1．概述

閥門主要應用于石油、化工、市政、燃氣、水務、電力、長輸管線、造船、醫藥、食品、軍工、核工業、航天等領域的流體控制。由于國民經濟的發展需要，推動了閥門電動執行器工業的發展。近年來，在滿足各方面高參數新要求的同時，對閥門電動執行器的結構、材料和生產工藝等方面，就如何更好的提高性能、增強可靠性及降低成本等受到更多的關注。智能型閥門電動執行器和傳統閥門電動執行器比較，具有使用方便、性能可靠、操作簡便靈活、控制精度高、結構緊湊、有可靠的故障自我診斷處理機制和及時的報警機制、人機界面等優點得到廣泛的應用，滿足了日益高速發展的自動化系統需求。

通過對國內外同類產品的分析研究發現，國內正在使用的各種電動執行裝置普遍存在設備龐大，結構匹配不合理，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，人機對話接口很不方便，難于現場標定和維修等缺陷，已跟不上工業發展的需要。管道系統中的電動閥門在生產中發揮著重要作用，因而對閥門電動執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品替代目前使用的產品，以提高生產效率。

隨著微電子技術、電力電子技術、微機控制技術及通訊技術等現代科學技術的發展，國外許多相關廠家相繼開發了新一代智能型閥門電動執行器。但國外生產的閥門電動執行器及其控制器價格昂貴，而且很難和國內目前使用的電動執行器相兼容，售后服務不完善，零部件配套困難。因此．運用數字技術、單片機技術、電力電子技術等先進技術，開發研制性能先進、功能完善的新型智能電動閥門執行器，對閥門實現遠距離控制、現場操作、集中控制，以滿足國內外廣大用戶生產使用的要求，適合我國工業生產和發展需要，具有十分重要的現實意義。

新型智能電動執行器利用微機和現場總線通信技術將伺服放大器與執行機構合為一體，不僅實現了雙向通信、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，還增設了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護、斷電信號保護、輸出現場閥位顯示和故障報警等功能。它可進行現場或遠程操作，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行器的成功開發，有助于提高國內閥門電動執行執行器的產品水平，也有利于提高生產控制的自動化水平，最終實現生產過程的智能化。我公司開發的EXC電動執行器是在采用原有的合理技術基礎上，進行大量可靠的技術創新開發形成的，是與國內外同類產品相比具有很多創新的新型高科技光機電一體化產品。

2．開發背景

電動執行器在現代生產過程自動化中起著十分重要的作用，常被稱為實現生產過程自動化的“手足”。電動執行器以電能為動力，接受調節器來的標準信號(模擬量或數字量)，通過將這信號變成相對應的機械位移(轉角、直線或多轉)來自動改變操作變量(調節閥、風門、擋板開度等)，以達到對被調參數(溫度、壓力、流量、液位等)進行自動調節的目的，使生產過程按預定要求進行。所以電動執行器對自動調節系統的安全運行、可靠性及調節品質的優劣都有很大影響。

2．1 計算機控制

在過程控制中，需要通過調整閥門的開度來調節流量和壓力。通常電動執行器，按照外部發來的控制信號驅動閥門，這些控制信號來自控制系統的微處理器。在電動執行機構中，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。先進的閥門電動執行器具有更完善的智能控制，可按給定值自動進行PID調節，控制流量和壓力等過程變量。智能化閥門電動執行器能響應外部4—2W模擬信號或經由RS—485通訊口發來的數字信號或按自身程序設定的參數進行PID控制。

2．2 安全措施

智能化閥門電動執行器：具有高度的自身保護及系統保護功能，如裝有三相電機的執行機構有可能因為相線接錯而反轉，導致執行機構和閥門損壞，而智能型的電動執行機構則可以通過監視電源的相序以及輸入控制信號的情況確保電機正確起動。此外，在閥門卡死的情況下，保護功能還可以避免電動機被損壞。在電動機通電期間不斷檢測閥門的動作，若發現一定的時間內不動作，就認為是卡住，控制器就發出命令，切斷電動機電源并發出警報。除了有自身保護功能外，智能化閥門電動執行器還具有系統保護功能，即當某些部件出現故障或系統出現其他問題時，會自動采取應急措施以免發生事故。

2．3 通訊功能

智能化閥門電動執行器采用數字通訊的方法與主控制室相連，主控制室送出的可尋址數字信號通過電纜被電動執行器接收，電動執行器的微處理器根據收到的信號對電動執行器進行相應的控制。系統就是采用數字通訊技術將各種設備連接成一個局部網絡(LAN)，一個典型的系統可以包括電動執行器、計算機閥門控制器(CVC)、網絡連線、網絡接口部件(NIU)以及主計算機。NIU與主計算機之間采用標準的ASC工工字符碼通過串行口進行通訊。此外，智能閥門電動執行器允許工程師在遠地對其進行監測、整定和修改參數或算法等。

2．4 智能診斷

在閥門電動執行器上裝有一些附加的傳感器，專門用于故障診斷，而在電路方面也設置了各種監測功能，如電源相序和后備電池的電壓檢測。微處理器在運行中連續對整個系統進行監測，一旦發現問題立即執行預定的程序，自動采取應急措施并報警。而微處理器和傳感器本身的運行也同時受到監測。當出現故障需要專家協助解決時，有的智能化閥門電動執行器還可以通過調制解調器與專家實時聯網，以便及時地診斷和排除故障。

2．5 一體化結構

一體化的結構把整個控制回路裝在一個現場儀表之中，使控制系統的設計、安裝、操作和維護等工作大為簡化，且減少因信號的傳輸中的泄漏和干擾等因素對系統的影響，提高可靠性。

此外，智能化閥門電動裝置在結構設計上充分考慮到抗惡劣工作環境的因素，其組件多帶有保護涂層以防腐蝕，外殼采用密封式，經得起溫度、濕度的大范圍變化和振動沖擊的考驗，保證工作可靠。智能型電動裝置帶有防水保護和雙層密封外殼，工作溫度在—30℃～+70℃之間。還可根據實際需要另行設計。

從上述產品特點中，可以看到智能電動執行機構的發展趨勢：機電一體化結構逐步取代組合式結構，智能化控制技術逐步取代純電子控制技術，運用紅外遙控的非接觸式調試技術逐步取代接觸式手動調試技術，帶通信的逐步取代不帶通信的，數字控制逐步取代模擬控制。智能電動執行器根據控制電信號，直接操作改變閥的位移，利用微機技術和現場通信技術擴大功能，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，有效提高控制水平，是現代電動執行器的發展方向。

3．總體結構

EXC智能型電裝從設計到開發以及生產都遵循著面向實際工業應用的目標，因此系統的總體設計也自始至終貫徹“簡單實用、操作靈活、技術先進”的原則。

以電動執行器作為最終執行器的自動控制系統中，傳統的方法的以調節儀表輸出的模擬信號去控制電動執行機構動作。而傳統的電動執行機構比較笨重，伺服驅動器和執行器兩大部分分成兩塊，實際應用中很不方便。新型電動執行器則是將位置反饋信號輸入計算機，在計算機內與控制中心信號(數字信號)比較，比較后輸出開關信號，驅動執行器動作。

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

該型電動執行器是在控制器的控制下完成設定動作的機械執行部分。主要由電動機、主傳動機構、手／自切換機構等部分組成，它是用于直接驅動閥門的。

控制器，傳感器以及人機對話和遠程通訊接口部分，其具體的工作原理和系統結構圖如圖2所示。從圖中可以看見，系統主要包括以下幾部分：四種信號的檢測模塊，系統供電電源，核心控制模塊，電機開關控制模塊(即接觸器、滅弧器)，人機對話接口模塊，遠程監控通訊接口模塊系統的詳細構成，硬件設計和軟件設計。

本智能型非侵入式電動執行器，是集絕對式光電旋轉編碼技術、壓電傳感技術、微控制器技術、總線控制技術、紅外遙控技術、高清晰寬屏液晶顯示、磁控開關等多種新型技術和先進制造工藝為一體的光機電一體化產品。本產品包括了電機及機械驅動部分、系統電源部分、信號檢測部分、控制模塊、遠程通訊部分以及人機對話接口部分。檢測部分利用四種專門設計的傳感器檢測電機和機械驅動部分的運行狀態和故障信息，為控制部分和人機對話部分提供詳細的電動執行器運行數據；控制模塊根據用戶的指令以及電動執行器的運行狀況對電機進行相應的控制；遠程通訊部分完成電動執行器向DCS的遠程中控室提供電動執行器的運行和故障數據，同時接受來自中控室的控制命令，完成相應動作，同時我們的電動執行器可向遠程中控室提供閥位和力矩的4—20mA模擬量信號；人機對話接口部分，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行器進行各種相應的操作，同時通過液晶顯示模塊監視電裝的運行狀況，并可以完成對電動執行器的調試和參數設定，我們設計了具有很強親和力的和諧人機對話接口。

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

4．技術概要

高度光機電一體化的電動執行器的開發涉及從硬件到軟件，從PLC到單片機，從傳感器到控制器，從紅外遙控到磁控技術，從模擬技術到數字技術等各方面先進技術，充分體現了現代控制的發展趨勢。

傳感檢測部分技術概要，對于電動執行器而言，力矩和行程是兩個重要的檢測參數，EXC電動執行器使用了專門設汁的力矩檢測機構，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上，改進了以往產品不注重數據處理的缺點，采用曲線擬合、量程擬合等方法，能根據各臺電裝的細微不同之處，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、線性度和重復性上有很大的提高，能達到控制轉矩重復誤差小于1％的精度。

在行程測量的方法上，EXC系列電動執行器采用了絕對式光電旋轉編碼的方法采集行程和轉速信號，并由電機控制器進行行程控制。絕對式光電旋轉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行器上使用如此先進的行程測量方法的先例。EXC系列電動執行器在行程測量上可達到30位的絕對測量精度。

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

在主控制模塊設計上，首次采用了雙控制核心設計，使用了PLC控制器來負責完成電動執行器的控制功能；同時使用了獨立的微控制器專門負責完成強大的人機對話接口功能。這樣的雙核心控制系統不僅保證了電動裝置動作的實時性、穩定性，以及故障響應的快速性，而且允許我們在人機對話接口上采用更多新的設計，創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，不僅提供了數字量和模擬量的數據交換方式，還提供了Profilbus和Modbus兩種總線通訊方式，為電動裝置接入DCS系統提供了最大的方便。同時系統內部還十分注意與外部的隔離，系統采用了繼電器隔離和光耦隔離兩種方式。

現代化電動執行器技術的不斷發展，對其智能化提出了更高要求。人機對話接口是電動執行器智能化很重要的一部分．這部分擔負著操作人員與電動執行器的信息交流，是操作人員實現對電動執行器操控過程的主要環節。簡便實用的人機對話接口不僅能提供設備的實用性，更重要的是能節約用戶的調試和維護成本。

目前，國內先進的電裝大多是直接進口或者在引進國外技術基礎上開發的，因此菜單顯示內容均是以英文、字符及符號為主，使用起來就相當繁瑣，如果能采用圖形點陣式液晶屏，通過合理的菜單結構設計和實現，就能實現在小型液晶屏上顯示大量的信息，同時可以讓設備的最終用戶使用最簡便的操作方式完成對設備的調試和運行管理，實現國內電動執行器真正的智能化和實用化，因此在國內生產的電動執行器人機接口上采用中文結構化菜單已經成為國內電裝生產廠商的當務之急。

EXC智能型電動執行器的設計正是針對目前電動執行器人機對話接口簡單、便捷的要求，基于圖形點陣式液晶顯示技術設計并實現了信息齊全、結構合理、操作簡便的中文結構化菜單。使用了串行數據傳輸方式的寬屏幕液晶模塊，利用圖形點陣式液晶顯示模塊顯示漢字、圖片及滾動閃爍等功能實現菜單的基本要素，采用樹狀結構的方法使菜單清晰易懂，并且實現了用簡單的確認和取消兩個按鈕來完成復雜菜單的所有操作功能。

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