揭秘神奇的智能型電動(dòng)執行機構
智能型電動(dòng)執行機構是自動(dòng)控制系統中不可缺少的重要設備，在邯鋼燒結及球團廠(chǎng)得到了廣泛應用。智能型電動(dòng)執行機構將調節器送來(lái)的控制信號成比例地轉換成直線(xiàn)位移或角位移去帶動(dòng)閥門(mén)、擋板等調節機構，以實(shí)現自動(dòng)控制，因而也廣泛用于電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門(mén)的自動(dòng)控制領(lǐng)域。
研制與應用
隨著(zhù)現代工控計算機管理的發(fā)展，目前我國儀器儀表行業(yè)綜合技術(shù)水平普遍上升，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用，多數產(chǎn)品實(shí)現了初步智能化。智能型的電動(dòng)執行器的智能控制、防護等級高、控制精度高、重量輕、穩定性好，位置控制基本誤差±1%，重復性誤差(設定行程時(shí)間≥25s)≤1%，采用全封閉、一體化結構;傳動(dòng)系統采用螺桿螺母式，傳動(dòng)平穩、承載能力強、傳動(dòng)精度高;具有自診斷、自調整和PID調節功能。但是與國際上先進(jìn)的智能化電動(dòng)執行器相比，現有的國產(chǎn)電動(dòng)執行機構仍存在控制方式落后，不能根據生產(chǎn)的實(shí)際要求進(jìn)行參數的現場(chǎng)調整，不能組成網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程控制等問(wèn)題，安全防爆性能也遠遠低于氣動(dòng)執行機構。
隨著(zhù)高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外己開(kāi)發(fā)出新一代智能化電動(dòng)執行機構產(chǎn)品。這些智能化電動(dòng)執行器功能強大、簡(jiǎn)單可靠、技術(shù)先進(jìn)，不但具有智能通信、智能控制、支持多種現場(chǎng)總線(xiàn)的功能，而且其獨有的雙密封系統和紅外線(xiàn)非侵入式設定使它可用在任何環(huán)境中，防水防爆、終身可靠，調試及故障排除簡(jiǎn)單，實(shí)現了智能式電子一體化、變頻變速定位、監控等功能。代表著(zhù)該領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平的公司有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等。
機構特點(diǎn)
智能通信技術(shù)
智能型電動(dòng)執行器利用微機技術(shù)和現場(chǎng)通信技術(shù)，實(shí)現雙向通信、PID調節、在線(xiàn)自動(dòng)標定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能。國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎的工廠(chǎng)自動(dòng)化(FactoryAutomation)工程技術(shù)近十年來(lái)得到了長(cháng)足的發(fā)展，作為自動(dòng)控制中自動(dòng)化儀表之一的電動(dòng)執行器為適應這一發(fā)展趨勢，也應具有標準的串行通信接口(如RS-232或RS-422接口等)和專(zhuān)用的局域網(wǎng)接口，以增強其與其他控制設備間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺、甚至數十臺電動(dòng)執行器與上位計算機連接成為整個(gè)數控系統�，F場(chǎng)總線(xiàn)是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)設備/儀表與控制室內的自動(dòng)控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)，以其所具有的開(kāi)放性，網(wǎng)絡(luò )化等優(yōu)點(diǎn)，使它與Interent的結合成為可能，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用，取代了傳統的4～20mA模擬信號，實(shí)現了電動(dòng)執行器的遠程監控，狀態(tài)、故障、參數信息傳送，完成遠程參數化工作，提高了它的可靠性，降低了系統及工程成本。有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等，目前國外的智能電動(dòng)執行器一般都帶有現場(chǎng)總線(xiàn)接口，我國也開(kāi)發(fā)了一些帶現場(chǎng)總線(xiàn)接口的智能執行器。
機電一體化
電子電路的高度集成、單片機的使用以及一些功能強大模塊的使用，使電動(dòng)執行器的體積越來(lái)越小，向小型化、輕便化發(fā)展。目前，智能型電動(dòng)執行器一般將整個(gè)控制回路裝在一臺現場(chǎng)儀表里，將伺服電機、現場(chǎng)儀表控制器安裝為一體。電動(dòng)執行器的一體化，使得執行器的安裝與調試工作都得到了簡(jiǎn)化;將整個(gè)控制回路裝在一臺現場(chǎng)儀表里，又減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統的影響，提高了系統的可靠性。
新型智能化電動(dòng)執行機構將伺服放大器與執行機構合為一體，驅動(dòng)電路應用功能強大的集成模塊，結構簡(jiǎn)單，控制性能好。
數字化、智能化
智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢，價(jià)格低廉的單片機和新型高速微處理器將全面代替以模擬電子器件為主的電動(dòng)執行器的控制單元，從而實(shí)現完全數字化的控制系統。全數字化的實(shí)現，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動(dòng)執行器中應用現代控制理論的先進(jìn)算法(如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )等)來(lái)提高控制性能。傳統的電動(dòng)執行器一般被看作是線(xiàn)性系統，但實(shí)際上，絕大多數執行器參數在運行期間會(huì )顯著(zhù)地發(fā)生改變，應用參數調節和模型辨識自適應控制將大大提高電動(dòng)執行器的控制性能�？刂撇呗愿鼮橄冗M(jìn)的控制方法有利于解決電機的慣性問(wèn)題，實(shí)現準確定位，提高控制精度。例如Nucom電動(dòng)執行器利用先進(jìn)的電制動(dòng)技術(shù)，控制精度可達1/250，國產(chǎn)的普通型DKZ及DKJ電動(dòng)執行器控制精度一般為2.5/100。
相對于氣動(dòng)、液動(dòng)執行器而言，接線(xiàn)簡(jiǎn)單、功能強大、使用可靠的智能電動(dòng)執行器將不斷擴大應用范圍。
工作原理
以?shī)W地利SCHIEBEL智能型電動(dòng)執行機構為例，其電氣控制系統結構如圖2所示。整個(gè)系統由專(zhuān)用可編程序控制器、電子行程、電子力矩、電動(dòng)機驅動(dòng)模塊、功率擴展模塊、人機界面(HMI)、紅外線(xiàn)控制器、手動(dòng)操作電路等組成。其中專(zhuān)用可編程序控制器為整個(gè)控制系統的核心，它接收各種信號，經(jīng)過(guò)邏輯處理后作出相應的反應，決定是否驅動(dòng)和如何驅動(dòng)電動(dòng)機，并向用戶(hù)反饋各類(lèi)狀態(tài)信號。
圖1 電動(dòng)執行機構的效果圖
控制器以RISC微處理器為核心的CSC控制器具備強大的功能，可完成模擬輸入、編碼器信號的高速采集、內置PROFIBUS通信協(xié)議等專(zhuān)用功能。用于實(shí)現對電動(dòng)執行機構的開(kāi)和關(guān)、現場(chǎng)/遠控、故障診斷報警等的控制。采用了通用編程語(yǔ)言，控制系統軟件的可移植性和可擴充性得到加強。
圖2 智能型電動(dòng)執行機構的電氣控制系統結構
人機界面(HMI)
智能型電動(dòng)執行機構的人機界面(HMI)由一塊128×64的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊、6個(gè)磁控開(kāi)關(guān)以及紅外接收器組成。整個(gè)人機界面通過(guò)RS485接口和專(zhuān)用可編程序控制器進(jìn)行通信，可把輸入指令傳遞到專(zhuān)用可編程序控制器，并在液晶顯示模塊上顯示相應的狀態(tài)和提示信息。人機界面也具備二次開(kāi)發(fā)的功能，采用一個(gè)小型的組態(tài)軟件，在計算機上繪制好各種狀態(tài)頁(yè)面，然后下載到人機界面中，具有直觀(guān)、靈活的特點(diǎn)。
電子力矩
電子力矩的實(shí)現采用了電阻應變原理。在蝸桿上連接一個(gè)貼有4片電阻應變片的彈性變形體，輸出力矩的大小反映為彈性變形體的變形量，電阻應變片阻值也相應變化，經(jīng)處理放大后導致最終輸出電壓的變化。為了反映開(kāi)、關(guān)向力矩的變化，設計上采用了雙向推拉式結構，電子力矩在不受力的情況下輸出DC5V電壓，開(kāi)向受力時(shí)輸出DC5～10V，關(guān)向受力時(shí)輸出DC0～5V。這種電子力矩測量直接、實(shí)時(shí)，線(xiàn)性度、精度都可達到1%以?xún)�，遠高于相關(guān)標準規定的7%的要求。
電子行程
電子行程與電子力矩一樣是實(shí)現智能型電動(dòng)執行機構的非侵入調試的關(guān)鍵部件。國內同類(lèi)產(chǎn)品一般采用電位器。高精度的塑料導電電位器將執行機構輸出軸的機械變化轉化為電信號，輸入到控制器，參與執行機構的調節控制。同時(shí)，該信號也被轉化成閥門(mén)位移開(kāi)啟度，通過(guò)顯示板顯示出閥門(mén)的開(kāi)啟度百分比。這種結構雖然簡(jiǎn)單，但電動(dòng)執行機構運行一段時(shí)間后，各類(lèi)元件/組件因工作頻率和負載條件的差異，各易損件先后磨損超標，而出現位置反饋接觸不良、定位精度差、穩定性下降、效率顯著(zhù)降低、故障率逐漸增加等現象，給操作人員帶來(lái)很多不便，甚至嚴重影響生產(chǎn)的正常調節和控制。采用絕對編碼器可有效地避免這一問(wèn)題，保證上電后輸出碼與機械位置的一致性。輸出采用的格雷碼(GrayCode，簡(jiǎn)稱(chēng)G碼)是典型的循環(huán)碼，序號相鄰的兩組代碼只有一位碼不同，且具有循環(huán)性。
電動(dòng)機驅動(dòng)模塊
CMR控制組件滿(mǎn)足用于驅動(dòng)各種閥門(mén)的電動(dòng)執行機構的所有控制要求。CMR設計成系統控制模件，集成在執行機構中，而附加的執行機構控制器可以滿(mǎn)足定位元件的控制要求。執行機構的控制功能通過(guò)CMR來(lái)設定，不需要更改接線(xiàn)，也不需要在工程項目開(kāi)始時(shí)就確定有關(guān)接線(xiàn)。通過(guò)在邏輯板PAL(可編程序控制器邏輯)的DIP開(kāi)關(guān)設置快速而方便地實(shí)現功能的設定。監視功能、狀態(tài)顯示使啟動(dòng)更容易，可以?xún)?yōu)化日常維護并因此保證執行機構的可靠動(dòng)作。具有電機控制、相位順序控制、相位丟失控制、行程止端和力矩止端特性設定、功能監測、信號發(fā)送、選擇故障時(shí)狀態(tài)、自診斷等功能。
軟件設計
要實(shí)現智能型電動(dòng)執行機構的開(kāi)關(guān)、現場(chǎng)/遠控和故障報警的管理與控制，關(guān)鍵在于專(zhuān)用可編程序控制器的程序設計，它直接關(guān)系到電動(dòng)執行機構開(kāi)、關(guān)到位的準確性與實(shí)時(shí)性。專(zhuān)用可編程序控制器采用編程軟件進(jìn)行編程，整個(gè)程序由主程序和多個(gè)子程序組成。輸入到可編程序控制器的信號，有來(lái)自上位機的操作命令，也有來(lái)自現場(chǎng)電動(dòng)執行機構的信號，操作人員在現場(chǎng)或監控室都能對電動(dòng)執行機構進(jìn)行控制。由程序的不斷掃描，實(shí)現電動(dòng)執行機構的開(kāi)到位、關(guān)到位的控制以及電源故障、電動(dòng)機過(guò)熱、力矩故障、機械故障的報警功能�？删幊绦蚩刂破魍ㄟ^(guò)RS485接口與人機界面實(shí)現通信，同時(shí)通過(guò)人機界面(HMI)來(lái)反饋設備狀態(tài)和紅外線(xiàn)控制器的操作信號。系統還設置了數據查詢(xún)系統，能夠追逐和查詢(xún)歷史數據，便于維護。
圖3 智能型電動(dòng)執行機構
結束語(yǔ)
電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展必將推動(dòng)電動(dòng)執行器更加快速的發(fā)展：機電一體化將取代分體式結構;智能通訊取代模擬信號通訊;控制精度越來(lái)越高，使用環(huán)境越來(lái)越廣。功能更強大、可靠性更高的智能型電動(dòng)執行器必定能適應不斷發(fā)展的自動(dòng)控制要求。
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