过程仪表第7章 执行器ppt课件

1、第七章 执行器 7.1 慨述执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而支配进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。执行器有自动调理阀门、自动电压调理器、自动电流调理器、控制电机等。其中自动调理阀门是最常见的执行器，种类繁多。执行器的作用：在自动控制系统中，接受调理器的控制信号，自动地改动操作变量，到达对被控参数如温度压力液位等进展调理的目的。使消费过程按预定要求正常运转。执行器由执行机构和调理机构组成。执行机构是产生推力或位移的部分，调理机构是指直接改动能量或物料保送量的安装，通常称为调理阀或阀门。按执行机构运用的任务能源分为三类：

2、气动执行 器，电动执行器，液压执行器液压执行器运用很少。 1气动执行器是以紧缩空气为能源的执行器。主要特点是：输出推力大，本质平安防爆，维护方便，廉价等。缺陷是需求紧缩空气系统，灵敏度和精度差，滞后大，不宜远传150m以内。 2电动执行器是以电为能源的执行器：主要特点是： 能源取用方便，便于集中控制，停电时执行器坚持原位不动，不影响设备平安，灵敏度和精度高，和电动控制仪表配合方便。缺陷是构造复杂，体积大，推力小，价钱贵。 7.2 普通执行器和手操器气动执行器 它又称为气动调理阀，气动调理阀是由气压信号控制的阀门。主要包括：气动执行机构和调理机构(阀两个组成部分，如下图。上部为执行机构，下部为调

3、理机构。 1. 气动执行机构 执行机构按调理器输出的控制信号，驱动调理机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。 气动薄膜室推杆阀门阀位指示标牌阀杆直行程输出的气动执行机构有两类：薄膜式和活塞式 薄膜式是用弹性膜片将输入气压转换为推杆的推力，经过推杆使阀芯产生相应的位移，改动阀门开度。 气动活塞式执行机构薄膜式执行机构P正作用执行机构反作用执行机构活塞式是以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可以获得较大的推力，容易制生长行程的执行机构。以薄膜式执行机构为例，如下图。其上部是气动薄膜执行机构，它接受0.2*105pa1.0*105pa(20Kpa100Kpa)的规范

4、压力信号，将其转换为推力。其输出是位移量，它们之间的关系为：PA=KL 式中P：通入气室的信号压力， A：为薄膜片的有效面积， K：弹簧的刚度弹性系数， L：为推杆的位移 L=AP/K 阐明对于确定的执行机构，A和K为常数，推杆位移量L和输入信号压力成正比。 其任务过程为：当压力信号通入薄膜气室时，压力乘有效面积产生推力，使推杆挪动，紧缩弹簧，弹簧产生反作用力与薄膜上的推力相平衡为止。信号压力推力推杆位移弹簧紧缩量弹簧反作用力。 推杆位移范围就是执行机构的行程。推杆位移从0 全行程，阀门开度就从全开全关到全关全开，气关式气开式。 阀门定位器是气动执行器的主要附件，它与气动执行机构配套运用，接受

5、调理器的输出信号，然后产生和调理器输出信号成比例的输出信号控制气动执行器。2调理机构 调理机构就是阀门，如下图。主要包括：推杆，阀体，阀芯，阀座等。是一个部分阻力可以改动的节流元件。 阀芯在阀体内上下挪动，可以改动阀芯和阀座之间的流通面积，控制经过的流量。 从流膂力学的观念，调理阀是一个部分阻力可以变化的节流元件。对于不可紧缩的流体，由能量守恒原理可以推导出调理阀的流量方程式为： 当A一定，p1p2不变时，流量仅随阻力系数变化。阻力系数主要与流通面积阀门开度有关，也与流体的性质和流动形状有关。调理阀阻力系数的变化是经过阀芯行程的改动来实现的。即改动开度就改动，到达调理Q的目的。开度 Q 根据不

6、同的运用要求，调理阀的构造方式有多种多样，如：直通单座阀，直通双座阀，角型阀，高压阀，蝶阀，球阀，隔离阀，三通阀等。1 直通单座阀流体对阀芯的不平衡作用力大。普通用在小口径、低压差的场所。构造简单、走漏量小。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。 正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大反装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小2 直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以相互抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此走漏量较大。3角形控制阀两个接纳呈直角形，普通为底进侧出，这种阀的流路

7、简单、对流体的阻力较小。适用于现场管道要求直角衔接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场所。 4 三通控制阀 有三个出入口与工艺管道衔接。流通方式有合流型两种介质混合成一路和分流型一种介质分成两路两种。适用于配比控制与旁路控制。5隔膜控制阀 采用耐腐蚀资料作隔膜，将阀芯与流体隔开。构造简单、流阻小、流通才干比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会走漏。耐腐蚀才干强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。 适用于大口径、大流量、低压差的场所，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。6蝶阀又名翻板阀。构造简

8、单、分量轻、流阻极小，但走漏量大。7 球阀阀芯与阀体都呈球形体，阀芯内开孔。转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用于双位式控制。8笼式阀阀内有一个圆柱形套筒笼子。套筒壁上有一个或几个不同外形的孔窗口，利用套筒导向，阀芯在套筒内上下挪动，改动阀的节流孔面积。可调比大，不平衡力小，改换开孔不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不适于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。9凸轮挠曲阀又名偏心旋转阀。其阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一同铸成，固定在转动轴上。阀芯球面与阀座密封圈严密接触，密封性好。适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。 调理

9、阀除了构造类型的不同外，其它的主要技术参数是流量特性和口径。3调理阀的选择 选用调理阀时，普通应思索以下几个方面。1调理阀构造的选择 通常根据工艺条件，如运用温度、压力，介质的物理、化学特性如腐蚀性、粘度等，对流量的控制要求等，来选择调理阀的构造方式。 例如，普通介质条件选用直通单座阀或直通双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔膜阀等。气动薄膜式隔膜阀气动薄膜精小型调理阀气动薄膜三通调理阀V型O型对夹薄型气动调理球阀气动法兰调理蝶阀气动对夹式调理蝶阀气动精小型调理阀2气开式与气关式的选择 气动调理阀在气压信号中断后阀门会复位。 无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。

10、反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。 如气动薄膜调理阀的气开式与气关式：给水阀燃气阀蒸汽例如： 选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控形状下锅炉的平安： 给水阀应选气关式 燃气阀应选气开式阀门气开气关式的选择原那么：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于平安形状。3. 调理阀流量特性的选择保证控制质量的重要要素之一是：坚持控制系统的总放大倍数在任务范围内尽能够恒定。给定值被控量干扰f 控制器 传感器执行器被控对象+eW c(s)W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控对象的放大倍数，在不同的工艺点不同。如热水加热器的热水流量与送风温度的静

11、特性MTT热水Q/maxQ/ Qmax050%50%100%100% 由图可见，随着热水流量增大，对送风的加热效果越来越差。由于热交换需求时间，热水很快流走，不能充分热交换所致。但假设用蒸汽加热，由于冷凝放热很快，该特性为直线特性。很多对象在任务区域内稳态放大倍数K不是常数，在不同的工艺负荷点，K不一样。因此希望调理阀的流量特性能补偿对象的静特性。1假设调理对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，用等百分比特性补偿。3配管阻力大、s值低，等百分比阀会畸变成直线阀。2假设调理对象的静特性是线性的，或工艺负荷变化不大，用直线阀。4. 调理阀口径的选择 为保证工艺的正常进展，必需合理选择调理阀的尺

12、寸。假设调理阀的口径选得太大，使阀门经常任务在小开度位置，呵斥调理质量不好。假设口径选得太小，阀门完全翻开也不能满足最大流量的需求，就难以保证消费的正常进展。 调理阀的口径决议了调理阀的流通才干。 调理阀的流通才干用流量系数C值表示。二. 电动执行器 它也是由执行机构(DZA)和调理机构两部分组成。其中调理机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行机构，它用电动机产生推力启闭调理阀。 电动执行机构用控制电机作动力安装。输出方式有：角行程：电机转动经减速器后输出。直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制闸阀、截止阀等多转式阀门。 这几种执行机

13、构在电气原理上根本一样，只是减速器不一样。相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有3点优势： (1)无需特殊的气源和空气净化等安装。即使电源失电时，也能坚持原执行位置； (2)可远间隔传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查； (3)与计算机衔接方便简约，更顺应采用电子信息新技术。 1. 电动执行器的组成输入信号与位置反响信号进展比较，将差值放大。驱动电机经减速输出，带动阀门直到位置发送器检测到的位置信号与输入信号相等时，放大器输出为零。电动执行器原理方框图 它由三部分组成：伺服放大器(DFC)，电动操作器，执行机构。 来自调理器的信号送到伺服放大器，与位置反响信号相比

14、较，其差值经放大后去控制伺服电动机正转或反转，经减速器使输出轴产生位移(直线或0 900)输出轴的位移又经位置发送器转换成420mA010mA信号，作为位置指示和反响信号。反响信号送到伺服放大器输入端。当反响信号等于输入信号时，电动机停顿转动。此时轴输出就稳定在与输入信号成比例的位置上，电动机也可以经过电动操作器进展手动操作。 2. 伺服放大器 它由前置磁放大器，触发器和以及晶体管主回路等组成。其框图如下图。3. 电动执行器的执行机构(DZA) 它由两相交流伺服电动机，位置发送器和减速器组成。 1两相伺服电动机：是执行机构的动力部分，它具有启动转矩大和启动电流较小的特点； 2位置发送器：是差动

15、变压器位移传感器，以产生反响信号和位置信号； 3减速器：由于电动机转速很高，输出轴全行程时间需25s，输出轴速度0.6r/min，因此电动机主输出轴间要有减速器，减速比为10001500三. 手操作器 它主要实现手动操作，与调理器配合完成自动手动，也可以在控制系统出现缺点或系统投运时用它进展手动遥控。 分为两类：Q型操作器和D型操作器Q型与气动执行器配合运用， D型与电动执行器配合运用。 Q型操作器在控制系统中的位置如下图。来自调理器的信号420mA，经Q型操作器保送到电/气转换器，转换成气压信号20100Kpa，控制气动执行器。 Q型操作器原理框图如下图。它由可调恒流源和自动手动切换开关组成

16、。 处于自动形状时，来自调理器的420mA的信号输入经mA表，再输出到电/气转换器，或电动执行器的输入阻抗。 处于手动时：由操作器的可调恒流源向RL提供手动操作电流，其大小可由手动操作电位器调理，并由另一只电流表显示；跟踪电压输出，向调理器中的积分电容两端提供直流跟踪电压，当调理器积分电容两端接纳到跟踪电压后，调理器输出电流就跟随电压作相应改动，为手动自动无扰切换作预备。跟踪触点接线端子，其作用是当操作器处于手动形状时，短接PID调理器的微分电阻RD。 手动自动，只需将调理器偏向值调理为0，即能进展切换由于有跟踪电压输出。 自动手动，先调手操作器，使手操作器输出电流与调理器输出电流相等，即能进

17、展抗扰切换。序号 系列 性能对比 输出动力主要电信号1 普通系列我国 60 年代计划经济时期，全国联合设计产品。 具有机械限位和电限位。 结构简单，经济实用。 角行程： 力矩 100 10000Nm 1. 输入信号： 普通型：开关量 普通型配伺服放大器：4 20mA 电子式型： 4 20mA 2. 输出信号： 4 20mA 3. 电源电压： 220V 直行程： 行程 10 100mm 推力 4000 16000N 2 引进系列 引进法国伯纳德先进电子式技术，关键元气件原装进口。 直接接受 DCS 控制，具有过力矩、超行程、断信号、电机过热等保护功能。 性价比高于原装进口伯纳德电动执行器。 角行

18、程：力矩 100 12000 Nm 1. 输入信号： 4 20mA 2. 输出信号： 4 20mA 3. 电源电压： 220V 或 380V 直行程： 行程 10 100mm 推力 6400 25000N 多转： 额定负载 40 250 Nm 性能对比 ( 四大系列执行器 )3 原装系列 法国伯纳德公司是欧洲著名的电动执行器生产厂家。 具有过力矩、超行程、断信号、电机过热等保护功能。 系列多、规格型式全。 角行程： 力矩 80 63000 Nm 1. 输入信号： 4 20mA 2. 输出信号： 4 20mA 3. 电源电压： 220V 或 380V 4. 多种防护等级 直行程： 行程 10 2

19、00mm 推力 4000 40000N 多转： 额定负载 30 700 Nm 4 快速系列 我公司与天津大学共同研制，是我国唯一的、最快的电动执行器。 与蝶阀组成电动快速切断阀，适用于紧急关断场合。 多年来广泛应用与水泥、煤气、烧结等行业，深受用户好评。 角行程： 力矩 250 6000 Nm 1. 输入信号：开关量 2. 输出信号：开关量 3. 电源电压： 380V 4. 切断时间： 3 秒或 6 秒 三、 电/气转换器将420mA的电流信号转换成20100KPa的规范气压信号。 为了使气动调理阀可以接纳电动调理器的输出信号，必需把规范电流信号转换为规范气压信号。 电/气转换器作用： I 吸

20、力Fi 杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙 背压 放大器输入 输出压力P 杠杆的反响力Ff 杠杆平衡 PI任务原理负反响磁铁调零FiFf背压四、阀门定位器气动调理阀中，阀杆的位移是由薄膜上气压推力与弹簧反作用力平衡确定的。为了防止阀杆处的走漏要压紧填料，使阀杆摩擦力增大，且个体差别较大，这会影响输入信号P的执行精度。 处理措施 在调理阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反响。使阀杆能按输入信号准确地确定本人的开度。 五、电/气阀门定位器 实践运用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电/气阀门定位器。 I杠杆上端右移挡板接近喷嘴 P压力阀杆下移反响凸轮右转 反响弹簧右拉杠杆平衡7.2智能式调理阀

21、 随着电子技术的迅速开展，微处置器也被引入到调理阀中，出现了智能式调理阀。主要功能如下：1控制及执行功能2补偿及校正功能3通讯功能4诊断功能5维护功能 智能电动执行机构一、智能电动执行器一智能电动执行器特点 智能电动执行器按控制电源划分有单相和三相两大类。与传统的电动执行器相比主要有如下特点： 主要技术目的先进，超越国内现有的DDZ-、型电动执行器，如任务死区、根本误差、回差等目的已到达很高程度。采用了微处置器技术和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统的伺服放大器，以数字式操作器取代原有的模拟指针式操作器。它具有功能强，运用方便，具有自诊断、自调整和PI调理功能。 添加了流量特性软件修正。使

22、一种固有特性的调理器可以拥有多种输出特性，使不能进展阀芯外形修正蝶阀的阀也可改动流量特性，可以使非规范特性修正为规范特性。该功能将改动长期以来靠阀芯加工修正特性的现状。 在调理中采用了电制动技术和断续调理技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械摩擦制动器，大大提高了整机的可靠性。二主要技术指称输入信号：010mA；420mA；RS-232位置发送信号：010mA；420mA；1K电位器输入通道：2个电隔离根本误差：士1单相； 士2.5三相死 区： 0.5特性修正：固有特性规范直线 固有特性等百分比主要功能：任务方式选择、缺点诊断与报警，电制动、PI调理。三单相智能电动执行器任务原理 单相智能

23、电动执行器的构造如以下图所示。从框图可看出：来自上位调理器或变送器的模拟量信号，经处置后进人智能伺服放大器，智能伺服放大器中的微处置器定时检测该输入信号与位置反响信号。当接受上位调理器信号且不进展修正时，微处置器比较两个信号，一旦信号不平衡，偏向超出要求值，即发出控制信号，经放大隔离后驱动智能伺服放大器中的功率晶闸管，使其导通带动电动机转动，进而调理阀门开度，同时微处置器也将表示阀门开度的位置信号转换成相应的脉冲量发往操作器的显示器。操作人员可从数字操作器上察看阀门的开度。 当接纳变送器信号进入PI调理任务方式时，微处置器是将变送器信号与给定值进展比较，并按预先设置好的参数PI进展计算并发出控

24、制信号，调理阀门，直至两个信号到达平衡。 当进入特性修正任务方式时，微处置器将不再是仅比较两种信号能否相等，而是对信号按预先设置的特性参数进展计算，使输入信号与阀门位移呈要求的非线性关系。这样就使得改动调理阀流量特性变得很方便，为改善系统的稳定性提供新的方法。 三相智能电动执行器对输入信号的处置、特性修正，缺点诊断等都一样，只是对输出信号的处置和控制软件做了改动。智能伺服放大器的输出进入三相功率转换器，再驱动三相伺服电动机任务。四调理阀流量特性修正 实现调理阀特性修正的根本原理：输入修正阀门的固有特性和要到达规范特性的必要参数，计算出到达规范特性时阀门的实践开度。经过修正可使一种调理阀的流量特

25、性变为多种，使固有特性不能经过加工阀门外形来改动的阀如蝶阀也可修正到理想特性。二、智能调理阀一智能调理阀构造 一个智能调理阀大体由以下6部分构成：带有微处置器及智能控制软件的控制器；用于提供反响信号和诊断信号的传感器；信号变换器；I/O及通讯接口；执行机构；阀体。二智能调理阀的特点1具有智能控制功能 2具有维护功能 3具有通讯功能 4具有诊断功能 5一体化构造三一种新型智能调理阀 STARPAC智能调理阀是美国Valtek公司90年代末推出的，其根本构造和功能如以下图所示。其主要性能和特点是： 阀体的进出口部位和内部安有压力、温度检测器，阀杆内安装阀位检测器。气缸执行机构进出口安装空气压力检测器。这些检测器的输出信号都送到内装的微处置器。 能进展压力、温度、流量的丈量和自动控制。流量丈量是根据阀门开度所对应流量系数值及阀门前后压差由微处置器进展计算，还可以对此流量进展温度补偿。也可构成串级控制回路。温度控制同样可按要求构成控制回