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电动执行器技术在自动控制系统中的应用

作者:电动执行器时间:2016-04-08【返回上页】

        电动执行器由电动执行机构和调节机构两部分组成,它根据自动化仪表输入的4mA~20mA信号,转换为力或力矩以推动各类调节阀或其他执行机构,从而达到自动控制完成压力、温度、流量的检测,在调节过程中进行实时故障诊断,必要时进行调整和校准。本文讲述了电动执行机构调节工作原理、智能调节阀的功能特点及执行器在自动控制系统中的应用,总结现代化工业生产过程安全、优质运行的电动调节规律。

一、电动执行器的组成和工作原理
        电动执行器由电动执行机构和调节机构两部分组成,其中将调节控制信号转换成为力或力矩的部分叫做电动执行机构,各种调节阀统称为调节机构。电动执行机构是使用调电动机或推动器电动元件转换为力或力矩以推动各类调节阀开关。电动执行器主要由伺服放大器DFC、电动操作器DFD、位置发送器WF,伺服电动机SM、减速器J等组成。
        电动执行器的工作过程是:来自PLC调节信号输出送到伺服放大器DFC,与位置传感器WF发送的反馈信号相比较,经微处理器运算后将其差值经电路放大后去控制伺服电动机正转或反转,经过减速器减速后驱动输出轴产生直线移动或角旋转。输出结果再次经位置传感器定位发出位置指示和4mA~20mA的反馈信号送到伺服放大器的输入端。微处理器再次比较反馈信号和仪表调节信号,若反馈信号和输入信号相等时,控制电动执行机构停止使阀门稳定在仪表输出的位置上,电动执行器也可以通过电动操作器进行手动操作。一般是通过现场调节仪表旋钮,输出位置控制信号控制电动机正转或反转驱动执行机构调节阀门开度等。伺服电动机是执行机构的动力部分,它具有启动转矩大和启动电流较小的特点,位置传感器是根据差动变送器的工作原理,利用输出轴的位移改变铁芯在差动线圈中的位置,以产生反馈信号和位置信号。

二、手动操作器
        手操器主要用在启动或电动执行器系统中实现手动操作,它与调节器配合,完成从自动到手动或手动到自动的无干扰切换,也可以在控制系统出故障时或系统投运时用它进行手动遥控。与气动执行器配合使用的叫Q型操作器,与电动执行器配合使用的叫D型操作器。
        Q型操作器的工作过程是:当操作器处于自动状态时,来自调节器的输出电流通过负载R,并由操作器中一个电流显示其大小,其中负载R可以是电气转换器,也可以是电气阀门定位器或电动执行器的输入阻抗,在复杂控制系统中也可以是串级控制系统中的副调节器的输入阻抗。当操作器处于手动状态时,来自调节器的电流不流过负载R,而由操作器中的可调恒流源向负载提供手动操作电流,其大小可由手操电位器调节,并通过另一个电流表显示。与此同时,通过调节器背面的跟踪电压输出的接线端子向调节器中积分电容两端提供直流跟踪电压,大小与手动操作电流的大小相对应,当调节器中的积分电容两端收到跟踪电压后,调节器的输出电流就随跟踪电压做出相应改变。从自动到手动,要先调节手操作器,使其输出电流与调节器输出电流相等,即能进行切换。

三、智能电动执行器
        智能电动执行器控制电源有单相和三相两类,三相智能电动执行器主体和单相智能电动执行器的主体相同,以单相智能电动执行器的工作过程分析智能电动执行器的工作原理。
        工作过程是PLC或变送器的4mA~20mA信号传给智能伺服放大器,经伺服微处理器扫描监测该输入信号和位置反馈信号,定时比较。微处理器比较这两个信号,若信号不相等,正负差值超过平衡位置值,即发出控制信号调整智能伺服放大器中的功率晶闸管的导通角,使晶闸管导通驱动伺服电动机转动,调节阀门开度;同时伺服微处理器将调节阀位置信号转换成相应的脉冲量发往操作器,显示阀门的开度百分数。当接受变送器信号进入PI调节工作方式时,微处理器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开度,直到两个信号平衡。

四、智能调节阀
    智能调节阀由控制器、传感器、信号变换器、I/O及通信接口、执行机构、调节阀组成,具有以下特点:
1、具有智能控制功能。可按给定值自动进行PID调节,控制流量、压力、压差和温度等过程变量,还可支持串级控制方式等。
2、具有保持功能。无论电源、机械部件、控制信号等出现故障都会自动采取保护措施,以保证本身及生产过程安全可靠。
3、具有通信功能。与上位机控制系统连接,操作人员可在远方对其进行检测、整定、修改参数等。
4、具有诊断功能。智能调节阀的阀体和执行机构上装有传感器专门用于故障诊断,发现问题立即执行预先设定的程序,自动采取措施并报警,实现安全运行。
5、一体化结构。智能调节阀把阀体、控制电路、传感器、执行机构全部装在一个现场仪器中。

        电动执行机构与调节机构的链接有多种方式,一般是将两者固定安装在一起,构成一个完整执行器,也有用机械连杆把两者就地连接起来。随着电子技术的迅速发展,微处理器被引入到仪表中,出现了智能式执行器,把常规仪表的检测、控制、调节等功能有机组合在一起,具备了多种功能并被广泛应用于生产和生活中。

五、执行器在自动控制系统中的应用
        执行器在自动控制系统中又被称为终端执行元件,它是正向通路中直接改变操作变量的仪表,由执行机构响应调节器来的信号或人工控制信号,并将信号转换成位移,以驱动调节机构如阀门。常见的执行机构有电动和气动两大类,调节机构一般为阀门(调节阀,截止阀,闸阀,蝶阀等)和风门挡板等。
执行机构与调节机构的连接主要有两种方式:
1)直接连接:即常说的直连式,执行器输出轴与调节机构如阀门的阀杆直接连接。
2)间接连接:执行器输出轴与调节机构如阀门的阀杆没有直接连接,而是通过其它连接机构(如球铰、连杆)相连, 通常所说的底座曲柄式就是种间接连接形式。

1、气动执行机构
  气动调节阀由气动执行机构和调节阀两部分组成,气动执行机构以无油压缩空气为动力,接受气信号(20kPa~100kPa)并转换成位移,驱动调节阀以调节流体流量,在气动执行机构中,气动阀门定位器尤其显得重要,它能够准确地按调节信号实现正确的定位,准确地实现工艺流程的需求,同时对气源质量提出了很高的要求,气源质量应无明显的油蒸汽、油和其他的液体,无明显的腐蚀性气体,蒸汽和熔剂,气源中所含固体微粒数量应小于0.1g/m且微粒直径应小于60μm,含油量应小于10mg/m。

2、电动执行机构(电动执行器)
  电动执行机构(电动执行器)以电源作为动力源。目前我国工业自控系统多采用以下单元组合仪表来实现执行器定位控制,如图所示。
电动执行器定位控制组合仪表
  图中包括伺服放大器(SD)和执行机构(WF+J)两个独立部件(目前大部分执行机构都将伺服放大器移入执行器内部,称之为伺服一体化),带伺服放大器的称比例式电动执行机构(电动执行器)(也可称为调节型电动执行器),不带伺服放大器的称积分式电动执行机构(电动执行器),执行器由伺服电机、减速器及位置发送器(伺服一体化执行器含伺服放大器)等部件组成。在实践运用中,特别要理解的一点是,比例式电动执行机构(电动执行器),伺服放大器比较输入信号和阀位反馈信号的差值,根据差值大小来驱动执行器电机来减小差值,进而控制执行器输出位移。因此,伺服放大器的性能好坏是一个关键。

  电动执行器的位置发送器负责采样阀位,并转换为标准电信号(常见为4~20mA),这一信号可以用指示当前阀位开度,同时交由伺服放大与输入信号作比较来控制执行器开度。新式电动执行器大多将位置发送器和伺服放大器融为一体并转入执行器本体。位置采样通过位移传感器实现,电动执行器(电动执行机构)上常用的位移传感器有导电塑料电位、差动线圈、旋转编码器、磁环或光栅。导电塑料电位器较碳膜电位器线性好、寿命长;差动线圈成本低,但线性度与内部线圈绕法有很大关系;旋转编码器在安装好后一般不用再由用户重新调节零位了,设定执行器行程时比较自由方便;磁环无需调节零位,设定行程更为自由,但缺点是需要备用电池,以保证断电后能记忆脉冲记数(即记阀位)。