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智能電動執(zhí)行器及其發(fā)展趨勢
工業(yè)生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由檢測器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)對象組成。其中執(zhí)行器總是不可缺shao,一般由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)(一般稱為調(diào)節(jié)閥)組成。此外,根據(jù)需要還可配上閥門定位器和手輪機構(gòu)等附件。
執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動化中起著十分重要的作用,常被稱為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的“手足"。電動執(zhí)行器以電能為動力,接受調(diào)節(jié)器來的標準信號(模擬量或數(shù)字量),通過將這信號變成相對應(yīng)的機械位移(轉(zhuǎn)角、直線或多轉(zhuǎn))來自動改變操作變量(調(diào)節(jié)閥、風門、擋板開度等),以達到對被調(diào)參數(shù)(溫度、壓力、流量、液位等)進行自動調(diào)節(jié)的目的,使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求進行。所以電動執(zhí)行器對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全運行、可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大影響。
相對氣動、液動執(zhí)行器而言,電動執(zhí)行器主要有3點優(yōu)勢:
(1)無需特殊的氣源和空氣凈化等裝置。即使電源失電時,也能保持原執(zhí)行位置;
(2)可遠距離傳輸信號,電纜敷設(shè)比氣管和液體管道敷設(shè)方便得多,且便于線路檢查;
(3)與計算機連接方便簡潔,更適應(yīng)采用電子信息新技術(shù)。
一、DKJ型電動執(zhí)行器及其不足
電動執(zhí)行器有角行程和線行程之分。DKJ型角行程電動執(zhí)行器是DDZ-II型電動單元組合儀表中的執(zhí)行單元,是傳統(tǒng)電動執(zhí)行器的典型產(chǎn)品。它主要由伺服放大器和執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成,接受來自調(diào)節(jié)單元、變送單元或手動操作器輸出的統(tǒng)一標準電流信號,將其轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的機械位移輸出。
雖然DKJ型電動執(zhí)行器在各工業(yè)部門都有較多應(yīng)用,但它存在著不足,主要有以下幾點:
(1)產(chǎn)品規(guī)格品種較單一,且只有一種位移速度,不能滿足一些復(fù)雜系統(tǒng)要求;
(2)沒有力矩保護和行程開關(guān),雖然電動機能堵轉(zhuǎn),但其轉(zhuǎn)矩(或力矩)一直施加在閥門或生產(chǎn)設(shè)備上,使閥門或生產(chǎn)設(shè)備容易受損而減小使用壽命;
(3)制動器容易磨損,電容擊穿問題也較大,平均故障間隔時間(MTBF)為10000h左右;
(4)在機械上不能自鎖,增加了對制動器的可靠性要求。
二、智能電動執(zhí)行器及特點
近年來,電動執(zhí)行機構(gòu)獲得了快速發(fā)展,國內(nèi)外一些廠商相繼推出帶現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能電動執(zhí)行器。新型智能電動執(zhí)行器利用微機和現(xiàn)場總線通信技術(shù)將伺服放大器與執(zhí)行機構(gòu)合為一體,不僅實現(xiàn)了雙向通信、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,還增設(shè)了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護、斷電信號保護、輸出現(xiàn)場閥位指示和故障報警等功能。它可進行現(xiàn)場操作或遠方操作,完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換。
智能電動執(zhí)行器采用新穎結(jié)構(gòu)部件。伺服放大器中采用了微處理器系統(tǒng),所有控制功能均可通過編程實現(xiàn),還具有數(shù)字通信接口,從而具有HART協(xié)議或現(xiàn)場總線通信功能,成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點。有的伺服放大器中還采用變頻器技術(shù),可更有效控制伺服電機動作。減速器采用新穎傳動結(jié)構(gòu),運行平穩(wěn)、傳動效率高,無爬行、摩擦小。位置發(fā)送器采用新技術(shù)和新方法,有的采用霍爾效應(yīng)傳感器,直接感應(yīng)閥桿的縱向或旋轉(zhuǎn)動作,實現(xiàn)了非接觸式定位檢測;有的采用特殊電位器,電位器中裝有球軸承和特種導(dǎo)電材質(zhì)做成的電阻薄片;有的采用磁阻效應(yīng)的非接觸式旋轉(zhuǎn)角度傳感器。
智能電動執(zhí)行器通常都有液晶顯示器和手動操作按鈕,用于顯示各種狀態(tài)信息和輸入組態(tài)數(shù)據(jù)以及手動操作等。
智能電動執(zhí)行器與傳統(tǒng)電動執(zhí)行器相比,主要有如下特點:
(1)主要參數(shù)技術(shù)指標*,如工作死區(qū)、基本誤差、回差等指標已達到或接近世界 先jin水平,超過國內(nèi)現(xiàn)有DDZ-II、III型電動執(zhí)行器。
(2)采用*微機和數(shù)字顯示技術(shù),以智能伺服放大器取代傳統(tǒng)伺服放大器,以數(shù)字式操作器取代原有模擬指針式操作器,解決了數(shù)字顯示跳動頻繁而造成人眼疲勞的問題。
(3)功能強、使用方便,具有自診斷、自調(diào)整和PI調(diào)節(jié)等功能,尤其是PI調(diào)節(jié)功能可省去前級調(diào)節(jié)器,直接接受變送器信號。
(4)增加了流量特性軟件修正。采用微處理機后,能靈活地設(shè)定、改變流量特性,提高調(diào)節(jié)閥控制性能,使一種固有特性的調(diào)節(jié)閥可以擁有多種輸出特性,使不能進行閥芯形狀修正(蝶閥)的閥也可改變流量特性,可以使非標準特性修正為標準特性,該功能將改變長期以來靠閥芯加工修正流量特性的現(xiàn)狀。
(5)在調(diào)節(jié)中采用電制動和斷續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù),對具有自鎖功能的執(zhí)行機構(gòu)可取消機械摩擦制動器,提高了整機的可靠性。
(6)三相放大器的設(shè)計采用由單相智能伺服放大器外接三相功率轉(zhuǎn)換器的組合式方案,方便了生產(chǎn)和備料,為控制室不進三相電源的控制提供了可能。
三、幾種典型智能電動執(zhí)行器
1. IKZL智能型電動執(zhí)行器
IKZL智能型電動執(zhí)行器由上海自動化儀表股份有限公司下屬自動化儀表十一廠研制。它采用現(xiàn)代高效單片MCU和外圍芯片組成控制單元,接收統(tǒng)一標準直流信號,經(jīng)過運算處理后,最終驅(qū)動交流電機輸出與之相對應(yīng)的直線位移。該機構(gòu)可方便與調(diào)節(jié)閥配套成自動調(diào)節(jié)閥,具備調(diào)節(jié)閥本身所要求的各種動作變換功能,適用于電力、冶金、石油、化工及輕工等工業(yè)部門。其主要特點:
(1)以單相交流220V電源為動力;
(2)采用高性能導(dǎo)電塑料電位器為位置傳感器,精確度高、壽命長;
(3)用永磁式交流同步電機作驅(qū)動電機,短時間超負荷情況下不會損壞;
(4)內(nèi)置記憶芯片于控制部件,在輸入電壓低于額定電壓前的瞬間,自動記下現(xiàn)場數(shù)據(jù),當輸入電壓恢復(fù)正常后,能保證系統(tǒng)繼續(xù)工作;
(5)備有標準RS-485通信口。
(6)除自動跟蹤輸入信號實現(xiàn)閥門的開度操作外,也可在現(xiàn)場以手動操作按鍵方式電動改變閥門開度;
(7)當執(zhí)行機構(gòu)控制電路中MCU發(fā)出開或關(guān)的命令后,執(zhí)行機構(gòu)在6s內(nèi)不動作,將被判定為電機堵轉(zhuǎn),同時顯示器出現(xiàn)閃爍,并停止發(fā)出開或關(guān)命令,執(zhí)行機構(gòu)將停止運行。直到儀表被復(fù)位后,才可再次投入使用。
(8)僅配上輸入信號線及單相交流電源線即可控制運轉(zhuǎn)而無需另配伺服放大器;
(9)該執(zhí)行器設(shè)計成全封閉,防塵、防水。采用MCU控制,無需開蓋,就可進行機械行程設(shè)定,輸入信號標定,且操作簡單、方便;
2. ONTRAC MOE700/MME800系列智能電動執(zhí)行器
MOE700系列為數(shù)字調(diào)節(jié)型-S2控制模式,MME800系列為連續(xù)調(diào)節(jié)型-S4控制模式。它們采用機械自鎖的蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu),三相電機變頻驅(qū)動和智能化監(jiān)控、數(shù)字檢測技術(shù),其運行速度和力矩可在線或離線寬范圍設(shè)定,標準化程度高。具有功能強大,使用簡單和維護量小的特點,配上不同減速裝置,可輸出角位移(力矩可達40000Nm)和直線位移(推力可達80KN),驅(qū)動各類閥體或擋板。其主要特點如下:
(1)高度智能化設(shè)計,位移、力矩、速度等全范圍微處理器現(xiàn)代控制技術(shù),組態(tài)靈活,功能強大;
(2)電子化、數(shù)字化霍爾傳感器檢測,精確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強;復(fù)合傳感,位移、速度和轉(zhuǎn)向由同一傳感器檢測;
(3)組態(tài)方法有本機控制、遙控或系統(tǒng)在線3種方式,簡化了調(diào)試和設(shè)置操作;
(4)電機速度、負載變頻控制,不受電源電壓波動影響,同一產(chǎn)品應(yīng)用面寬,備品少;
(5)高可靠設(shè)計,電子化監(jiān)控、診斷、報警等,功能齊備,正常工作參數(shù)值為報警保護值的一半;電子參數(shù)調(diào)控型代替原機械額定值型,大大提高執(zhí)行機構(gòu)可靠性、可控性和壽命。
(6)輸入、輸出方式組態(tài)靈活,數(shù)字量、脈沖量、模擬量和現(xiàn)場總線方式根據(jù)需要選配,具有廣泛的適用性;
(7)定位平穩(wěn),反向、減速制動,平滑定位;
(8)蝸輪、蝸桿機械傳動結(jié)構(gòu),具有逆向自鎖特性,電機無需剎車,維護量少;
(9)防護等級IP67,可選IP68。
3. IQ系列智能電動執(zhí)行器
英國羅托克(ROTORK)公司于90年代推出了智能型電動執(zhí)行器(IQ系列),與普通執(zhí)行器相比具有如下特點:
(1)便利的參數(shù)遙控設(shè)定功能。投入使用前,只要使用由廠家提供的專用設(shè)定工具,對準執(zhí)行器就可進行參數(shù)的遙控設(shè)定。不僅簡化了設(shè)定工作程序,還提高了設(shè)備安全運行性,特別是那些要求防爆的場所尤為重要;
(2)豐富的在線顯示功能。采用液晶顯示技術(shù),利用內(nèi)置式液晶顯示板,不僅可準確顯示閥門開、關(guān)狀態(tài)和正常閥門開度等,且在參數(shù)設(shè)定或執(zhí)行器有故障時,也能顯示出重要信息;
(3)完善的自診斷及保護功能。它可在線診斷出伺服電機過載、過熱情況及電源的狀態(tài)等,還能自動識別三相電源相位,緊急情況時,執(zhí)行器可保位或運行到預(yù)先設(shè)定的安全位置;
(4)*的控制功能。采用了計算機技術(shù),把*自動跟隨控制技術(shù)設(shè)計為它的一項標準功能。執(zhí)行器響應(yīng)速度與實際要求偏差大小成比例,即所謂的“變速控制",大大提高了執(zhí)行器響應(yīng)品質(zhì);
(5)較強的現(xiàn)場適應(yīng)性。整機設(shè)計具有IP54級防護能力,且對執(zhí)行器內(nèi)部與外部信號的口也都采用光電隔離技術(shù),提高了可靠性、特別是執(zhí)行器內(nèi)部控制卡件采用了防震固定法,所有接插件都帶有“反扣"以防松動,積木式結(jié)構(gòu)使維修非常方便。
四、智能電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢
綜上所述,智能電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢可以歸納為:機電一體化結(jié)構(gòu)逐步取代組合式結(jié)構(gòu),智能化控制技術(shù)逐步取代純電子控制技術(shù),帶通信技術(shù)功能的逐步取代不帶通信技術(shù)的,數(shù)字控制方式逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制方式,運用紅外遙控的非接觸式調(diào)試技術(shù)逐步取代接觸式手動調(diào)試技術(shù)等等。
當智能電動執(zhí)行器與現(xiàn)場總線連接時,智能執(zhí)行器就成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)中的一塊現(xiàn)場儀表,這時它不僅具有執(zhí)行器功能,還具有控制、運算和通信等功能。由此可見,我國目前新一代符合現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行器產(chǎn)品,是執(zhí)行機構(gòu)今后發(fā)展的必然趨勢,它的成功研究與應(yīng)用給電動執(zhí)行器的進一步發(fā)展打下良好基礎(chǔ),并將給智能電動執(zhí)行器帶來廣闊的市場發(fā)展前景。(end)
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