1．概述

閥門主要應(yīng)用于石油、化工、市政、燃?xì)?、水?wù)、電力、長輸管線、造船、醫(yī)藥、食品、軍工、核工業(yè)、航天等領(lǐng)域的流體控制。由于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，推動了閥門電動執(zhí)行器工業(yè)的發(fā)展。近年來，在滿足各方面高參數(shù)新要求的同時，對閥門電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)、材料和生產(chǎn)工藝等方面，就如何更好的提高性能、增強(qiáng)可靠性及降低成本等受到更多的關(guān)注。智能型閥門電動執(zhí)行器和傳統(tǒng)閥門電動執(zhí)行器比較，具有使用方便、性能可靠、操作簡便靈活、控制精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、有可靠的故障自我診斷處理機(jī)制和及時的報警機(jī)制、人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，滿足了日益高速發(fā)展的自動化系統(tǒng)需求。

通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品的分析研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)正在使用的各種電動執(zhí)行裝置普遍存在設(shè)備龐大，結(jié)構(gòu)匹配不合理，控制精度較低．安全性不好，缺乏完善的故障處理和報警裝置，人機(jī)對話接口很不方便，難于現(xiàn)場標(biāo)定和維修等缺陷，已跟不上工業(yè)發(fā)展的需要。管道系統(tǒng)中的電動閥門在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，因而對閥門電動執(zhí)行器的功能和使用要求也不斷提高，迫切需要智能化的新一代產(chǎn)品替代目前使用的產(chǎn)品，以提高生產(chǎn)效率。

隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)及通訊技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國外許多相關(guān)廠家相繼開發(fā)了新一代智能型閥門電動執(zhí)行器。但國外生產(chǎn)的閥門電動執(zhí)行器及其控制器價格昂貴，而且很難和國內(nèi)目前使用的電動執(zhí)行器相兼容，售后服務(wù)不完善，零部件配套困難。因此．運(yùn)用數(shù)字技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)研制性能先進(jìn)、功能完善的新型智能電動閥門執(zhí)行器，對閥門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、現(xiàn)場操作、集中控制，以滿足國內(nèi)外廣大用戶生產(chǎn)使用的要求，適合我國工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展需要，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

新型智能電動執(zhí)行器利用微機(jī)和現(xiàn)場總線通信技術(shù)將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)合為一體，不僅實(shí)現(xiàn)了雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標(biāo)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(hù)、過力矩保護(hù)、電動機(jī)過熱保護(hù)、斷電信號保護(hù)、輸出現(xiàn)場閥位顯示和故障報警等功能。它可進(jìn)行現(xiàn)場或遠(yuǎn)程操作，完成手動操作及手動／自動之問無擾動切換。

新型智能閥門電動執(zhí)行器的成功開發(fā)，有助于提高國內(nèi)閥門電動執(zhí)行執(zhí)行器的產(chǎn)品水平，也有利于提高生產(chǎn)控制的自動化水平，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。我公司開發(fā)的EXC電動執(zhí)行器是在采用原有的合理技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量可靠的技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)形成的，是與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比具有很多創(chuàng)新的新型高科技光機(jī)電一體化產(chǎn)品。

2．開發(fā)背景

電動執(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(shí)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(biāo)準(zhǔn)信號(模擬量或數(shù)字量)，通過將這信號變成相對應(yīng)的機(jī)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(fēng)門、擋板開度等)，以達(dá)到對被調(diào)參數(shù)(溫度、壓力、流量、液位等)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求進(jìn)行。所以電動執(zhí)行器對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大影響。

2．1 計算機(jī)控制

在過程控制中，需要通過調(diào)整閥門的開度來調(diào)節(jié)流量和壓力。通常電動執(zhí)行器，按照外部發(fā)來的控制信號驅(qū)動閥門，這些控制信號來自控制系統(tǒng)的微處理器。在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，增加帶有智能控制的伺服放大器，其后是增加給定值控制功能。先進(jìn)的閥門電動執(zhí)行器具有更完善的智能控制，可按給定值自動進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制流量和壓力等過程變量。智能化閥門電動執(zhí)行器能響應(yīng)外部4—2W模擬信號或經(jīng)由RS—485通訊口發(fā)來的數(shù)字信號或按自身程序設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行PID控制。

2．2 安全措施

智能化閥門電動執(zhí)行器：具有高度的自身保護(hù)及系統(tǒng)保護(hù)功能，如裝有三相電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有可能因?yàn)橄嗑€接錯而反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門損壞，而智能型的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)則可以通過監(jiān)視電源的相序以及輸入控制信號的情況確保電機(jī)正確起動。此外，在閥門卡死的情況下，保護(hù)功能還可以避免電動機(jī)被損壞。在電動機(jī)通電期間不斷檢測閥門的動作，若發(fā)現(xiàn)一定的時間內(nèi)不動作，就認(rèn)為是卡住，控制器就發(fā)出命令，切斷電動機(jī)電源并發(fā)出警報。除了有自身保護(hù)功能外，智能化閥門電動執(zhí)行器還具有系統(tǒng)保護(hù)功能，即當(dāng)某些部件出現(xiàn)故障或系統(tǒng)出現(xiàn)其他問題時，會自動采取應(yīng)急措施以免發(fā)生事故。

2．3 通訊功能

智能化閥門電動執(zhí)行器采用數(shù)字通訊的方法與主控制室相連，主控制室送出的可尋址數(shù)字信號通過電纜被電動執(zhí)行器接收，電動執(zhí)行器的微處理器根據(jù)收到的信號對電動執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的控制。系統(tǒng)就是采用數(shù)字通訊技術(shù)將各種設(shè)備連接成一個局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)，一個典型的系統(tǒng)可以包括電動執(zhí)行器、計算機(jī)閥門控制器(CVC)、網(wǎng)絡(luò)連線、網(wǎng)絡(luò)接口部件(NIU)以及主計算機(jī)。NIU與主計算機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的ASC工工字符碼通過串行口進(jìn)行通訊。此外，智能閥門電動執(zhí)行器允許工程師在遠(yuǎn)地對其進(jìn)行監(jiān)測、整定和修改參數(shù)或算法等。

2．4 智能診斷

在閥門電動執(zhí)行器上裝有一些附加的傳感器，專門用于故障診斷，而在電路方面也設(shè)置了各種監(jiān)測功能，如電源相序和后備電池的電壓檢測。微處理器在運(yùn)行中連續(xù)對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)問題立即執(zhí)行預(yù)定的程序，自動采取應(yīng)急措施并報警。而微處理器和傳感器本身的運(yùn)行也同時受到監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)故障需要專家協(xié)助解決時，有的智能化閥門電動執(zhí)行器還可以通過調(diào)制解調(diào)器與專家實(shí)時聯(lián)網(wǎng)，以便及時地診斷和排除故障。

2．5 一體化結(jié)構(gòu)

一體化的結(jié)構(gòu)把整個控制回路裝在一個現(xiàn)場儀表之中，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、操作和維護(hù)等工作大為簡化，且減少因信號的傳輸中的泄漏和干擾等因素對系統(tǒng)的影響，提高可靠性。

此外，智能化閥門電動裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分考慮到抗惡劣工作環(huán)境的因素，其組件多帶有保護(hù)涂層以防腐蝕，外殼采用密封式，經(jīng)得起溫度、濕度的大范圍變化和振動沖擊的考驗(yàn)，保證工作可靠。智能型電動裝置帶有防水保護(hù)和雙層密封外殼，工作溫度在—30℃～+70℃之間。還可根據(jù)實(shí)際需要另行設(shè)計。

從上述產(chǎn)品特點(diǎn)中，可以看到智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢：機(jī)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)，運(yùn)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)，帶通信的逐步取代不帶通信的，數(shù)字控制逐步取代模擬控制。智能電動執(zhí)行器根據(jù)控制電信號，直接操作改變閥的位移，利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù)擴(kuò)大功能，實(shí)現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標(biāo)定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能，有效提高控制水平，是現(xiàn)代電動執(zhí)行器的發(fā)展方向。

3．總體結(jié)構(gòu)

EXC智能型電裝從設(shè)計到開發(fā)以及生產(chǎn)都遵循著面向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用的目標(biāo)，因此系統(tǒng)的總體設(shè)計也自始至終貫徹“簡單實(shí)用、操作靈活、技術(shù)先進(jìn)”的原則。

以電動執(zhí)行器作為最終執(zhí)行器的自動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的方法的以調(diào)節(jié)儀表輸出的模擬信號去控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。而傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較笨重，伺服驅(qū)動器和執(zhí)行器兩大部分分成兩塊，實(shí)際應(yīng)用中很不方便。新型電動執(zhí)行器則是將位置反饋信號輸入計算機(jī)，在計算機(jī)內(nèi)與控制中心信號(數(shù)字信號)比較，比較后輸出開關(guān)信號，驅(qū)動執(zhí)行器動作。

EXC閥門電動執(zhí)行裝置主要由控制器和執(zhí)行器以及人機(jī)對話和遠(yuǎn)程通訊接口組成，是以380V三相交流電源作為驅(qū)動電源，接受來自控制中心的數(shù)字控制信號，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出軸角位移，去操縱閥門本體。工作原理如圖1—1所示，由示意圖可看出，閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過程是一閉環(huán)控制，通過設(shè)定信號和反饋信號的比較控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動閥門動作。借鑒現(xiàn)階段己有的技術(shù)，控制器采用專門用于電機(jī)控制的PLC控制器為核心、配以相應(yīng)的外圍電路；執(zhí)行器的驅(qū)動電機(jī)采用三相交流異步電動機(jī)、渦輪蝸桿采用鋅鋁合金制作，明顯簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低成本，提高了控制精度。

該型電動執(zhí)行器是在控制器的控制下完成設(shè)定動作的機(jī)械執(zhí)行部分。主要由電動機(jī)、主傳動機(jī)構(gòu)、手／自切換機(jī)構(gòu)等部分組成，它是用于直接驅(qū)動閥門的。

控制器，傳感器以及人機(jī)對話和遠(yuǎn)程通訊接口部分，其具體的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。從圖中可以看見，系統(tǒng)主要包括以下幾部分：四種信號的檢測模塊，系統(tǒng)供電電源，核心控制模塊，電機(jī)開關(guān)控制模塊(即接觸器、滅弧器)，人機(jī)對話接口模塊，遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊接口模塊系統(tǒng)的詳細(xì)構(gòu)成，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

本智能型非侵入式電動執(zhí)行器，是集絕對式光電旋轉(zhuǎn)編碼技術(shù)、壓電傳感技術(shù)、微控制器技術(shù)、總線控制技術(shù)、紅外遙控技術(shù)、高清晰寬屏液晶顯示、磁控開關(guān)等多種新型技術(shù)和先進(jìn)制造工藝為一體的光機(jī)電一體化產(chǎn)品。本產(chǎn)品包括了電機(jī)及機(jī)械驅(qū)動部分、系統(tǒng)電源部分、信號檢測部分、控制模塊、遠(yuǎn)程通訊部分以及人機(jī)對話接口部分。檢測部分利用四種專門設(shè)計的傳感器檢測電機(jī)和機(jī)械驅(qū)動部分的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，為控制部分和人機(jī)對話部分提供詳細(xì)的電動執(zhí)行器運(yùn)行數(shù)據(jù)；控制模塊根據(jù)用戶的指令以及電動執(zhí)行器的運(yùn)行狀況對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制；遠(yuǎn)程通訊部分完成電動執(zhí)行器向DCS的遠(yuǎn)程中控室提供電動執(zhí)行器的運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，同時接受來自中控室的控制命令，完成相應(yīng)動作，同時我們的電動執(zhí)行器可向遠(yuǎn)程中控室提供閥位和力矩的4—20mA模擬量信號；人機(jī)對話接口部分，是操作者與電裝之間的橋梁，操作者可以通過紅外遙控器和磁控旋鈕對電動執(zhí)行器進(jìn)行各種相應(yīng)的操作，同時通過液晶顯示模塊監(jiān)視電裝的運(yùn)行狀況，并可以完成對電動執(zhí)行器的調(diào)試和參數(shù)設(shè)定，我們設(shè)計了具有很強(qiáng)親和力的和諧人機(jī)對話接口。

為了滿足不同的控制需求，我們?yōu)殡妱訄?zhí)行器提供了以下幾種控制方式：遠(yuǎn)程控制具有雙線開、雙線關(guān)、點(diǎn)動、自保持等四種控制方式，現(xiàn)場控制具有點(diǎn)動和自保持兩種控制方式。同時我們的智能型電動執(zhí)行器還具有如下一些功能：自動相序保護(hù)和糾正功能；電機(jī)過熱保護(hù)；掉電信息記憶保護(hù)、掉電動作信息儲存、電機(jī)瞬時逆轉(zhuǎn)保護(hù)；過力矩保護(hù)；閥門卡塞保護(hù)；雙速關(guān)閥功能；行程、力矩精確測量；不同控制方式下電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制；故障情況處理(電源故障、電機(jī)過熱、電機(jī)過力矩等等)。

4．技術(shù)概要

高度光機(jī)電一體化的電動執(zhí)行器的開發(fā)涉及從硬件到軟件，從PLC到單片機(jī)，從傳感器到控制器，從紅外遙控到磁控技術(shù)，從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)等各方面先進(jìn)技術(shù)，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代控制的發(fā)展趨勢。

傳感檢測部分技術(shù)概要，對于電動執(zhí)行器而言，力矩和行程是兩個重要的檢測參數(shù)，EXC電動執(zhí)行器使用了專門設(shè)汁的力矩檢測機(jī)構(gòu)，以確保對電動裝置輸出扭矩的控制。在吸收了目前的力矩測量方法基礎(chǔ)上，改進(jìn)了以往產(chǎn)品不注重數(shù)據(jù)處理的缺點(diǎn)，采用曲線擬合、量程擬合等方法，能根據(jù)各臺電裝的細(xì)微不同之處，擬合出適合該電裝特性的量程曲線，因此在力矩測量的精度、線性度和重復(fù)性上有很大的提高，能達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩重復(fù)誤差小于1％的精度。

在行程測量的方法上，EXC系列電動執(zhí)行器采用了絕對式光電旋轉(zhuǎn)編碼的方法采集行程和轉(zhuǎn)速信號，并由電機(jī)控制器進(jìn)行行程控制。絕對式光電旋轉(zhuǎn)編碼測量行程的方法屬于非接觸的絕對式測量方法，掉電仍能記憶位置，是目前最為先進(jìn)的，精度和可靠性都最高的行程和位置測量方法。目前世界上還沒有在電動執(zhí)行器上使用如此先進(jìn)的行程測量方法的先例。EXC系列電動執(zhí)行器在行程測量上可達(dá)到30位的絕對測量精度。

系統(tǒng)電源部分技術(shù)慨要，電源是系統(tǒng)正常工作所必須具備的基本條件。電動執(zhí)行器采用的供電方式是三相交流380V或者單相220V。通過專用變壓器轉(zhuǎn)換為直流24V電源供內(nèi)部控制系統(tǒng)使用，在系統(tǒng)內(nèi)部使用7818和LM336分別提供所需的18V和2.5V直流，使用LM4960提供系統(tǒng)的5V電源。

在主控制模塊設(shè)計上，首次采用了雙控制核心設(shè)計，使用了PLC控制器來負(fù)責(zé)完成電動執(zhí)行器的控制功能；同時使用了獨(dú)立的微控制器專門負(fù)責(zé)完成強(qiáng)大的人機(jī)對話接口功能。這樣的雙核心控制系統(tǒng)不僅保證了電動裝置動作的實(shí)時性、穩(wěn)定性，以及故障響應(yīng)的快速性，而且允許我們在人機(jī)對話接口上采用更多新的設(shè)計，創(chuàng)造出操作簡便的中英文可選操作菜單。

在與中央控制室的信息交換中，不僅提供了數(shù)字量和模擬量的數(shù)據(jù)交換方式，還提供了Profilbus和Modbus兩種總線通訊方式，為電動裝置接入DCS系統(tǒng)提供了最大的方便。同時系統(tǒng)內(nèi)部還十分注意與外部的隔離，系統(tǒng)采用了繼電器隔離和光耦隔離兩種方式。

現(xiàn)代化電動執(zhí)行器技術(shù)的不斷發(fā)展，對其智能化提出了更高要求。人機(jī)對話接口是電動執(zhí)行器智能化很重要的一部分．這部分擔(dān)負(fù)著操作人員與電動執(zhí)行器的信息交流，是操作人員實(shí)現(xiàn)對電動執(zhí)行器操控過程的主要環(huán)節(jié)。簡便實(shí)用的人機(jī)對話接口不僅能提供設(shè)備的實(shí)用性，更重要的是能節(jié)約用戶的調(diào)試和維護(hù)成本。

目前，國內(nèi)先進(jìn)的電裝大多是直接進(jìn)口或者在引進(jìn)國外技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的，因此菜單顯示內(nèi)容均是以英文、字符及符號為主，使用起來就相當(dāng)繁瑣，如果能采用圖形點(diǎn)陣式液晶屏，通過合理的菜單結(jié)構(gòu)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，就能實(shí)現(xiàn)在小型液晶屏上顯示大量的信息，同時可以讓設(shè)備的最終用戶使用最簡便的操作方式完成對設(shè)備的調(diào)試和運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)電動執(zhí)行器真正的智能化和實(shí)用化，因此在國內(nèi)生產(chǎn)的電動執(zhí)行器人機(jī)接口上采用中文結(jié)構(gòu)化菜單已經(jīng)成為國內(nèi)電裝生產(chǎn)廠商的當(dāng)務(wù)之急。

EXC智能型電動執(zhí)行器的設(shè)計正是針對目前電動執(zhí)行器人機(jī)對話接口簡單、便捷的要求，基于圖形點(diǎn)陣式液晶顯示技術(shù)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了信息齊全、結(jié)構(gòu)合理、操作簡便的中文結(jié)構(gòu)化菜單。使用了串行數(shù)據(jù)傳輸方式的寬屏幕液晶模塊，利用圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊顯示漢字、圖片及滾動閃爍等功能實(shí)現(xiàn)菜單的基本要素，采用樹狀結(jié)構(gòu)的方法使菜單清晰易懂，并且實(shí)現(xiàn)了用簡單的確認(rèn)和取消兩個按鈕來完成復(fù)雜菜單的所有操作功能。

上海隔膜閥-天沃，與您資料共享！