智能型電動執行機構是自動控制系統中不可缺少的重要設備，在邯鋼燒結及球團廠得到了廣泛應用。智能型電動執行機構將調節器送來的控制信號成比例地轉換成直線位移或角位移去帶動閥門、擋板等調節機構，以實現自動控制，因而也廣泛用于電力、冶金、石油、化工等工業部門的自動控制領域。

研制與應用

　　隨著現代工控計算機管理的發展，目前我國儀器儀表行業綜合技術水平普遍上升，微電子技術和計算機技術在儀器儀表產品中普遍采用，多數產品實現了初步智能化。智能型的電動執行器的智能控制、防護等級高、控制精度高、重量輕、穩定性好，位置控制基本誤差±1%，重復性誤差(設定行程時間≥25s)≤1%，采用全封閉、一體化結構;傳動系統采用螺桿螺母式，傳動平穩、承載能力強、傳動精度高;具有自診斷、自調整和PID調節功能。但是與國際上先進的智能化電動執行器相比，現有的國產電動執行機構仍存在控制方式落后，不能根據生產的實際要求進行參數的現場調整，不能組成網絡進行遠程控制等問題，安全防爆性能也遠遠低于氣動執行機構。

　　隨著高新技術的迅猛發展，國外己開發出新一代智能化電動執行機構產品。這些智能化電動執行器功能強大、簡單可靠、技術先進，不但具有智能通信、智能控制、支持多種現場總線的功能，而且其獨有的雙密封系統和紅外線非侵入式設定使它可用在任何環境中，防水防爆、終身可靠，調試及故障排除簡單，實現了智能式電子一體化、變頻變速定位、監控等功能。代表著該領域的世界先進水平的公司有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等。

機構特點

智能通信技術

　　智能型電動執行器利用微機技術和現場通信技術，實現雙向通信、PID調節、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能。國外，以工業局域網技術為基礎的工廠自動化(FactoryAutomation)工程技術近十年來得到了長足的發展，作為自動控制中自動化儀表之一的電動執行器為適應這一發展趨勢，也應具有標準的串行通信接口(如RS-232或RS-422接口等)和專用的局域網接口，以增強其與其他控制設備間的互聯能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺、甚至數十臺電動執行器與上位計算機連接成為整個數控系統。現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線，以其所具有的開放性，網絡化等優點，使它與Interent的結合成為可能，現場總線技術的應用，取代了傳統的4～20mA模擬信號，實現了電動執行器的遠程監控，狀態、故障、參數信息傳送，完成遠程參數化工作，提高了它的可靠性，降低了系統及工程成本。有影響的現場總線主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等，目前國外的智能電動執行器一般都帶有現場總線接口，我國也開發了一些帶現場總線接口的智能執行器。

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，使電動執行器的體積越來越小，向小型化、輕便化發展。目前，智能型電動執行器一般將整個控制回路裝在一臺現場儀表里，將伺服電機、現場儀表控制器安裝為一體。電動執行器的一體化，使得執行器的安裝與調試工作都得到了簡化;將整個控制回路裝在一臺現場儀表里，又減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統的影響，提高了系統的可靠性。

　　新型智能化電動執行機構將伺服放大器與執行機構合為一體，驅動電路應用功能強大的集成模塊，結構簡單，控制性能好。

數字化、智能化

　　智能化是當前一切工業控制設備的流行趨勢，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行器的控制單元，從而實現完全數字化的控制系統。全數字化的實現，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動執行器中應用現代控制理論的先進算法(如：最優控制、人工智能、模糊控制、神經元網絡等)來提高控制性能。傳統的電動執行器一般被看作是線性系統，但實際上，絕大多數執行器參數在運行期間會顯著地發生改變，應用參數調節和模型辨識自適應控制將大大提高電動執行器的控制性能。控制策略更為先進的控制方法有利于解決電機的慣性問題，實現準確定位，提高控制精度。例如Nucom電動執行器利用先進的電制動技術，控制精度可達1/250，國產的普通型DKZ及DKJ電動執行器控制精度一般為2.5/100。

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

工作原理

　　以奧地利SCHIEBEL智能型電動執行機構為例，其電氣控制系統結構如圖2所示。整個系統由專用可編程序控制器、電子行程、電子力矩、電動機驅動模塊、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的核心，它接收各種信號，經過邏輯處理后作出相應的反應，決定是否驅動和如何驅動電動機，并向用戶反饋各類狀態信號。

圖1 電動執行機構的效果圖

　　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、內置PROFIBUS通信協議等專用功能。用于實現對電動執行機構的開和關、現場/遠控、故障診斷報警等的控制。采用了通用編程語言，控制系統軟件的可移植性和可擴充性得到加強。

圖2 智能型電動執行機構的電氣控制系統結構

人機界面(HMI)

　　智能型電動執行機構的人機界面(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的狀態和提示信息。人機界面也具備二次開發的功能，采用一個小型的組態軟件，在計算機上繪制好各種狀態頁面，然后下載到人機界面中，具有直觀、靈活的特點。

電子力矩

　　電子力矩的實現采用了電阻應變原理。在蝸桿上連接一個貼有4片電阻應變片的彈性變形體，輸出力矩的大小反映為彈性變形體的變形量，電阻應變片阻值也相應變化，經處理放大后導致最終輸出電壓的變化。為了反映開、關向力矩的變化，設計上采用了雙向推拉式結構，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，遠高于相關標準規定的7%的要求。

電子行程

　　電子行程與電子力矩一樣是實現智能型電動執行機構的非侵入調試的關鍵部件。國內同類產品一般采用電位器。高精度的塑料導電電位器將執行機構輸出軸的機械變化轉化為電信號，輸入到控制器，參與執行機構的調節控制。同時，該信號也被轉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。這種結構雖然簡單，但電動執行機構運行一段時間后，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，而出現位置反饋接觸不良、定位精度差、穩定性下降、效率顯著降低、故障率逐漸增加等現象，給操作人員帶來很多不便，甚至嚴重影響生產的正常調節和控制。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)是典型的循環碼，序號相鄰的兩組代碼只有一位碼不同，且具有循環性。

電動機驅動模塊

　　CMR控制組件滿足用于驅動各種閥門的電動執行機構的所有控制要求。CMR設計成系統控制模件，集成在執行機構中，而附加的執行機構控制器可以滿足定位元件的控制要求。執行機構的控制功能通過CMR來設定，不需要更改接線，也不需要在工程項目開始時就確定有關接線。通過在邏輯板PAL(可編程序控制器邏輯)的DIP開關設置快速而方便地實現功能的設定。監視功能、狀態顯示使啟動更容易，可以優化日常維護并因此保證執行機構的可靠動作。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定、功能監測、信號發送、選擇故障時狀態、自診斷等功能。

軟件設計

　　要實現智能型電動執行機構的開關、現場/遠控和故障報警的管理與控制，關鍵在于專用可編程序控制器的程序設計，它直接關系到電動執行機構開、關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，也有來自現場電動執行機構的信號，操作人員在現場或監控室都能對電動執行機構進行控制。由程序的不斷掃描，實現電動執行機構的開到位、關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。可編程序控制器通過RS485接口與人機界面實現通信，同時通過人機界面(HMI)來反饋設備狀態和紅外線控制器的操作信號。系統還設置了數據查詢系統，能夠追逐和查詢歷史數據，便于維護。

圖3 智能型電動執行機構

結束語

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

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