执行器的控制与运行技术

执行器的控制与运行技术概述执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要作用。称作实现生产过程自动化的“手足”，它接受调节器的控制信号，自动改变操作变量，达到对被调参数（如温度、压力、液位、流量）进行调节的目的。根据使用的能源可分作电动执行器、气动执行器、液动执行器。气动执行器以压缩空气为能源的执行器。主要特点是：结构简单，输出推力大、动作可靠、性能稳定、维护方便、价格便宜、本质安全防爆等。它不仅能与气动调节仪表配套使用，还可通过电/气转换器或电/气阀门定位器与电动动调节仪表或工业控制计算机配套使用。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，信号传输速度快、传送距离远；便于集中控制；停电时执行器保持原位不动，不影响主设备的安全；灵敏度和精度较高；与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。缺点是结构复杂、体积较大、推力小、价格贵、故障率高于气动执行器。液动执行器使用较少。执行器及手操器气动执行器又称气动调节阀，它是由气动执行机构和调节机构两部分组成。气动执行机构常用的有薄膜式和活塞式两大类。其中气动薄膜执行机构使用弹性膜片将输入气压转变为对推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀的开度，它通常由膜片、弹簧、推杆、阀芯和阀座组成；气动活塞式执行机构以气缸内的活塞输出推力，由于气缸允许压力较高，可获较大的推力，并容易制成长行程的执行机构。当信号压力通入薄膜气室时，此压力乘上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膜片上的推力相平衡为止。信号压力越大，推力越大，推杆的位移即弹簧的压缩量也就越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆则从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。调节阀是一种主要的调节机构。它主要由推杆、阀体、阀芯及阀座等部分组成。阀芯在阀体内上下移动时，可改变阀芯阀座间的流通面积，控制通过的流量。从流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。其结构形式有直通单座阀、直通双座阀、三通阀、高压阀、蝶阀、隔离阀等。执行器及手操器电动执行器也是有执行机构和调节机构两部分组成。其中调节机构和气动执行器是通用的，所不同的就是电动执行器使用电动机等电的动力元件产生推力启闭调节阀。可分作角行程执行器、直行程执行器、多转式电动执行器等。电动执行器的主要部分由伺服放大器、电动操作器、伺服电动机组成。其工作过程是：来自调节器的信号送到伺服放大器，与位置反馈信号相比较，其差值（正或负）经放大后去控制伺服电动机正转或反转，经减速器后使输出轴产生位移（直线或0~90˚角）。输出轴的位移又经位置发送器转换成（0~10mA或4~20mA）信号，作为位置指示和反馈信号。反馈信号送到伺服放大器输入端，若反馈信号等于输入信号时，电动机停止转动。电动机的执行机构是由两相交流伺服电动机（SM）、位置发送器（WF）和减速器（J）组成。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小的特点。位置发送器是根据差动变压器的工作原理，利用输出轴的位移改变铁心在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和位置信号。执行器及手操器手操器也称操作器。主要用在气动或电动执行器系统中实现手动操作。它与调节器配合，完成从自动到手动或手动到自动的无扰切换，也可以在控制系统出故障或系统投运时用它进行手动遥控。与气动执行器配合使用的称Q型操作器，与电动配合使用的称D型操作器。调节器Q型操作器电/气转换器气动执行器0~10mA0~10mA0~10V20~100kPa手动来自调节器的直流电流统一信号，经Q型操作器输送到电/气转换器，转换成气压信号去控制气动执行器。电/气转换器912345678SNNNSS气源+-输出

电/气转换器简化原理图1-喷嘴2-挡板3-导磁件4-支点5-平衡锤6-波纹管7-放大器8-气阻9-调零弹簧电/气转换器原理电/气转换器是基于力矩平衡原理进行工作的。来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈后，产生一个电磁场。此电磁场把可动铁心磁化，并在磁钢的永久磁场作用下产生一电磁力矩，使可动铁心绕支点作顺时针转动。此时固定在可动铁心上的挡板便靠近喷嘴改变喷嘴和挡板之间的间隙。喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节。它能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏的变换成气压信号。气压信号经过气动功率放大器后产生的输出压力功率增大。此压力反馈到波纹管仲，便可在动铁心另一端产生一个反馈力矩，此力矩与线圈产生的电磁力矩相平衡，构成闭环系统。从而达到使输出压力与输入电信号成比例的变化。其防爆型式可分为一般型、安全火化型和安全防爆型。他们的输入信号为4~20mADC，输出信号为0.2x10~1.0x10Pa,这种转换器可用来直接推动气动执行机构或作远距离的传送。66阀门定位器作用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使用，接受调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的输出信号控制气动执行器。1、改善阀的静态特性：只要调节器输出气压略有改变，经过喷嘴-挡板系统及放大器的作用，就可使通往调节阀膜头的气压有大的变动，以克服阀杆的摩擦和消除调节阀补平衡力的影响，从而保证阀门位置按调节器发出的信号正确定位。2、改善阀的动态特性：定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。3、改变阀的流量特性：通过改变定位器反馈凸轮的形状，可使调节阀的线性、快开，等百分比流量特性互换。4、用于分程控制：用一个调节器控制两个以上的调节阀，使他们分别在信号的某一个区段内完成全行程移动。5、用于阀门的反向动作：采用反作用式定位器可使气开阀变为气关阀，气关阀变为气开阀。阀门定位器工作原理885379106ps411321p11513141612p2

配薄膜执行器的阀门定位器结构原理图p阀门定位器工作原理气动阀门定位器接受调节器的输出信号，然后产生与调节器输出信号成比例的气压信号去控制调节阀，它是按力矩平衡原理工作的。当通入波纹管1的信号压力p1增加时，主杠杆2绕其支点15逆时针转动，使挡板13靠近喷嘴14，从而使喷嘴背压上升，经单向放大器16放大后送入薄膜室8，使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4移动，反馈凸轮5跟着做逆时针方向转动，通过滚轮10使副杠杆6绕其支点7转动，并将反馈弹簧11拉伸，当反馈弹簧对主杠杆2的压力与信号压力p对主杠杆2的推力达到力矩平衡时，定位器达到力矩平衡，一定的信号压力就对应于一定的阀门位置。其中弹簧12是用来调整零位的，即输入信号压力的下限值应对应阀杆位移的始点。弹簧3是用来实现零点迁移的，即改变输入信号的下限值。定位器有正作用和反作用两种，当信号压力增加时，输出压力也增加为正作用；当信号压力增加时，输出压力减小为反作用。电/气阀门定位器的工作原理电/气阀门定位器接受电动调节器或DCS控制器的输出为0~10mA或4~20mA的直流信号，输出为气压信号，去操纵气动薄膜调节阀或活塞式调节阀。它能够起电气转换器和气动阀门定位器两种作用。电/气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的，只要把上图中气动阀门定位器的波纹管换成力矩马达就可以了。当信号电流通过力矩马达的线圈两端时，与永久磁钢作用后，产生一个对主杠杆2的力矩。其余和薄膜执行器的阀门定位器工作原理一样。电动执行单元

电动单元组合仪表中的执行单元将4~20毫安的直流输入信号转换成相应的机械位移（0~90度转角或直线位移），用以操纵调节系统中的调节机构，从而实现自动调节。执行单元主要有角行程（DKJ型）电动执行器和直行程（DKZ型）电动执行器两种，它们都是以电动为动力的位置伺服机构，所以统称为电动执行器。这两种执行器的电器原理完全相同，只是减速器有别，从而输出的机械位置不一样，角行程执行器将信号转变为角位移量而直行程执行器将信号转变为线位移量。电动执行器原理及用途DKJ型电动执行器是电动单元组合仪表中的执行单元。其接受调节器或者操作单元来的4~20毫安直流电流信号，将其线形的转换成0~90度的机械转角，用于操纵风门，蝶阀，挡板等执行元件，以完成调节任务。角行程电动执行器包括伺服放大器和执行机构两个独立部件。伺服放大器包括前置磁放大器，触发器及伺服电机控制电路；执行机构包括伺服电机，减速器及位置发送器等部件。电动执行器原理及用途当有信号输入时，伺服放大器便把输入信号Isr与位置反馈信号If相比较，两者的偏差经放大后，控制伺服电机正转或反转，又经减速器减速后，输出轴就得到低转速的大力矩，从而带动执行机构在0~90度转角范围内变化。同时输出轴的转角又经位置发送器转换为相应的0~20mA的直流电If,这个电流被反馈到伺服放大器的输入端，作为负反馈信号。当位置反馈信号与输入信号数值相等时，伺服机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。电动执行器接线原理图伺服放大器手操器伺服电机减速器位置发送器输出轴IsrIf二相伺服电机NLNK电动执行器的组成1、伺服电动机：伺服电动机是执行机构的动力部件，其用途是把晶闸管开关输出的电功率变成机械转矩。其工作原理是：由于分相电容的作用，两个绕组中电流的相位差为90˚电角度，从而在定子绕组中产生旋转磁场，使转子绕组中产生感应电流并相应的产生旋转磁场。两个旋转磁场相互作用，使转子转动，其转动方向同旋转磁场的转动方向是一致的。当分相电容与某一绕组串联时，电机正传，当分相电容与另一绕组串联时，电机反转。2、减速器：减速器的作用是把伺服电动机的高转速小转矩的机械功率转换成低转速大转矩的输出功率，以适应调节机构的工作特性。减速器的输出轴上装有摇臂，再由连杆带动调节机构。机座上装有上、下限机械限位装置，以保护调节机构不被损坏。手柄可供现场使用。3、位置发送器：位置发送器有差动变压器、整流电路、零点补偿电路、稳压电路和机械部分等部件组成。其作用是将输出轴的转角转换成4~20mA直流电流信号，，用以指示调节机构的开度，并送到前置磁放大器的反馈绕组，实现中间位置的平衡。电动执行器的校验14123456789101112134~20mA~220V1K2K3K1KΩ按照如图进行接线，合上电源开关“1K”，将电机端盖的手柄放在“手动”位置，摇动手轮，使输出轴移动到最小行程处，调整位置发送器的差动变压器线圈位置，使输出电流最小，调整电位器W2使输出电流为4mA；摇动手轮，将输出轴转动到最大行程处，调整电位器W1，使输出电流为20mA。再重复一次，如输出值不变，则表明调整完毕。操作按钮“2K”，输出轴应顺时针旋转，；操作按钮“3K”，输出轴应逆时针旋转，同时位置发送器的输出电流应能和转角一一对应。电动执行器的使用及维护1、电动执行器使用前应按规定进行检查、校验，外观是否符合规定要求。特别注意根据调节阀的力矩合理选择执行器的扭矩大小。2、电动执行器的减速器内在出厂时已加注高级润滑油，使用时只需要在齿轮箱内按照要求加注机油，同时不要超过规定的界面。3、电动执行器投入运行前应检查现场的电源电压是否与规定的相符；同时按规定的电气安装接线图检查所有接线是否正确，各端子接线应牢靠。4、执行器的安装1、注意阀门的实际开关位置（一般阀门的开关标志或键槽位置）2、注意阀门的安装方向3、摇臂式安装注意是否有死点4、执行机构输出臂与阀门力臂应在同一平面内，向外≤10°，向内≤3°，杠杆与连接杆之间的角度在执行机构到达终点时必须不小于20°。5、阀门位置与执行机构涡轮箱位置的对应问题电子式执行机构

随着科学技术的不断发展，现在出现了电子式执行机构，只要输入4~20毫安的直流控制信号，即可控制执行器进行相应的动作，具有结构紧凑，调整方便，性能可靠等特点。这种执行机构实际上是伺服放大器与执行机构组合在一起的执行器，其工作原理与原执行器是相同的。根据生产厂家的不同，其调整方式也不一样，但其工作原理基本相同，其主要故障常出在集成的伺服放大及反馈控制器、位置电位器、启动电容等组件。电动执行机构的故障

提高电动执行机构的可靠性，就要尽可能减少和消除故障，而事实上这种故障是多种多样的。有的是某一元件失灵引起的，有的是系统中元件/组件综合因素引起的，有的则是电气、二次回路以及外界因素引起的。有些故障通过调整的方法就可以解决，有的则是由于使用时间长、精确度差，需要修配、更换部件才能恢复其性能，也有些是因原始设计不周，需改进才能排除。电动执行机构的故障特征调试阶段故障新电动执行机构的故障问题比较复杂，其特征是设计、制造、安装及管理等质量问题交织在一起。常见故障有泄漏严重、速度难以调整稳定，脏物或油污使传动机构卡涩或动作失灵。某些组件漏装或装错弹簧、密封件，也有属于设计欠妥，元件选择不当，动作不平稳、定位精确度差等，对待这类故障，应耐心细致、慎重处理，逐一排除。电动执行机构的故障特征运行初期和中期故障调试后进入正常生产阶段的故障特征有：少数密封件由于装配质量和材料质量问题短期内损坏而漏油；原先粘附在管壁、孔壁上的毛刺、粘沙、杂质和脏物脱落导致某些元件工作不稳定。一般到运行中期，系统元件/组件处于最佳运行工作状态，故障率较低。电动执行机构的故障特征运行后期故障电动执行机构运行一段时间后，各类元件/组件因工作频率和负载条件的差异，各易损件先后磨损超标。这个阶段的故障特征是位置反馈接触不良、定位精确度差、稳定性下降、效率显著降低、故障率逐渐增加。这时应全面检查，更换失效部件，不应有凑合、对付想法，应科学、严格地下决心投资,予以全面修复，否则可能给运行人员带来很多麻烦，甚至严重影响机组的正常调节和控制。电动执行机构的故障特征偶发性、突发性故障这类故障在时间上表现为偶然突变，故障区域及产生原因较为明显，由非人为和人为因素造成，如位置反馈器件接触不良、刹车片磨损及“抱死”、零部件损坏、线圈烧坏、密封件失效等。执行机构常见故障分析分相电容故障：分相电容可以使与之串联的定子绕组上的交流电压与另一定子绕组上的交流电压产生90度的相位差，从而形成合成的旋转磁场，产生启动力矩，使转子转动。其转动方向则取决于分相电容串联在哪一个定子绕组上。所以分相电容CD的作用，一是产生启动力矩，二是改变旋转方向。如CD断路，则合成旋转磁场无法产生，也就没有启动力矩，电机就不会启动。如CD短路，则电机两绕组同时通入同相电流，电机处于电气制动状态，不会转动。有时故障还会表现为执行机构通电后给关信号执行机构先全开后再全关；或给执行机构一定的开度信号，执行机构先全关后再回到给定位置，故障原因是电机分相电容容量降低或软击穿。执行机构常见故障分析

电源故障：

执行机构的电源故障主要表现为电源开关无法送电或虽然能够送电，但进行操作时开关跳闸。前者一般为电源线路故障，可以检查线路绝缘，看有无电缆接地或粘连现象。可用万用表或兆欧表对线路健行测试（注一定将执行器的插头拔下，同时将电源开关接线处解下）一是对线间进行测试，一是对接地进行测试，绝缘电阻应不小于20兆欧；后者一般是电源开关选择过小，更换开关即可。可根据执行器的大小合理选择开关容量，一般310型执行器不小于3A，410型及以上一般不小于5A,根据具体使用的执行期合理选择开关容量的大小

。执行机构常见故障分析

电机故障：

断开控制回路，电机的中线接零线，用火线先后短接分相电容的两个点，如果执行机构能开关动作，则电机一般没有问题。如果执行机构不能动作，且检查分相电容正常，则应检查电机绕组是否断路或短路。可切断执行器电源，用万用表测量电机绕组，其对应的是电机的3、8线即电机的正反转。由于执行器的型号不同，其正反转的绕组电阻大小也不相同，但是用万用表测量时

，中心抽头和两绕组的电阻应基本是相等的，两绕组的电阻应为中心抽头和两绕组的电阻之和。同时要检查电机线圈接地情况，进一步排查电机故障。执行机构常见故障分析执行机构震荡：对整个调节系统而言，电动执行器振荡属小回路振荡，调节系统是大回路振荡，它们在现象和特征上是有区别的。从现象看，执行器本身振荡时，阀位指示表指针上下波动，而被调参数及调节器输出却无明显变化。调节系统振荡时，除执行器本身振荡外，调节器输出随被调量的波动而产生有一定规律的振荡。从特征看，执行器振荡的频率较高，周期较短。调节系统振荡的频率较低，周期较长，被调量、调节器输出及执行器振荡频率基本相同。执行机构常见故障处理故障现象原因分析检查方法排除方法接通电源后输出轴就朝一个方向转动①相线与中线接反②保险丝断③线路断开或各接点接触不良④电机绕组断路或短路⑤分相电容击穿或失效⑥固态继电器断路损坏⑦放大器前级故障用试电笔检查中线与相线目测、用万用表测试目测或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

用导线短接固态继电器之交流输出两接点，电机不转或有声响

用导线短接固态继电器之交流输出两接点，电机转动

对调重新接好

更换保险管

对脱焊重新焊好，对接触不良要重新接好或更换不良零件更换电机

电容更换固态继电器

依次检查前级输出直流电源及无器件，对损坏元件更换

执行机构常见故障处理故障现象原因分析检查方法排除方法执行机构不动作①放大器前级不调零②反馈两条线接反

③放大器输出两条线接反④固态继电器击穿

用万用表量在无信号时放大器前级输出

用万用表检查反馈电流方向

用调接两条线方法

用断开固态继电器交流输出接点方法或用万用表量

断开输入信号和反馈信号重新调零更改接线更改接线更换固态继电器执行机构常见故障处理故障现象原因分析检查方法排除方法执行机构只能向一个方向转动①一路输出断路、固态继电器损坏或输出电路断线

②控制电路一路失效