浅谈气动执行器发展现状

浅谈气动执行器发展现状 【摘要】气动执行器是一种以压缩空气为动力能源的自动执行器。 它接受调节仪表发送的信号，直接改变调节介质的流量，使生产过程按预 定的要求正常进行，实现生产过程的自动化。 【关键词】气动；执行器；自动化 0.前言 气动执行器是一种以压缩空气为动力能源的自动执行器。它接受调节 仪表发送的信号，直接改变调节介质的流量，使生产过程按预定的要求正 常进行，实现生产过程的自动化。气动执行机构（大多为调节阀）在工业 自动化生产中占有极其重要的地位，定位器、转换器是调节阀上的主要附 件，其性能的优劣直接决定了调节阀的控制精度。 1. 气动执行器在系统中的工作原理 气动执行器包括现场执行器和就地控制柜两部分。DCS系统给出的4〜 20mA指令信号通过就地控制柜内的电/气转换器把对应的线性0.02- 0. IMPa的气信号送给现场的气动执行机构，对执行机构进行连续的调节控 制，同时现场的位置变送器把4〜20mA反馈信号通过就地控制柜内的端子 排输出给DCS系统，实现闭环调节。在需要时也可以同时输出一对全开/ 全关到位的接点信号。控制柜内的三断保护装置能够在系统断气源断电源 和断信号时控制现场的执行机构保持原位或到达全开/全关位置，保障整 个系统的安全，同时可以提供报警信号输出给DCS。 2. 技术现状 2. 1采用机械式定位器、转换器气动执行器 传统电/气阀门定位器工作原理如图1所示，当线圈里输入电流时， 铁心被磁化，在永久磁场作用下，铁心以0为轴转动，杠杆1上的平衡弹 簧用来调整挡板与喷嘴的初始距离，保证线圈内无电流时，挡板与喷嘴间 隔处于最佳距离，当输入电流使杠杆2反时针转动微小的角度，挡板靠近 喷嘴，被压室气压升高，推动阀杆下移，带动偏心凸轮反时针旋转，把滚 子向左推，经过杠杆2上的弹簧把杠杆2向左拉，挡板远离喷嘴，则被压 室压力降低，这就是负反馈作用，保证调节阀开度与输入信号成比例关系, 也就是定位作用。70-80年代初，此种定位器在我国使用范围约占85〜 90,机械力平衡结构缺点是耐环境性差，易受温度、外界振动影响， 易磨损，手动调整费时且需要中断控制回路。但由于其价格低廉，在传统 企业里仍在使用。 1平衡弹簧；2磁铁；3杠杆1； 4恒节留口； 5气动放大器；6喷嘴; 7挡板；8杠杆2； 9偏心凸轮；10滚轮；11调节阀；12平板 图1机械式电/气阀门定位器原理 2. 2采用电子式定位器、转换器气动执行器 电子式电/气阀门定位器在80年代初开始走向市场，近几年技术手段 不断更新。图2是日本SMC公司生产的IP5000电子式电/气阀门定位器与 双作用执行机构连接的工作原理图，其动作也是基于力平衡的原理。线性 电位器把阀杆位置转换成电信号和初始设定值比较，经过PI控制器调整 和信号放大输出至压电微型阀，控制输出气压，经气动放大器输出性 0. 020. IMPa的气信号，作用在控制滑阀的膜片上，滑阀膜片气压增大, 拉长反馈弹簧，引起滑阀位移，气缸无杆腔气压增加活塞伸出，反馈弹簧 拉长。只要滑阀受力平衡时，输入信号与反馈信号平衡，气动放大器输出 稳定的压力信号，保证调节阀精确定位。由此可见，控制原理完全不同于 过去的机械力平衡原理，给定值与实际反馈值的比较完全是电信号，减少 了中间传递环节，消除了力传递和转换过程中一些问题，提高了抗千扰能 力。其中电/气转换元件采用压电微型阀，压电阀具有动作速度快、质量 小、寿命长等突出优点，在实现气路平衡的同时，完成电信号到气信号的 精确转换。 图2电子式电/气阀门定位器原理 图3是美国FISHER-ROSEMOUNT公司生产的电子式电/气转换器控制原 理图，控制原理同上述相似，其中电/气转换装置如图6所示，线圈通入 直流电流，中间铁心被磁化，吸引质量很轻的带硬心的平模片产生位移， 从而改变被压室压力。平膜片质量轻、惯性小。这种全封闭软磁包容结构, 使电/气转换装置变换精度高、效率高、能耗小、响应快。 2. 3智能式 最早是美国尤他州的VALTEK公司提出智能管理器IVM Intelligent ValveManager的全新概念，现在定位器自诊断和通信等功能不断加强， 智能阀门定位器已经成为各国仪器仪表公司研究、开发的热点。 图3是德国SIEMENS公司生产的智能阀门定位器原理图，智能定位器 以微处理器为核心，采用数字定位，加强并扩展了定位器的功能。微处理 器对设定值与实际阀位的反馈值进行比较，如果检测到偏差很大，就输出 一个连续信号，快速响应；如果偏差较小，则输出数字脉冲信号，以精确 定位。压电转换元件采用两个压电微型阀，压电阀只有通和断两种状态， 需要加大阀门开度，打开进气阀，否则打开出气阀，状态稳定时，两阀均 处于切断状态，将执行器锁定在设定位置，这和传统定位器相比较，气源 损耗几乎可以忽略不计。 图3智能阀门定位器原理图 由图3还可以看出，微处理器的使用扩展了定位器许多功能。报警模 块输出高低报警值；LCD显示及按钮使操作更容易、方便、直观；HART HighwayAddressableRemoteTransduce模块的使用，可以借助于手持 通讯器，个人电脑或系统控制台方便地获取现场信息；阀位反馈模块输出 执行器位置信号4〜20mA。定位器在初始化时，可以根据输入参数，自 动确定执行器的零点、最大行程、作用方向和定向速度，大大节省了投运 时间。工作时，可以根据阀门或执行器的机械性能变化，自动修改控制参 数、补偿阀门老化、磨损等机械问题。 智能电气阀门定位器对输出气源压力调节的新颖之处 1 输出压力调节采用PID脉宽调制PWM技术，迅速准确。由于 CPU对压电阀的控制采用一个五步开关程序来控制，可以精确、快速地控 制输出气源压力增减。其控制算法一般采用数字PID调节方式，CPU根据 输入信号与阀位产生偏差的大小和方向进行PID计算，输出一个PWM脉宽 调制脉冲信号来控制压电阀开、闭动作。由于脉冲的宽度对应于定位器输 出气源压力的增量，从而可以迅速、准确的改变气源压力输出P1。当偏差 较大时，定位器输出一个连续信号，快速连续、大幅度的改变P1的大小, 当偏差较小时，定位器输出一个较小脉宽的脉冲信号，断续、小幅改变P1 的大小，当偏差很小（进入死区）时，则无脉冲输出，阀位稳定工作。 （2）新型压电阀器件的采用，保证了控制的高精度。压电阀的主导元件 是一个压电柔韧开关阀，也称作硅微控制阀，由于其质量小，开关惯性非 常小，可以执行很高的开关频率，因而作为一个高频率的脉冲阀，对输出 气路压力P1进行控制，驱动执行机构，可以达到很高的阀门定位精度。 （3）阀位反馈元件定位精度高，寿命长。阀位反馈元件是一个结构 简单、高精度、高可靠性的导电塑料电位器，将执行机构的直线或转角位 移转换为电阻信号，因而可以精确的检测阀位并且可以方便的对阀门进行 零位，满度及阀门流量特性曲线的定位。 现在，智能定位器的开发引起各大仪表公司的关注，而智能定位器的 核心技术都大同小异。如美国FISHER-ROSEMOUNT公司生产的DVC5000智 能阀门定位器的电/气转换装置，当有电流通过线