执行机构知识

1、张华2013年8月目录一、电动执行机构应用和分类电动执行机构应用和分类二、气动执行机构二、气动执行机构三、电动执行机构三、电动执行机构四、执行机构调试四、执行机构调试五、执行机构的性能指标和选型五、执行机构的性能指标和选型一一.电动执行机构应用和分类电动执行机构应用和分类执行器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。执行器的功能：-控制阀门的开关，保证阀门正常工作所需的行程-提供阀门关闭时所需的关闭力

2、-具备一定的开关速度，保证使用要求-与相关附件联合使用，满足意外故障时阀门的理想位置（故障时阀门打开，或关闭，或即时原位锁定）执行机构分类执行机构按照动作方式一般有开关型与调节型两种；开关型在电厂执行机构多用于关断阀、隔离阀、排污阀、疏水阀、快关阀等；气动执行机构，开关型控制主要靠电磁阀，调节型控制主要靠阀门定位器；开关型电动执行机构（电动装置）定位可以采用行程定位或力矩定位，在隔离阀、排污阀、疏水阀采用力矩定位更能保证阀门关闭严密;以下主要介绍调节性执行机构。执行机构的分类执行机构的分类驱动方式分：电动:电机驱动，方便控制，体积小，效率高，品种多，经济，使用寿命一般510年。气动：气源驱动，

3、使用简单，防爆性能好，成熟可靠，运行速度快，需要气源及管路，效率低，维护量大。电液式：电动泵或电磁阀控制液压缸，可靠性最高，定位精度好，使用寿命长达4050年，运行速度快，体积庞大，价格昂贵（如循环水液控蝶）。从应用来分类从应用来分类直行程（Linear Actuator）:直行程调节阀（口径一般为15150mm）的控制。输出推力：0.525KN，行程（10100mm）,行程速度（0.22.5mm/s）。从应用来分类从应用来分类角行程（Quarter-turn Actuator）:90度转角阀门（如蝶阀、球阀）和风门挡板的控制。输出力矩：5020000Nm（常用力矩：100Nm，250Nm，7

4、00Nm，1600Nm，2500Nm，4000Nm，6500Nm）行程:90、120,行程速度（5150S）。从应用来分类从应用来分类多转式（Multi-turn Actuator）:多回转阀门（如闸阀）的控制，也是直行程、角行程执行器的基础。输出力矩：302000Nm，行程（0.2550S.）,行程速度（1120r/min）。二、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。 按照结构可分：气动薄膜执行机构气缸式执行机构气动执行机构分类l对于不同的进气方向又分为：l气开式（进气打开阀门，失气弹簧复位关闭阀门）l气关式（进

5、气关闭阀门，失气弹簧复位打开阀门）气动执行机构的主要组成部件和功能 减压阀：降低控制气源压力，以适宜执行机构的工作压力；过滤器：滤去压缩空气中的水和其他杂质，保证进入电/气转换器、定位器以及执行机构的压缩空气的清洁。许多产品是减压阀和过滤器一体化设计；电/气转换器：将控制系统来的4-20mA电流信号转换成3-15psi（0.2-1kg/cm）的气压控制信号；定位器：是阀位控制的核心部件，对调节阀的阀位进行精确控制；气动执行机构的主要组成部件和功能位置变送器：通过连杆与阀杆的位移同步产生转角移动，转换成420mA电信号，线性地反映阀门的开度；行程开关：通常安装在阀门的全开和全关位置，用以发出阀门

6、全开和全关的信号送到控制系统 为了实现某些特殊的控制功能，一些执行机构上还配备了其他的控制部件，如实现联锁功能的电磁阀，实现保位功能的锁气器，加快动作速度的气放大器，失气时维持短时操作的储能罐等等。阀门定位器阀门定位器是气动执行机构控制的核心部件，有气动阀门定位和智能阀门定位器；气动阀门定位器都是利用力平衡原理进行调节的，缺点是调节困难，线性差，灵敏度差，故障率高，不具有“三断保护”功能；厂家如上海高特，宁夏吴忠等智能型阀门定位器的工作原理与传统定位器完全不同。采用微处理器对给定值和位置反馈进行比较。如果微处理器检测到偏差，它就用一个五步开关程序来控制压电阀，压电阀进而调节进入执行机构气室的空

7、气流量，将控制指令转换为气动位移增量。优点：调节方便，灵敏度高，线性好，具有“三断保护”功能。一般是国外品牌，厂家有：FISHER、ABB、siemens等。力平衡式定位器工作原理力平衡式定位器工作原理l 上图气动阀门定位器是按力平衡原理设计和工作的。如图下图所示当通入波纹管的信号压力增加时，使杠杆2绕支点转动，档板靠近喷嘴，喷嘴背压经放大器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向下移动，并带动反馈杆（摆杆）绕支点转动，连接在同一轴上的反馈凸轮（偏心凸轮）也跟着作逆时针方向转动，通过滚轮使杠杆1绕支点转动，并将反馈弹簧拉伸、弹簧对杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管上的力达到新的平衡状态。l 当通

8、入波纹管的信号压力减少时，使杠杆2绕支点转动，档板离开喷嘴，喷嘴背压经放大器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向上移动，并带动反馈杆（摆杆）绕支点转动，连接在同一轴上的反馈凸轮（偏心凸轮）也跟着作顺时针方向转动，通过滚轮使杠杆1绕支点转动，并将反馈弹簧压缩、弹簧对杠杆2的压力与信号压力作用在波纹管上的力达到新的平衡状态。力平衡式定位器调节原理方框图 气动执行机构常见故障及产生的原因 （一）调节阀不动作。故障现象及原因如下：1无信号、无气源 气源未开，由于气源含水在冬季结冰，导致风管堵塞或过滤器、减压阀堵塞失灵，空压机故障；气源总管泄漏。2有气源，无信号 调节器故障，信号管泄漏；定位器波纹管漏

9、气；3定位器无气源 过滤器堵塞；减压阀故障；管道泄漏或堵塞。4定位器有气源，无输出 定位器的节流孔堵塞。5定位器输出正常调节阀不动作 阀芯脱落，阀芯与阀座卡死；阀杆弯曲或折断；阀座阀芯冻结或焦块污物；执行机构弹簧因长期不用而锈死。（二）调节阀的动作不稳定。故障现象和原因如下：1气源压力不稳定 压缩机容量太小；减压阀故障。2信号压力不稳定 控制系统的时间常数（TRC）不适当；调节器输出不稳定。 3气源压力稳定，信号压力也稳定，但调节阀的动作仍不稳定 定位器中放大器磨损或脏，耗气量特别增大时会产生输出震荡；定位器中放大器的喷咀挡板不平行，挡板盖不住喷咀；输出管、线漏气；膜盒漏气；阀杆摩擦阻力大。（

10、三）调节阀振荡，故障现象和原因如下 ： 1调节阀在任何开度下都振荡 支撑不稳；附近有振动源；阀芯与衬套磨损严重； 膜盒漏气； 定位器漏气；定位器输出与膜盒间管路漏气；盘根压得太紧；盘根压偏；阀杆摩擦力太大。2调节阀在接近全闭位置时振荡 调节阀选大了，常在小开度下使用；单座阀介质流向与关闭方向相反。（四）调节阀的动作迟钝。迟钝的现象及原因如下：1阀杆仅在单方向动作时迟钝 气动薄膜执行机构中膜片破损泄漏； 执行机构中“O”型密封泄漏。2阀杆在往复动作时均有迟钝现象 阀体内有粘物堵塞； 聚四氟乙烯填料变质硬化或石墨一石棉填料润滑油干燥； 填料压得太紧，摩擦阻力增大； 由于阀杆不直导致摩擦阻力大； 没

11、有定位器的气动调节阀也会导致动作迟（五）调节阀的泄漏量增大。泄漏的原因下： 1阀全关时泄漏量大 阀芯被磨损，内漏严重， 阀未调好关不严。 2阀达不到全闭位置 介质压差太大，执行机构刚性小，阀关不严； 阀内有异物； 衬套烧结。 三、电动执行机构电动执行机构是电动单元组合式仪表中的执行单元。它是以单相交流电源为动力，接受统一的标准直流信号，输出相应的转角位移，操纵风门、挡板等调节机构，可配用各种电动操作器完成调节系统“手动自动”的无扰动切换，及对被调对象的远方手动操作，电动执行机构还设有电气限位和机械限位双重保护来完成自动调节的任务。它在电力、冶金、石油化工及锅炉系统的上水及风门挡板的调节等部门得

12、到广泛应用。电动执行机构结构电动执行器的结构电动执行器一般由伺服电机控制器减速机辅助部件四部分组成。电动执行机构结构电机 电机是接受伺服放大器或电动操作器输出的开关电源，把电能转化为机械能，从而驱动执行机构动作。减速器 减速器上有手动部件、输出轴、机械限位块。减速器是将电机的高转速、小转矩转换为低转速、大转矩的输出功率，以带动阀门机构动作。机座上有两块刹车片，可使输出轴的转角限制在90范围内以保证不损坏调节机构及有关连杆。电动执行机构结构控制部分接受和输出420mA模拟信号和数字信号实现对于执行器的自动控制，包括伺服放大器和位置发送器，新近发展的智能化技术还可以实现对执行器的功能设定、故障自诊

13、断、状态报警和纪录、显示和通讯功能。位置发送器 位置发送器由电源变压器、差动变压器、印刷电路板等部件组成。当减速器输出轴移动时，凸轮随之旋转，是压在凸轮斜面上的差动变压器的铁芯连杆产生轴向位移，改变铁芯在差动变压器线圈中的位置，使差动变压器输出对应位置的电压转换成标准的直流电流信号（420mA）。减速器输出轴的转角位移与位置发送器的输出电流呈线性关系。电动执行机构结构伺服放大器 伺服放大器的调节原理类似于一个纯积分作用的调节器，只要指令信号与阀位反馈信号的偏差超过调节不灵敏区的范围，伺服放大器就会一直发出开指令或者关指令。 它接受调节仪表的标准信号（4-20mA）和执行机构的反馈信号，进行比较

14、放大后输出220V交流电驱动伺服电动机正转、反转，连续调节阀位开度。实现各种工艺过程参数自动调节。电动执行机构结构伺服放大器原理框图电动执行机构结构辅助部分手轮部件：断电和调试时操作执行器。阀位显示部件：现场显示执行器阀位情况。电气及机械限位装置：双重保护，智能型产品有采用电流传感器技术来实现限位和力矩保护功能。力矩保护开关：过力矩时对执行器的减速机构进行保护。加热电阻：保持电气盒空间一定的温度，在低温时不会接露，使电气部件受潮。附加限位开关和力矩开关：提供一些附加的信号点。电动执行机构厂家目前，电动执行机构主要有：罗托克（ROTORK）、西博斯（SIPOS-SIEMENS Positione

15、r的缩写）、奥马（AUMA）、伯纳德、瑞基(RAGA)、ABB、上仪ROTORK、上海玉叶、常州电站、扬州修造等电动执行机构工作原理电动执行机构工作原理来自调节器的电流信号Ii（4-20mA）作为伺服放大器的输入，与阀的位置反馈信号If进行比较，当输入信号和反馈信号比较差值不等于零时，其差值经伺服放大器放大后，控制两相伺服电机按相应的方向转动，再经减速器减速后使输出轴产生位移；同时，输出轴位移又经位置发送器转换成阀的反馈信号If；当反馈信号与输入信号相等时，伺服放大器无输出，电机不转动，执行机构就稳定在与输入信号相应的位置上。电动执行机构的输出轴位移和输入信号成线性关系。电动执行机构控制方式电

16、动执行机构有远方遥控调节、就地电动控制和就地手动操作三种控制方式。1、就地手动方式 电动执行机构需就地手动操作时，当电动操作器切换开关放置“手动”位置，把电机端部旋钮拨到“手动”位置，拉出执行机构上的手轮或拨动手自动切换把手，摇动手轮就可以实现手动操作。当不用就地操作时，千万要注意，把电机端部的旋钮拨到“自动”位置，并把手轮推进。电动执行机构控制方式2、就地电动方式 当执行机构切换开关放在“就地”位置时，操作时只要将旋转切换开关分别拔到“开”或“关”的位置（或按“开”或“关”按钮），带动电机正转或反转，执行机构输出轴就可以实现上行或下行动作，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

17、阀位开度时，立即松开切换开关即可。3、远方遥控方式 当电动操作器切换开关放在“自动”或“远控”位置时，即处在自动调节状态，接受DCS或控制器4-20mA DC指令信号，自动调节执行机构阀位到预定位置。 故障及排除方法故障及排除方法电动执电动执行机构的故障及排除方法见下表1：故障现象原因分析检查方法排除方法执行机构不动作 相线与中线接反用试电笔检查中线与相线对调重新接好保险丝断开目测更换保险管线路断开或各接点接触不良目测和用万用表测量检查各焊点是否脱焊或各接线点、插座等接触是否良好对脱焊重新焊好，对接触不良要重新接好或更换不良零件电机绕组断路或短路用导线短接固态继电器的交流输出两接点，电机转动。

18、更换电机分相电容器断路损坏更换电容故障及排除方法故障及排除方法续表1故障现象原因分析检查方法排除方法执行机构不动作固态继电器断路损坏用导线短接固态继电器的交流输出两接点，电机转动更换固态继电器放大器前级故障依次检查前级输出直流电源及元器件，对损坏无件更换接通电源后输出轴就朝一个方向转动放大器前级不调零用万用表量出在无信号时放大器前级的输出断开输入信号和反馈信号重新调零两条反馈线接反用万用表检查反馈电流的方向更改接线两条放大器输出线接反用调接两条线方法更改接线固态继电器击穿用断开固态继电器交流输出接点方法，或用万用表测量更换固态继电器故障及排除方法故障及排除方法续表1故障现象原因分析检查方法排除

19、方法执行机构只能向一个方向转动一路输出断路，固态继电器损坏或输出电路断线用导线短接续固态继电器两交流输出接点对损坏固态继电器进行更换对接线断线重新接好控制电路一路失效用万用表检查三极管更换损坏的三极管电机一路断线用万用表测量重新接好断线执行机构一个方向正常，一个方向输出无力一个固态继电器软击穿用断开固态继电器交流输出两端子方法断开后电机转动正常更换被断开的固态继电器电机中线接错目测更换接线执行机构两个方向输出无力电机分相电容容量降低或软击穿更换电容电机制动器故障打开电机后罩检查调整或更换制动器零件故障及排除方法故障及排除方法续表1故障现象原因分析检查方法排除方法执 行 器动 作 正常 ， 但无

20、 阀 位反馈测量阀位反馈回路仅有4-6mA左右用 万用 表检查重新设定，不起作用，更换阀位反馈板，如果问题依然没有解决就要考虑更换主板检查计数器圆形磁钢坏或者计数器板坏更换计数器阀 门 关不到位电动阀门阀杆卡塞，电动头的输出力矩不够大增大电动头的输出力矩执 行 器阀 杆 无输出检查手动是否可以操作，如果手自动离合器卡死在手动位置，电机只会空转调整手自动离合器检查电机是否转动，如果电机可以转动，并且已在自动位置，说明指令信号已经到达阀门，可能阀杆断裂更换阀杆故障及排除方法故障及排除方法续表1故障现象原因分析检查方法排除方法执行器阀杆无输出手动电动均不能操作，可能阀门卡死或轴套卡死、滑丝、松脱调整

21、阀门或轴套执行器远方/就地均不动作电机电源接线不正确 重新接线检查手自动离合器是否卡死、松动调整手自动离合器执行器的显示面板有报警显示按面板提示进行处理执行器送电就发生跳闸继电器控制板损坏更换继电器电机线圈烧毁更换电机手动正常，电机不能切换手自动离合器卡簧在手动方向卡死拆卸手轮，释放卡簧，重新装配好故障及排除方法故障及排除方法续表1故障现象原因分析检查方法排除方法电 动 执 行 器振荡电动执行器伺服放大器的不灵敏区（死区）太小增大执行机构不灵敏区（死区）。死区太大执行机构不灵敏，太小产生振荡，电动执行器的制动器间隙调整不当，或磨损严重，使伺服电机惰走太大，应定期进行检查和调整调节器参数整定不当

22、一般是因比例带设置太小，系统增益较大，这对有中间被调参数（或称导前参数）的系统更为明显。出现这种情况时，应重新整定调节器参数。四、执行机构调试执行机构种类繁多，调试方法不尽相同，非智能执行机构调试步骤较多，智能型执行机构调试简单，现在执行机构厂家推出非侵入式执行机构，利用红外遥控器或按键就能完整调试，不需要打开执行机构外壳，气动执行机智能定位器也能用HART手操器进行调试。下面我们仅以角行程电动执行机构为例，介绍一下电动执行机构的调校。调试前的准备工作： 工具：十字螺丝刀、一字螺丝刀、剥线钳、斜口钳、记号笔等相关工具设备：数字万用表、直流信号发生器（4-20mA）、对讲机备品：接线插头、小段电

23、缆资料：相应规格电动执行机构使用说明书执行机构调试调试步骤：1、检查执行机构外观完整，型号匹配。2、完成执行机构接线，检查接线是否正确。 执行机构接线：1）电源线，220V或380V，气动阀门定位器一般不需要专用电源线，2）模拟信号：指令信号4-20mA DC,从DCS或PLC至执行机构，反馈信号4-20mA DC,从执行机构至DCS或PLC等，3）开关信号（可选）：全开、全关行程开关信号，故障信号等。3、在通电前，先手动把执行机构调到中间位置，然后将操作方式打到“就地操作”，通电，先点动看执行机构运行方向和阀动作的方向是否一致，如果相反，则需将电源线换相或更改执行机构正反作用方式。执行机构调试4、调限位：通过执行机构将阀动作至“全关“位置，将万用表打到蜂鸣档，量下关限位的“开点”是否变为“闭点”；如果没有变化，则需要调整关限位，直至调好；然后再将阀动作到“全开”位置，看下“开限位”信号是否来，否则需要调开限位。在开关限位都调好后，将阀来回动作几遍，直至限位信号都正常。5、调反馈：反馈电流值是个很重要的参数，直接影响到DCS画面显示反馈值，一定要调准。将万用表打到mA档，并且串到反馈回路中；将执行机构打到“全关”