智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)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(tuán)廠得到了廣泛應(yīng)用。智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將調(diào)節(jié)器送來的控制信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移去帶動(dòng)閥門、擋板等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)控制領(lǐng)域。

研制與應(yīng)用

　　隨著現(xiàn)代工控計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用，多數(shù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了初步智能化。智能型的電動(dòng)執(zhí)行器的智能控制、防護(hù)等級(jí)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(shí)間≥25s)≤1%，采用全封閉、一體化結(jié)構(gòu);傳動(dòng)系統(tǒng)采用螺桿螺母式，傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)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(jìn)的智能化電動(dòng)執(zhí)行器相比，現(xiàn)有的國產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍存在控制方式落后，不能根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求進(jìn)行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整，不能組成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等問題，安全防爆性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品。這些智能化電動(dòng)執(zhí)行器功能強(qiáng)大、簡單可靠、技術(shù)先進(jìn)，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(dú)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(shí)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(jìn)水平的公司有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等。

機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

智能通信技術(shù)

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行器利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動(dòng)標(biāo)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(dòng)化(FactoryAutomation)工程技術(shù)近十年來得到了長足的發(fā)展，作為自動(dòng)控制中自動(dòng)化儀表之一的電動(dòng)執(zhí)行器為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(tái)、甚至數(shù)十臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器與上位計(jì)算機(jī)連接成為整個(gè)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(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)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(diǎn)，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(hào)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，完成遠(yuǎn)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(dòng)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(jī)電一體化

　　電子電路的高度集成、單片機(jī)的使用以及一些功能強(qiáng)大模塊的使用，使電動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器一般將整個(gè)控制回路裝在一臺(tái)現(xiàn)場儀表里，將伺服電機(jī)、現(xiàn)場儀表控制器安裝為一體。電動(dòng)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(gè)控制回路裝在一臺(tái)現(xiàn)場儀表里，又減少了因信號(hào)傳輸中的泄露和干擾等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　新型智能化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)合為一體，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用功能強(qiáng)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(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，價(jià)格低廉的單片機(jī)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(dòng)執(zhí)行器的控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動(dòng)執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)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(dòng)執(zhí)行器一般被看作是線性系統(tǒng)，但實(shí)際上，絕大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運(yùn)行期間會(huì)顯著地發(fā)生改變，應(yīng)用參數(shù)調(diào)節(jié)和模型辨識(shí)自適應(yīng)控制將大大提高電動(dòng)執(zhí)行器的控制性能。控制策略更為先進(jìn)的控制方法有利于解決電機(jī)的慣性問題，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，提高控制精度。例如Nucom電動(dòng)執(zhí)行器利用先進(jìn)的電制動(dòng)技術(shù)，控制精度可達(dá)1/250，國產(chǎn)的普通型DKZ及DKJ電動(dòng)執(zhí)行器控制精度一般為2.5/100。

　　相對(duì)于氣動(dòng)、液動(dòng)執(zhí)行器而言，接線簡單、功能強(qiáng)大、使用可靠的智能電動(dòng)執(zhí)行器將不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

工作原理

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

圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(qiáng)大的功能，可完成模擬輸入、編碼器信號(hào)的高速采集、內(nèi)置PROFIBUS通信協(xié)議等專用功能。用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開和關(guān)、現(xiàn)場/遠(yuǎn)控、故障診斷報(bào)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(kuò)充性得到加強(qiáng)。

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

人機(jī)界面(HMI)

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的人機(jī)界面(HMI)由一塊128×64的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊、6個(gè)磁控開關(guān)以及紅外接收器組成。整個(gè)人機(jī)界面通過RS485接口和專用可編程序控制器進(jìn)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(jī)界面也具備二次開發(fā)的功能，采用一個(gè)小型的組態(tài)軟件，在計(jì)算機(jī)上繪制好各種狀態(tài)頁面，然后下載到人機(jī)界面中，具有直觀、靈活的特點(diǎn)。

電子力矩

　　電子力矩的實(shí)現(xiàn)采用了電阻應(yīng)變?cè)�理。在蝸桿上連接一個(gè)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(jì)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(shí)輸出DC5～10V，關(guān)向受力時(shí)輸出DC0～5V。這種電子力矩測量直接、實(shí)時(shí)，線性度、精度都可達(dá)到1%以內(nèi)，遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)輸出軸的機(jī)械變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入到控制器，參與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制。同時(shí)，該信號(hào)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行一段時(shí)間后，各類元件/組件因工作頻率和負(fù)載條件的差異，各易損件先后磨損超標(biāo)，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(yán)重影響生產(chǎn)的正常調(diào)節(jié)和控制。采用絕對(duì)編碼器可有效地避免這一問題，保證上電后輸出碼與機(jī)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(hào)相鄰的兩組代碼只有一位碼不同，且具有循環(huán)性。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　CMR控制組件滿足用于驅(qū)動(dòng)各種閥門的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的所有控制要求。CMR設(shè)計(jì)成系統(tǒng)控制模件，集成在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，而附加的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器可以滿足定位元件的控制要求。執(zhí)行機(jī)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(xiàng)目開始時(shí)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(shí)現(xiàn)功能的設(shè)定。監(jiān)視功能、狀態(tài)顯示使啟動(dòng)更容易，可以優(yōu)化日常維護(hù)并因此保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠動(dòng)作。具有電機(jī)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(hào)發(fā)送、選擇故障時(shí)狀態(tài)、自診斷等功能。

軟件設(shè)計(jì)

　　要實(shí)現(xiàn)智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)、現(xiàn)場/遠(yuǎn)控和故障報(bào)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(jì)，它直接關(guān)系到電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開、關(guān)到位的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。專用可編程序控制器采用編程軟件進(jìn)行編程，整個(gè)程序由主程序和多個(gè)子程序組成。輸入到可編程序控制器的信號(hào)，有來自上位機(jī)的操作命令，也有來自現(xiàn)場電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)，操作人員在現(xiàn)場或監(jiān)控室都能對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。由程序的不斷掃描，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開到位、關(guān)到位的控制以及電源故障、電動(dòng)機(jī)過熱、力矩故障、機(jī)械故障的報(bào)警功能。可編程序控制器通過RS485接口與人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)通信，同時(shí)通過人機(jī)界面(HMI)來反饋設(shè)備狀態(tài)和紅外線控制器的操作信號(hào)。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(hù)。

圖3 智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

結(jié)束語

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

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