一、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

電動執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動裝置，其能源取用方便、安裝調(diào)試簡單，在電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。電動執(zhí)行器包括電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分，控制精度主要決定于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制性能，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的控制信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移、直線位移，控制閥門等截流件的位置或其它調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使被控介質(zhì)按系統(tǒng)要求狀態(tài)工作。

 1電動執(zhí)行器的研制及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國電動執(zhí)行器的研制起步較晚，是從蘇聯(lián)有觸點的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿制開始的，60年代末70年代初，逐步發(fā)展了DDZ-II型和DDZ-III型產(chǎn)品 。

 80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動執(zhí)行器發(fā)展快速，無觸點的DKJ型角行程和DKZ型直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大類產(chǎn)品進(jìn)入市場，DKJ、DKZ是我國最早的、唯一生產(chǎn)的電動執(zhí)行器，此產(chǎn)品以結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實用等優(yōu)點被最早的國營大型企業(yè)使用。

隨著現(xiàn)代工控計算機(jī)管理的發(fā)展，目前我國儀器儀表行業(yè)整體綜合技術(shù)水平普遍上升，微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用，多數(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)了智能化。今天，DKJ、DKZ系列與以前相比有了兩大實質(zhì)性改進(jìn)：

（1）生產(chǎn)出直接受計算機(jī)控制的智能電子型、戶外型、隔爆型等改進(jìn)型產(chǎn)品；

（2）將電路控制部分灌封在一個小型塑料盒中，即模塊，形成了便于維護(hù)的即插即用型。因此，普通DKJ型和DKZ型的可靠性、精度、負(fù)載能力、信號品質(zhì)系數(shù)等性能有了很大提高，而且對環(huán)境條件的要求降低了很多；

智能型的電動執(zhí)行器實現(xiàn)了智能控制、防護(hù)等級高、控制精度較高、重量輕、穩(wěn)定性好的功能 。如永嘉縣神舟電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DZW系列電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)就具備這些特點，其位置控制基本誤差=±1%，重復(fù)性誤差：（設(shè)定行程時間≥25s）≤1%。一體化結(jié)構(gòu)；傳動系統(tǒng)采用螺桿螺母式，傳動平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、傳動精度高；具有自診斷、自調(diào)整和PID調(diào)節(jié)功能。

目前國內(nèi)普遍使用DZW和DKZ型兩大類產(chǎn)品，一些企業(yè)使用DKJ、DKZ的更新?lián)Q代產(chǎn)品，但在控制要求較高的實驗、生產(chǎn)控制中，主要是依賴價格較高的國外智能產(chǎn)品。如德國SIPOS、AUMA、EMG，英國ROTORK，法國BERNARD，美國LIMITORQUE等電動執(zhí)行器。隨著各種過程控制要求的不斷提高，電動執(zhí)行器必須提高控制性能，才能真正提高自動控制水平 。

1.2 國際狀況

自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一臺電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)以來，國際上電動執(zhí)行器技術(shù)水平發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代起，國外相繼推出了符合各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的智能執(zhí)行器，在工業(yè)現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用效果 。由于高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前國外己開發(fā)出新一代智能化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，電子計算機(jī)技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)己在閥門設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。這些智能化電動執(zhí)行器功能強(qiáng)大、簡單可靠、技術(shù)先進(jìn) 。國際著名的電動執(zhí)行器公司英國的ROTORK（羅托克）生產(chǎn)的IQ系列智能化電動執(zhí)行器，不但具有智能通信、智能控制、支持多種現(xiàn)場總線的功能，而且其獨有的雙密封系統(tǒng)和紅外線非侵入式設(shè)定使它可用在任何環(huán)境中，防水防暴，終身可靠，調(diào)試及故障排除簡單。德國Hartmann&Braum公司新一代產(chǎn)品智能電動執(zhí)行器MOE700實現(xiàn)了智能式電子一體化，變頻變速定位，監(jiān)控等功能。代表著該領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平的公司還有美國的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等幾家國外著名的公司。JORDAN公司的智能電動執(zhí)行器突出特點是動作頻率高，其動作頻率是2000～4000/h，而國內(nèi)的電動執(zhí)行器動作頻率在2000/h以下，一般動作頻率達(dá)到1200/h就是很高的了?？傊瑖H上智能電動執(zhí)行器有以下特點：

（1）智能通信，智能控制智能電動執(zhí)行器利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù)，實現(xiàn)雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標(biāo)定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能，有效提高控制水平 。

（2）機(jī)電一體化新型智能化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)合為一體，驅(qū)動電路應(yīng)用功能強(qiáng)大的集成模塊，結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好 。

（3）控制策略更為先進(jìn)的控制方法有利于解決電機(jī)的慣性問題，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，提高控制精度 。Nucom電動執(zhí)行器利用先進(jìn)的電制動技術(shù)，控制精度可達(dá)1/250，國產(chǎn)的普通型DKZ及DKJ電動執(zhí)行器控制精度一般為2.5/100。

2電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢

電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展必將推動電動執(zhí)行器更加快速的發(fā)展，機(jī)電一體化將取代分體式結(jié)構(gòu)；智能通訊的取代模擬的；控制精度將越來越高，使用環(huán)境越來越廣；功能更強(qiáng)大，可靠性更高，以適應(yīng)不斷發(fā)展的自動控制的要求。

2.1總線化、網(wǎng)絡(luò)化

國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（FactoryAutomation）工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，作為自動控制中自動化儀表之一的電動執(zhí)行器為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口，以增強(qiáng)其與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺、甚至數(shù)十臺電動執(zhí)行器與上位計算機(jī)連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線企業(yè)網(wǎng)作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開放性，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點，使它與Interent的結(jié)合成為可能，現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于電動執(zhí)行器成為必然趨勢 ?，F(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號，實現(xiàn)了電動執(zhí)行器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作，提高了它的可靠性，降低了系統(tǒng)及工程成本。目前有影響的現(xiàn)場總線主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等，其實，國外目前的智能電動執(zhí)行器一般都帶有現(xiàn)場總線接口，我國也開發(fā)了一些帶現(xiàn)場總線接口的智能執(zhí)行器。

2.2數(shù)字化、智能化

智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，價格低廉的單片機(jī)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執(zhí)行器的控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)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）來提高控制性能。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器一般被看作是線性系統(tǒng)，由放大環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)組成，但實際上，絕大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運行期間會顯著地發(fā)生改變，應(yīng)用參數(shù)調(diào)度和模型辨識自適應(yīng)控制將大大提高電動執(zhí)行器的控制性能 。相對氣動、液動執(zhí)行器來說，接線簡單、功能強(qiáng)大、使用可靠的智能電動執(zhí)行器將不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

2.3小型化、機(jī)電一體化

電力電子的高度集成化，單片機(jī)的使用以及一些功能強(qiáng)大模塊的使用，使電動執(zhí)行器的體積越來越小，向小型化，輕便化發(fā)展。目前，智能電動執(zhí)行器一般將整個控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，將伺服電機(jī)，現(xiàn)場儀表控制器安裝為一體。電動執(zhí)行器一體化，使得執(zhí)行器的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化；將整個控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，又減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。

   總之，國際上，電動執(zhí)行器正朝著小型化、一體化、數(shù)字化、智能化、總線化和網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展，國產(chǎn)電動執(zhí)行器在產(chǎn)品的品種、控制精度、工藝水平、可靠性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面還有較大差距，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能電動執(zhí)行器十分匱乏。本文旨在找到我們與世界在電動執(zhí)行器方面的差距，明確目標(biāo)，通過我們的努力盡快減小國產(chǎn)電動執(zhí)行器與世界先進(jìn)水平的差距。

二、電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理

電動執(zhí)行器有五種類型：直行程電動執(zhí)行器、角行程電動執(zhí)行器、電動調(diào)節(jié)閥、PID電動調(diào)節(jié)執(zhí)行器和電磁閥。前四種屬于DDZ型。下面簡要介紹一下直行程電動執(zhí)行器(DKJ)和角行程電動執(zhí)行器(DKZ)。

直行程與角行程電動執(zhí)行器的作用是接收調(diào)節(jié)器或其它儀表送來的0~10，4~20毫安或1~5伏電壓的標(biāo)準(zhǔn)值流電信號，經(jīng)執(zhí)行器后變成位移推力或轉(zhuǎn)角力矩，以操作開關(guān)、閥門等，完成自動調(diào)節(jié)的任務(wù)。這兩種執(zhí)行器以前都是由伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分組成的?，F(xiàn)在有機(jī)電一體智能化的結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法都是相似的，區(qū)別僅在于，一個輸出位移(推力)，一個輸出轉(zhuǎn)角(力矩)。

電動執(zhí)行器選型考慮要點

 1、根據(jù)閥門類型選擇電動執(zhí)行器

    閥門的種類相當(dāng)多，工作原理也不太一樣，一般以轉(zhuǎn)動閥板角度、升降閥板等方式來實現(xiàn)啟閉控制，當(dāng)與電動執(zhí)行器配套時首先應(yīng)根據(jù)閥門的類型選擇電動執(zhí)行器。

1.1．角行程電動執(zhí)行器（轉(zhuǎn)角<360度）

電動執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)動小于一周，即小于360度，通常為90度就實現(xiàn)閥門的啟閉過程控制。此類電動執(zhí)行器根據(jù)安裝接口方式的不同又分為直連式、底座曲柄式兩種。

a)直連式：是指電動執(zhí)行器輸出軸與閥桿直連安裝的形式。

b)底座曲柄式：是指輸出軸通過曲柄與閥桿連接的形式。

此類電動執(zhí)行器適用于蝶閥、球閥、旋塞閥等。

1.2．多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行器（轉(zhuǎn)角>360度）

電動執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)動大于一周，即大于360度，一般需多圈才能實現(xiàn)閥門的啟閉過程控制。

此類電動執(zhí)行器適用于閘閥、截止閥等。

1.3．直行程（直線運動）

電動執(zhí)行器輸出軸的運動為直線運動式，不是轉(zhuǎn)動形式。

此類電動執(zhí)行器適用于單座調(diào)節(jié)閥、雙座調(diào)節(jié)閥等。

2、根據(jù)生產(chǎn)工藝控制要求確定電動執(zhí)行器的控制模式

電動執(zhí)行器的控制模式一般分為開關(guān)型（開環(huán)控制）和調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制）兩大類。

2.1．開關(guān)型（開環(huán)控制）

開關(guān)型電動執(zhí)行器一般實現(xiàn)對閥門的開或關(guān)控制，閥門要么處于全開位置，要么處于全關(guān)位置，此類閥門不需對介質(zhì)流量進(jìn)行精確控制。

特別值得一提的是開關(guān)型電動執(zhí)行器因結(jié)構(gòu)形式的不同還可分為分體結(jié)構(gòu)和一體化結(jié)構(gòu)。選型時必需對此做出說明，不然經(jīng)常會發(fā)生在現(xiàn)場安裝時與控制系統(tǒng)沖突等不匹配現(xiàn)像。

a)分體結(jié)構(gòu)（通常稱為普通型）：控制單元與電動執(zhí)行器分離，電動執(zhí)行器不能單獨實現(xiàn)對閥門的控制，必需外加控制單元才能實現(xiàn)控制，一般外部采用控制器或控制柜形式進(jìn)行配套。

此結(jié)構(gòu)的缺點是不便于系統(tǒng)整體安裝，增加接線及安裝費用，且容易出現(xiàn)故障，當(dāng)故障發(fā)生時不便于診斷和維修，性價比不理想。

b)一體化結(jié)構(gòu)（通常稱為整體型）：控制單元與電動執(zhí)行器封裝成一體，無需外配控制單元即可現(xiàn)實就地操作，遠(yuǎn)程只需輸出相關(guān)控制信息就可對其進(jìn)行操作。

此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是方便系統(tǒng)整體安裝，減少接線及安裝費用，容易診斷并排除故障。但傳統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品也有很多不完善的地方，所以產(chǎn)生了智能電動執(zhí)行器，關(guān)于智

能電動執(zhí)行器后面將再做說明。

2.2．調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制）

調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器不僅具有開關(guān)型一體化結(jié)構(gòu)的功能，它還能對閥門進(jìn)行精確控制，從而精確調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。因篇幅有限其工作原理在此不作詳細(xì)說明。

下面就調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器選型時需注明的參數(shù)做簡要說明。

a)控制信號類型（電流、電壓）

調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器控制信號一般有電流信號(4～20mA、0～10mA)或電壓信號(0～5V、1～5V)，選型時需明確其控制信號類型及參數(shù)。

b)工作形式（電開型、電關(guān)型）

調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器工作方式一般為電開型（以4～20mA的控制為例，電開型是指4mA信號對應(yīng)的是閥關(guān)，20mA對應(yīng)的是閥開），另一種為電關(guān)型（以4-20mA的控制為例，電開型是指4mA信號對應(yīng)的是閥開，20mA對應(yīng)的是閥關(guān)）。一般情況下選型需明確工作形式，很多產(chǎn)品在出廠后并不能進(jìn)行修改，永嘉縣神舟電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的智能型電動執(zhí)行器可以通過現(xiàn)場設(shè)定隨時修改。

c)失信號保護(hù)

失信號保護(hù)是指因線路等故障造成控制信號丟失時，電動執(zhí)行器將控制閥門啟閉到設(shè)定的保護(hù)值，常見的保護(hù)值為全開、全關(guān)、保持原位三種情況，且出廠后不易修改。神舟電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的智能電動執(zhí)行器可以通過現(xiàn)場設(shè)定進(jìn)行靈活修改，并可設(shè)定任意位置（0~100%）為保護(hù)值。

3、根據(jù)電動閥門所需的扭力確定電動執(zhí)行器的輸出扭力

閥門啟閉所需的扭力決定著電動執(zhí)行器選擇多大的輸出扭力，一般由使用者提出或閥門廠家自行選配，作為執(zhí)行器廠家只對執(zhí)行器的輸出扭力負(fù)責(zé)，閥門正常啟閉所需的扭力由閥門口徑大小、工作壓力等因素決定，但因閥門廠家加工精度、裝配工藝有所區(qū)別，所以不同廠家生產(chǎn)的同規(guī)格閥門所需扭力也有所區(qū)別，即使是同個閥門廠家生產(chǎn)的同規(guī)格閥門扭力也有所差別，當(dāng)選型時執(zhí)行器的扭力選擇太小就會造成無法正常啟閉閥門，因此電動執(zhí)行器必需選擇一個合理的扭力范圍。

4、根據(jù)所選電動執(zhí)行器確定電氣參數(shù)

　　因不同執(zhí)行器廠家的電氣參數(shù)有所差別，所以設(shè)計選型時一般都需確定其電氣參數(shù)，主要有電機(jī)功率、額定電流、二次控制回路電壓等，往往在這方面的疏忽，結(jié)果控制系統(tǒng)與電動執(zhí)行器參數(shù)不匹配造成工作時空開跳閘、保險絲熔斷、熱過載繼電器保護(hù)起跳等故障現(xiàn)象。

 

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