析电动执行器
- 2015/4/4 10:18:4913595
分析电动执行器
一、电动执行器的种类和特点
目前常见的有两种类型的电动执行器：单回转电动执行器（Part-TurnElectricValveActuator）和多回转电动执行器（Multi-TurnElectricValveActuator）。
单回转执行器结构紧凑可以安装到小尺寸阀门上，通常输出力矩可达800公斤米，另外应为所需电源较小，它们可以安装电池来实现故障安全操作。主要控制需要部分回转的阀门。例如：球阀，蝶阀等，后者需要多圈数旋转的阀门，例如闸阀等。
多回转式执行器使用单相或三相电动机驱动齿轮或蜗轮蜗杆后驱动阀杆螺母，阀杆螺母使阀杆产生运动使阀门打开或关闭。为了保护阀门不受损坏，安装在在阀门行程的终点的限位开关会切断电机电源，同时当安全力矩被超过时，力矩感应装置也会切断电机电源，位置开关用于指示阀门的开关状态，安装离合器装置的手轮机构可在电源故障时手动操作阀门。
二、电动执行器的发展
我国电动执行器的研制起步较晚，是从苏联有触点的执行机构进行仿制开始的，60年代末70年代初，逐步发展了DDZ-II型和DDZ-III型产品。
80年代以来，随着电力电子技术的发展，电动执行器发展快速，无触点的HYK型角行程和HYz型直行程电动执行机构两大类产品进入市场，HYJ、HYK是我国早的、生产的电动执行器，此产品以结构简单、经济实用等优点被早的国营大型企业使用。
随着现代工控计算机管理的发展，目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，多数产品实现了智能化。今天，HYJ、HYK系列与以前相比有了两大实质性改进：
（1）生产出直接受计算机控制的智能电子型、户外型、隔爆型等改进型产品；
（2）将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中，即模块，形成了便于维护的即插即用型。因此，普通HYJ型和HYK型的可靠性、精度、负载能力、信号品质系数等性能有了很大提高，而且对环境条件的要求降低了很多；智能型的电动执行器实现了智能控制、防护等级高、控制精度较高、重量轻、稳定性好的功能。如永嘉县神舟电力设备有限公司生产的DZW系列电动执行机构就具备这些特点，其位置控制基本误差=±1%，重复性误差：（设定行程时间≥25s）≤1%。一体化结构；传动系统采用螺杆螺母式，传动平稳、承载能力强、传动精度高；具有自诊断、自调整和PID调节功能。
目前国内普遍使用HYJ和HYK型两大类产品，一些企业使用的更新换代产品，但在控制要求较高的实验、生产控制中，主要是依赖价格较高的国外智能产品。如德国SIPOS、AUMA、EMG，英国ROTORK，法国BERNARD，美国LIMITORQUE等电动执行器。随着各种过程控制要求的不断提高，电动执行器必须提高控制性能，才能真正提高自动控制水平。
1.2状况
自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上台电动执行机构以来，上电动执行器技术水平发展迅速。20世纪80年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器，在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛发展，目前国外己开发出新一代智能化电动执行机构产品，电子计算机技术、微机控制技术己在阀门设计中得到广泛应用。这些智能化电动执行器功能强大、简单可靠、技术先进。的电动执行器公司英国的ROTORK（罗托克）生产的IQ系列智能化电动执行器，不但具有智能通信、智能控制、支持多种现场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中，防水防暴，终身可靠，调试及故障排除简单。德国Hartmann&Braum公司新一代产品智能电动执行器MOE700实现了智能式电子一体化，变频变速定位，监控等功能。代表着该领域的世界先进水平的公司还有美国的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等几家国外的公司。JORDAN公司的智能电动执行器突出特点是动作频率高，其动作频率是2000～4000/h，而国内的电动执行器动作频率在2000/h以下，一般动作频率达到1200/h就是很高的了。总之，上智能电动执行器有以下特点：
（1）智能通信，智能控制智能电动执行器利用微机技术和现场通信技术，实现双向通信、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，有效提高控制水平。
（2）机电一体化新型智能化电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控制性能好。
（3）控制策略更为先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位，提高控制精度。Nucom电动执行器利用先进的电制动技术，控制精度可达1/250，国产的普通型DKZ及DKJ电动执行器控制精度一般为2.5/100。
2、电动执行器的发展趋势
电力电子技术、计算机技术及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器更加快速的发展，机电一体化将取代分体式结构；智能通讯的取代模拟的；控制精度将越来越高，使用环境越来越广；功能更强大，可靠性更高，以适应不断发展的自动控制的要求。
2.1总线化、网络化
国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（FactoryAutomation）工程技术在近十年来得到了长足的发展，作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标准的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系统。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Interent的结合成为可能，现场总线技术应用于电动执行器成为必然趋势。现场总线技术的应用，取代了传统的4～20mA模拟信号，实现了电动执行器的远程监控，状态、故障、参数信息传送，完成远程参数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及工程成本。目前有影响的现场总线主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等，其实，国外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发了一些带现场总线接口的智能执行器。
2.2数字化、智能化
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机和新型高速微处理器将全面代替以模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元，从而实现完全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法（如：优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）来提高控制性能。传统的电动执行器一般被看作是线性系统，由放大环节和积分环节组成，但实际上，绝大多数执行器参数在运行期间会显著地发生改变，应用参数调度和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。相对气动、液动执行器来说，接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行器将不断扩大应用范围。
2.3小型化、机电一体化
电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强大模块的使用，使电动执行器的体积越来越小，向小型化，轻便化发展。目前，智能电动执行器一般将整个控制回路装在一台现场仪表里，将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体。电动执行器一体化，使得执行器的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。
总之，上，电动执行器正朝着小型化、一体化、数字化、智能化、总线化和网络化方向快速发展，国产电动执行器在产品的品种、控制精度、工艺水平、可靠性、智能化和网络化方面还有较大差距，具有自主知识产权的高性能电动执行器十分匮乏。本文旨在找到我们与世界在电动执行器方面的差距，明确目标，通过我们的努力尽快减小国产电动执行器与世界先进水平的差距.
三、电动执行器的结构原理
电动执行器有五种类型：直行程电动执行器、角行程电动执行器、电动调节阀、PID电动调节执行器和电磁阀。前四种属于DDZ型。下面简要介绍一下直行程电动执行器（DKJ）和角行程电动执行器（DKZ）。
直行程与角行程电动执行器的作用是接收调节器或其它仪表送来的0~10，4~20毫安或1~5伏电压的标准值流电信号，经执行器后变成位移推力或转角力矩，以操作开关、阀门等，完成自动调节的任务。这两种执行器以前都是由伺服放大器与执行机构两大部分组成的。现在有机电一体智能化的结构，它们的结构、工作原理和使用方法都是相似的，区别仅在于，一个输出位移（推力），一个输出转角（力矩）。
电动执行器选型考虑要点
1、根据阀门类型选择电动执行器
阀门的种类相当多，工作原理也不太一样，一般以转动阀板角度、升降阀板等方式来实现启闭控制，当与电动执行器配套时首先应根据阀门的类型选择电动执行器。
1.1。角行程电动执行器（转角360度）
电动执行器输出轴的转动大于一周，即大于360度，一般需多圈才能实现阀门的启闭过程控制。
此类电动执行器适用于闸阀、截止阀等。
1.3。直行程（直线运动）
电动执行器输出轴的运动为直线运动式，不是转动形式。
此类电动执行器适用于单座调节阀、双座调节阀等。
2、根据生产工艺控制要求确定电动执行器的控制模式
电动执行器的控制模式一般分为开关型（开环控制）和调节型（闭环控制）两大类。
2.1。开关型（开环控制）
开关型电动执行器一般实现对阀门的开或关控制，阀门要么处于全开位置，要么处于全关位置，此类阀门不需对介质流量进行控制。
特别值得一提的是开关型电动执行器因结构形式的不同还可分为分体结构和一体化结构。选型时必需对此做出说明，不然经常会发生在现场安装时与控制系统冲突等不匹配现像。
a）分体结构（通常称为普通型）：控制单元与电动执行器分离，电动执行器不能单独实现对阀门的控制，必需外加控制单元才能实现控制，一般外部采用控制器或控制柜形式进行配套。
此结构的缺点是不便于系统整体安装，增加接线及安装费用，且容易出现故障，当故障发生时不便于诊断和维修，性价比不理想。
b）一体化结构（通常称为整体型）：控制单元与电动执行器封装成一体，无需外配控制单元即可现实就地操作，远程只需输出相关控制信息就可对其进行操作。
此结构的优点是方便系统整体安装，减少接线及安装费用，容易诊断并排除故障。但传统的一体化结构产品也有很多不完善的地方，所以产生了智能电动执行器，关于智能电动执行器后面将再做说明。
2.2。调节型（闭环控制）
调节型电动执行器不仅具有开关型一体化结构的功能，它还能对阀门进行控制，从而调节介质流量。因篇幅有限其工作原理在此不作详细说明。
下面就调节型电动执行器选型时需注明的参数做简要说明。
a）控制信号类型（电流、电压）
调节型电动执行器控制信号一般有电流信号（4～20mA、0～10mA）或电压信号（0～5V、1～5V），选型时需明确其控制信号类型及参数。
b）工作形式（电开型、电关型）
调节型电动执行器工作方式一般为电开型（以4～20mA的控制为例，电开型是指4mA信号对应的是阀关，20mA对应的是阀开），另一种为电关型（以4-20mA的控制为例，电开型是指4mA信号对应的是阀开，20mA对应的是阀关）。一般情况下选型需明确工作形式，很多产品在出厂后并不能进行修改，永嘉县神舟电力设备有限公司生产的智能型电动执行器可以通过现场设定随时修改。
c）失信号保护
失信号保护是指因线路等故障造成控制信号丢失时，电动执行器将控制阀门启闭到设定的保护值，常见的保护值为全开、全关、保持原位三种情况，且出厂后不易修改。神舟电力设备有限公司生产的智能电动执行器可以通过现场设定进行灵活修改，并可设定任意位置（0~100%）为保护值。
3、根据电动阀门所需的扭力确定电动执行器的输出扭力
阀门启闭所需的扭力决定着电动执行器选择多大的输出扭力，一般由使用者提出或阀门厂家自行选配，作为执行器厂家只对执行器的输出扭力负责，阀门正常启闭所需的扭力由阀门口径大小、工作压力等因素决定，但因阀门厂家加工精度、装配工艺有所区别，所以不同厂家生产的同规格阀门所需扭力也有所区别，即使是同个阀门厂家生产的同规格阀门扭力也有所差别，当选型时执行器的扭力选择太小就会造成无法正常启闭阀门，因此电动执行器必需选择一个合理的扭力范围。
4、根据所选电动执行器确定电气参数
因不同执行器厂家的电气参数有所差别，所以设计选型时一般都需确定其电气参数，主要有电机功率、额定电流、二次控制回路电压等，往往在这方面的疏忽，结果控制系统与电动执行器参数不匹配造成工作时空开跳闸、保险丝熔断、热过载继电器保护起跳等故障现象。