揭秘神奇的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)

　　智能型電動執(zhí)行機構(gòu)是自動控制系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，在邯鋼燒結(jié)及球團廠得到了廣泛應(yīng)用。智能型電動執(zhí)行機構(gòu)將調(diào)節(jié)器送來的控制信號成比例地轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移去帶動閥門、擋板等調(diào)節(jié)機構(gòu)，以實現(xiàn)自動控制，因而也廣泛用于電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門的自動控制領(lǐng)域。

研制與應(yīng)用

　　隨著現(xiàn)代工控計算機管理的發(fā)展，目前我國儀器儀表行業(yè)綜合技術(shù)水平普遍上升，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用，多數(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)了初步智能化。智能型的電動執(zhí)行器的智能控制、防護等級高、控制精度高、重量輕、穩(wěn)定性好，位置控制基本誤差±1%，重復(fù)性誤差(設(shè)定行程時間≥25s)≤1%，采用全封閉、一體化結(jié)構(gòu);傳動系統(tǒng)采用螺桿螺母式，傳動平穩(wěn)、承載能力強、傳動精度高;具有自診斷、自調(diào)整和PID調(diào)節(jié)功能。但是與國際上先進的智能化電動執(zhí)行器相比，現(xiàn)有的國產(chǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)仍存在控制方式落后，不能根據(jù)生產(chǎn)的實際要求進行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整，不能組成網(wǎng)絡(luò)進行遠程控制等問題，安全防爆性能也遠遠低于氣動執(zhí)行機構(gòu)。

　　隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外己開發(fā)出新一代智能化電動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品。這些智能化電動執(zhí)行器功能強大、簡單可靠、技術(shù)先進，不但具有智能通信、智能控制、支持多種現(xiàn)場總線的功能，而且其獨有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設(shè)定使它可用在任何環(huán)境中，防水防爆、終身可靠，調(diào)試及故障排除簡單，實現(xiàn)了智能式電子一體化、變頻變速定位、監(jiān)控等功能。代表著該領(lǐng)域的世界先進水平的公司有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等。

機構(gòu)特點

智能通信技術(shù)

　　智能型電動執(zhí)行器利用微機技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù)，實現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能。國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化(FactoryAutomation)工程技術(shù)近十年來得到了長足的發(fā)展，作為自動控制中自動化儀表之一的電動執(zhí)行器為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，也應(yīng)具有標準的串行通信接口(如RS-232或RS-422接口等)和專用的局域網(wǎng)接口，以增強其與其他控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺、甚至數(shù)十臺電動執(zhí)行器與上位計算機連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)�，F(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線，以其所具有的開放性，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點，使它與Interent的結(jié)合成為可能，現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號，實現(xiàn)了電動執(zhí)行器的遠程監(jiān)控，狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，完成遠程參數(shù)化工作，提高了它的可靠性，降低了系統(tǒng)及工程成本。有影響的現(xiàn)場總線主要有PROFIBUS，F(xiàn)F，HART，CAN等，目前國外的智能電動執(zhí)行器一般都帶有現(xiàn)場總線接口，我國也開發(fā)了一些帶現(xiàn)場總線接口的智能執(zhí)行器。

機電一體化

　　電子電路的高度集成、單片機的使用以及一些功能強大模塊的使用，使電動執(zhí)行器的體積越來越小，向小型化、輕便化發(fā)展。目前，智能型電動執(zhí)行器一般將整個控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，將伺服電機、現(xiàn)場儀表控制器安裝為一體。電動執(zhí)行器的一體化，使得執(zhí)行器的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化;將整個控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，又減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　新型智能化電動執(zhí)行機構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機構(gòu)合為一體，驅(qū)動電路應(yīng)用功能強大的集成模塊，結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好。

數(shù)字化、智能化

　　智能化是當前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，價格低廉的單片機和新型高速微處理器將全面代替以模擬電子器件為主的電動執(zhí)行器的控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進算法(如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等)來提高控制性能。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器一般被看作是線性系統(tǒng)，但實際上，絕大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運行期間會顯著地發(fā)生改變，應(yīng)用參數(shù)調(diào)節(jié)和模型辨識自適應(yīng)控制將大大提高電動執(zhí)行器的控制性能�？刂撇呗愿鼮橄冗M的控制方法有利于解決電機的慣性問題，實現(xiàn)準確定位，提高控制精度。例如Nucom電動執(zhí)行器利用先進的電制動技術(shù)，控制精度可達1/250，國產(chǎn)的普通型DKZ及DKJ電動執(zhí)行器控制精度一般為2.5/100。

　　相對于氣動、液動執(zhí)行器而言，接線簡單、功能強大、使用可靠的智能電動執(zhí)行器將不斷擴大應(yīng)用范圍。

工作原理

　　以奧地利SCHIEBEL智能型電動執(zhí)行機構(gòu)為例，其電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個系統(tǒng)由專用可編程序控制器、電子行程、電子力矩、電動機驅(qū)動模塊、功率擴展模塊、人機界面(HMI)、紅外線控制器、手動操作電路等組成。其中專用可編程序控制器為整個控制系統(tǒng)的核心，它接收各種信號，經(jīng)過邏輯處理后作出相應(yīng)的反應(yīng)，決定是否驅(qū)動和如何驅(qū)動電動機，并向用戶反饋各類狀態(tài)信號。

圖1 電動執(zhí)行機構(gòu)的效果圖

　　控制器以RISC微處理器為核心的CSC控制器具備強大的功能，可完成模擬輸入、編碼器信號的高速采集、內(nèi)置PROFIBUS通信協(xié)議等專用功能。用于實現(xiàn)對電動執(zhí)行機構(gòu)的開和關(guān)、現(xiàn)場/遠控、故障診斷報警等的控制。采用了通用編程語言，控制系統(tǒng)軟件的可移植性和可擴充性得到加強。

圖2 智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人機界面(HMI)

　　智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的人機界面(HMI)由一塊128×64的點陣式液晶顯示模塊、6個磁控開關(guān)以及紅外接收器組成。整個人機界面通過RS485接口和專用可編程序控制器進行通信，可把輸入指令傳遞到專用可編程序控制器，并在液晶顯示模塊上顯示相應(yīng)的狀態(tài)和提示信息。人機界面也具備二次開發(fā)的功能，采用一個小型的組態(tài)軟件，在計算機上繪制好各種狀態(tài)頁面，然后下載到人機界面中，具有直觀、靈活的特點。

電子力矩

　　電子力矩的實現(xiàn)采用了電阻應(yīng)變原理。在蝸桿上連接一個貼有4片電阻應(yīng)變片的彈性變形體，輸出力矩的大小反映為彈性變形體的變形量，電阻應(yīng)變片阻值也相應(yīng)變化，經(jīng)處理放大后導(dǎo)致最終輸出電壓的變化。為了反映開、關(guān)向力矩的變化，設(shè)計上采用了雙向推拉式結(jié)構(gòu)，電子力矩在不受力的情況下輸出DC5V電壓，開向受力時輸出DC5～10V，關(guān)向受力時輸出DC0～5V。這種電子力矩測量直接、實時，線性度、精度都可達到1%以內(nèi)，遠高于相關(guān)標準規(guī)定的7%的要求。

電子行程

　　電子行程與電子力矩一樣是實現(xiàn)智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的非侵入調(diào)試的關(guān)鍵部件。國內(nèi)同類產(chǎn)品一般采用電位器。高精度的塑料導(dǎo)電電位器將執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的機械變化轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到控制器，參與執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)控制。同時，該信號也被轉(zhuǎn)化成閥門位移開啟度，通過顯示板顯示出閥門的開啟度百分比。這種結(jié)構(gòu)雖然簡單，但電動執(zhí)行機構(gòu)運行一段時間后，各類元件/組件因工作頻率和負載條件的差異，各易損件先后磨損超標，而出現(xiàn)位置反饋接觸不良、定位精度差、穩(wěn)定性下降、效率顯著降低、故障率逐漸增加等現(xiàn)象，給操作人員帶來很多不便，甚至嚴重影響生產(chǎn)的正常調(diào)節(jié)和控制。采用絕對編碼器可有效地避免這一問題，保證上電后輸出碼與機械位置的一致性。輸出采用的格雷碼(GrayCode，簡稱G碼)是典型的循環(huán)碼，序號相鄰的兩組代碼只有一位碼不同，且具有循環(huán)性。

電動機驅(qū)動模塊

　　CMR控制組件滿足用于驅(qū)動各種閥門的電動執(zhí)行機構(gòu)的所有控制要求。CMR設(shè)計成系統(tǒng)控制模件，集成在執(zhí)行機構(gòu)中，而附加的執(zhí)行機構(gòu)控制器可以滿足定位元件的控制要求。執(zhí)行機構(gòu)的控制功能通過CMR來設(shè)定，不需要更改接線，也不需要在工程項目開始時就確定有關(guān)接線。通過在邏輯板PAL(可編程序控制器邏輯)的DIP開關(guān)設(shè)置快速而方便地實現(xiàn)功能的設(shè)定。監(jiān)視功能、狀態(tài)顯示使啟動更容易，可以優(yōu)化日常維護并因此保證執(zhí)行機構(gòu)的可靠動作。具有電機控制、相位順序控制、相位丟失控制、行程止端和力矩止端特性設(shè)定、功能監(jiān)測、信號發(fā)送、選擇故障時狀態(tài)、自診斷等功能。

軟件設(shè)計

　　要實現(xiàn)智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)、現(xiàn)場/遠控和故障報警的管理與控制，關(guān)鍵在于專用可編程序控制器的程序設(shè)計，它直接關(guān)系到電動執(zhí)行機構(gòu)開、關(guān)到位的準確性與實時性。專用可編程序控制器采用編程軟件進行編程，整個程序由主程序和多個子程序組成。輸入到可編程序控制器的信號，有來自上位機的操作命令，也有來自現(xiàn)場電動執(zhí)行機構(gòu)的信號，操作人員在現(xiàn)場或監(jiān)控室都能對電動執(zhí)行機構(gòu)進行控制。由程序的不斷掃描，實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)的開到位、關(guān)到位的控制以及電源故障、電動機過熱、力矩故障、機械故障的報警功能�？删幊绦蚩刂破魍ㄟ^RS485接口與人機界面實現(xiàn)通信，同時通過人機界面(HMI)來反饋設(shè)備狀態(tài)和紅外線控制器的操作信號。系統(tǒng)還設(shè)置了數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，能夠追逐和查詢歷史數(shù)據(jù)，便于維護。

圖3 智能型電動執(zhí)行機構(gòu)

結(jié)束語

　　電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展必將推動電動執(zhí)行器更加快速的發(fā)展：機電一體化將取代分體式結(jié)構(gòu);智能通訊取代模擬信號通訊;控制精度越來越高，使用環(huán)境越來越廣。功能更強大、可靠性更高的智能型電動執(zhí)行器必定能適應(yīng)不斷發(fā)展的自動控制要求。

參考文獻

　　[1]王曉明，孫大為.智能型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制器的研制.管道技術(shù)與設(shè)備，2008(1)

　　[2]高天云，史家林.RK-Z系列智能電動執(zhí)行機構(gòu)性能的特點及應(yīng)用.自動化與儀器儀表，2004(1)

　　[3]祝榮榮，張士文.智能型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制器的設(shè)計.工業(yè)儀表與自動化裝置，2005(4)

　　[4]龍得云，彭孟成，張鞍山.執(zhí)行器的理論研究與實踐.中國儀器儀表，2004(15)

　　[5]鄒祥瑞.電子式變頻電動執(zhí)行器及其應(yīng)用.自動化儀表，2006，27(1)

　　[6]譚愛紅.現(xiàn)場總線技術(shù)在電動執(zhí)行機構(gòu)中的應(yīng)用.機電工程技術(shù)，2004，33(5)

　　[7]麻貴峰，楊國田執(zhí)行器的智能控制初探.自動化儀表，2004，25(1)