智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于邯鄲鋼燒結(jié)和球團(tuán)廠。智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將調(diào)節(jié)器發(fā)送的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線位移或角位移，驅(qū)動(dòng)閥門、擋板等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門的自動(dòng)控制領(lǐng)域。
   開發(fā)應(yīng)用
   隨著現(xiàn)代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)管理的發(fā)展，我國(guó)儀器儀表行業(yè)綜合技術(shù)水平普遍提高，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于儀器儀表產(chǎn)品中，大部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了初步的智能化。智能電動(dòng)執(zhí)行器智能控制、保護(hù)等級(jí)高、控制精度高、重量輕、穩(wěn)定性好，位置控制基本誤差±1%重復(fù)性誤差(設(shè)定行程時(shí)間)≥25s）≤1%采用全封閉一體化結(jié)構(gòu)；傳動(dòng)系統(tǒng)采用螺母式，傳動(dòng)穩(wěn)定，承載能力強(qiáng)，傳動(dòng)精度高；自診斷、自調(diào)整和PID調(diào)整功能。然而，與國(guó)際先進(jìn)的智能電動(dòng)執(zhí)行器相比，現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)電動(dòng)執(zhí)行器仍然落后于控制模式，不能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求進(jìn)行參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，不能形成遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)，安全防爆性能遠(yuǎn)低于氣動(dòng)執(zhí)行器。
   隨著高科技技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)外開發(fā)了新一代智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品。這些智能電動(dòng)執(zhí)行功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單可靠、先進(jìn)的技術(shù)，不僅具有智能通信、智能控制、支持各種現(xiàn)場(chǎng)總線功能，而且獨(dú)特的雙密封系統(tǒng)和紅外非侵入設(shè)置使其可用于任何環(huán)境、防水防爆、終身可靠、調(diào)試和故障排除，實(shí)現(xiàn)智能電子集成、變頻變速定位、監(jiān)控等功能。代表世界先進(jìn)水平的美國(guó)公司JORDAN公司和LIMITORQUE公司等。
   機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
   智能通信技術(shù)
   智能電動(dòng)執(zhí)行器利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向通信PID調(diào)節(jié)、在線自動(dòng)標(biāo)定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能。國(guó)外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化（FactoryAutomation）近十年來，工程技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。電動(dòng)執(zhí)行器作為自動(dòng)控制中的自動(dòng)化儀器之一，也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等。)和特殊的局域網(wǎng)接口，為了增強(qiáng)其與其他控制設(shè)備之間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器要一根電纜或光纜?，F(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀器與控制室自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的串行、數(shù)字、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。Interent現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的4~20mA實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器的遠(yuǎn)程監(jiān)控、狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳輸，遠(yuǎn)程參數(shù)化工作的完成提高了其可靠性，降低了系統(tǒng)和工程成本。主要有影響力的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS，F(xiàn)F，HART，CAN等等，目前國(guó)外智能電動(dòng)執(zhí)行器一般都有現(xiàn)場(chǎng)總線接口，我國(guó)也開發(fā)了一些帶現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能執(zhí)行器。
   機(jī)電一體化
   電子電路的高度集成、單片機(jī)的使用和一些功能強(qiáng)大的模塊的使用使電動(dòng)執(zhí)行器的體積越來越小，并向小型化和輕型化發(fā)展。目前，智能電動(dòng)執(zhí)行器一般將整個(gè)控制電路安裝在現(xiàn)場(chǎng)儀器中，并將伺服電機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)儀器控制器安裝在一起。電動(dòng)執(zhí)行器的集成簡(jiǎn)化了執(zhí)行器的安裝和調(diào)試；將整個(gè)控制電路安裝在現(xiàn)場(chǎng)儀器中，減少了信號(hào)傳輸中泄漏和干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。
   新型智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相結(jié)合，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好。
   數(shù)字化、智能化
   智能化是所有工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)。低成本單片機(jī)和新型高速微處理器將完全取代基于模擬電子設(shè)備的電動(dòng)執(zhí)行器的控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)將原始硬件控制轉(zhuǎn)化為軟件控制，使現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如最佳控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）能夠應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行器，以提高控制性能。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行器通常被視為線性系統(tǒng)，但事實(shí)上，大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生顯著變化。應(yīng)用參數(shù)調(diào)整和模型識(shí)別自適應(yīng)控制將大大提高電動(dòng)執(zhí)行器的控制性能。更先進(jìn)的控制策略有利于解決電機(jī)慣性問題，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，提高控制精度。Nucom電動(dòng)執(zhí)行器采用先進(jìn)的電動(dòng)制動(dòng)技術(shù)，控制精度可達(dá)1/250，是國(guó)內(nèi)普通型DKZ及DKJ電動(dòng)執(zhí)行器的控制精度一般為2.5/100。
   與氣動(dòng)和液動(dòng)執(zhí)行器相比，接線簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、使用可靠的智能電動(dòng)執(zhí)行器將繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
   工作原理
   以奧地利SCHIEBEL以智能電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，其電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由專用可編程控制器、電子行程、電子扭矩、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、功率擴(kuò)展模塊、人機(jī)界面（HMI）、紅外控制器、手動(dòng)操作電路等。特殊的可編程控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它接收各種信號(hào)，并在邏輯處理后做出反應(yīng)，決定是否驅(qū)動(dòng)和如何驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并向用戶反饋各種狀態(tài)信號(hào)。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)效果圖

   控制器以RISC以微處理器為核心CSC控制器具備強(qiáng)大的功能，可完成模擬輸入、編碼器信號(hào)的高速采集、內(nèi)置PROFIBUS通信協(xié)議等特殊功能。用于控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程控制和故障診斷報(bào)警。采用通用編程語言，加強(qiáng)了控制系統(tǒng)軟件的可移植性和可擴(kuò)展性。

圖2 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

   人機(jī)界面（HMI）
   智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)人機(jī)界面（HMI）由一塊128×64點(diǎn)陣液晶顯示模塊、6個(gè)磁控開關(guān)和紅外接收器。整個(gè)人機(jī)界面通過RS485接口和專用可編程序控制器進(jìn)行通信，可把輸入指令傳遞到專用可編程序控制器，并在液晶顯示模塊上顯示相應(yīng)的狀態(tài)和提示信息。人機(jī)界面也具備二次開發(fā)的功能，采用一個(gè)小型的組態(tài)軟件，在計(jì)算機(jī)上繪制好各種狀態(tài)頁面，然后下載到人機(jī)界面中，具有直觀、靈活的特點(diǎn)。
   電子力矩
   電子扭矩的實(shí)現(xiàn)采用了電阻應(yīng)變?cè)怼Ｔ谖仐U上連接一個(gè)帶有4個(gè)電阻應(yīng)變片的彈性變形體。輸出扭矩的大小反映了彈性變形體的變形量，電阻應(yīng)變片的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生了變化。為了反映開關(guān)扭矩的變化，設(shè)計(jì)采用雙向推拉結(jié)構(gòu)，電子扭矩輸出不受力DC5V電壓，開向受力時(shí)輸出DC5～10V，輸出關(guān)向受力DC0～5V。電子力矩直接實(shí)時(shí)測(cè)量，線性度和精度可達(dá)1%以內(nèi)，遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的7%。
   電子行程
   電子行程是實(shí)現(xiàn)智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)非侵入調(diào)試的關(guān)鍵部件，就像電子扭矩一樣。電位器通常用于國(guó)內(nèi)類似的產(chǎn)品。高精度塑料導(dǎo)電電位器將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的機(jī)械變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入控制器，參與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)整和控制。同時(shí)，信號(hào)也轉(zhuǎn)換為閥位移開啟度，通過顯示板顯示閥開啟度百分比。雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行一段時(shí)間后，各部件/部件由于工作頻率和負(fù)載條件，位置反饋接觸不良、定位精度差、穩(wěn)定性下降、效率顯著降低、故障率逐漸增加，給操作人員帶來諸多不便，甚至嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常調(diào)整和控制。使用絕對(duì)編碼器可以有效地避免這個(gè)問題，確保輸出代碼和機(jī)械位置的一致性。輸出格雷代碼（GrayCode，簡(jiǎn)稱G代碼)是典型的循環(huán)代碼，相鄰的兩組代碼只有一個(gè)代碼不同，而且是循環(huán)的。
   電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
   CMR用于驅(qū)動(dòng)各種閥門的電動(dòng)執(zhí)行種閥門的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制要求。CMR將系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)成集成在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的系統(tǒng)控制模塊，附加執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器可以滿足定位元件的控制要求。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制功能CMR設(shè)置，不需要更改接線，也不需要在項(xiàng)目開始時(shí)確定相關(guān)接線。通過邏輯板PAL(可編程控制器邏輯)DIP開關(guān)設(shè)置快速方便地實(shí)現(xiàn)了功能設(shè)置。監(jiān)控功能和狀態(tài)顯示使啟動(dòng)更容易，可以優(yōu)化日常維護(hù)，從而確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠行動(dòng)。具有電機(jī)控制、相位順序控制、相位丟失控制、行程止損和扭矩止損特性設(shè)置、功能監(jiān)控、信號(hào)發(fā)送、故障選擇狀態(tài)、自診斷等功能。
   軟件設(shè)計(jì)
   要實(shí)現(xiàn)智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程控制和故障報(bào)警的管理和控制，關(guān)鍵在于專用可編程控制器的程序設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。專用可編程控制器采用編程軟件編程，整個(gè)程序由主程序和多個(gè)子程序組成。輸入可編程控制器的信號(hào)包括上位機(jī)的操作命令和現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)。操作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)或監(jiān)控室控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過程序的不斷掃描，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)控制和電源故障、電機(jī)過熱、扭矩故障和機(jī)械故障的報(bào)警功能?？删幊炭刂破魍ㄟ^RS485接口通過人機(jī)界面與人機(jī)界面通信（HMI）反饋設(shè)備狀態(tài)和紅外控制器的操作信號(hào)。該系統(tǒng)還設(shè)置了追逐和查詢歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，便于維護(hù)。

圖3

   結(jié)束語
   電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展將促進(jìn)電動(dòng)執(zhí)行器的快速發(fā)展：機(jī)電一體化將取代分裂結(jié)構(gòu)；智能通信取代模擬信號(hào)通信；控制精度越來越高，使用環(huán)境越來越廣泛。功能更強(qiáng)、可靠性更高的智能電動(dòng)執(zhí)行器必須能夠滿足自動(dòng)控制不斷發(fā)展的要求。
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