第十八章执行器

1、第三篇 执行器第十八章 执行器第一节 概述一、执行器的作用在控制仪表中，变送器是信息的源头，控制器是信息的处理，执行器是信息的终端，因此也称执行器为终端元件(final element)。生产过程的信息从变送器引入，经控制器或DCS运算处理后输出操作指令给执行器控制生产过程，或由操作员站发出的人工操作指令给执行器控制生产过程。执行器将操作指令进行功率放大，并转换为输出轴相应的转角或直线位移，连续地或断续地去推动各种控制机构，如控制阀门、挡板，控制操纵变量变化，以完成对各种被控参量的控制。执行器主要由执行机构和控制机构两部分组成，控制机构也称为调节机构、调节阀或控制阀。执行器和执行机构是两个不同

2、的概念，如果执行机构安装在调节阀上，二者的组合应称为执行器，或者说，带有调节阀的执行机构是执行器，执行机构是执行器的组成部分之一。凡是涉及流体的连续自动控制系统，一般都是用控制阀作为控制机构，因为这种方式投资最少而且又简单实用。但是，随着变频技术的发展，用变频器控制泵和风机转速来控制流体的流量的方式开始增多，因为这种方式既节余额能源，又能提高控制质量，但这种方式的投资较大。执行机构的特性对控制系统的影响，丝毫不比其他环节小，即使采用了最先进的控制器和昂贵的计算机，若执行环节上设计或选用不当，整个系统就不能发挥作用。控制阀直接与介质接触，常常在高压、高温、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、高压差

3、等状况下工作，使用条件恶劣，因此，它是控制系统的薄弱环节。如果执行器选择或使用不当，往往会给生产过程自动化带来困难。在许多场合下，会导致自动控制系统的控制质量下降，控制失灵，甚至因介质的易燃、易爆、有毒、而造成严重的生产事故。因此，必须对执行器的设计、安装、调试和维护给与高度重视。二、执行器的产生远古时期，人们为了控制河流或小溪的水流量，采用大石块或树干来阻止水的流动或改变水的流动方向。以后，在农业中又出现了用于灌溉的水渠闸门，这就是执行器的雏形。最早的执行器是1880年由费希尔制造的带重锤的自力式执行器，如图18-1所示。图18-1带重锤的自力式执行器 当用户使用的流体减少时，流体压力P增大

4、，杠杆失去平衡，逆时针转动，带动阀杆向下移动，关小阀门，流体较少的通过阀门，导致阀门后流体压力下降。阀杆的移动速度与压力偏差成正比。当压力逐步恢复到时，阀门停在一个新的位置。反之，当用户使用的流体增大时，流体压力P减小，在重锤重力的作用下，杠杆失去平衡，顺时针转动，带动阀杆向上移动，关大阀门，流体较多的通过阀门，导致阀门后流体压力上升。当压力逐步恢复到时，阀门停在一个新的位置。阀杆的移动速度与针形的阻力有关，改变针形阀的开度（即阻力R）可改变阀杆移动的速度。三、执行器的构成电动执行器构成电动执行器主要有三种构成：遥控操作执行器（如图18-2所示）；积分式执行器（如图18-3所示）；比例式执行器

5、。比例式执行机构又分成三种构成方式：伺服放大器与操作器分体式控制（如图18-4所示）；伺服放大器中包括操作器，即伺服放大器与操作器组成一体化结构（如图18-5所示）；伺服放大器（电动阀门定位器）直接安装在执行机构上组成一体化结构，也称电子式执行机构，只要输入420mA直流信号就能控制电动执行机构动作（如图18-6所示）。图18-2遥控操作执行器原理框图图18-3积分式执行器原理框图图18-4分体式执行器原理框图图18-5一体化执行器原理框图图18-6电子式执行机构原理框图 气动执行器构成气动执行器主要有二种构成：开环和闭环。开环原理框图如图18-7所示，它只能用在控制精度要求不高的场合；闭环原

6、理框图如图18-8所示，它用在控制精度要求较高的场合。图18-7气动执行器开环原理框图图18-8气动执行器闭环原理框图第二节 执行机构一、分类及特点按使用的能源形式执行机构根据所使用的能源形式可分成气动、电动和液动三大类。气动执行机构是利用压缩空气作为能源，电动和液动执行机构分别利用电和高压液体作为能源。国内火电厂所选用的执行机构中，电动、气动的较多，液动的较少。电动执行机构更多的是与DCS（分散控制系统）和PLC（可编程序控制器）配合使用。电动执行机构具有体积小、信号传输速度快、灵敏度和精度高、安装接线简单、信号便于远传等优点。采用电动执行机构，在改变控制阀开度时，需要供电，在达到所需开度时

7、就可不再供电，因此，从节能看，电动执行机构比气动执行机构有明显节能优点。采用电动执行机构。不仅可减少采用气动执行机构所需的气源装置和辅助设备，也可减少执行机构的重量。电动执行机构的缺点是应用结构复杂、输出力矩小、不能变速（指未采用变频器的执行机构）、流量特性由控制机构确定等。为避免电动机温升过高，一般不允许电动机频繁动作，这使得自动控制系统很难提高控制准确度。气动执行机构具有结构简单、安全可靠、输出力矩大、价格便宜、本质安全防爆等优点。与电动执行机构比较，输出扭矩大，可以连续进行控制，不存在频繁动作而损坏执行器的缺点。应用气动执行器需要压缩空气作为动力源，要有专门的供气、净化系统。一旦气源发生

8、故障，如气源净化不纯，所含杂质和水分容易堵塞和冰冻阀门定位器中的气路，往往会给自动控制系统带来灾难性后果。气动执行机构在整个运行过程中都需要有一定的气压，虽然可采用消耗量小的放大器等，但日积月累，耗气量仍是巨大的。气动执行机构一般要配合气动控制器使用，而气动控制器控制准确度无法和电动控制器或DCS相比。为了弥补这种缺陷，现场使用电-气动转换装置，才能用DCS来驱动气动执行机构，以提高控制准确度。虽然能提高控制准确度，但由于转换环节等因素的作用，准确度仍不如人意。液动执行机构输出扭矩最大，也不怕执行机构的频繁动作，往往用于主汽门和蒸汽控制门的控制，但其结构复杂，体积庞大，成本较高。按输出位移量的

9、不同分类执行机构根据输出位移量的不同，又分为角位移(角行程)执行机构和线位移(直行程)执行机构。而角行程执行机构又分为部分转角式执行机构和多转式执行机构。部分转角式执行机构的输出转角最大为90°，这对于控制碟阀、球阀等是没有问题的，利用曲柄连杆机构控制普通小行程的控制阀也都能胜任。但是控制闸板阀和截止阀就不方便了。因为这类阀门要旋转很多圈，才能打开和关闭。虽然闸板阀和截止阀一般不用在控制上，但也有远方控制其开度的必要。实际上，生产现场有许多这样的阀，且安装位置分散，希望集中在控制室操作，为此，专门设计了多转式执行机构。通常把多转式执行器用在遥控上，以便远方操纵截止阀、闸板阀的开闭。所

10、以它往往不带前置放大器，直接用接触器或固态继电器来控制，这样的执行器是积分性质的，输出转角是转速对通电时间的积分。它也有阀位输出信号，但不是用于阀位反馈，而是为了远方指示阀门开度。这种执行器除用于远方操纵工业生产对象外，与开关式调节规律中的三位调节器配合，可以用在变化缓慢的工业对象上。国产多转式执行器分为FS（积分）、DZ（积分）和DKD（比例）三种类型。FS和DZ型的输出转数有的可达100转以上。DKD型比例式多转执行器，其全行程转数为25转，输出转矩600 1600N·m，转速1822 rmin。DKD型执行器的输出转数与输入信号的大小成比例，它所用的前置放大器也是磁放大器。按动

11、态特性的不同分类按动态特性的不同可分为比例式执行机构和积分式执行机构。积分式执行机构没有前置放大器，直接靠开关的动作来控制伺服电机，输出转角是转速对时间的积分。这种执行机构上的阀位输出信号不是用来进行位置反馈，而是给操作者提供阀门开度的指示。积分式执行机构主要用在遥控方面，属于开环控制，例如用它远距离启闭截止阀或闸板阀。与此对应，一般带前置放大器和阀位反馈的执行机构就是比例式执行机构。按有无微处理机分类按执行机构内有无微处理机可分为模拟执行机构和智能执行机构。模拟执行机构的电路主要由晶体管或运算放大器等电子器件组成，智能执行机构的电路装有微处理机等芯片。智能执行机构即现场总线执行机构，按通信协

12、议又可分为HART执行机构、FF执行机构和PROFIBUS执行机构。智能执行机构主要基于DCS控制、现场总线控制、流量特性补偿、自诊断和可以变速等方面的要求而发展起来的。它实现了多参数检测控制、机电一体化结构和完善的组态功能，例如，可以对输入信号的种类、折线补偿、输出速度、输出行程等进行组态。智能执行器可以将控制器、伺服放大器、电动机、减速器、位置发送器和控制阀等环节集成，信号通过现场总线由变送器或操作站发来，实现现场控制。按极性分类按极性可分为正作用执行机构和反作用执行机构。当执行机构的输入信号（或操作变量）增大，被调量增大，为正作用，反之，为反作用。按速度分类按执行机构输出轴速度是否可变分

13、为恒速执行机构和变速执行机构。所有模拟（传统）电动执行机构输出轴的速度是不可改变的，而带有变频器的电动执行机构输出轴的速度是可以改变的。近年来，随着变频调速技术的应用，一些控制系统已采用变频器和相应的电动机（泵）等设备组成新的执行器。新一代的变频智能电动执行机构将变频技术和微处理器有机结合，通过微处理器控制变频器改变供电电源的频率和电压，实现自动控制电动机的输出轴转动的速度，从而改变操纵量，控制生产过程。在火电厂中，各种风机、水泵需要变转速或变频控制，才能达到节能降耗和提高控制质量的目的。例如，用改变给粉机或给煤机的转速来改变进入炉膛的燃料量，进而控制锅炉的汽压；用改变给水泵的转速来改变锅炉的

14、给水量，进而控制汽包水位；用改变送、引风机的转速来改变送风量和引风量，进而控制燃烧的经济性和炉膛负压。因为这种执行机构输出的物理量是转速，所以可称其为转速执行机构。对高压降比的应用场合，如果能量消耗很大，可采用转速执行机构来代替控制阀和控制挡板，以降低能源消耗。 三种执行机构的主要特点比较如表18-1所示。表18-1 三种执行机构的特点比较二、技术特性气动执行机构在现代工业中，电动设备远比气动设备普遍，因为气动设备需要在气源上花费较大的投资，而且敷设管道也比敷设导线麻烦，气动信号的传递速度也远不如电信号快。但是在某些场合，气动设备的优越性不可忽视。首先是在防爆安全上，气动设备不会有火花及发热问

15、题。它排出的空气还有助于驱散易燃易爆和有毒有害气体。而且气动设备在发生管路堵塞、气流短路、机件卡涩等故障时绝不会发热损坏。在耐潮湿和恶劣环境方面也比电动设备强。工业生产现场往往有环境恶劣易燃易爆的场合，为了安全可靠起见，常常宁愿多花投资采用气动执行机构。甚至为此需要先把电信号转变为气信号，再用气动执行机构。对气动执行机构的要求是气源设备运行安全可靠，气压稳定，压缩空气无水、无灰、无油，应是干净的气体。电动执行机构电动执行机构分为电磁式和电动式两类，前者以电磁阀及用电磁铁驱动的一些装置为主，后者由电动机提供动力，输出转角或直线位移，用来驱动阀门或其他装置的执行机构。对电动式机构的特性要求是： (

16、1)要有足够的转（力）矩。对于输出为转角的执行机构要有足够的转矩，对于输出为直线位移的执行机构也要有足够的力，以便克服负载的阻力。特别是高温高压阀门，其密封填料压得比较紧，长时间关闭之后再开启时往往比正常情况要费更大的力。至于动作速度并不一定很高，因为流量控制和控制不需要太快。为了加大输出转矩或力，电动机的输出轴都有减速器。减速器的作用是把电动机的输出的高转速、小力矩的输出功率转换为执行机构输出的低转速、大力矩的输出功率。如果电机本身就是低速的，减速器可以简单些。 (2) 要有自锁特性。减速器或电机的传动系统中应该有自锁特性，当电机不转时，负载的不平衡力(例如闸板阀的自重)不可引起转角或位移的

17、变化。为此，往往要用蜗轮蜗杆机构或电磁制动器。有了这样的措施，在意外停电时，阀位就能保持在停电前的位置上。 (3)能手动操作。停电或控制器发生故障时，应该能够在执行机构上进行手动操作，以便采取应急措施。为此，必须有离合器及手轮。 (4)应有阀位信号。在执行机构进行手动操作时，为了给控制器提供自动跟踪的依据(跟踪是无扰动切换的需要)，执行机构上应该有阀位输出信号。这既是执行机构本身位置反馈的需要，也是阀位指示的需要。 (5) 产品系列组合化。近年来推出的电动执行机构在技术方案上采用单元组合式的设计思想，即把减速箱和一些功能单元(如伺服放大器、位置发送器、操作器等)设计成标准的单元，根据不同的需要

18、组合成各种角行程、直行程和多转三大系列的电动执行机构产品。这种组合式执行机构系列、品种齐全，通用件多，标准化程度高，能满足各种工业配套需要。 功能完善且智能化。既能接收模拟量信号，又能接收数据通信的信号；既可开环使用，又可闭环使用，与主控仪表的配套适应性强。伺服放大器采用微机及新型的集成电路，可对执行机构输入输出特性按用户要求进行修正，并具有故障自诊断及事件处理、联锁等功能。具有阀位与力（转）矩限制。为了保护阀门及传动机构不致因过大的操作力而损坏，执行机构上应有机械限位、电气限位和力或转矩限制装置。它能有效保护设备、电机和阀门的安全运行。适应性强且可靠性高。产品适应的环境温度要求为-25+。7

19、0；外壳防护等级要求达到GB4208规定的IP65；平均无故障工作时间(MTBF) 要求2万h；要具有合理的性能价格比。除了以上基本要求之外，为了便于和各种阀门特性配合，最好能在执行机构上具有可选择的非线性特性。为了能和计算机配合，最好能直接输入数字或数字通信信号。近年来的执行机构带有带PID运算功能，这就是数字执行机构或现场总线执行机构或智能执行机构。执行结构的发展方向 执行机构是控制系统非常重要组成部分之一，随着计算机控制技术进入执行机构，执行器正朝着现场总线方向发展。执行机构同变送器一样，近几年也得到了快速发展，特别是国外一些生产厂商相继推出了现场总线执行机构。从这些产品可以看出，现场总

20、线执行机构是今后执行机构的发展趋势：机电一体化结构将逐步取代组合式结构；现场总线数字通信将逐步取代模拟420mA；红外遥控非接触式调试技术将逐步取代接触式手动调试技术；数字控制将逐步取代模拟控制。 现场总线技术首先在各类变送器上得到应用，随后又在电动执行机构上得到应用，即通过现场总线实现对电动执行机构的远方控制，并将电动执行机构的状态和位置信号上传至上位控制设备，并在CRT上显示，甚至可以在远方对电动执行器进行部分参数的组态以及故障诊断。当今国际上不少公司开始销售现场总线执行机构产品，这些产品应用较多的有PROFIBUS、FF、HART等协议的现场总线。现场总线执行机构产品如表17-1所示。随

21、着现场控制总线系统(FCS)的采用，控制功能（PID）也集成到执行器中，执行器最终将变成独立的控制单元。采用智能阀门定位器不仅可方便地改变控制阀的流量特性，也可提高控制系统的控制品质。因此，对控制阀流量特性的要求可简化及标准化(例如，仅生产线性特性控制阀)。用智能化功能模块实现与被控对象特性的匹配，使控制阀产品的类型和品种大大减少，使控制阀的制造过程也得到简化。表17-1 现场总线执行机构产品现场总线将在执行机构中获得广泛应用，一些控制器的输出信号、阀位信号在同一传输线传送，控制阀与阀门定位器、PID控制功能模块结合，使控制功能在现场级实现，使危险分散，使控制更及时、更迅速、更可靠。它与其他工

22、业自动化仪表和计算机控制装置一起，使工业生产过程控制的功能更完善，控制的精度更高，控制的效果更明显。第三节 控制阀一、重要性在火电厂中，风量的控制机构除采用控制阀控制外，还有特殊的风量控制机构，如静（动）叶控制机构。本书的控制机构指的是控制阀和风量控制机构。但从习惯来说控制机构就是控制阀，控制阀用于控制操纵变量的流量。从控制系统整体看，一个控制系统控制得好不好，都要通过控制机构来实现。由于下列原因，控制阀变得十分重要。 控制阀是节流装置，属于动部件，与检测元件和变送器、控制器比较，在控制过程中，控制阀需要不断改变节流件的流通面积，使操纵变量变化，以适应负荷变化或操作条件的改变。因此，对控制阀阀

23、组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高要求。例如，密封会使控制阀摩擦力增加，控制阀死区加大，造成控制系统控制品质变差等。 控制阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因，它不仅造成资源或物料的浪费，也污染环境，引发事故。 控制阀与过程介质直接接触，其接触介质可能与检测元件的接触介质不同，因而对控制阀的耐腐蚀性、强度、刚度、材料等有更高要求。检测元件可采用隔离液等方法与过程介质隔离，但控制阀通常与过程介质直接接触，很难采用隔离的方法与过程介质隔离。 控制阀的节流使能量在控制阀内部被消耗，因此，降低能耗，降低控制阀的压力损失，和保证较好的控制品质之间要合理选择和兼顾。 控制阀对流体进行节

24、流的同时也造成噪声。控制阀造成的噪声和控制阀流路的设计、操作压力、被控介质特性等有关，因此，降低噪声，降低压力损失等是对控制阀提出的更高要求。 控制阀的适应性强。它被安装在各种不同的生产过程中，生产过程的低温、高温、高压、大流量、微小流量等操作条件需要控制阀具有各种不同的功能，控制阀应能够适应不同应用的要求。检测元件和变送器、控制器等发展快，投入的人力和物力多。相对来看，通常认为控制阀结构简单，因此，对控制阀投入研究和开发的人力和物力相对不足。二、技术特性 控制阀与工业生产过程控制的发展同步进行。为提高控制系统的控制品质，对组成控制系统各组成环节提出了更高要求。例如，对检测元件和变送器要求有更

25、高的检测和变送精确度，要有更快的响应和更高的数据稳定性；对控制阀等执行机构要求有更小的死区和摩擦，有更好的复现性和更短的响应时间，并能够提供补偿对象非线性的流量特性等。三、发展方向存在的问题 控制阀的品种多，规格多，参数多。控制阀为适应不同工业生产过程的控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品，使控制阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理也不方便。 控制阀的可靠性差。控制阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很大差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复现性变差等，给长期稳定运行带来困难。 控制阀笨重，给控制阀的运输、安装、维护带来不便。通常，控制阀重量

26、比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台大口径的控制阀重达1吨，运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给控制阀的应用带来不便。 控制阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变差。控制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各不相同，加上压降比变化，使控制阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使控制系统控制品质变差。 控制阀噪声过大。工业应用中，控制阀噪声已成为工业设备的主要噪声源，因此，降低控制阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国政府的重视。 控制阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，更应采用节能技术，降低控制阀的能耗，提高能源的利用率。

27、发展方向控制阀的发展方向主要为智能化、标准化、小型化、旋转化和安全化。智能化控制阀的智能化主要采用智能阀门定位器。智能化表现在下列方面：(1)控制阀的自诊断，运行状态的远程通信等智能功能，使控制阀的管理方便，故障诊断变得容易，也降低了对维护人员的技能要求。 减少产品类型，简化生产流程。采用智能阀门定位器不仅可方便地改变控制阀的流量特性，也可提高控制系统的控制品质。因此，对控制阀流量特性的要求可简化。 数字通信。数字通信将在控制阀中获得广泛应用，以HART通信协议为基础，一些控制阀的阀门定位器将输入信号和阀位信号在同一传输线实现；以现场总线技术为基础，控制阀与阀门定位器、PID控制功能模块结合，

28、使控制功能在现场级实现，使危险分散，使控制更及时、更迅速。智能阀门定位器。智能阀门定位器具有阀门定位器的所有功能，同时能够改善控制阀的动态和静态特性，提高控制阀的控制精度，因此，智能阀门定位器将在今后一段时间内成为重要的控制阀辅助设备被广泛应用。标准化 控制阀的标准化已经提到议事日程，标准化表现在下列方面。 为了实现互换性，使同样尺寸和规格的不同厂商生产的控制阀能够互换，使用户不必为选择制造商而花费大量时间。 为了实现互操作性，不同制造商生产的控制阀应能够与其他制造商的产品协同工作，不会发生信号的不匹配或阻抗的不匹配等现象。 标准化的诊断软件和其他辅助软件，使不同制造商的控制阀可进行运行状态的

29、诊断，运行数据的分析等。标准化的选型程序。控制阀选型仍是自控设计人员十分关心的问题，采用标准化的计算程序，根据工艺所提供数据，能够正确计算所需控制阀的流量系数，确定配管及选用合适的阀体、阀芯及阀内件材质等，使设计过程标准化，提高设计质量。小型化 小型化为降低控制阀的重量，便于运输、安装和维护，控制阀的小型化采用了下列措施。 采用小型化执行机构。采用轻质材料，采用多组弹簧替代一组弹簧，降低执行机构高度，通常，精小型气动薄膜执行机构组成的控制阀比同类型气动薄膜执行机构组成的控制阀高度要降低约30，重量降低约30，而流通能力可提高约30。 改变流路结构。例如，将阀芯的移动改变为阀座的移动，将直线位移

30、改变为角位移等，使控制阀体积缩小，重量减轻。采用电动执行机构。不仅可减少采用气动执行机构所需的气源装置和辅助设备，也可减少执行机构的重量。例如，Fisher公司的9000系列电动执行机构，其20型的高度小于330mm，使整个控制阀(带数字控制器和执行机构)重量降低到2032kg。旋转化 由于旋转类控制阀，例如球阀等，有相对体积较小、流路阻力较小、可调比较大、密封性较好、防堵性能较好、流通能力较大等优点，因此，在控制阀新品种中，旋转阀的比重增大。特别是大口径管道中，普遍采用球阀、蝶阀等类型控制阀，从国外近年的产品看，旋转阀的应用比例正逐年增长。 安全化安全化仪表控制系统的安全性已经得到各方面的重

31、视，安全仪表系统(SIS)对控制阀的要求也越来越高，表现在以下几方面。 对控制阀故障信息诊断和处理要求提高，不仅要对控制阀进行故障发生后的被动性维护，而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维护。因此，对组成控制阀的有关组件进行统计和分析，及时提出维护建议等变得更重要。 对用于紧急停车系统或安全联锁系统的控制阀，提出及时、可靠、安全动作的要求。确保这些控制阀能够反应灵敏、准确。 对用于危险场所的控制阀，应简化认证程序。例如，对本安应用的现场总线仪表，可简化为采用FISCO现场总线本质安全概念，使对本安产品的认证过程简化。 与其他现场仪表的安全性类似，对控制阀的安全性，可采用隔爆技术、防火技术、增安技术、本安技术、无火花技术等；对现场总线仪表，还可采用实体概念、本安概念、FISCO概念和非易燃(FINCO)概念等。节能型节能降低能源消耗，提高能源利用率是控制阀的一个发展方向。主要有下列几个发展方向。 采用低压降比的控制阀。使控制阀在整个系统压降中占的比例减少，从而降低能耗，因此，设计低压降比的控制阀是发展方向之一；另一个发展方向是采用低阻抗控制阀，例如采用蝶阀、偏心旋转阀等。 采用自力式控制阀。例如，直接采用阀后介质的压力组成自力式控制系统，用被控介质的