電動執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的發(fā)展及應(yīng)用

　　摘要：自動控制系統(tǒng)是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進行的控制系統(tǒng)，它是實現(xiàn)自動化的主要手段。電動執(zhí)行器是自控中驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)的一種控制元件，文章通過介紹電動執(zhí)行器的特點以及國產(chǎn)跟國外中的不同來詳細的向我們論述它在實際中的應(yīng)用。
　　
　　一、電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)及特點
　　
　　電動執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中又稱為終端控制元件。由電動執(zhí)行器響應(yīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號或運行人員手動控制信號，以驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、截止閥、閘閥、蝶閥等）和風(fēng)門擋板。
　　
　　電動執(zhí)行器與調(diào)節(jié)機構(gòu)的連接方式有:（1）電動執(zhí)行器安裝在調(diào)節(jié)機構(gòu)（如閥門）的上部，直接驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)。該連接方式一般適用于直行程電動執(zhí)行器和電動閥門的電動裝置等。（2）電動執(zhí)行器與調(diào)節(jié)機構(gòu)分開安裝，它們之間通過轉(zhuǎn)臂及連桿連接。該連接方式一般適用于角行程電動執(zhí)行器等。目前，在我國工業(yè)生產(chǎn)過程控制中常用的電動執(zhí)行器按輸出位移型式可分為角行程、直行程和多轉(zhuǎn)電動3種類型，各類執(zhí)行器的輸出額定值見表1和表2（僅供參考）。
　　
　　電動執(zhí)行器通常包括伺服放大器和執(zhí)行器兩個獨立部件，帶伺服放大器的稱比例式電動執(zhí)行器（圖1）,不帶伺服放大器的稱積分式電動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器由兩相伺服電動機、減速器及位置發(fā)送器等部件組成。比例式電動執(zhí)行器的輸入信號與位置反饋信號進行比較，其差值經(jīng)過伺服放大器放大后去驅(qū)動調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)等動作。　　
　　二、國產(chǎn)電動執(zhí)行器
　　
　　天津市自動化儀表七廠生產(chǎn)的SD系列電動執(zhí)行器為引進法國伯納德公司技術(shù)生產(chǎn)，其位置定位器和位置發(fā)送器及行程力矩開關(guān)均具有較高的準確度和靈敏度。GAMX-D定位器采用模擬電子式比較放大回路，并與行程開關(guān)、力矩限制開關(guān)、位置傳感器及電動機構(gòu)成一個整體，安裝于執(zhí)行器本體。該定位器既可輸入模擬量信號，又可輸入開關(guān)量信號，通過編碼器設(shè)定不同的輸入信號，如:（4~12）mA,（12~2O）mA，（0~2O）mA，（4~2O）mA,（0~1O）V等。
　　
　　（l）SD去列電動執(zhí)行器電動機采用特種電機，具有高啟動力矩倍數(shù)，低啟動電流和較小的轉(zhuǎn)動慣量，因而有良好的伺服特性，在電機定子內(nèi)部裝有熱敏開關(guān)用于電機過熱保護，當(dāng)電機在運行中出現(xiàn)異常過熱時，該保護開關(guān)自動斷開，當(dāng)電機冷卻后，開關(guān)自動恢復(fù)接通。
　　
　　（2）位置發(fā)送器由位置傳感器和電流變送器TAM構(gòu)成，其采用高精度、長壽命的導(dǎo)電塑料電位器，與行程控制機構(gòu)同軸連接，其阻值為lkΩ，功率4W，線性精度0.2%，壽命可達54萬次，阻值隨執(zhí)行機
　　
　　構(gòu)輸出旋轉(zhuǎn)度而變化，一般作為位置反饋信號。
　　
　　（3）位置定位器接受調(diào)節(jié)單元或控制系統(tǒng)發(fā)出的弱電信號，并與位置反饋信號綜合比較后進行放大輸出，與執(zhí)行器相聯(lián)，以控制執(zhí)行機構(gòu)定位（圖2）。
　　
　　（4）力矩行程限制器由力矩限制機構(gòu)、行程控制機構(gòu)、位置傳感器及接線端子等組成，與減速器機殼構(gòu)成一個整體。　　
　　SD系列電動執(zhí)行器在伺服放大器和執(zhí)行器分體安裝時，如果出現(xiàn)輸入阻抗小于250Ω（或2OOΩ）或輸入回路抗干擾性能比較差等問題，必須加裝阻抗電阻，使輸入阻抗≥250Ω（或2OOΩ）。另外，還可采用加裝隔離器的方法來防止執(zhí)行器在動作過程中抖動。
　　
　　上海自動化儀表十一廠1992年引進英國羅托克（ROTORK）有限公司技術(shù)制造的"M"和"A"系列電動執(zhí)行器，其類型有角行程、直行程和多轉(zhuǎn)等。該執(zhí)行器除具有天津自動化儀表七廠制造的執(zhí)行器的功能外，還增加了微電腦、紅外線遙控等技術(shù)，大大提高了電動執(zhí)行器運行的可靠性和度，克服了以往電動執(zhí)行器的機械卡澀、電器元件性能差且易老化、調(diào)整不靈敏和精度低等缺點。
　　
　　目前，在工業(yè)過程控制中普遍使用的國產(chǎn)電動執(zhí)行器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，伺服放大器與執(zhí)行器一體化，體積小。采用多種保護裝置，其重要部件如電動機、行程力矩開關(guān)、位置發(fā)送器及位置定位器等可靠、。但是，與國外的品牌電動執(zhí)行器相比較，國產(chǎn)電動執(zhí)行器在位置定位器和位置發(fā)送器的靈敏度、準確性以及智能化等方面還存在差距。
　　
　　三、國外電動執(zhí)行器
　　
　　SIPOS5Flash電動執(zhí)行器為德國西博思電動執(zhí)行機構(gòu)有限公司產(chǎn)品，具有以下特點及功能:
　　
　　（1）將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于SIPOS5Flash電動執(zhí)行機構(gòu)中，不僅可控制電機的轉(zhuǎn)向，還可對電機實現(xiàn)*控制;采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路電子器件替代傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)，并使用*的微電腦技術(shù)實現(xiàn)了部分功能智能化:1）測量并記錄力矩曲線功能。SIPOS5Flash電動執(zhí)行器可測量并儲存3組閥門的力矩曲線，并將在線測量的閥門力矩曲線與正常的力矩曲線進行對比，根據(jù)結(jié)果判斷閥門的磨損程度，以便及時進行設(shè)備維護，從而可避免因電動執(zhí)行器故障導(dǎo)致機組停機。2）故障自診斷功能。通過SIPOS5Flash電動執(zhí)行器內(nèi)部的微處理器連續(xù)監(jiān)控執(zhí)行器的狀態(tài)，經(jīng)過自診斷發(fā)出各種報警和故障信息。3）對開關(guān)次數(shù)、開關(guān)頻度、力矩關(guān)斷次數(shù)、行程關(guān)斷次數(shù)、電動機運行時間、控制單元工作時間、運行頻度等所有重要的運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、儲存和累計處理。
　　
　　（2）SIPOS5Flash電動執(zhí)行器取消了傳統(tǒng)的機械式限位開關(guān)和力矩開關(guān)，采用電子式限位保護和電子式過力矩保護功能。通過信號單元和精密的塑導(dǎo)電位器，可準確地檢測其所處位置，一旦到達極限位置，CPU控制變頻器立即切斷電機電源，從而實現(xiàn)限位保護。
　　
　　（3）柔性啟動和柔性到達極限位置:1）在啟動瞬間，SIPOS5Flash電動執(zhí)行器自動以zui低轉(zhuǎn)速啟動，即柔性啟動。2）可保證以zui大轉(zhuǎn)矩啟動:3）啟動電流始終不會超過電機的額定電流。
　　
　　（4）SIPOS5Flash電動執(zhí)行器采用ProfiBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，其在現(xiàn)場總線中的連接方式有銅纜
　　
　　連接和光纖連接:1）銅纜連接。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是線性（總線）結(jié)構(gòu)，也可以實現(xiàn)樹型結(jié)構(gòu)。運行中可連接或斷開一個從站而不影響其它站的正常工作。傳輸介質(zhì)是屏蔽雙絞線，銅纜，接口是EIA-485（RS485）。不帶中繼器的zui大電纜長度是12OOm，帶中繼器的zui大電纜長度約lOkm。不帶中繼器可站的數(shù)量zui多32個站，帶中繼器可擴展至126個站。2）光纖連接（F0）。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是星型（總線）結(jié)構(gòu)，運行中連接或斷開一個站可不影響其它站的正常工作。傳輸介質(zhì)為玻璃纖維（（62.5（50）~125）μm），多模。光束62.5μm纖維為6dB（5Oμm纖維為1.2dB），接收的靈敏度為24dBm，波長850nm及EIA-485（RS485）總線光纖藕合器。電動執(zhí)行器之間或光纖藕合器和電動執(zhí)行器之間的zui長網(wǎng)絡(luò)距離為20OOm。星型結(jié)構(gòu)zui多連接32個從站和1個主站;總線型結(jié)構(gòu)zui多連接32個電動執(zhí)行器。
　　
　　四、具有現(xiàn)場總線技術(shù)的電動執(zhí)行器的應(yīng)用
　　
　　寧海電廠一期4×6OOMW亞臨界燃煤發(fā)電機組，采用南京西門子電站自動化有限公司制造的eperm-XPDCS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為電廠總線、終端總線兩級總線結(jié)構(gòu)，通信采用光纖。其系統(tǒng)分為自動控制級、過程級和操作監(jiān)視級。各自冗余的SINECHIFO工廠總線和終端總線采用星形藕合器通
　　
　　過光纖電纜連接構(gòu)成虛擬環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其通訊速度為1OOMbit/s，zui大可配置1024個子站，單環(huán)光纜總長zui大為4.3km。該環(huán)型網(wǎng)絡(luò)可用率高、通訊速度快、容錯性好。
　　
　　寧海電廠ProfiBUS-DP總線控制，一是簡單地采用ProfiBUS-DP總線通訊，通過DCS的ProfiBUS-DP接口模件，將遠程I/O站或者其它系統(tǒng)納入DCS中。由于就地設(shè)備未能*實現(xiàn)數(shù)字化，這樣的系統(tǒng)
　　
　　只能稱為數(shù)字化DCS的一種形式;另一種是在外圍或者相對獨立的系統(tǒng)中實現(xiàn)設(shè)備級的現(xiàn)場總線控制。該廠的閉式循環(huán)水系統(tǒng)就地設(shè)備分布廣，就地控制相對簡單，因此閉式循環(huán)水系統(tǒng)控制采用了現(xiàn)場總線控制方案（圖3）。閉式循環(huán)水系統(tǒng)約有34個智能電動執(zhí)行器，為了提高安全性和可靠性，總線光纖和作為總線上的*類DP主站的AP及相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置均采用冗余結(jié)構(gòu)。AP及其接口模塊（IM308C）和2臺光電轉(zhuǎn)換裝置安裝在DCS的機柜中，總線I/O柜安裝在就地，其內(nèi)含2臺光電轉(zhuǎn)換裝置。電動執(zhí)行器為德國歐瑪公司制造的一體化智能型產(chǎn)品（AUMATIC），其帶有雙通道ProfiBUS-DP冗余總線接口，作為DP從站掛在總線上。開關(guān)型電動執(zhí)行器的輸入信號為2個開關(guān)量信號（開、關(guān)無源接點），輸出信號為5個狀態(tài)反饋開關(guān)量信號（如開反饋位置、關(guān)反饋位置、開過力矩保護、關(guān)過力矩保護及故障報警）。　　
　　寧海電廠機組閉式循環(huán)水現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)己經(jīng)投入運行半年，效果良好，但目前僅實現(xiàn)了部分監(jiān)控參數(shù)的采集，對反映設(shè)備本身運行狀況的大量的信息尚未進行監(jiān)控和處理，即僅簡單地實現(xiàn)了使用數(shù)字化通訊代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬量、開關(guān)量控制。如果通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)能實現(xiàn)大量現(xiàn)場設(shè)備的診斷和維護等管理信息的采集和對現(xiàn)場設(shè)備的實時在線的狀態(tài)檢測和故障預(yù)診斷，將人工巡檢變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)自動巡檢，發(fā)揮現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)備管理優(yōu)勢，有利于提高現(xiàn)場設(shè)備健康水平，保證機組長周期運行。
　　
　　用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)注意:（1）在單元機組的開、閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和鍋爐疏水等系統(tǒng)范圍內(nèi)使用現(xiàn)場總線電動閥門，其驅(qū)動裝置應(yīng)配冗余現(xiàn)場總線接口。（2）各系統(tǒng)的所有壓力、差壓、流量、液位變送器應(yīng)帶有HART協(xié)議。