[科普中国]-电动执行机构

对于执行机构最广泛的定义是：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。其基本类型有部分回转(Part-Turn)、多回转(Multi-Turn)及直行程(Linear)三种驱动方式。

机构简介基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用于控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。

因为越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。

某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩散同时将工厂损失减至最少。对一些高压大口径的阀门，所需的执行机构输出力矩非常大，这时所需执行机构必须提高机械效率并使用高输出的电机，这样才能平稳的操作大口径阀门。对于一些小扭矩的阀门，精小型的电动阀门也应用而生，相比普通型具有重量轻，结构紧凑，功能齐全等优点。

阀门为了成功的实现过程自动化，最重要的是要确保阀门自身能够满足过程及管道内介质的特殊要求。通常生产过程和工艺介质能够决定阀门的种类，阀芯的类型以及阀内件和阀门的结构和材料。

阀门选择好后接下来就要考虑自动化的要求即执行机构的选择。可以简单的按两种基本的阀门操作类型来考虑执行机构。

旋转式阀门这类阀门包括：旋塞阀、球阀、蝶阀以及风门或挡板。这类阀门需要已要求的力矩进行90度旋转操作的执行机构

多回转阀门这类阀门可以是非旋转提升式阀杆或旋转非提升式杆，或者说是他们需要多转操作去驱动阀门到开或关的位置。这类阀门包括：直通阀（截止阀）、闸阀、刀闸阀等。作为一种选择，直线输出的气动或液动气缸或薄膜执行机构也开来驱动上述阀门。

优点电动执行机构的主要优点就是高度的稳定和用户可应用的恒定的推力，最大执行器产生的推力可高达225000kgf，能达到这么大推力的只有液动执行器，但液动执行器造价要比电动高很多。

电动执行器的抗偏离能力是很好的，输出的推力或力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介质的不平衡力，达到对工艺参数的准确控制，所以控制精度比气动执行器要高。如果配用伺服放大器，可以很容易地实现正反作用的互换，也可以轻松设定断信号阀位状态(保持/全开/全关)，而故障时，一定停留在原位，这是气动执行器所作不到，气动执行器必须借助于一套组合保护系统来实现保位1。

执行机构电动执行机构有二种类型，一般分为部分回转电动执行机构（Part-Turn Electric Valve Actuator)，和多回转电动执行机构（Multi-Turn Electric Valve Actuator),前者主要控制需要部分回转的阀门 例如：球阀，蝶阀等，后者需要多圈数旋转的阀门，例如闸阀等。

电力驱动的多回转式执行机构是最常用、最可靠的执行机构类型之一。使用单相或三相电动机驱动齿轮或蜗轮蜗杆最后驱动阀杆螺母，阀杆螺母使阀杆产生运动使阀门打开或关闭。多回转式电动执行机构可以快速驱动大尺寸阀门。为了保护阀门不受损坏，安装在在阀门行程的终点的限位开关会切断电机电源，同时当安全力矩被超过时，力矩感应装置也会切断电机电源，位置开关用于指示阀门的开关状态，安装离合器装置的手轮机构可在电源故障时手动操作阀门。

这种类型执行机构的主要优点是所有部件都安装在一个壳体内，在这个防水、防尘、防爆的外壳内集成了所有基本及先进的功能。主要缺点是，当电源故障时，阀门只能保持在原位，只有使用备用电源系统，阀门才能实现故障安全位置（故障开或故障关）。

这种执行机构类似于电动多回转执行机构，主要差别是执行机构最终输出的是1/4转记90度的运动。新一代电动单回转式执行机构结合了大部分多回转执行机构的复杂功能，例如：使用非进入式用户友好的操作界面实现参数设定与诊断功能。单回转执行机构结构紧凑可以安装到小尺寸阀门上，通常输出力矩可达800公斤米，另外应为所需电源较小，它们可以安装电池来实现故障安全操作。

选择要素选择一台合适的阀门执行机构类型和规格时必须考虑下列要素：

驱动能源最常用的驱动能源是电源或流体源，如果选择电源为驱动能源，对于大尺寸阀门一般选用三相电源，对于小尺寸阀门可选用单相电源。一般电动执行机构可有多种电源类型供选择。

有时也可选直流供电，此时可通过安装电池实现电源故障安全操作。流体源种类很多，首先可以是不同的介质如：压缩空气、氮气、天然气、液压流体等，其次它们可以具备各种压力，第三执行机构具有各种尺寸以提供输出力活力矩。

阀门类型当选择阀门用执行机构时，必须要知道阀门的种类，这样才可以选择正确的执行机构类型。有些阀门需要多回转驱动，有些需要单回转驱动，有些需要往复式驱动，它们影响了执行机构类型的选择。通常多回转的气动执行机构比电动多回转执行机构价格要贵，但是往复式直行程输出的气动执行机构价格比电动多回转执行机构便宜。

力矩大小对于90度回转的阀门如：球阀、碟阀、旋塞阀，最好通过阀门厂商获得相应阀门力矩大小，大部分阀门厂商是通过测试阀门在额定压力下阀门所需的操作力矩，他们将这一力矩提供给客户。

对于多回转的阀门情况有所不同，这些阀门可分为：往复式（提升式）运动-阀杆不旋转、往复式运动-阀杆旋转、非往复式-阀杆旋转，必须测量阀杆的直径，阀杆连接螺纹尺寸已决定执行机构规格。

执行机构选型一但执行机构类型和阀门所需驱动力矩确定了，就可以使用执行机构厂商提供的数据表或选型软件进行选型。有时还需考虑阀门操作的速度和频率。

流体驱动的执行机构可调节行程速度，但是三相电源的电动执行机构只有固定的行程时间。

部分小规格的直流电动单回转执行机构可调节行程速度。

结构原理以MD系列电动执行机构的整体式比例调节型为例。

MD系列电动执行机构以交流伺服电动机为驱动装置的位皿伺服机构，由配接的位置定位器PM-2控制板接受调节系统的4～20mA直流控制信号与位置发送器的位置反馈借号进行比较，比较后的信号偏差经过放大使功率级导通，电动机旋转驱动执行机构的输出件朝着减小这一偏差的方向移动（位置发送器不断将输出件的实际位置转变为电信号—位盈反馈信号送至位致定位器），直到偏差信号小于设定值为止。此时执行机构的输出件就稳定在与输人信号相对应的位置上。

组成部分MD系列角行程调节电动执行机构由动力部件和位置定位器（PM-2控制板）两大部分组成。其中动力部件主要由电动机、减速器、力矩行程限制器、开关控制箱、手轮和机械限位装置以及位置发送器等组成，其各部分作用简述如下：

1、电动机

电动机是特种单相或三相交流异步电动机，具有高启动力矩、低启动电流和较小的转动惯量，因而有较好的伺服特性。在电动机定子内部装有热敏开关（详见图3所示）做过热保护，当电动机出现异常过热（内部温度超过130℃）时该开关将控制电动机的电路断开以保护电动机和执行机构，当电动机冷却以后开关恢复接通，电路恢复工作。为了克服惯性惰走，调节型电动执行机构的电动机控制电路均有电制动功能。

2、减速器

角行程执行机构采用行星减速加蜗轮蜗杆传动机构，既有较高的机械效率，又具有机械自锁特性。直行程执行机构的减速器由多转执行机构减速器配接丝杆螺母传动装置组成。

3、力矩行程限制器

它是一个设置在减速器内的标准单元，由过力矩保护机构、行程控制机构（电气限位）、位置传感器及接线端子等组成。

4、过力矩保护机构

内行星齿轮在传递力矩时产生的偏转拨动嵌装在齿轮外圈的摆杆，摆杆的两端各装有一个测力压缩弹赞作为正、反向力矩的传感元件，当输出力矩超过设定限制力矩时，内齿轮的偏转使摆杆触动力炬开关，切断控制电路使电动机停转。调整力炬限制弹资的压缩量即可调整力炬的限定值。该保护具有记忆功能，对应于接线图中的电器设备是力矩开关LEF、LEO。当该保护动作以后，在排除机械力矩故障后，执行机构断电或信号瞬间反向一下即可恢复（即记忆解除）正常工作。

（1）行程控制机构：由凸轮组和微动开关组成。该凸轮组通过齿轮减速装殷，与减速器传动轴相连，通过调整分别作用于正、反方向微动开关（即行程限位开关）的凸轮板的位置可限定执行机构的行程（行程开关FCO，FCF）。该电气限位的范围在出厂时已经调好，一般情况下请勿随便调整，以免损坏机构。

（2）位置传感器：采用高精度、长寿命的导电塑料电位器作为位置传感元件，它与凸轮组同轴连接，整体式比例调节型电动执行机构位置指示信号，是将电位器随输出轴行程变化的电阻值送入PM-2控制板的比较放大电路，并由它送出一个4-20mA的DC电流信号用于指示。

5、开关控制箱

在开关控制箱内装有PM电子位置定位器。

6、手轮

在故障状态和调试过程中，可通过转动手轮来实现手动就地操作。

7、机械限位装置

主要用于故障时以及防止手动操作时超过极限位置保护。角行程电动执行机构的机械限位采用内置扇形涡轮限位结构，外形体积小，限位可靠；直行程电动执行机构的机械限位采用内置挡块型限位结构，可十分有效地保护阀座、阀杆、阀芯。

位置定位器实质上是一个将控制信号与位置反馈信号进行比较并放大以控制电动机开停和旋转方向的多功能大功率放大板，它与执行机构的动力部件相连以控制执行机构按系统规定的状态工作。位置定位器主要由比较、逻辑保护、放大驱动及功率放大等电路组成。控制单相电动机的位置定位器功率放大部分主要由光电祸合过零触发固态继电器（无触点电子开关）构成。其主体部分示意如图4所示。需要注意的是“手动一自动”转换开关，该开关的作用是在没有外加信号时，与手动调整电位器P1配合使用，以便观察或调试执行机构。用后一定要将其拨回“自动”位世，以免影响投人系统自动控制。

开关控制自动控制阀自动控制阀最大的好处是可以远距离的操作阀门，这就意味着操作人员可以坐在控制室控制生产过程而不需要亲临现场去人工操作阀门的开和关。人们只需铺设一些管线连接控制室和执行机构，驱动能源通过管线直接激励电动或气动执行机构，通常用的4-20mA信号来反馈阀门的位置。

连续控制如果执行机构被要求用于控制过程系统的液位、流量或压力等参数，这是要求执行机构频繁动作的工作，可以用4-20mA信号作为控制信号，然而这个信号可能会和过程一样频繁的改变。如果需要非常高频率动作的执行机构，只有选择特殊的能频繁启停的调节型执行机构。当一个过程中需要多台执行机构时，可以通过使用数字通讯系统将各个执行机构连接起来，这样可大大降低安装费用。数字通讯回路可以快速高效的传递指令和收集信息。有多种通讯方式如：FOUNDATIONFIELDBUS、PROFIBUS、DEVICENET、HART和专为阀门执行机构设计的PAKSCAN等。数字通讯系统不单单可以降低投资费用，它们还可以收集大量阀门信息，这些信息对于阀门的预测性维护程序非常有价值。

预测维护操作人员可以借助内置的数据存储器来记录阀门每次动作时力矩感应装置测得的数据，这些数据可以用来监测阀门运行的状态，可以提示阀门是否需要维修，也可以用这些数据来诊断阀门。

针对阀门可以诊断如下数据：

1.阀门密封或填料摩擦力

2.阀杆、阀门轴承的摩擦力矩

3.阀座摩擦力

4.阀门运行中的摩擦力

5.阀芯的所受的动态力

6.阀杆螺纹摩擦力

7.阀杆位置

上述大部分数据存在于所有种类的阀门，但着重点不同，例如：对于蝶阀，阀门运行中的摩擦力是可以忽略的，但对于旋塞阀这个力数值却很大。不同的阀门具有不同的力矩运行曲线，例如：对于楔式闸板，开启和关闭力矩都非常大，其它行程时只有填料摩擦力和螺纹摩擦力，关闭时，液体静压力作用在闸板上增加了阀座摩擦力，最终楔紧效应使力矩迅速增大直到关闭到位。所以根据力矩曲线的变化可以预测出将会发生的故障，可以对预测性维护提供有价值的信息。

注意事项以MD系列电动执行机构的整体式比例调节型为例。

在通电前，必须进行外观检查和绝缘检查，动力回路（弧电回路）及信号触点对外壳的绝缘，用500V兆欧表测最不得低于20MΩ:信号输人、输出回路及它们与动力回路之间的绝缘，除特殊要求外，不应低于l0mΩ合格后方可通电。在通电后，应检查变压器、电机及电子电路部分元件等是否过热，转动部件是否有杂音，发现异常现象应立即切断电源，查明原因。未查明原因前，不要轻易焊下元件。更换电子元件时，应防止温度过高，损坏元件。更换场效应管和集成电路时一定要把电烙铁妥兽接地，或脱离电源利用余热进行焊接。拆卸零部件、元器件或焊接导线时，应做好标记，对应记号。应尽公避免被检设备的输出回路开路，避免被检设备在有输人信号时停电。检修后的设备必须进行校验。对干电动机要检查线圈对外壳及线圈之间的绝缘电阻，测皿线圈直流电组，清洗轴承并加优质润滑油，检查转子、定子线圈及制动装；对于减速器要解体清洗各部件，检查行星齿轮部分的情况，检查斜齿轮部分的情况，检查涡轮涡杆或丝杆螺母的啮合情况，最后进行装配、调整并加长效铿基润滑脂。对于位置传感器部分要进行外观检查，检查电位器与行程控制机构的同轴连接情况，检查电位器的基本情况，检查电位器及放大板之间的连接情况。

以在各种突发情况下的生产安全性为例。

在大型管网系统中，阀门分布较广或较远，为保证在各种突发情况下的生产安全性，阀门需要具有现地断电后手动关闭门，并同样能够在现地显示及远程监控阀门开度的功能，这就需要电动执行机构具有自备电池低功耗手动模式，在现地断电情况下进入手动模式，利用自备电池可以不仅仅是现地显示阀门开度，同时能够提供远端阀门开度显示起到远程监控的作用。

低功耗手动模式，涉及到低功耗液晶屏技术、低功耗CPU技术、低功耗数据采集、计算、处理及发送并低功耗电池供电技术，其中关键的是阀门开度传感器需要选用全行程的绝对值多圈编码器。 实际上在手动模式情况下，因变化响应要求不高，MCU（微处理器）可以采取低功耗间隙式工作模式，也就是半休眠模式，这样可以确保所耗功耗极低，自备电池容量能够较长时间的使用。

当选用低功耗半休眠模式的功能，阀门开度传感器就要选用停电状况下不影响位置记忆的传感器，例如电位器或全行程多圈绝对值编码器。电位器的精度与测量行程有限，在电动执行器上的使用有两种方法，一种是全行程用一次电位器行程（通过变速），断电位置不会丢失，但是那样精度很低；另一种是用多次电位器行程，位置精度是提高了，但是每次超出行程就要靠电子记忆实现，当断电后没有了电子记忆位置，如果用电池实现记忆，需耗费较多电池能量。如果用霍尔脉冲计数的方法，计数是实时不间断的，断电后用电池耗电记忆，电池容 量是不够的。选用全行程多圈绝对值编码器，是这种模式最可能实现的阀门开度传感器，当然，由于数据读取时间极短而要保证数据的准确性，要求此编码器的数据可靠性要求就很高了。有一些选用的绝对值编码器是单圈功能的，超出单圈需要用电子计圈记忆，其断电后的因需要计圈记忆的耗电较大，不适合这种半休眠低功耗模式。

全行程多圈绝对值编码器采用RS485主动模式发送数据，每隔8mS主动发送一次，编码器的通电启动时间极短，数据含两种校验方式，可靠性高，由于是全行程多圈绝对值编码器，在总行程中的每一个位置是唯一编码的，与前次读数无关而无需计数、计圈及记忆，所以可以采用间隙式通电、读数的模式，比如每隔1—5秒时间，MCU主板间隙式工作一次（或两次），每次工作时间仅几十毫秒，快速实现启动、数据读取、处理、发送的工作，其余时间处于休眠状态，这就是“半休眠低功耗模式”2。

故障分析以MD系列电动执行机构的整体式比例调节型为例。

1、位置传感器部分

（1）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机能正常转动，但没有阀位反馈。其可能原因是：

1）位置传感器的电位器与行程控制机构不能同轴旋转，需检查连接部分是否损坏；

2）电位器损坏或性能变坏，阻值不随转动而发生变化；

3）位置传感器的电位器及放大板间连接导线是否正常；

4）PM放大板是否损坏，有无反馈信号送出。

（2）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机能正常转动，但阀位反馈始终为一固定值，不随阀门的开、关而变化，其可能原因是：

1）导电塑料电位器的阻值为一恒值，不随转动而变，检修更换电位器；

2）放大板中有关部分异常，检查处理。

2、执行器

执行机构接收控制系统发出的开关信号后，电机不转并有嗡嗡声。其原因可能是：

1）减速器的行星齿轮部分卡涩、损坏或变形；

2）减速器的斜齿轮传动部分变形或过度磨损或损坏；

3）减速器的涡轮涡杆或丝杆螺母传动部分变形损坏、卡涩等；

4）整体机械部分配合不好，不灵活，需调整加油。

3、电气部分故障

1）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机不转，也无嗡嗡声。可能原因是：没有交流电源或电源不能加到执行机构的电机部分或位置定位器部分；PM放大板工作不正常，不能发出对应的控制信号；固态继电器部分损坏，不能将放大板送来的弱信号转变成电机需要的强电信号；电机热保护开关损坏；力矩限制开关损坏；行程限制开关损坏；手动/自动开关位置选错或开关损坏；电机损坏。

2）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机不转，有嗡嗡声。其可能原因是：电机的启动电容损坏；电机线圈匝间轻微短路；电源电压不够。

3）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机抖动，并伴有咯咯声，其原因可能是：PM放大板的输出信号不足不能使固态继电器完全导通，造成电机的加载电压不足；固态继电器性能变坏，造成其输出端未完全导通。

传统设备区别从传统观念来看，气缸与电动执行器一直被认为是属于两个完全不同领域的自动化产品，随着电气化程度的不断提高，电动执行器却慢慢浸入气动领域，二者在应用中既有竞争又相互补充。在本期栏目中，我们将从技术性能、购买和应用成本、能源效率、应用场合及市场形势等几个方面来对比气缸与电动执行器各自的优势

1、技术性能的比较

众所周知，相比电动执行器，气缸可在恶劣条件下可靠地工作，且操作简单，基本可实现免维护。气缸擅长作往复直线运动，尤其适于工业自动化中最多的传送要求——工件的直线搬运。而且，仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流阀就可简单地实现稳定的速度控制，也成为气缸驱动系统最大的特征和优势。所以对于没有多点定位要求的用户，绝大多数从使用便利性角度更倾向于使用气缸工业现场使用电动执行器的应用大部分都是要求高精度多点定位，这是由于用气缸难以实现，退而求其次的结果。
而电动执行器主要用于旋转与摆动工况。其优势在于响应时间快，通过反馈系统对速度、位置及力矩进行精确控制。但当需要完成直线运动时，需要通过齿形带或丝杆等机械装置进行传动转化，因此结构相对较为复杂，而且对工作环境及操作维护人员的专业知识都有较高要求。

2、气缸的优势

（1）对使用者的要求较低。气缸的原理及结构简单，易于安装维护，对于使用者的要求不高。电缸则不同，工程人员必需具备一定的电气知识，否则极有可能因为误操作而使之损坏。
（2）输出力大。气缸的输出力与缸径的平方成正比；而电缸的输出力与三个因素有关，缸径、电机的功率和丝杆的螺距，缸径及功率越大、螺距越小则输出力越大。一个缸径为50mm的气缸，理论上的输出力可达2000N，对于同样缸径的电缸，虽然不同公司的产品各有差异，但是基本上都不超过1000N。显而易见，在输出力方面气缸更具优势。
（3）适应性强。气缸能够在高温和低温环境中正常工作且具有防尘、防水能力，可适应各种恶劣的环境。而电缸由于具有大量电气部件的缘故，对环境的要求较高，适应性较差。
电缸的优势主要体现在以下3个方面：
（1）系统构成非常简单。由于电机通常与缸体集成在一起，再加上控制器与电缆，电缸的整个系统就是由这三部分组成的，简单而紧凑。
（2）停止的位置数多且控制精度高。一般电缸有低端与高端之分，低端产品的停止位置有3、5、16、64个等，根据公司不同而有所变化；高端产品则更是可以达到几百甚至上千个位置。在精度方面，电缸也具有绝对的优势，定位精度可达¡0.05mm，所以常常应用于电子、半导体等精密的行业。
（3）柔韧性强。毫无疑问，电缸的柔韧性远远强于气缸。由于控制器可以与PLC直接进行连接，对电机的转速、定位和正反转都能够实现精确控制，在一定程度上，电缸可以根据需要随意进行运动；由于气体的可压缩性和运动时产生的惯性，即使换向阀与磁性开关之间配合地再好也不能做到气缸的准确定位，柔韧性也就无从谈起了。

技术指标1、输入信号：220V AC开关信号。

2、开度信号：4～20mA DC或0～1.0KΩ。

3、控制限位开关：开侧 闭侧。

4、开度检测：精密导电塑料电位器。

5、电源：220VAC±10% 50Hz。

6、驱动电机：交流可逆单相齿轮减速电机。

7、输出力矩：250Nm（DKJ-3100），600Nm（DKJ-4100）。

8、输出轴每转时间：40-100s（DKJ）。

9、输出轴有效转角：900（DKJ）。

10、输出轴推力：4000 N（DKZ-3100），6400 N（DKZ—4100）。

11、全行程时间：8-50s（DHZ）。

12、死区：≤300μA。

13、阻尼特性：出轴振荡≤三次“半周期”摆动。

14、基本误差：±1.5%。

15、反应时间：≤1s。

16、使用环境温度：-10～50℃3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学