执行机构与气路控制

1、执行机构和气路控制执行机构和气路控制内容概要 一、前言一、前言 二、执行机构二、执行机构 三、气路控制三、气路控制一、前言 执行器，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备（器件），是自动化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备。主要是对一些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。 执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两个部分组成，执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节阀动作，所以他是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。二、执行机构1、概述 执行机构 在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用。人们常把它称为实现生产过程

2、控制的手足，因为它在自动化控制系统中接受调节器的控制信号，自动的改变调节变量，达到对被调参数（如温度、压力、流量、液位等）进行调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。 执行机构的作用就是将调节器来的信号转变为相应的推力和位移，用于带动调节机构完成调节动作。二、执行机构2、分类、分类 根据所用的能源的不同，执行机构可分为气动、液动、电动和自力式等。气动执行机构气动执行机构是压缩空气供风为动力，特点是结构简单、安全防爆，低成本；液动执行机构液动执行机构是以液压为动力，特点是功率大、动作快，但使用成本高，结构复杂；电动执行机构电动执行机构有电源盒控制信号驱动伺服电机来动作，这种仪表易于电动仪表连接

3、，功率大，动作大，但应注意在防爆场合下使用；自力式执行机构自力式执行机构依靠被调介质本身的能量来动作，如有介质的压力带动。 按运动形式可分为直行程、角行程、回转型（多转式）等几类。二、执行机构3 3、执行器的基本结构、执行器的基本结构 执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两个部分组成，执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节阀动作。调节阀是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节阀产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。 为了保证执行器能够正常工作，提高调节质量和可靠性，执行器还必须配备一定的辅助装置。常用的辅助装置有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利

4、用反馈原理改善执行器性能，使执行器能按调节器的控制信号，实现准确定位。手轮机构用于直接操作调节阀，以便在停电、停气、调节器无输出或执行机构损坏而失灵的情况下，生产仍能正常工作。 二、执行机构4 4、气动执行机构、气动执行机构 气动执行机构接受气动控制器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的推杆直线位移，以推动调节阀动作。 气动执行机构主要有两种类型：薄膜式与活塞式。薄膜式执行机构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉，是最常用的一种执行机构；活塞式执行机构允许操作压力可达500kpa，因此输出推力大，而且无弹簧抵消推力，但价格较高。二、执行机构 气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种，有弹

5、簧的气动执行机构较之无弹簧的气动执行机构输出推力小、价格低。 气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增加时，阀门推杆向下动作的叫正作用式执行机构；信号压力增加时，阀门推杆向上动作的叫反作用式执行机构 。 二、执行机构气动薄膜执行机构使用弹性膜片将输入气压转变为推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀的开度。 一个典型的气动薄膜型执行机构主要由弹性薄膜、压缩弹簧和推杆组成。气动活塞式执行机构以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可获得较大的推力，并容易制成长行程执行机构。适用于大口径、高静压、高压差阀和蝶阀。还有一种长行程执行机构，其结构原理与活

6、塞式执行机构基本相同，它具有行程长、输出力矩大的特点，输出转角位移为90o，直线位移为40200mm，适用于输出角位移和力矩的场合。二、执行机构4.14.1、气动薄膜式执行机构、气动薄膜式执行机构 当信号压力P进入气室时，此时压力乘以膜片的有效面积得到推力，使推杆移动，弹簧受压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力平衡为止。信号压力越大，推力越大，推杆的位移计弹簧的压缩量也越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆若从零走到全行程，则阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。二、执行机构 4.2气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构 气动活塞式执行机构，其基本部分为气缸，气缸内活塞随气缸两侧压差

7、而移动。两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力差来完成推动任务的，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。 二、执行机构 5、电动执行机构、电动执行机构 电动执行机构按调节方式分类:一般有开关型、调节型。开关型（两位型）：执行机构接收开关信号控制输出，即使开关复位，输出件继续移动，直到极限位置停止。执行机构除非紧急按停，不能停在中间位置。原理与远控调节型相同，区别是能自动保持开关信号。远控调节型：执

8、行机构接收开关（继电）信号控制输出位移，开关复位，输出件停止运动。是一种开环的可间断调节的控制系统。比例调节型：执行机构接收系统的控制信号自动实现工业过程调节控制，控制行程与输入信号成正比。是一种带负反馈的偏差控制系统。二、执行机构 电动执行机构的按输出位移一般分为直行程、角行程、多转式三种类型 电动执行器按装配的阀门与减速机构不同有多回转型（3600）和部分回转型（900） 按停止种类划分也可分为力矩停与行程停两种，现阶段的智能型电动执行机构在生产过程中根据不同需要两种形式都可以选择。二、执行机构电动型按不同标准又可分为：组合式结构、机电一体化结构，电器控制型、电子控制型、智能控制型（带HA

9、RT、 FF协议），数字型、模拟型，手动接触调试型、红外线遥控调试型等。它是伴随着人们 对控制性能的要求和自动控制技术的发展而 迅猛发展的电动执行机构 。目前，电动执行机构主要有：罗托克（ROTORK）、西博斯（SIPOS SIEMENSPositioner的缩写）、瑞基(RAGA)、奥马（AUMA）、ABB、上仪ROTORK、利米托克（ LIMITORQUE ）等各种电动执行机构。电动执行机构的工作原理都是利用电机的正反转来实现阀门的开关。接收调节器输出的420mA信号，由放大器进行功率放大，驱动电动机正反转产生推杆的直行程或角行程。 二、执行机构 电动执行机构实际上是由伺服放大器以及执行机

10、构共同构成的电动执行机构，执行机构为现场就地安装式结构，在减速器箱体上装有交流伺服电机和位置发送器。减速器上有手动部件、输出轴、机械限位块。 这个系统在结构上是一个自动调节系统，被调参数为行程。系统有信号比较，功率放大，单相低速同步电机，减速传动机构和位置反馈电路组成。在这个系统中还可以加进操作器用于实现手动和自动的切换操作。 二、执行机构 直行程位置发送器与减速器的联接结构如图 1所示，它们之间的联接和调整是通过杠杆和弹簧来实现的。当减速器输出轴上下运动是时，杠杆一端依靠弹簧的拉力紧压在输出轴的端面 上，因而传感器芯棒产生轴向位移，达到改变位置发送器输出电流大小的目的。 传感器芯棒移动距离而

11、对应的位置反馈电流为420mA DC（010mA DC）。输出轴位移的行程和位置发送器输出电流呈线性关系。利用杠杆支点距离的不同来改变行程的变化。机械限位块则按行程不同来进行设置。二、执行机构 直行程电动执行机构是一个用交流伺服电动机为原动机的位置伺服机构，其系统方块图如图2所示。FC：伺服放大器 SD ：单相伺服电机 WF：位置发送器 Z：减速器 DFD：电动操作器 C：调节阀二、执行机构电动执行机构三种控制方式：当电动操作器切换开关放在“自动”位置时，即处在连续调节控制状态。 当电动操作器切换开关放在“手动”位置时，即处在手动远方控制状态，操作时只要将旋 转切换开关分别拔到“开”或“关”的

12、位置，执行机构输出轴就可以上行或下行，在运动过 程中观察电动操作器上的阀位开度表，到所需控制阀位开度时，立即松开切换开关即可。 当电动操作器切换开关放置“手动”位置时，把交流伺服电动机端部旋钮放在“手动”位置，拉出执行机构上的手轮，摇动手轮就可以实现手动操作。当不用就地手动操作时，千万要注意，把交流伺服电机端部的旋钮放在“自动”位置，并把手轮推进。二、执行机构6、执行机构检修时应注意事项、执行机构检修时应注意事项. 1）检修作业人员应认真学习并严格执行安规有关规定以及大中小修期间制订的相关的规章制度。2）检修人员已完成安全、技术交底，明确检修的目的、任务和要消除的缺陷。 工作票手续准备完整，需

13、要解除的联锁保护或安全措施已执行。 3）电动执行机构在检修或更换板件时，特别注意应停电。 4）调节阀在调试前应核实、考虑阀门开关会对系统造成的影响，必要时应隔离。5）板件或零件拆卸时要做好标记，防止丢失和接错板件。 6）执行机构为精密仪器，检修时应注意不要使用蛮力。 7）检修时应做到工完料尽场地清。英国Rotork电动执行器结构图1、电动机 2、行程和力矩传感器 3、减速装置 4、阀门附件5、手动轮 6、执行器控制板 7、电气接线端8、现场总线板带Rotork多回转执行机构的闸阀 带Rotork角行程执行执行机构的蝶阀德国AUMA电动执行机构结构图1、电动机 2、行程和力矩传感器 3、减速器

14、4、阀门附件5、手动轮 6、执行器控制板 7、电气接线8、现场总线板AUMA角行程执行机构带蝶阀示意图 AUMA执行机构带闸阀示意图 露天安装的AUMA电动执行器，中间灰色电缆是电机电源线，两侧的四个蓝色电缆（本安信号）用于传输末位、力矩和远方程令。小知识一、电动执行机构的“电开”和“电关“概念是什么？如何将一个“电关”代改为“电开”阀？答：1）“电开”是指伺放在没有输入控制电流信号时，执行机构处于关闭状态，有信号输入时向开的方向动作。“电关”与“电开”相反。 2）将“电关”改为“电开”可改变伺放电机正、反转线，将正接入反，反接正即可。小知识二、从哪些方面考虑气开气闭阀的选型？a、事故条件下，

15、工艺装置处于安全状态。失电、失气状态下保证工艺过程或设备安全条件下对阀门开、关状态的要求。这是选择气开、气关阀的原则。如：加热炉燃烧控制，调节阀安装在燃料气进口管线上。根据炉膛的温度或背加热物料在加热炉出口的温度来控制其燃料的供应，这时应选择气开阀（FC）更安全些，防止炉膛超温，造成设备烧损炉管。又如：冷却水冷却的换热设备，热物料在换热器内与冷却水进行交换换热，调节阀安装在冷却水管上，用换热后的物料温度来控制冷却水量，当气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式（FO）调节阀。小知识b、事故状态下，减少原料和动力损耗，保证产品质量。c、介质特性。如：如果容器内有易凝固、结晶的介质，

16、则尽量选择气关阀，防止介质在事故状态下在容器内结晶而难以处理。 例如：1、人们提到的蒸汽加热器（比如精镏塔塔釜再沸器），其加热介质为水蒸汽，一般的原则，一旦出现操作不正常，如塔压、塔釜温度过高等极其不利的情况出现，在事故状态或者不正常操作的状态下，这个调节阀应该处于关闭状态，比如仪表气源突然没了，压缩机事故、仪表空气缓冲罐压力失常等，处于关闭状态有利于切断高温水蒸汽继续进入加热器，也就是切断了热源，从而保证设备的安全，“无气源则关”，很显然，这个调节阀应该选气开阀（气来了才能开嘛）。小知识 拓展一下思维，塔顶的冷凝器的冷却水上水调节阀，应该是气开、气关呢？为了保证冷凝器不处于高温下，或者说在调

17、节阀出现失去气源的情况下，为了塔顶压力、温度正常，这个时候是不允许冷却水出现停水状况的，那么这个调节阀在事故状态下就应该是处于开启状态，恰恰和加热器的调节阀相反，道理都一样，就是为了维持这个精镏塔的正常、稳定操作，事故状态下不会有恶劣的影响，为了安全，这个阀“无气源则开”，很显然，这个调节阀应该选气关阀（气来了才能关嘛）。特殊的情况，加热器的蒸汽调节阀也有可能选气关，比如塔釜的物料在低温下极易结晶，一旦停止了蒸汽的加入，物料就会随着温度的下降结晶，事故状态下为了不让其堵塞管道和设备，给人们争取到处理事故的时间，此时要维持蒸汽的通入，保证设备管道不至于堵塞，此时就要选气关阀。这是特例，也是根据具

18、体的工艺操作情况而定的。 小知识2、再看看漩涡泵出口的旁路流量调节阀，一般而言，旁路调节流量是一种较为普遍的方式，尽管损失了一些电能，但对于漩涡泵这种小流量、高扬程的泵，这种调节方式还是较为普遍的。这个阀的气开、气关如何选择？对泵的选型很熟悉的朋友都知道，漩涡泵是不允许出现出口阀完全关闭的情况的，一旦在运行过程中出现泵出口阀关死的状况，这台漩涡泵很快就会损坏，一般泵的出口有止回阀、截止阀，外加这个旁路调节阀调节流量，一旦出现泵出口截止阀阀芯卡死的意外情况，此时为保证泵的出口不至于完全被关死，那么这个旁路调节阀必须处于开启的状态，再比如，一旦失去气源，这个调节阀处于关闭状态，那么和正常操作时比，

19、泵出口的截止阀的开度未变，势必造成漩涡泵出口压力猛增，对泵也是极其不利的，那么为了漩涡泵的安全，这个阀“无气源则开”，很显然，这个调节阀应该选气关阀。小知识 总结：一般情况下再调节阀气源中断时，应切断进入装置和设备的原料、热源，停止向装置外输出产品的情况下，采用气开调节阀。对于塔和容器的液位抽出调节阀应选用气开调节阀。塔和容器压力的调节阀如装在驰放端，则应选用气关调节阀，塔的回流阀应选用气关阀。以上是一般性原则，以使所有的调节阀在装置气源中断时动作即保证安全又协调。当然也有特殊情况，如考虑气源中断时使阀门 保位。如：高压作业中，不希望使高压介质突然的切断或全部放空，在这种情况下调节阀应保持原位

20、小知识 总之气开、气关的选择，应该具体情况具体分析，把握矛盾的主要方面，比如前头说的那个塔釜物料结晶的情况，此时结晶就是矛盾的主要因素了，这个选型应该不是自控专业设计人员说了算的，有经验的自控设计人员会主动询问工艺人员操作状况和过程，也就是你是怎么操作的，事故情况下有何禁忌，有何注意事项等，而有经验的工艺人员（技术员或该级别以上）在给自控专业提交条件的时候，应该不会忘记在条件表中注明气开、气关的形式。小知识 3、气开式调节阀：输入风压增大，阀门开大；气关式调节阀：输入风压增大时，阀门关（阀门开小）；正作用调节阀：气压信号从膜片上部进入，阀门下移；反作用调节阀：气压信号从膜片下部进入，阀杆上移；

21、大口径的调节阀多采用正作用，通过改变阀芯的安装方向来确定是气开或气关；小口径的调节阀大多是反作用，通过改变输入信号的方向来确定气开或气关形式。 4、气开式调节阀：输入风压增大，阀门开大；气关式调节阀：输入风压增大时，阀门关（阀门开小）；正作用调节阀：气压信号从膜片上部进入，阀门下移；反作用调节阀：气压信号从膜片下部进入，阀杆上移；大口径的调节阀多采用正作用，通过改变阀芯的安装方向来确定是气开或气关；小口径的调节阀大多是反作用，通过改变输入信号的方向来确定气开或气关形式。 小知识小知识 5、阀门定位器用于下述场合时应如何加以调整?1)配反作用执行机构；2）要求反作用输出，即输入信号增大时，输出压

22、力减小，也叫反作用定位器；3）配0.4-2.0*100KPa、0.6-1.8*100KPa弹簧范围的调节阀；4）用于分程控制。答：1）使用凸轮的反面，即将凸轮翻转180安装；2）对于电-气阀门定位器，可把接线端子对调，即把原来的“-”端接电流的“+”端，原来的“+”接电流的“-”端。对于气动阀门定位器，将信号气路组件的波纹管从右边拆下后反装到左边；3）将1.4*100KPa的气源换成2.5*100KPa的气源，通过调零及调量程实现；4）两台定位器并联接受调节器信号，采用分程控制凸轮，通过调零及调量程，使第一台和第二台定位器分别在4-12mA（或0.2-0.6*100KPa)和12-20mA（或

23、0.6-1.0*100KPa）信号范围内驱动阀杆走完全行程。三、气路控制1 1、概述、概述 完成各种不同的控制功能，机械设备的气压传动系统有不同的组织形式。但不论气压传动系统如何复杂，它们都是由一些气压基本回路所组成。熟悉和掌握这些基本回路的结构组成、工作原理和功能，是分析、使用和维护气压传动系统的基础。三、气路控制2 2、气动系统、气动系统 气动系统是以压缩空气作为工作介质进行能量的传递和控制的一种传动形式。 压缩空气经过一系列控制元件后，将能量传递至执行元件，输出力（直线气缸）或者力矩（摆缸或气马达）。 气缸用于实现直线往复运动，输出力和直线位移；气马达用于实现连续回转运动，输出力矩和角位

24、移。三、气路控制3 3、气动系统特点、气动系统特点 与液压、电气相比，气动技术是实现低成本自动化的最佳手段，具有更广泛的工作适应性。结构简单、紧凑、易于制造，价格便宜，可靠性高，使用寿命长。易于实现快速的直线往返运动、摆动和高速移动输出力、运动速度调节方便，改变运动防线简单工作安全可靠，容易实现防潮、防爆和防火。安装和控制有较高的自由度，具有过载保护能力。由于空气的可压缩性，可以实现能量储存，可进行远距离传输。三、气路控制 与液压、电气相比，气动技术也具有一定的缺点。 噪音大、润滑性差、难以实现精确定位。 由于空气的压缩性，气缸的动作速度容易受到负载变化的影响，很难达到匀速状态 低速原董事，摩

25、擦力站推力的比例较大，易出现爬行，因此低速稳定性不好 气缸输出力相对较小。三、气路控制4 4、气动系统的组成、气动系统的组成 气源装置：为系统提供合乎质量要求的压缩空气。 执行元件：将气体压力能转换成机械能并完成做工动作的元件。 控制元件：控制气体压力、流量及运动方向的元件，如各种阀类；能完成一定逻辑功能的元件，即气动逻辑元件；感测、转换、处理气动信号的元器件，如气动传感器及信号处理装置。 气动辅件：气动系统中的辅助元件，如消音器、接头等。三、气路控制4.14.1气源装置气源装置气源装置有以下4部分组成（1）气压发生装置：空气压缩机，将机械能转变为气体压力能的装置。 空气压缩机的选用原则依据是

26、气动系统所需要的工作压力和流量两个参数。（2）净化、贮存压缩空气的装置：混入压缩空气中的油分、水分、灰尘等杂志会产生不良影响，必须设置除油、除水、除尘，并使压缩空气干燥，提高压缩空气质量，进行气源净化的辅助设备一般包括：冷却器、油水分离器、储气罐、和干燥器。（3）管道系统三、气路控制（4）气动三大件： 分水过滤器：除去空气中的灰尘、杂志，并将空气中的水分分离出来。 油雾器：特殊的注油装置，当压缩空气流果实，将润滑油喷射成雾状，随压缩空气流入需要润滑部件，达到润滑目的。 减压阀：起减压和稳压作用。三、气路控制4.24.2执行元件执行元件常用的执行元件为气缸和气马达。气缸用于实现直线往复运动，输出

27、力和直线位移；气马达用于实现连续回转运动，输出力矩和角位移。气缸分类：活塞式和膜片式；活塞式又分单活塞式和双活塞式 ；单活塞式又可分为有活塞杆和无活塞杆。三、气路控制4.34.3控制元件控制元件控制元件按其作用和功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制。（1）压力控制阀压力控制阀的功能：控制系统中压缩空气的压力,以满足系统对不同压力的需要压力控制阀的工作原理：均是利用空气压力和弹簧力相平衡的原理来工作的压力控制阀的分类: 减压阀、定值器：降压稳压作用 安全阀、限压切断阀：限压安全保护作用 顺序阀、平衡阀：根据气路压力不同进行某种控制三、气路控制 减压阀 减压阀的作用是降低由空气压缩机来的压力，

28、以始于2每台气动设备的需要，并使这一部分压力保持稳定。按调节压力方式不同，减压阀有直动型和先导型两种。三、气路控制 安全阀功能:当储气罐或气动回路中的压力超过一定值时，安全阀能立即打开放气，以阻止压力继续升高产生危险，系统中起过压保护过压保护作用关闭状态开启状态安全阀的工作原理 图17-18三、气路控制 顺序阀：依靠回路中压力的高低变化实现执行元件的顺序动作三、气路控制（2）流量控制阀 流量控制阀主要是节流阀，分为单向节流阀和排气节流阀 节流阀：通过改变阀的通流面积来调节流量三、气路控制 单向节流阀是由单向阀和节流阀并联组合而成的组合是控制阀。三、气路控制 排气节流阀：不仅具有节流调速节流调速

29、的作用，而且还能起到降降低排放气流噪声低排放气流噪声的作用。 排气节流阀只能安装在排气口，调节排出气体的流量以控制执行元件的速度。 A排 气 节 流 阀图 17-25三、气路控制（3 3）方向控制阀：分为单向型和换向型。）方向控制阀：分为单向型和换向型。（3.13.1）单向型控制阀：气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀。单向阀多与节流阀组合起来控制执行元件的运动速度 。 单向控制阀：包括单向阀、或门型梭阀、与门型梭阀和快排阀 三、气路控制单向阀：气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀 单向阀多与节流阀组合起来控制执行元件的运动速度 AAa)关 闭 状 态b开 启 状 态图 17-

30、1单 向 阀 工 作 原 理 图PP图17-1单向阀工作原理图单 向 阀图 17-2AAPP图17-2 单向阀三、气路控制 梭阀（或门）相当于两个单向阀的组合。 若P1、P2都进气，则高压侧进气口A。 若P1=P2，则先加入压力一侧A，另一侧通路关闭。或 门图 1 7 - 3三、气路控制与门型梭阀：相当于两个单向阀的组合 ，适用于互锁回路。若P1、P2都进气，A口有输出。若P1、P2无输入，口无输出。若P1P2，则低压侧A，高压侧关闭。三、气路控制快排阀：加快气缸排气腔排气，以提高气缸运动速度。快速排气阀通常装在换向阀与气缸之间，使气缸的排气不需要通过换向阀而快速完成，从而加快了气缸往复运动的速度。 接气源 接执行元件（阀门） 通大气三、气路控制(3.2)(3.2)换向型控制阀：通过改变气体通路使气流方向发生改变。 换向型控制阀按驱动方式可分为气压控制阀、电磁