智能电动执行器及其发展趋势
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特约撰稿人：杨平,彭道刚,王志萍,徐兆龙
2005-7-2
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，90年代以后，国际上出现了智能电动执行器。它是一种新型带有微处理器的智能终端执行元件。从此，智能化已形成执行器发展的总趋势，尽快了解智能电动执行器的发展状况非常必要。
工业生产过程自动调节系统一般由检测器、调节器、执行器和调节对象组成。其中执行器总是不可缺少，一般由执行机构和调节机构(一般称为调节阀)组成。此外，根据需要还可配上阀门定位器和手轮机构等附件。
执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用，常被称为实现生产过程自动化的“手足”。电动执行器以电能为动力，接受调节器来的标准信号(模拟量或数字量)，通过将这信号变成相对应的机械位移(转角、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。所以电动执行器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。
相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有3点优势：
(1)无需特殊的气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。
一、DKJ型电动执行器及其不足
电动执行器有角行程和线行程之分。DKJ型角行程电动执行器是DDZ-II型电动单元组合仪表中的执行单元，是传统电动执行器的典型产品。它主要由伺服放大器和执行机构两部分组成，接受来自调节单元、变送单元或手动操作器输出的统一标准电流信号，将其转换成与之相对应的机械位移输出。
虽然DKJ型电动执行器在各工业部门都有较多应用，但它存在着不足，主要有以下几点：
(1)产品规格品种较单一，且只有一种位移速度，不能满足一些复杂系统要求；
(2)没有力矩保护和行程开关，虽然电动机能堵转，但其转矩(或力矩)一直施加在阀门或生产设备上，使阀门或生产设备容易受损而减小使用寿命；
(3)制动器容易磨损，电容击穿问题也较大，平均故障间隔时间(MTBF)为10000h左右；
(4)在机械上不能自锁，增加了对制动器的可靠性要求。
二、智能电动执行器及特点
近年来，电动执行机构获得了快速发展，国内外一些厂商相继推出带现场总线通信协议的智能电动执行器。新型智能电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体，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、断电信号保护、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。
智能电动执行器采用新颖结构部件。伺服放大器中采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现，还具有数字通信接口，从而具有HART协议或现场总线通信功能，成为现场总线控制系统中的一个节点。有的伺服放大器中还采用变频器技术，可更有效控制伺服电机动作。减速器采用新颖传动结构，运行平稳、传动效率高，无爬行、摩擦小。位置发送器采用新技术和新方法，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。
智能电动执行器通常都有液晶显示器和手动操作按钮，用于显示各种状态信息和输入组态数据以及手动操作等。
智能电动执行器与传统电动执行器相比，主要有如下特点：
(1)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型电动执行器。
(2)采用先进微机和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统伺服放大器，以数字式操作器取代原有模拟指针式操作器，解决了数字显示跳动频繁而造成人眼疲劳的问题。
(3)功能强、使用方便，具有自诊断、自调整和PI调节等功能，尤其是PI调节功能可省去前级调节器，直接接受变送器信号。
(4)增加了流量特性软件修正。采用微处理机后，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。
(6)三相放大器的设计采用由单相智能伺服放大器外接三相功率转换器的组合式方案，方便了生产和备料，为控制室不进三相电源的控制提供了可能。
三、智能电动执行器的发展趋势
综上所述，智能电动执行器的发展趋势可以归纳为：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，带通信技术功能的逐步取代不带通信技术的，数字控制方式逐步取代传统的模拟控制方式，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术等等。
当智能电动执行器与现场总线连接时，智能执行器就成了现场总线控制系统(FCS)中的一块现场仪表，这时它不仅具有执行器功能，还具有控制、运算和通信等功能。由此可见，我国目前新一代符合现场总线的智能电动执行器产品，是执行机构今后发展的必然趋势，它的成功研究与应用给电动执行器的进一步发展打下良好基础，并将给智能电动执行器带来广阔的市场发展前景。