電動執(zhí)行機構(gòu)原理

一、電動執(zhí)行機構(gòu)概述

執(zhí)行機構(gòu)，又稱執(zhí)行器，是一種自動控制領(lǐng)域的常用機電一體化設(shè)備（器件），是自動 化儀表的三大組成部分（檢測設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè) 備和執(zhí)行設(shè)備）中的執(zhí)行設(shè)備。主要是對一 些設(shè)備和裝置進行自動操作，控制其開關(guān)和調(diào)節(jié)，代替人工作業(yè)。按動力類型可分為氣 動、液動、電動、電液動等幾類；按運動形 式可分為直行程、角行程、回轉(zhuǎn)型（多轉(zhuǎn)式） 等幾類。由于用電做為動力有其它幾類介質(zhì)不可比擬的優(yōu)勢，因此電動型近年來發(fā)展最

快，應(yīng)用面較廣。電動型按不同標(biāo)準(zhǔn)又可分為：組合式結(jié)構(gòu)、機電一體化結(jié)構(gòu)，電器控 制型、電子控制型、智能控制型（帶HART、 FF協(xié)議），數(shù)字型、模擬型，手動接觸調(diào)試 型、紅外線遙控調(diào)試型等。它是伴隨著人們 對控制性能的要求和自動控制技術(shù)的發(fā)展而迅猛發(fā)展的。

•早期的工業(yè)領(lǐng)域，有許多的控制是手動和半自動的，在操作中人體直接接觸工業(yè)設(shè)備的 危險部位和危險介質(zhì)（固、液、氣三態(tài)的多種化學(xué)物質(zhì)和輻射物質(zhì)），極易造成對人的 傷害，很不安全；

•設(shè)備壽命短、易損壞、維修量大；

•采用半自動特別是手動控制的控制效率很低、

誤差大，生產(chǎn)效率低下。 基于以上原因，執(zhí)行機構(gòu)逐漸產(chǎn)生并應(yīng)用于

工業(yè)和其它控制領(lǐng)域，減少和避免了人身傷

害和設(shè)備損壞，極大的提高了控制精確度和 效率，同時也極大提高了生產(chǎn)效率。今年來

隨著電子元器件技術(shù)、計算機技術(shù)和控制理論的飛速發(fā)展，國內(nèi)外的執(zhí)行機構(gòu)都已跨入 智能控制的時代。

 

ROTORK

LIMITORQUE、天津二通

 

二、工作原理及結(jié)構(gòu)

（一）電動執(zhí)行機構(gòu)

目前，電動執(zhí)行機構(gòu)主要有：羅托克（ROTORK）、西博斯（SIPOS‐SIEMENSPositioner的縮寫）、瑞基(RAGA)、奧馬（AUMA）、ABB、上儀ROTORK、利米托克（ LIMITORQUE ）等各種電動執(zhí)行機構(gòu)。電動執(zhí)行機構(gòu)由伺服放大器和執(zhí)行機構(gòu)二個結(jié)構(gòu)上相互獨立的整體構(gòu)成。執(zhí)行機構(gòu)為現(xiàn)場就地安裝式結(jié)構(gòu)，在減速器箱體上裝有交流伺服電機和位置發(fā)送器。減速器上有手動部件、輸出軸、機械限位塊。直行程位置發(fā)送器與減速器的聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖

1所示

圖1  電動執(zhí)行機構(gòu)位置發(fā)送器和減速器的聯(lián)接示意圖置

它們之間的聯(lián)接和調(diào)整是通過杠桿和彈簧來 實現(xiàn)的。當(dāng)減速器輸出軸上下運動是時，杠桿一端依靠彈簧的拉力緊壓在輸出軸的端面 上，因而傳感器芯棒產(chǎn)生軸向位移，達到改 變位置發(fā)送器輸出電流大小的目的。傳感器 芯棒移動距離而對應(yīng)的位置反饋電流為4~20mA DC（0~10mA DC）。輸出軸位移 的行程和位置發(fā)送器輸出電流呈線性關(guān)系。利用杠桿支點距離的不同來改變行程的變化。機械限位塊則按行程不同來進行設(shè)置。直行程電動執(zhí)行機構(gòu)是一個用交流伺服電動機為原動機的位置伺服機構(gòu)，其系統(tǒng)方塊圖如圖2所示。

圖2  電動執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)方塊圖

 

FC   伺服放大器   SD   單相伺服電機    WF   位置發(fā)送器     Z    減速器      DFD  電動操作器    C    調(diào)節(jié)閥          

電動執(zhí)行機構(gòu)處于連續(xù)調(diào)節(jié)的控制過程狀態(tài)：

•當(dāng)輸入信號Ii=0（或4mA DC）時,位置發(fā)送器反饋電流If=0(或4mA DC) ,此時伺服放大器沒有輸出電壓，交流伺服電動機停轉(zhuǎn)，執(zhí)行機構(gòu)輸出軸穩(wěn)定在預(yù)選好的零位。

•當(dāng)輸入信號Ii>0（或4mA DC）時（接入極 性應(yīng)與位置反饋電流極性相反）此輸入信號與系統(tǒng)本身的位置反饋電流在伺服放大器的 前置級磁放大器中進行磁勢的綜合比較，由于這兩個信號大小不相等且極性相反就有誤差磁勢出現(xiàn)，從而使伺服放大器有足夠的輸 出功率，驅(qū)動交流伺服電動機，執(zhí)行機構(gòu)輸 出軸就朝著減少這個誤差磁勢的方向運動， 直到輸入信號和位置反饋信號兩者相等為 止，此時輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。

電動執(zhí)行機構(gòu)三種控制方式：

•當(dāng)電動操作器切換開關(guān)放在“自動”位置時，即處在連續(xù)調(diào)節(jié)控制狀態(tài)。

•當(dāng)電動操作器切換開關(guān)放在“手動”位置時，即處在手動遠方控制狀態(tài)，操作時只要將旋 轉(zhuǎn)切換開關(guān)分別拔到“開”或“關(guān)”的位置，執(zhí)

行機構(gòu)輸出軸就可以上行或下行，在運動過 程中觀察電動操作器上的閥位開度表，到所需控制閥位開度時，立即松開切換開關(guān)即可。

•當(dāng)電動操作器切換開關(guān)放置“手動”位置時，把交流伺服電動機端部旋鈕放在“手動”位置，拉出執(zhí)行機構(gòu)上的手輪，搖動手輪就可 以實現(xiàn)手動操作。當(dāng)不用就地手動操作時，千萬要注意，把交流伺服電機端部的旋鈕放在“自動”位置，并把手輪推進。

三、用途

 

電動執(zhí)行機構(gòu)可以與變送器，調(diào)節(jié)器等儀表 配套使用，它以電源為動力，接受4~20mA DC或0~10mA DC信號，將此轉(zhuǎn)換成與輸入 信號相對應(yīng)的直線位移，自動地操縱閥門等 調(diào)節(jié)機構(gòu)，完成自動調(diào)節(jié)任務(wù)，或者配用電動操作器實現(xiàn)遠方手動控制，可廣泛應(yīng)用于 發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工、輕工等工業(yè)總門的 調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。 執(zhí)行機構(gòu)主要應(yīng)用在以下三大領(lǐng)域：

1．發(fā)電廠

•火電行業(yè)應(yīng)用

送風(fēng)機風(fēng)門擋板、一次進風(fēng)風(fēng)門擋板、二次 進風(fēng)風(fēng)門擋板、主風(fēng)箱風(fēng)門擋板 、燃燒器調(diào)節(jié)桿、燃燒器搖擺驅(qū)動器、球閥和蝶閥控制、 滑動門等。

•其它電力行業(yè)的閥門執(zhí)行器應(yīng)用

球閥、葉輪機轉(zhuǎn)速控制、冷凝水再循環(huán)、脫 氧機、鍋爐給水、再加熱恒溫控制器及其它相關(guān)閥門應(yīng)用。

2．過程控制 用于化工、石化、模具、食品、醫(yī)藥、包裝等行業(yè)的生產(chǎn)過程控制，按照既定的邏輯指 令或電腦程序?qū)﹂y門、刀具、管道、擋板、 滑槽、平臺等進行精確的定位、起停、開合、 回轉(zhuǎn)，利用系統(tǒng)檢測出的溫度、壓力、流量、尺寸、輻射、亮度、色度、粗糙度、密度等 實時參數(shù)對系統(tǒng)進行調(diào)整，從而實現(xiàn)間歇、 連續(xù)和循環(huán)的加工過程的控制。

3．工業(yè)自動化用于較為廣泛的航空、航天、軍工、機械、 冶金、開采、交通、建材等方面，對各類自 動化設(shè)備和系統(tǒng)的運動點（運動部件）進行 各種形式的調(diào)節(jié)和控制。

四、電動執(zhí)行機構(gòu)的安裝和接線

 

•伺服放大器應(yīng)安裝在環(huán)境溫度為0~50℃： 相對溫度≤85%無腐蝕性氣體的環(huán)境中。

•執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)安裝在環(huán)境溫度為‐25~+70℃， 相對溫度≤95%無腐蝕性氣體環(huán)境中，在一般情況下，執(zhí)行機構(gòu)均安裝在調(diào)節(jié)閥的閥體 上，用螺釘堅固，當(dāng)然也可以安裝在其他調(diào)節(jié)機構(gòu)上。安裝時應(yīng)考慮到手動操作及維修 拆裝的方便，安裝時必須避免所有接合外的 松動間隙。限位塊作限位用更不可松動和隨 便拆裝。執(zhí)行機構(gòu)的外形及安裝方式見圖3。

圖3外形及安裝方式

•執(zhí)行機構(gòu)外部接線按圖4、5所示連接，仔細復(fù)查

圖4 伺服放大器、電動操作器、執(zhí)行機構(gòu)接線圖

圖5 無操作器接線圖

五、電動執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)試

電動執(zhí)行機構(gòu)組成部分在出廠時皆經(jīng)過調(diào) 試，但為了保證正常運行和現(xiàn)場實際需要，使用前應(yīng)對基本性能作如下檢查：

1.按圖6接線圖接線。

圖6執(zhí)行機構(gòu)校驗接線圖

2\合上電源開關(guān)“1K”，將電機“把手”放在手動位置，搖動“手輪”使輸出軸的位置置于出廠調(diào)試好的零位（即輸出軸的下限值），此時mA 表指示值應(yīng)為零值或4mA。如果不到（或超過）此值可調(diào)整（調(diào)零），電位器使其值為0mA 或4mA 。

3、搖動“手輪”，使輸出軸向上移動，mA表示值應(yīng)相應(yīng)地從0變化到10mA或從4mA變化到20Ma.如果不到或超過10mA或20mA，可調(diào)節(jié)“調(diào)滿”電位器。

4、如需要重新調(diào)整方法如下：

在機械起始點（或偏離起始點一小位移） 用螺絲刀旋轉(zhuǎn)調(diào)零（ZEPO）電位器，使 輸出電流為0mA（顯示為指示燈由亮至滅 時為零位）。

0~10mA調(diào)整方法：將執(zhí)行機構(gòu)開至終端或手搖）用螺絲刀調(diào)節(jié)滿（ZERO）電位器至20mA，再上、下開幾次，信號調(diào)準(zhǔn)即可。

4~20mA 調(diào)整方法：將執(zhí)行機構(gòu)開至終端，用螺絲刀調(diào)節(jié)調(diào)滿（ZERO）電位器至16mA，再將執(zhí)行機構(gòu)開至（或手搖）零位（起始點），調(diào)節(jié)調(diào)零（ZEPO）電位器使0mA變?yōu)?mA，再將執(zhí)行機構(gòu)開至（或手搖）終端。此時如果顯示20mA即可。如果有小誤差，反復(fù)上、下幾次，信號調(diào)準(zhǔn)即可。

5. 分別操作按鈕“2K”“3K”輸出軸應(yīng)隨之上下移動。同時位置發(fā)送器的輸出電流值和輸出軸的行程一一對應(yīng)。

6. 反零位調(diào)整方法：

按圖7所示，將伺服電機①、②兩線掉換。

圖7  執(zhí)行機構(gòu)位發(fā)內(nèi)部接線示意圖

     按圖7所示，將印刷板上①、③兩電位器線掉換，再按上所述的第4點重復(fù)調(diào)試方法調(diào) 試（如果在調(diào)調(diào)零，調(diào)滿時有假零位或超位 現(xiàn)象，可以松開電位器的固定螺釘，電位器前后移動，將信號調(diào)至所要求范圍，固定電 位器螺釘）。

六、使用和檢維修

1.      電動執(zhí)行機構(gòu)使用前應(yīng)認(rèn)真仔細閱讀使用 說明書按規(guī)定的檢驗方法，進行檢查和校 驗。

2.      電動執(zhí)行機構(gòu)的減速器應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán) 境加注合適的潤滑油。

3.      電動執(zhí)行機構(gòu)投入運行前應(yīng)檢查現(xiàn)場電源 電壓是否與規(guī)定相符。同時按規(guī)定的電器 安裝接線圖檢查接線，拆線時，做好標(biāo)記并包扎好，接線時，按照拆線的順序接回 并注意線頭編號，各接線端子接線應(yīng)牢靠。日常故障，可在接線端子上進行相應(yīng)的檢 查調(diào)試，對于指令故障，可以在就地短接 指令線查看，反饋故障可以在就地測量反 饋信號。

江蘇飛華執(zhí)行器有限公司---- www.bvks.com.cn,電動閥門接線端子

	開指令	關(guān)指令	開反饋	關(guān)反饋	故障	閥位	短接
ROTROK	34 35	33 34	8   9	6   7	42 43	22 23	5—34 4—36
SIPOS	3  5	3  4	1   2	5   6	19 20	1  2	18—19 3--6
RAGA	5  35	5  33	10 11	6  7	42 43		5—34 4—36
AUMA	3  11	2  11	39 40	35 36	14 15	23 24
上儀	37 39	38 39	15—16 12--13	6—7 28--29	41 42		36 39

4.      據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求，選定輸出軸的初始化 零位。執(zhí)行機構(gòu)出廠時輸出軸的零位皆調(diào) 整在機械限位下端處。

5.      執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)所有連接的接合處不 可有松動間隙，以保證有良好的調(diào)節(jié)效果。

6.      執(zhí)行機構(gòu)輸出軸推力應(yīng)和調(diào)節(jié)機構(gòu)（閥門等）所需推力相適應(yīng)，防止過載。

7.     執(zhí)行機構(gòu)各組成部分應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場使用條件 定期檢查和調(diào)整。減速器應(yīng)定期清洗加油。

8.     凝汽器入口執(zhí)行器改中停，凝汽器A/B側(cè)入口執(zhí)行器以前只有開和關(guān)反饋，只給DCS反饋一個開關(guān)量，為了讓運行人員能更深入了解凝汽器入口閥門開關(guān)位置，維修時給該執(zhí)行器添加一個模擬量反饋功能。

9.    循泵出口蝶閥新增15°反饋限位改造，先斷電，再添加繼電器，依次添加行程開 關(guān)，當(dāng)循泵出口蝶閥達到15°，行程開關(guān) K閉合，繼電器KR線圈得電，電路導(dǎo)通使循泵自動啟動，并給DCS傳遞一個“高電平”信號。(見圖8 繼電器安裝接線圖)

              

圖8 繼電器安裝接線圖

電動執(zhí)行機構(gòu)的故障及排除方法見下表1：

表1

故障現(xiàn)象	原因分析	檢查方法	排除方法
執(zhí) 行 機構(gòu)不動 作	相線與中線接反	用試電筆檢查中 線與相線	對調(diào)重新接好
	保險絲斷開	目測	更換保險管
	線路斷開或各接 點接觸不良	目測和用萬用表 測量檢查各焊點 是否脫焊或各接 線點、插座等接 觸是否良好	對 脫 焊 重 新 焊 好，對接觸不良 要重新接好或更 換不良零件
	電機繞組斷路或 短路	用導(dǎo)線短接固態(tài) 繼電器的交流輸出兩接點，電機 轉(zhuǎn)動。	更換電機
	分相電容器斷路 損壞		更換電容
執(zhí) 行 機構(gòu)不動 作	固態(tài)繼電器斷路損壞	用導(dǎo)線短接固態(tài)繼電器 的交流輸出兩接點，電機轉(zhuǎn)動	更換固態(tài)繼電器
	放大器前級故障		依次檢查前級輸 出直流電源及元 器件，對損壞無 件更換
接通電源后 輸出軸就朝 一個方向轉(zhuǎn) 動	放大器前級不調(diào)零	用萬用表量出在無信號 時放大器前級的輸出	斷開輸入信號和 反饋信號重新調(diào) 零
	兩條反饋線接反	用萬用表檢查反饋電流 的方向	更改接線
	兩條放大器輸出線接反	用調(diào)接兩條線方法	更改接線
	固態(tài)繼電器擊穿	用斷開固態(tài)繼電器交流 輸出接點方法，或用萬 用表測量	更換固態(tài)繼電器
	一路輸出斷路，固態(tài)繼電器損壞或輸出電路斷線	用導(dǎo)線短接續(xù)固態(tài)繼電 器兩交流輸出接點	①對損壞固 態(tài) 繼電器進行 更換②對接線斷線 重新接好
	控制電路一路失效	用萬用表檢查三極管	更換損壞的 三 極管
	電機一路斷線	用萬用表測量	重新接好斷線
執(zhí)行機構(gòu)一個方向正常，一個方向輸出無力	一個固態(tài)繼電器軟擊穿	用斷開固態(tài)繼電器交流 輸出兩端子方法斷開后 電機轉(zhuǎn)動正常	更換被斷開的固態(tài)繼電器
	電機中線接錯	目測	更換接線
執(zhí)行機構(gòu)兩個方 向輸出無力	電機分相 電 容 容 量降低或軟擊穿		更換電容
	電機制動器故障	打開電機后罩檢查	調(diào)整或更換 制 動器零件                    38
執(zhí)行機構(gòu)振 蕩	放大器不調(diào)零	用萬用表檢前級 輸出	放大器在無任何外信號 情況下重新調(diào)零
	死區(qū)過小		調(diào)節(jié)放大器靈敏電位器
	電機制動器失效	打開電機后蓋檢 查摩擦片和彈簧 是否完好	更換新的摩擦片或重新 調(diào)整彈簧
輸出線性不 好或沒有輸出信號	導(dǎo)電塑料電位器損壞	用萬用表量	更換新電位器
	位發(fā)線路板工作不正常	用萬用表檢查是 否有信號輸出	更換損壞的線路板
	位發(fā)變壓器不好	用萬用表檢查	更換變壓器
遠方無法啟 動，反饋故障，指令故 障	電動門正常，接線錯誤	用萬用表檢查	重新接線
	控制機柜開關(guān)銹死，線 頭生銹導(dǎo)致電阻增大， 線頭沾水造成短路	目測，用萬用表檢查	重新接線
執(zhí)行器動作正常，但無閥位反饋   閥 門 關(guān) 不到位	測量閥位反饋回路僅有4-6mA左右	用萬用表檢查	重新設(shè)定，不起作 用，更換閥位反饋 板，如果問題依然 沒有解決就要考慮 更換主板
	檢查計數(shù)器圓形磁鋼壞或者計數(shù)器板壞		更換計數(shù)器
	電動閥門閥桿卡塞，電動頭的輸出力矩不夠大		增大電動頭的輸出力矩
執(zhí)行器閥桿無輸出	檢查手動是否可以操作，如果手自動離合器卡死在手動位置，電機只會空轉(zhuǎn)		調(diào)整手自動離合器
	檢查電機是否轉(zhuǎn)動，如果電機可以轉(zhuǎn)動，并且已在自動位置，說明指令信號 已經(jīng)到達閥門，可能閥桿斷裂		更換閥桿
	手動電動均不能操作，可能閥門卡死或 軸套卡死、滑絲、松脫		調(diào)整閥門或軸套
執(zhí)行器遠方 / 就 地均不動作	電機電源接線不正確		重新接線
	檢查手自動離合器是 否卡死、松動		調(diào)整手自動離合器
	執(zhí)行器的顯示面板有 報警顯示		按面板提示進行處理
執(zhí)行器送電就發(fā) 生跳閘	繼電器控制板損壞		更換繼電器
	電機線圈燒毀		更換電機
手動正常，電機不能切換	手自動離合器卡簧在 手動方向卡死		拆卸手輪，釋放卡簧，重 新裝配好