智能型电动执行机构的发展

 随着微电子、计算机、通信网络技术和机电一体化技术的迅速发展，20世纪90年代以后，国际上出现了智能电动执行机构。它是一种新型带有微处理器的智能终端执行元件。从此，智能化已形成执行机构发展的总趋势。电动执行机构在我国属于仪器仪表，传统的电动装置（俗称“电动头”）属于通用机械，二者在智能化程度、调节品质、可靠性、通信能力、自诊断等方面还是有很大的区别。

电动执行机构在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用。电动执行机构以电能为动力，接受DCS或FCS等控制系统发出的标准控制信号(模拟量或数字量)，通过执行机构内部的单片机、PLC或者DSP等进行数据处理之后，将控制信号变换成相对应的机械位移(角度、直线或多转)来自动改变操作变量(调节阀、风门、挡板开度等)，以达到对被调参数(温度、压力、流量、液位等)进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。所以电动执行机构对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响。

      传统的普通型电动装置，一般只接受控制系统发出的开或者关的两位式指令，也有通过外加伺服放大器来实现调节功能的，随着传统电动装置受到智能型电动执行机构的冲击，国内很多厂家也在传统的普通型电动装置的基础上，开发出自己的智能型电动装置。

1、电动执行机构现状

1.1、国内电动执行机构现状

      国内电动执行机构的研制比较晚，早期是60～70年代逐步研发的DDZ-II和DDZ-III型的电动装置，功能比较单一，由机械传动部分和外加的电控箱组合而成，属于“分体式”结构的外控型产品，防护等级比较低，调试和维护都不方便，优点是价格比较便宜，适合一些对调节品质不高的中小企业使用。现在，由于这部分市场仍然存在，所以这样的普通型电动装置还是具有一定的生存空间。

      随着微电子技术和计算机技术的大力发展，现在的ZKJ等电动装置也出现了变化，出现了可以直接接受控制系统调节指令的具有一定智能化的电动装置。它们将电子电路封装到一个盒子中，使得其防护等级得到提高，控制精度、可靠性等提高，衍生出户外型，隔爆型等多个分支。

2000年以后，电动执行机构获得了快速发展，国内一些厂商相继推出智能电动执行机构。新型智能电动执行机构将伺服放大器与执行机构传动等合为一体，属于“一体化”产品。不仅实现了双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，还增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、信号丢失保护、输出现场阀位指示和故障报警等功能。它可进行现场操作或远方操作，完成手动操作及手动/自动之间无扰动切换。相对于改进后的ZKJ等系列智能型电动装置，新型智能型电动执行机构具有更好的调节品质和阀位控制精度，可靠性和通信能力等也得到提高，功能也大大增加，由于采用“一体化”结构，防护等级可以达到IP68，体积小，应用领域更加广泛。

      相对于普通型电动装置，新型的智能型电动执行机构具有很多优势：

(1)由于改变了行程定位机构，不像以前的传统电动装置采用行星齿轮加导电塑料，或者是凸轮式行程控制机构，或螺旋传动式行程控制机构等机械方式进行行程定位，所以主要参数技术指标先进，如工作死区、基本误差、回差等指标已达到或接近世界先进水平，超过国内现有DDZ-II、III型电动装置。有的采用霍尔效应传感器，直接感应阀杆的纵向或旋转动作，实现了非接触式定位检测；有的采用特殊电位器，电位器中装有球轴承和特种导电材质做成的电阻薄片；有的采用磁阻效应的非接触式旋转角度传感器；还有的采用磁电式或光电式绝对编码器技术等等。这些都使得抗干扰性能、可靠性、稳定性增强。

(2)采用先进微处理器和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统伺服放大器。以数字式LCD显示阀位取代原有模拟指针式阀位指示，解决了模拟指针式阀位指示不准确，夜间观察不方便的缺点。由于采用了LCD，具有了人机界面，使得其具有了更加人性化的特点。

(3)功能强、使用方便，具有自诊断、自调整功能。而且设置参数、行程定位等都不需要打开电气壳体，故不存在电子器件受现场腐蚀气体、粉尘、潮气等的损害，增强了电气部分的寿命和可靠性。

(4)增加了流量特性软件修正（仅带有变频器的执行机构才具有这个功能）。采用微处理器后，能灵活地设定、改变流量特性，提高调节阀控制性能，使一种固有特性的调节阀可以拥有多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正(蝶阀)的阀也可改变流量特性，可以使非标准特性修正为标准特性，该功能将改变长期以来靠阀芯加工修正流量特性的现状。

(5)在调节中采用电制动（比如反接制动、能耗制动等）和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可取消机械摩擦制动器，提高了整机的可靠性，同时提高了阀位控制的精度。

(6)所有控制功能均可通过编程实现，可以轻松地成为分散控制系统（DCS）中的一个终端执行元件。比如，可以接受DCS来的开关量信号，如“远程开阀”、“远程关阀”、“ESD（紧急动作）”、“开阀联锁”、“关阀联锁”、“停止/保持”等，也可以接受DCS发出的模拟量阀位控制信号，同时，执行机构可以向DCS反馈回许多无源开关量的触点信号，比如“打开极限”、“关闭极限”、“开阀过力矩”、“关阀过力矩”、“正在动作”、“电源缺相”、“综合故障报警”等等，同时还可以反馈4~20mA的阀门位置的电流信号。这些功能都采用模块化的结构，输入输出可以组态，非常灵活。

      还有的具有数字通信接口，从而具有现场总线通信功能，成为现场总线控制系统（FCS）中的一个节点。常用的通信方式有：Modbus-rtu、Profibus-dp、Hart、FF、Can等等。现场总线的引入，使得电动执行机构与中央控制系统之间的信息交换能力得到大大提高，并且降低了布线成本（相对于DCS），增加了可靠性。

（7）传动部件的蜗轮蜗杆，采用新颖材料和特殊热处理工艺，运行平稳、传动效率高，无爬行、摩擦小，大大降低了传动部件运行的噪音，增加了使用寿命。

（8）在与调节阀配套的调节型执行机构，采用滚珠丝杆代替传统的滑动丝杆（铜螺母加T形螺纹的丝杆），效率提高，调节精度提高，寿命变长。

（9）使用无刷直流电机代替交流电机，由于无刷直流电机具有一些优于交流电机的特性，而且便于调速，所以现在也有厂家研发无刷直流电机的智能型电动执行机构。但是目前多是无刷直流电机使用带位置传感器的方式，而研发无位置传感器的无刷直流电机的智能型电动执行机构的厂家，还是很少，大部分都仅仅是高校或者研究院等进行的样机开发，并没有形成大规模的市场销售。

（10）内部控制卡件采用了防震措施，所有的接插件都带有“反扣”以防松动。模块化的部件，使得维修十分方便。

      虽然，国产智能型电动执行机构的可靠性，智能化程度等都得到了很大的提高，在抗干扰、环境适应性等方面也有提高，但是由于我国的整体工业水平与发达国家相比，还是具有比较大的差异，所以国内的智能型电动执行机构在可靠性和智能化水平上，还是比不上国际的最先进的智能型电动执行机构。

      随着国内电动执行机构行业的快速发展，旧的执行机构标准也发生了改变，以便适应新的智能型电动执行机构的发展需要，制订了“GB/T 24923 普通型阀门电动装置 技术条件”和“GB/T 28270 智能型阀门电动装置”的新标准。

1.2、国外电动执行机构现状

      20世纪80年代起，国外就相继推出了具有多种现场总线标准的智能型电动执行机构，在很多领域都应用的很好。而在2000年以后，至少在中国市场，由于受到国内厂家生产的智能型电动执行机构的冲击，SIPOS、Auma等国际知名电动执行机构厂家，也逐渐改进了执行机构的调试方式，由以前的需要开盖调试，变成现在的不需要打开电气壳体而进行的非侵入式的调试，而且在定位机构上，国外很多厂家也推出了非接触式的定位机构。

      在电力电子技术、计算机技术、通信技术、电机控制技术、新材料技术等的高速发展的情况下，目前国外的智能型电动执行机构可靠性高、功能强大、结构简洁、使用方便。与国内的智能型电动执行机构相比较，国外的某些智能型电动执行机构具有国内智能型电动执行机构的大部分优势。国外最先进的电动执行机构，比如英国Rotork的IQ系列，德国SIPOS的Flash 5 系列变频执行机构，美国Limitorque公司的Accutronix MX系列，德国Auma公司的SA系列等等，都具有很高的可靠性，外国品牌，英国Rotork的IQ系列在国内的市场占有率最高。

      国外先进电动执行机构，与国内产品相比较，具有以下特点：

（1）具有更加强大的功能，可以适用于更多的现场总线标准，通信技术更加强大。

（2）控制算法比国内厂家更加先进，而且由于有的厂家采用非接触式定位机构，比如美国Limitorque公司的Accutronix MX系列，采用15位的光学绝对编码器，在行程50转或以上的时候，可以达到0.1%的控制精度。

（3）具有更强大的自诊断和自动修复功能（采用冗余设计等实现），还可以通过IrDA对电动执行机构进行设置和数据资料记录。

（4）起动频率也更高，最高的是美国乔登的执行机构，可以达到2000～4000次/小时,而国内一般最高只能做到1200次/小时，这样，在火力发电等行业，如果环境温度很高，又需要进行频繁调节的时候，国内企业还是首先考虑使用国外的执行机构。

2、电动执行机构的发展方向：

      在电力电子技术、计算机技术、通信技术、电机控制技术、新材料技术等推动下，电动执行机构将获得更加快速的发展，可靠性和控制精度会更加提高，智能化水平会更高，使用环境会更加广泛，功能更加人性化和强大。

2.1分体式与一体化相结合

      类似于Auma的SA系列采用的一体化与分体式结构，应该是大家努力发展的一个方向，因为这样的结构，可以使用于更加高的环境温度或者井下安装等特殊使用场合。

2.2现场总线和工业以太网

      使用现场总线或者工业以太网技术，可以减少控制电缆的成本（相对于DCS需要很多控制线），可以将几十台，甚至上百台电动执行机构与FCS的上位机进行通信，连成一个数字式控制系统，它可以取代传统的4～20mA模拟量控制方式，可以实现电动执行机构的远程控制，状态、故障、参数等的实时传输和查询，提高了可靠性。而通过工业以太网，可以顺利地接入Internet网络。目前常用的现场总线有Modbus、Profibus、FF、CAN、HART、Devicenet等等。

2.3智能化、数字化

      由于控制系统的自动化程度越来越高，数字式系统取代模拟式系统肯定是必然，数字式系统可以使用软件代替很多模拟式系统采用的硬件电路，使得产品升级和功能增加更加方便。传统电动执行机构由于大量使用硬件电路，使得可靠性下降，体积变大，成本增加，而且容易受到芯片的温度漂移影响，所以控制精度、死区、重复精度等都不高，而数字式系统，采用很多先进的控制技术，比如自适应控制技术、模糊控制技术等，大大提高了执行机构的可靠性和性能参数。

2.4远程专家诊断系统的运用

      随着设备采购日趋国际化、分散化，设备供应商与用户往往分隔两地。传统的设备维护是在故障发生之后维护人员奔赴现场进行维修，无论对供应商还是对用户来讲，都很不经济。加之维护人员到现场后才能根据设备检测数据作出故障诊断，然后开始维修工作，因此相当缺乏效率，而设备远程监控与诊断维护技术（即远程专家诊断系统）的出现，为上述问题的解决提供了有效途径，并已成为现代先进制造技术的一个重要环节，同时也成为当今设备诊断技术的研究热点之一。

2.5特殊化

      近年来，有厂家推出了一种带充电电容或者弹簧的小型电动装置，具备外部动力电源掉电的情况下，依然可以按照掉电前设定的参数，运行到相应的指定位置。在某些对管道需要这种安全保护的场合需要用到这样的紧急安全调节设备。另外，还有在不同运用环境使用的特殊执行机构的研发，比如核电、军舰、航空航天等等。

2.6组合化

      把电动执行机构与专用PID调节器的功能组合，这样电动执行机构可以直接接受流量计、压力变送器、温度变送器、液位计等发出的4~20mA指令，这样可以省掉控制系统中昂贵的PLC。

2.7非侵入式调试和非接触式定位机构的使用

      采用非侵入式的调试方法，可以避免现场打开电气壳体时，灰尘、潮气等的侵蚀，可以使电气部分的可靠性增加，而且也降低了现场人员的工作强度。而非接触式定位机构的使用，可以使执行机构的定位精度、寿命大大提高，可以避免使用接触式定位机构带来的行程改变和寿命短的缺点。

2.8功能拓展化

      借鉴智能型阀门定位器上的PST（部分行程测试）等安全保护功能，对智能型电动执行机构的安全功能进行增强，以便满足石化等企业对安全要求非常高的特殊使用场合。

2.9联动

      相对气动、液动执行机构而言，电动执行机构主要有3点优势：(1)无需特殊的气源或者液源和空气净化等装置，即使电源失电时，也能保持原执行位置；(2)可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查；(3)与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。

      电动执行机构相对于气动、液动执行机构，也具有一些缺点：（1）全行程需要的时间比较长，没有气动、液动的速度快；（2）提供的输出力矩不能足够大；（3）在防爆要求非常高的地方，只能用气动、液动执行机构。

      把电动执行机构与气动或者液动执行机构相结合，可以做到扬长避短。

2.10分段调速

      比如使用交流电机的带变频器的电动执行机构和使用无刷直流电机的电动执行机构，都可以实现在打开行程和关闭行程两个方向分段采用不同的速度运行。

      为了避免“水锤效应”，对于大型的、实施两个阶段关闭的蝶阀，比如90º~20º期间使用“快关”，在20º~0º实行“慢关”，这种情况下，采用具有变频器的电动执行机构（比如德国SIPOS的Flash 5 系列变频执行机构）就可以很方便地完成所需功能，否则，要么就使用类似于英国rotork公司IQ系列的所谓“双速功能”（实际是采用中断定时功能来实现）来实现，要么就只有使用体积庞大的液动执行机构来完成。

3、结束语

      总的来说，电动执行机构的发展，呈现出欣欣向荣的景象，功能更加强大，可靠性更加高，使用和维护更加简便，安全防护等级更加高，安全保护功能更加完善的高智能化、数字化、总线化的执行机构肯定是今后发展的方向。

      虽然我国的智能型电动执行机构现在也有了很大的发展，但是只有在某些性能指标上可以达到或者超过国外类似智能型产品，但是与国外最先进的智能型电动执行机构厂家还是有较大差距，具有自己完全的知识产权的、高可靠性电动执行机构还是非常匮乏。 

      本文旨在叙述国内、国外电动执行机构产业的现状和一些发展方向，以便于国内同行进行参考，并明确我们自身的弱点，为了提高我国的电动执行机构的性能，缩小与发达国家的世界性先进水平的电动执行机构的差距，还需要国内同行的共同努力。