执行机构的应用

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1、执行机构讲义 一、执行机构的由来 执行机构，又称执行器，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备（器件） ，是自动化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备。主要是对一些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。按动力类型可分为气动、液动、电动、电液动等几类；按运动形式可分为直行程、角行程、回转型（多转式）等几类。由于用电做为动力有其它几类介质不可比拟的优势，所以电动型近年来发展最快，应用面较广。电动型按不同标准又可分为：组合式结构和机电一体化结构；电器控制型、电子控制型和智能控制型（带 HART、FF 协议） ；数字型和模拟型；手动接触调试型和红外线遥控调试

2、型等。它是伴随着人们对控制性能的要求和自动控制技术的发展而迅猛发展的： 1 早期的工业领域，有许多的控制是手动和半自动的，在操作中人体直接接触工业设备的危险部位和危险介质（固、液、气三态的多种化学物质和辐射物质） ，极易造成对人的伤害，很不安全； 2 设备寿命短、易损坏、维修量大； 3 采用半自动特别是手动控制的控制效率很低、误差大，生产效率低下。 基于以上原因， 执行机构逐渐产生并应用于工业和其它控制领域， 减少和避免了人身伤害和设备损坏，极大的提高了控制精确度和效率，同时也极大提高了生产效率。今年来随着电子元器件技术、 计算机技术和控制理论的飞速发展， 国内外的执行机构都已跨入智能控制的时

3、代。 二、执行机构的英文名：ACTUATORS 三、执行机构的应用领域 执行机构主要应用在以下三大领域： 1 发电厂 典型应用有： 火电行业应用 送风机风门挡板 一次进风风门挡板 空气预热风门挡板 烟气再循环 旁路风门挡板 二次进风风门挡板 主风箱风门挡板 燃烧器调节杆 燃烧器摇摆驱动器 液压推杆驱动器 叶轮机调速 烟气调节阀 蒸气调节阀 球阀和蝶阀控制 滑动门 闸门 其它电力行业的阀门执行器应用 球阀 除尘控制喷水 叶轮机转速控制 控制大型液压阀 燃气控制阀 燃烧器点火启动 蒸气控制阀 冷凝水再循环, 脱氧机，锅炉给水，过热控制 器，再加热恒温控制器，及其它相关阀门应用 2 过程控制 用于化

4、工、石化、模具、食品、医药、包装等行业的生产过程控制，按照既定的逻辑指令或电脑程序对阀门、刀具、管道、挡板、滑槽、平台等进行精确的定位、起停、开合、回转，利用系统检测出的温度、压力、流量、尺寸、辐射、亮度、色度、粗糙度、密度等实时参数对系统进行调整，从而实现间歇、连续和循环的加工过程的控制。 3 工业自动化 用于较为广泛的航空、航天、军工、机械、冶金、开采、交通、建材等方面，对各类自动化设备和系统的运动点（运动部件）进行各种形式的调节和控制。 过程控制和工业自动化方面的主要应用举例如下： 在硫矿生产中的应用 注水流量控制 球阀和碟阀控制 碳酸钾管道阀门执行器的应用 滑动门 分流器 闸门 球阀和

5、蝶阀 球型控制阀 水处理阀门执行器的应用 液流流量控制 调压阀压力控制 酸溶液流量控制 石灰石/水泥厂阀门执行器的应用 球或蝶阀控制 处理干水泥，石膏，或液体 送风和引风机 调节型风门挡板 旁路风门挡板 环境污染控制和除尘装置 滑动门 对在料斗和储藏库的原材料进行物流控制 闸门 控制原材料在进料口的流量 燃气控制阀 调节转炉上燃烧器进气量 蒸气控制阀 控制生产过程所需的蒸气 在谷物加工厂执行器的应用 闸门 分流阀 分配器 物料卸货器/加热器 除尘隔离挡板 气流控制(物流干燥) 球阀和蝶阀控制 钢厂风门挡板和阀门执行器的应用 球或蝶阀控制 控制冷却水，废水，或其它冷却介质 调节型风门挡板 送风和

6、引风机 旁路风门挡板 闸门 环境污染控制和除尘装置 滑动门 控制原材料在进料口的流量 对在料斗和储藏库的原材料进行物流控制 燃气控制阀 蒸气控制阀 调节转炉上燃烧器进气量 控制生产过程所需的蒸气 铝厂风门挡板和阀门执行器的应用 送风机风门挡板 一次进风风门挡板 空气预热风门挡板 烟气再循环 旁路风门挡板 二次进风风门挡板 主风箱风门挡板 燃烧器调节杆 燃烧器摇摆驱动器 液压推杆驱动器 叶轮机调速 烟气调节阀 蒸气调节阀 球阀和蝶阀控制 滑动门 闸门 过程控制挡板的应用 空气补充 排风机旁路 热/冷风混和 应急关断 在石油工业中的应用 注油工艺流量控制 气举管路主阀门压力控制 注水工艺流量控制

7、油井油质采样试验 / 生产用阀门 在天然气生产和输送工业的应用 气举气流流量控制 气管路主阀门压力控制 压缩机喘振控制 天然气压力控制 天然气管路主阀门压力控制 应急关断 天然气调压器控制 压力控制 压缩机喘振控制 流量控 现代化的火电厂是一个庞大而又复杂的生产电能与热能 的工厂。 它由下列 5 个系统组成： 燃料系统：完成燃料输送、储存、制备的系统。燃煤电厂具有卸煤设施、煤场、上煤设施、煤仓、给煤机、磨煤机等设备；燃油电厂备有油罐、加热器、油泵、输油管道等设备。 燃烧系统:完成燃料燃烧过程,使燃料化学能转化为蒸汽热能的系统。主要有燃烧器、炉膛、送风机、引风机、除尘器、除灰设备等。 汽水系统：

8、完成蒸汽热能转化为机械能的系统。主要有锅炉的汽水部分、汽轮机及其辅助设备，如凝汽器、除氧器、回水加热器、给水泵、循环水泵、冷却设备等。 电气系统：完成机械能转化为电能的系统。主要有发电机、主变压器、断路器、隔离开关、母线等。 控制系统：完成生产过程中的参数测量及自动化监控操作的系统。 在上述系统的所有设备中， 最主要的设备是锅炉、汽轮机和发电机，它们安装在发电厂的主厂房内。主变压器和配电设备一般是安装在独立的建筑物内和户外；其他辅助设备如给水系统、供水设备、水处理设备、除尘设备、燃料储运设备等，有的安装在主厂房内，有的则是安装在辅助建筑中或在露天场地。火电厂生产电能的流程如图所示（ 火力发电的

9、基本生产过程是,燃料在锅炉中燃烧,将其热量释放出来，传给锅炉中的水，从而产生高温高压蒸汽；蒸汽通过汽轮机又将热能转化为旋转动力，以驱动发电机输出电能。 大中型燃煤的火电厂，一般采用煤粉炉，其生产过程是:将进厂的原煤经碎煤机破碎、磨煤机磨成煤粉,用热风吹送，喷入锅炉炉膛，通过煤粉燃烧生成的高温烟气,首先加热炉膛内的水冷壁管与过热器管,然后经过烟道内的再热器、省煤器和空气预热器而进入除尘器，在清除烟气中的飞灰之后，通过烟囱排入大气。 水在锅炉炉膛内生成饱和蒸汽，通过过热器时，继续被烟气加热而变为过热蒸汽，经主蒸汽管送入汽轮机，并在汽轮机内膨胀作功后，进入凝汽器凝结成水。该凝结水经低压回热加热器进入

10、除氧器，再经给水泵、高压加热器送入锅炉。从汽轮机某个中间级抽出一部分蒸汽，分别送入回热加热器和除氧器，供回热给水和加热除氧。为了补偿蒸汽和水的损失，还须将经过化学处理的补充水加入除氧器，除氧器出来的水才能供给锅炉使用。为使蒸汽在凝汽器内凝结成水，还必须不断用循环水泵将冷却水送入凝汽器中的冷凝管内进行热交换，这就又形成一个冷却水系统。冷却水或直接来自江、河、湖泊并排放入江、河、湖泊，或在冷却塔式喷水池中与大气进行热交换以重复使用。 过热蒸汽进入汽轮机以后，推动转子转动，带动发电机旋转发电，再通过一系列电气设备及输电线路送至用户。这就是一般的大中型凝汽式燃煤火电厂的生产过程。 例如例如：热电厂 2

11、 600MW 的招标顺序 第第一批辅机一批辅机 1 烟气脱硝装置烟气脱硝装置 2 静电除尘器静电除尘器 3 中速磨煤机中速磨煤机 4 给煤机给煤机 5 电动给水泵，气动给水泵电动给水泵，气动给水泵 6 凝结水泵凝结水泵 7 高压加热器高压加热器 8 除氧器除氧器 9 汽机房桥式起重机汽机房桥式起重机 第二批辅机第二批辅机 1 送风机 2 引风机 3 一次风机 4 灰库卸灰设备 5 飞灰分选系统 6 碎煤机 7 滚轴筛 8 凝结水精处理系统 9 闭式循环冷却水泵 10 闭式循环水冷却器 11 二次滤网、滤水器 12 给水泵汽轮机 13 凝汽器胶球清洗装置 14 水环真空泵 15 给水泵 16 板

12、框式旋转滤网 17 拦污栅 清污机 18 循环水泵 19 主变压器 20 高启变 21 高厂变高公变 22 GIS 组合电器(7 个断路器间隔、2 个 PT 间隔) 23 凝结水泵高压变频器 24 锅炉客货两用电梯 第三批辅机第三批辅机 1气 力除灰系统 2干式除渣系统设备 3磨煤机过轨吊 4 启动锅炉 5 圆形煤场堆取料机 6 皮带机 7 皮带秤及链码装置 8 入厂、入炉取样装置 9 活化给煤机 10 给水液动三通阀 11 汽轮机高低压旁路装置 12 循环水泵出口液控蝶阀 13 循环水系统钢闸门 14 循环水、工业水系统蝶阀 15 循环水 PCCP 管 16 汽水取样装置 17 化学加药装置

13、 18 化学水箱 19 化学加氧装置 20 柴油发电机 21 发变组保护、起备变保护和 微机型自动准同期装置 22单控及网控直流电源 23UPS 装置24炉管泄漏检测系统 25火焰检测系统 26飞灰含碳量检测系统 27 屋顶通风机 28 汽动给水泵组和碎煤机弹簧隔振系统 第四批辅机第四批辅机 1 启动锅炉锅炉除灰 2 油区设备 3 等离子点火系统 4 灰库气化风机及电加热器 5 空气压缩机 6 电磁除铁器输煤 7 圆形煤场网架土建 8 彩色涂层钢板 9 多管冲击式除尘器 10 组合式空调机组 11进口闸阀汽机12进口电动蝶阀13给水泵最小流量调节阀 14取水泵站双梁吊钩门式起重机水工 15 循

14、环水管道金属伸缩接头 16 旋转滤网冲洗水泵 17 雨水泵 18 供氢站化学19 电解海水制氯系统 20 工业废水集中处理系统 21 离相封闭母线电气一次 22 共箱封闭母线 23网络计算机监控系统电气二次24火灾报警系统 25输煤程控系统26全厂工业电视系统热控 第五辅机招标内容第五辅机招标内容 ：一、招标内容： 01、储气罐 锅炉 9 只 02、空气压缩机后处理装置 8 套 03、排污泵 10 台套 04、原煤仓疏松机械 12 台套 05、自启闭式防爆门 24 台 06、螺杆式水冷冷水机组 3 套 07、玻璃钢开式冷却塔 3 套 08、减温减压器 68 台 09、进口调节阀 10 套 10

15、、汽机房通用泵 6 台 11、含煤废水处理系统 3套 12、生活、生产、化学给水装置及控制装置 各 1 套 13、生活污水处理系统 2 套 14、消防给水装置及控制装置 1 套 15、 铸铁镶铜闸门和玻璃钢拍门 4 只 16、 雨水系统格栅除污机 2 台 17、 活性碳过滤器 （卧式四室叠装）系统 化学 1 套 18、锅炉补给水处理系统 5 台 19、6Kv 高压开关柜设备 电气 190 面 20、阴极保护系统 WZ2008-115 套 1 21、分散控制系统 热控 2 套 第六批辅机第六批辅机 1 非金属补偿器 2 金属补偿 3 风门及送粉管道可调缩孔(1. 一次风机出口电动关断风 2. 一

16、次风机冷风道电动关断风门 3 一次冷风联络电动关断风门 4. 送风机出口电动关断风门 5 冷二次风联络风道电动关断风门6一次风空预器出口电动关断风门7引风机入口烟道电动关断挡板门 8 引风机出口烟道电动关断挡板门 9 热风再循环管道电动关断挡板门 10 热风再循环管道电动调节风门 11 磨煤机入口冷风电动调节风门 12 磨煤机入口热风电动调节风门 13 磨煤机入口压力冷风气动隔绝风门14磨煤机入口热风气动关断风门)4燃油罐6电动三通挡板落煤管及输煤冲洗喷淋设施 7 皮带机用胶带 8 圆形煤场用盘煤仪 9 制冷站辅机设备 10 开式水滤水器 11汽机房箱罐包12润滑油净化装置13四大管道支吊架1

17、4水工排污泵15化学水处理站化工泵及立式自吸泵16原水预处理系统 17低压干式变压器18 电气监控管理系统ECMS 19辅助车间低压开关柜 20 主厂房低压开关 第八批辅机第八批辅机 1 本体保温材料 锅炉 2 主厂房钢结构防火涂料 3 玻璃钢屋顶通风机、轴流通风机等设备 暖通 4 空气处理机组、分体式空调器、风机盘管、防火阀等设备 5 泡沫消防设备 6 进口自动连接疏水器 汽机 7 活性炭 化学 8 照明检修箱 9 高压电力电缆 10 低压动力电缆 11 电气控制电缆 12 热工控制电缆 13 热工计算机电缆 14 热工补偿电缆15 SIS系统 16 辅助车间控制系统及全厂辅助车间集中监控系

18、统 第九批辅机第九批辅机 1 热力系统阀门(DN150mm)保温套 汽机 2 主厂房进口变送器 热控 3 热控进口成套仪表设备（包括进口工艺阀、进口仪表阀、进口过程开关、氧化锆、质量流量计、导波雷达液位变送器）4 热控国产仪表设备成套（孔板、测温元件、就地压力表、双金属温度计、连续防堵吹扫装置、特殊仪表、国产仪表阀门）5 风量测量装置 6 成套盘台柜（配电箱柜、电源柜、变送器柜等）7 风机盘管/新风机组/电动二通阀 暖通 8 化学瓷砂 9 电气实验室仪器设备 实验室设备 10 热工实验室设备 11 化学试验室仪器仪表 12 电瓶叉车 厂内车辆 13 装载机 14 推煤机 15 自卸湿粉煤灰渣密

19、闭运输车 16 仿真机 执行器阀门在各个部位的应用执行器阀门在各个部位的应用 锅炉锅炉 热一次风道 （磨煤机热风电动调节风门） 台 5 热二次风道 （锅炉进口电动调节风门） 台 5 磨煤机调温风道 （电动圆形关闭挡板风门） 台 15 烟道 （吸风机出口气动插板风门） 台 2 烟道 （空预器出口气动关闭挡板风门） 台 2 烟道 （除尘器出口气动挡板风门） 台 2 一次风机入口风门 台 1 进风室一次风(左右)风门 台 2 二次风机入口风门 台 1 引风机入口风门 台 1 返料风机出口风门 台 4 进返料器返料风风门 台 4 进返料器返料风风门 台 6 返料风泄压排空风门 台 1 一次点火风(左右

20、)风门 台 2 支二次热风(左右)风门 台 2 引风机出口风门 台 2 点火油回油电动阀 台 1 密封风风门 台 1 密封风风门 台 3 汽机汽机 1#除氧器除氧头及水箱 台 2 1#除氧器除氧头及水箱 台 2 1#除氧器水箱调节 台 2 2#除氧器水箱调节 台 2 给水泵再循环电动阀 台 8 凝结水精处理系统凝结水精处理系统 进出口母管 只 4 系统旁路自动阀门 只 2 前置过滤器旁路调节阀、混床旁路调节阀 只 4 前置过滤器进出口自动阀 只 8 混床进出口自动阀 只 12 混床再循环阀 只 8 前置过滤器排水阀 只 4 前置过滤器反洗水阀 只 4 前置过滤器压缩空气进气阀、排气阀；混床排水

21、阀 只 10 体外再生系统体外再生系统 混床树脂冲洗水阀 只 4 混床树脂进出口阀 只 12 混床树脂输送阀 只 4 混床压缩空气阀 只 2 混床排气阀 只 6 前置过滤器升压阀、混床升压阀 只 14 树脂输送阀、分离塔树脂进出口阀、阴塔树脂出口阀、阳塔树脂进口阀 只 7 分离塔顶部出水阀、 只 1 三塔罗茨风机进气阀、三塔顶部进水阀、分离塔底部排水阀、阳塔部排水阀、阴阳塔底部进水阀、 阴阳塔中部排污阀、 树脂管道冲洗水阀、阳塔冲洗水阀 只 14 罗茨风机排气阀 只 1 阳塔排气阀、阴塔排气阀 只 2 阴塔冲洗水阀、阴塔进碱阀、阳塔进酸阀 只 3 分离塔排气阀 只 1 三塔压缩空气阀 只 3

22、分离塔底部冲洗水阀 只 1 分离塔流量调节阀 只 1 电动执行机构电动执行机构 中文名称： 电动执行机构 英文名称： electric actuator 定义： 利用电作为动力源的执行机构。 对于执行机构最广泛的定义是：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。 定义定义 多回转电动执行机构 基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。 用于控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功

23、能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及 PID 控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。 因为越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用， 更要求执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩散同时将工厂损失减至最少。 对一些高压大口径的阀门，所需的执行机构输出力矩非常大，这时所需执行机构必须提高机械效率并使用高输出的电机，这样平稳

24、的操作大口径阀门。对于一些小扭矩的阀门，精小型的电动阀门也应用而生，相比普通性具有重量轻，结构紧凑，功能齐全等优点 结构原理结构原理 剖面图 以 MD 系列电动执行机构的整体式比例调节型为例。 MD 系列电动执行机构以交流伺服电动机为驱动装置的位皿伺服机构，由配接的位置定位器 PM-2 控制板接受调节系统的 420mA 直流控制信号与位置发送器的位置反馈借号进行比较，比较后的信号偏差经过放大使功率级导通，电动机旋转驱动执行机构的输出件朝着减小这一偏差的方向移动 （位置发送器不断将输出件的实际位置转变为电信号位盈反馈信号送至位致定位器），直到偏差信号小于设定值为止。此时执行机构的输出件就稳定在与

25、输人信号相对应的位置上。该系列角行程机构示意图如图 1、直行程机构示意图如图 2 所示，其实际使用接线图如图 3 所示。 MD 系列角行程调节电动执行机构由动力部件和位置定位器（PM-2 控制板）两大部分组成。 其中动力部件主要由电动机、 减速器、 力矩行程限制器、 开关控制箱、手轮和机械限位装置以及位置发送器等组成，其各部分作用简述如下： 1、电动机：电动机是特种单相或三相交流异步电动机，具有高启动力矩、低启动电流和较小的转动惯量，因而有较好的伺服特性。在电动机定子内部装有热敏开关 （详见图 3 所示） 做过热保护， 当电动机出现异常过热 （内部温度超过 130）时该开关将控制电动机的电路断

26、开以保护电动机和执行机构， 当电动机冷却以后开关恢复接通，电路恢复工作。为了克服惯性惰走，调节型电动执行机构的电动机控制电路均有电制动功能。 2、减速器：角行程执行机构采用行星减速加涡轮涡杆传动机构，既有较高的机械效率，又具有机械自锁特性。直行程执行机构的减速器由多转执行机构减速器配接丝杆螺母传动装置组成。 3、力矩行程限制器：它是一个设置在减速器内的标准单元，由过力矩保护机构、行程控制机构（电气限位）、位置传感器及接线端子等组成。 （1）过力矩保护机构：内行星齿轮在传递力矩时产生的偏转拨动嵌装在齿轮外圈的摆杆，摆杆的两端各装有一个测力压缩弹赞作为正、反向力矩的传感元件，当输出力矩超过设定限制

27、力矩时，内齿轮的偏转使摆杆触动力炬开关，切断控制电路使电动机停转。调整力炬限制弹资的压缩量即可调整力炬的限定值。该保护具有记忆功能，对应于接线图中的电器设备是力矩开关 LEF、LEO。当该保护动作以后， 在排除机械力矩故障后， 执行机构断电或信号瞬间反向一下即可恢复 （即记忆解除）正常工作。 （2）行程控制机构：由凸轮组和微动开关组成。该凸轮组通过齿轮减速装殷，与减速器传动轴相连，通过调整分别作用于正、反方向微动开关（即行程限位开关）的凸轮板的位置可限定执行机构的行程（行程开关 FCO，FCF）。该电气限位的范围在出厂时已经调好，一般情况下请勿随便调整，以免损坏机构。 （3）位置传感器：采用高

28、精度、长寿命的导电塑料电位器作为位置传感元件，它与凸轮组同轴连接，整体式比例调节型电动执行机构位置指示信号，是将电位器随输出轴行程变化的电阻值送入 PM-2 控制板的比较放大电路，并由它送出一个 4-20mA 的 DC 电流信号用于指示。 4、开关控制箱：在开关控制箱内装有 PM 电子位置定位器。 5、手轮：在故障状态和调试过程中，可通过转动手轮来实现手动就地操作。 6、机械限位装置：主要用于故障时以及防止手动操作时超过极限位置保护。角行程电动执行机构的机械限位采用内置扇形涡轮限位结构，外形体积小，限位可靠； 直行程电动执行机构的机械限位采用内置挡块型限位结构，可十分有效地保护阀座、阀杆、阀芯

29、。 位置定位器实质上是一个将控制信号与位置反馈信号进行比较并放大以控制电动机开停和旋转方向的多功能大功率放大板， 它与执行机构的动力部件相连以控制执行机构按系统规定的状态工作。位置定位器主要由比较、逻辑保护、放大驱动及功率放大等电路组成。 控制单相电动机的位置定位器功率放大部分主要由光电祸合过零触发固态继电器（无触点电子开关）构成。其主体部分示意如图 4所示。 需要注意的是“手动一自动”转换开关，该开关的作用是在没有外加信号时，与手动调整电位器 P1 配合使用，以便观察或调试执行机构。用后一定要将其拨回“自动”位世，以免影响投人系统自动控制。 阀门阀门 为了成功的实现过程自动化， 最重要的是要

30、确保阀门自身能够满足过程及管道内介质的特殊要求。通常生产过程和工艺介质能够决定阀门的种类，阀芯的类型以及阀内件和阀门的结构和材料。 阀门选择好后接下来就要考虑自动化的要求即执行机构的选择。 可以简单的按两种基本的阀门操作类型来考虑执行机构。 旋转式阀门旋转式阀门 这类阀门包括：旋塞阀、球阀、蝶阀以及风门或挡板。这类阀门需要已要求的力矩进行 90 度旋转操作的执行机构 多回转多回转阀门阀门 这类阀门可以是非旋转提升式阀杆或旋转非提升式杆， 或者说是他们需要多转操作去驱动阀门到开或关的位置。这类阀门包括：直通阀（截止阀）、闸阀、刀闸阀等。 作为一种选择，直线输出的气动或液动气缸或薄膜执行机构也开来

31、驱动上述阀门。 类型类型 目前共有二种类型的电动执行机构， 一般分为部分回转电动执行机构 （Part-Turn Electric Valve Actuator)， 和多回转电动执行机构 （Multi-Turn Electric Valve Actuator),前者主要控制需要部分回转的阀门 例如：球阀，蝶阀等，后者需要多圈数旋转的阀门，例如闸阀等。 电动多回转式执行机构电动多回转式执行机构 电力驱动的多回转式执行机构是最常用、 最可靠的执行机构类型之一。使用单相或三相电动机驱动齿轮或蜗轮蜗杆最后驱动阀杆螺母，阀杆螺母使阀杆产生运动使阀门打开或关闭。 多回转式电动执行机构可以快速驱动大尺寸阀门。

32、为了保护阀门不受损坏，安装在在阀门行程的终点的限位开关会切断电机电源，同时当安全力矩被超过时，力矩感应装置也会切断电机电源，位置开关用于指示阀门的开关状态，安装离合器装置的手轮机构可在电源故障时手动操作阀门。 这种类型执行机构的主要优点是所有部件都安装在一个壳体内，在这个防水、防尘、防爆的外壳内集成了所有基本及先进的功能。主要缺点是，当电源故障时，阀门只能保持在原位，只有使用备用电源系统，阀门才能实现故障安全位置（故障开或故障关） 电动单回转式执行机构电动单回转式执行机构 这种执行机构类似于电动多回转执行机构，主要差别是执行机构最终输出的是1/4 转记 90 度的运动。新一代电动单回转式执行机

33、构结合了大部分多回转执行机构的复杂功能，例如：使用非进入式用户友好的操作界面实现参数设定与诊断功能。 单回转执行机构结构紧凑可以安装到小尺寸阀门上， 通常输出力矩可达 800 公斤米，另外应为所需电源较小，它们可以安装电池来实现故障安全操作。 选择要素选择要素 选择一台合适的阀门执行机构类型和规格时必须考虑下列要素： 驱动能源驱动能源 最常用的驱动能源是电源或流体源，如果选择电源为驱动能源，对于大尺寸阀门一般选用三相电源，对于小尺寸阀门可选用单相电源。一般电动执行机构可有多种电源类型供选择。有时也可选直流供电，此时可通过安装电池实现电源故障安全操作。流体源种类很多，首先可以是不同的介质如：压缩

34、空气、氮气、天然气、液压流体等，其次它们可以具备各种压力，第三执行机构具有各种尺寸以提供输出力活力矩。 阀门类型阀门类型 当选择阀门用执行机构时，必须要知道阀门的种类，这样才可以选择正确的执行机构类型。有些阀门需要多回转驱动，有些需要单回转驱动，有些需要往复式驱动， 它们影响了执行机构类型的选择。通常多回转的气动执行机构比电动多回转执行机构价格要贵， 但是往复式直行程输出的气动执行机构价格比电动多回转执行机构便宜。 力矩大小力矩大小 对于 90 度回转的阀门如：球阀、碟阀、旋塞阀，最好通过阀门厂商获得相应阀门力矩大小，大部分阀门厂商是通过测试阀门在额定压力下阀门所需的操作力矩，他们将这一力矩提

35、供给客户。对于多回转的阀门情况有所不同，这些阀门可分为：往复式（提升式）运动-阀杆不旋转、往复式运动-阀杆旋转、非往复式-阀杆旋转，必须测量阀杆的直径，阀杆连接螺纹尺寸已决定执行机构规格。 执行机构选型执行机构选型 一但执行机构类型和阀门所需驱动力矩确定了， 就可以使用执行机构厂商提供的数据表或选型软件进行选型。有时还需考虑阀门操作的速度和频率。 流体驱动的执行机构可调节行程速度， 但是三相电源的电动执行机构只有固定的行程时间。 部分小规格的直流电动单回转执行机构可调节行程速度。 开关控制开关控制 自动控制阀自动控制阀 自动控制阀最大的好处是可以远距离的操作阀门， 这就意味着操作人员可以坐在控

36、制室控制生产过程而不需要亲临现场去人工操作阀门的开和关。 人们只需铺设一些管线连接控制室和执行机构， 驱动能源通过管线直接激励电动或气动执行机构，通常用的 4-20mA 信号来反馈阀门的位置。 连续控制连续控制 如果执行机构被要求用于控制过程系统的液位、流量或压力等参数，这是要求执行机构频繁动作的工作，可以用 4-20mA 信号作为控制信号，然而这个信号可能会和过程一样频繁的改变。如果需要非常高频率动作的执行机构，只有选择特殊的能频繁启停的调节型执行机构。当一个过程中需要多台执行机构时，可以通过使用数字通讯系统将各个执行机构连接起来，这样可大大降低安装费用。数字通讯回路可以快速高效的传递指令和

37、收集信息。目前有多种通讯方式如：FOUNDATIONFIELDBUS、PROFIBUS、DEVICENET、HART 和专为阀门执行机构设计的PAKSCAN 等。数字通讯系统不单单可以降低投资费用，它们还可以收集大量阀门信息，这些信息对于阀门的预测性维护程序非常有价值。 预测维护预测维护 操作人员可以借助内置的数据存储器来记录阀门每次动作时力矩感应装置测得的数据，这些数据可以用来监测阀门运行的状态，可以提示阀门是否需要维修，也可以用这些数据来诊断阀门。 针对阀门可以诊断如下数据： 1.阀门密封或填料摩擦力 2.阀杆、阀门轴承的摩擦力矩 3.阀座摩擦力 4.阀门运行中的摩擦力 5.阀芯的所受的动

38、态力 6.阀杆螺纹摩擦力 7.阀杆位置 上述大部分数据存在于所有种类的阀门，但着重点不同，例如：对于蝶阀，阀门运行中的摩擦力是可以忽略的，但对于旋塞阀这个力数值却很大。不同的阀门具有不同的力矩运行曲线，例如：对于楔式闸饭，开启和关闭力矩都非常大，其它行程时只有填料摩擦力和螺纹摩擦力，关闭时，液体静压力作用在闸板上增加了阀座摩擦力，最终楔紧效应使力矩迅速增大直到关闭到位。所以根据力矩曲线的变化可以预测出将会发生的故障，可以对预测性维护提供有价值的信息。 注意事项注意事项 以 MD 系列电动执行机构的整体式比例调节型为例。 在通电前，必须进行外观检查和绝缘检查，动力回路（弧电回路）及信号触点对外壳

39、的绝缘，用 500V 兆欧表测最不得低于 20M:信号输人、输出回路及它们与动力回路之间的绝缘，除特殊要求外，不应低于 l0m 合格后方可通电。在通电后， 应检查变压器、 电机及电子电路部分元件等是否过热， 转动部件是否有杂音，发现异常现象应立即切断电源，查明原因。未查明原因前，不要轻易焊下元件。更换电子元件时，应防止温度过高，损坏元件。更换场效应管和集成电路时一定要把电烙铁妥兽接地，或脱离电源利用余热进行焊接。拆卸零部件、元器件或焊接导线时，应做好标记，对应记号。应尽公避免被检设备的输出回路开路，避免被检设备在有输人信号时停电。检修后的设备必须进行校验。对干电动机要检查线圈对外壳及线圈之间的

40、绝缘电阻，测皿线圈直流电组，清洗轴承并加优质润滑油，检查转子、定子线圈及制动装；对于减速器要解体清洗各部件，检查行星齿轮部分的情况，检查斜齿轮部分的情况，检查涡轮涡杆或丝杆螺母的啮合情况，最后进行装配、 调整并加长效铿基润滑脂。 对于位置传感器部分要进行外观检查，检查电位器与行程控制机构的同轴连接情况，检查电位器的基本情况，检查电位器及放大板之间的连接情况。 故障分析故障分析 以 MD 系列电动执行机构的整体式比例调节型为例。 位置传感器部分位置传感器部分 （1）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机能正常转动，但没有阀位反馈。其可能原因是： 1）位置传感器的电位器与行程控制机构不能

41、同轴旋转，需检查连接部分是否损坏； 2）电位器损坏或性能变坏，阻值不随转动而发生变化； 3）位置传感器的电位器及放大板间连接导线是否正常； 4）PM 放大板是否损坏，有无反馈信号送出。 （2）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机能正常转动，但阀位反馈始终为一固定值，不随阀门的开、关而变化，其可能原因是： 1）导电塑料电位器的阻值为一恒值，不随转动而变，检修更换电位器； 2）放大板中有关部分异常，检查处理。 执行器执行器 （1）执行机构接收控制系统发出的开关信号后，电机不转并有嗡嗡声。其原因可能是： 1）减速器的行星齿轮部分卡涩、损坏或变形； 2）减速器的斜齿轮传动部分变形或过度磨损

42、或损坏； 3）减速器的涡轮涡杆或丝杆螺母传动部分变形损坏、卡涩等；4）整体机械部分配合不好，不灵活，需调整加油。 （2）电气部分故障（参见图 3） 1）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机不转，也无嗡嗡声。可能原因是： 没有交流电源或电源不能加到执行机构的电机部分或位置定位器部分；PM 放大板工作不正常，不能发出对应的控制信号；固态继电器部分损坏，不能将放大板送来的弱信号转变成电机需要的强电信号；电机热保护开关损坏；力矩限制开关损坏；行程限制开关损坏；手动/自动开关位置选错或开关损坏；电机损坏。 2）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机不转，有嗡嗡声。其可能原因是：电机

43、的启动电容损坏；电机线圈匝间轻微短路；电源电压不够。 3）电动执行机构接受控制系统发出的开、关信号后，电机抖动，并伴有咯咯声，其原因可能是：PM 放大板的输出信号不足不能使固态继电器完全导通，造成电机的加载电压不足；固态继电器性能变坏，造成其输出端未完全导通。 图 3 图 2 图 4 图 1 区别区别 从传统观念来看， 气缸与电动执行器一直被认为是属于两个完全不同领域的自动化产品，随着电气化程度的不断提高，电动执行器却慢慢浸入气动领域，二者在应用中既有竞争又相互补充。在本期栏目中，我们将从技术性能、购买和应用成本、 能源效率、应用场合及市场形势等几个方面来对比气缸与电动执行器各自的优势 技术性

44、能的比较技术性能的比较 众所周知，相比电动执行器，气缸可在恶劣条件下可靠地工作，且操作简单，基本可实现免维护。气缸擅长作往复直线运动，尤其适于工业自动化中最多的传送要求工件的直线搬运。而且，仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流阀就可简单地实现稳定的速度控制，也成为气缸驱动系统最大的特征和优势。所以对于没有多点定位要求的用户， 绝大多数从使用便利性角度更倾向于使用气缸工业现场使用电动执行器的应用大部分都是要求高精度多点定位， 这是由于用气缸难以实现，退而求其次的结果。 而电动执行器主要用于旋转与摆动工况。其优势在于响应时间快，通过反馈系统对速度、位置及力矩进行精确控制。但当需要完成直线运动时，需要通

45、过齿形带或丝杆等机械装置进行传动转化，因此结构相对较为复杂，而且对工作环境及操作维护人员的专业知识都有较高要求。 气缸的优势在于气缸的优势在于 （1）对使用者的要求较低。气缸的原理及结构简单，易于安装维护，对于使用者的要求不高。电缸则不同，工程人员必需具备一定的电气知识，否则极有可能因为误操作而使之损坏。 （2）输出力大。气缸的输出力与缸径的平方成正比；而电缸的输出力与三个因素有关，缸径、电机的功率和丝杆的螺距，缸径及功率越大、螺距越小则输出力越大。一个缸径为 50mm 的气缸，理论上的输出力可达 2000N，对于同样缸径的电缸，虽然不同公司的产品各有差异，但是基本上都不超过 1000N。显而

46、易见，在输出力方面气缸更具优势。 （3）适应性强。气缸能够在高温和低温环境中正常工作且具有防尘、防水能力，可适应各种恶劣的环境。而电缸由于具有大量电气部件的缘故，对环境的要求较高，适应性较差。 电缸的优势主要体现在以下 3 个方面： （1）系统构成非常简单。由于电机通常与缸体集成在一起，再加上控制器与电缆，电缸的整个系统就是由这三部分组成的，简单而紧凑。 （2）停止的位置数多且控制精度高。一般电缸有低端与高端之分，低端产品的停止位置有 3、5、16、64 个等，根据公司不同而有所变化；高端产品则更是可以达到几百甚至上千个位置。在精度方面，电缸也具有绝对的优势，定位精度可达0.05mm，所以常常

47、应用于电子、半导体等精密的行业。 （3）柔韧性强。毫无疑问，电缸的柔韧性远远强于气缸。由于控制器可以与 PLC 直接进行连接，对电机的转速、定位和正反转都能够实现精确控制，在一定程度上，电缸可以根据需要随意进行运动；由于气体的可压缩性和运动时产生的惯性，即使换向阀与磁性开关之间配合地再好也不能做到气缸的准确定位，柔韧性也就无从谈起了。 在技术性能方面，本人认为电动和气动各有所长，首先电动执行器的优势主要包括： （1）结构紧凑，体积小巧。比起气动执行器，电动执行器结构相对简单，一个基本的电子系统包括执行器，三位置 DPDT 开关、熔断器和一些电线，易于装配。 （2）电动执行器的驱动源很灵活，一般

48、车载电源即可满足需要，而气动执行器需要气源和压缩驱动装置。 （3）电动执行器没有“漏气”的危险，可靠性高，而空气的可压缩性使得气动执行器的稳定性稍差。 （4）不需要对各种气动管线进行安装和维护。 （5）可以无需动力即保持负载，而气动执行器需要持续不断的压力供给。 （6）由于不需要额外的压力装置，电动执行器更加安静。通常，如果气动执行器在大负载的情况下，要加装消音器。 （7）电动执行器在控制的精度方面更胜一筹。 （8）气动装置中的通常需要把电信号转化为气信号，然后再转化为电信号，传递速度较慢，不宜用于元件级数过多的复杂回路。 而气缸的优势则在于以下 4 个方面： （1）负载大，可以适应高力矩输出

49、的应用（不过，现在的电动执行器已经逐渐达到目前的气动负载水平了）。 （2）动作迅速、反应快。 （3）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制更优越。 （4）行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。 购买和应用成本比较 从总体上来讲，电伺服驱动比气动伺服驱动要贵，但也要因具体要求及场合而定。 有些小功率的直流电机构成电动滑台(电伺服系统)实际上比气动伺服系统要便宜。 如：当负载为 1.5kg、工作行程为 80mm、速度在 2170mm/s 之间、精度为0.1mm、 加速度 2.5m/s2 等工况条件时， FESTO 公司采用小型电动滑台、

50、控制器、马达电缆、控制电缆、编程电缆以及电源电缆等组成的电伺服系统，其价格就比气动伺服系统便宜 25%。同样，对于带活塞杆电缸也是如此。需要说明的是如果采用交流电机的话，所组成的电伺服系统的价格要比气动伺服系统高出 40%左右。 从购买和应用成本来看，气缸还是具有比较明显的优势的。对于气动系统来说， 控制系统及执行机构都非常简单，每个气缸只需配置一个电磁阀就可完成气路的切换，进行运动控制，气缸发生故障的概率也比较小，维护简单方便，成本也低。 而对于电动执行器来说，虽然电能的获得比较简单，能量成本较低，但购买及应用成本较高，不仅需要配置电机，还需要一套机械传动机构以及相应的驱动元件。同时使用电动

51、执行器需要很多保护措施，错误的电路连接、电压的波动及负载的超载都会对电驱动器造成损坏，因此需要在电路及机械上加装保护系统，增加了很多额外的费用支出。 另外， 由于电动执行器驱动单元的参数化设置较多，且集成度高，所以其一旦发生故障，就要更换整个元件。而且当系统需要的驱动力增加时，也要成套更换元件才能实现。因此综合比较可以看出气缸在购买及维护成本上有较大优势。 能源效率比较 我们研究的结果表明，在往复运动周期较短（小于 1min）的水平往复运动中，电动执行器的运行能耗通常低于气缸的运行能耗，即更节能。而在往复运动周期较长（大于 1min）时，气缸竟然变得更节能。这首先是由于终端停止时电动执行器的控

52、制器通常需要消耗约 10W 的电力， 而气缸仅有电磁阀耗电和气体泄露，一般低于 1W，即终端停止时间越长，对气缸越有利；其次电机在连续旋转条件下的额定效率可达 90%以上，但在直线往复运动（丝杠转换）中的台形加减速旋转条件下的平均效率却不到 50%。在竖直往复运动时，夹持工件的保持动作要求不断供给电流给电动执行器以克服重力，而气缸只需关闭电磁阀即可，耗电极少。因此在竖直往复运动时电动执行器相比气缸的能耗优势不是很大。 由上可见，电机本身效率很高，但在往复直线运动中考虑其效率下降及控制器的电力消耗，电动执行器未必一定比气缸节能，具体比较取决于实际的工作条件，即安装方向、往复运动周期和负载率等。

53、应用场合比较 气动系统和电动系统并不互相排斥。相反，这只是一个要求不同的问题。气动驱动器的优势显而易见，当面临诸如灰尘、油脂、水或清洁剂等恶劣的环境条件时，气动驱动器就显得较适应恶劣环境，而且非常坚固耐用。气动驱动器容易安装，能提供典型的抓取功能，价格便宜且操作方便。 在作用力快速增大且需要精确定位的情况下， 带伺服马达的电驱动器具有优势。对于要求精确、同步运转、可调节和规定的定位编程的应用场合，电驱动器是最好的选择， 带闭环定位控制器的伺服或步进马达所组成的电驱动系统能够补充气动系统的不足之处。 从技术和使用成本的角度来说，气缸占有较明显的优势，但在实际使用中究竟应该选用哪种技术做驱动控制，

54、还是应从多方因素进行综合考量。现代控制中各种系统越来越复杂、越来越精细，并不是某种驱动控制技术就可满足系统的多种控制功能。气缸可以简单的实现快速直线循环运动，结构简单，维护便捷，同时可以在各种恶劣工作环境中使用，如有防爆要求、多粉尘或潮湿的工况。 电动执行器主要用于需要精密控制的应用场合， 自动化设备中柔性化要求在不断提升，同一设备往往要求适应不同尺寸工件的加工需要，执行器需要进行多点定位控制，而且要对执行器的运行速度及力矩进行精确控制或同步跟踪，这些利用传统气动控制是无法实现的，而电动执行器就能非常轻松的实现此类控制。由此可见气缸比较适用于简单的运动控制， 而电执行器则多用于精密运动控制的场

55、合。 市场形势比较 气缸驱动系统自 70 年代以来就在工业自动化领域得到了迅速普及。今天，气缸已成为国内外工业生产领域中 PTP（PointToPoint）搬运的主流执行器，以气缸驱动系统为核心的气动元器件市场规模已达到 110 亿美元的规模。 九十年代开始，电机及其微电子控制技术迅速发展，使电动执行器在工业自动化中的应用成为可能。而且，半导体产业的兴起也直接促进了能实现高精度多点定位的电动执行器在工业领域应用的扩大。 九十年代末期，日本等主要工业发达国家，甚至一度出现了电动执行器即将取代气缸，气缸将退出历史舞台的论调。因为人们普遍认为电动执行器中电机的能量转换效率高， 而气缸能量转换效率较低

56、， 低效的产品必将被淘汰出局。 然而，十年过去了，电动执行器在工业现场并未得到普及，其市场规模与气动相比还有很大差距。而且，无论是在工业发达国家，还是在中国等新兴工业国家，气缸的销量不仅没有减少，而且还在稳步地增长。在中国，近几年气缸销量的年增长速度一直维持在 20%以上。 如需要科学、客观地评价两者，必须采用全生命周期评价（LifeCycleAssessment）手法，考虑比较制造阶段、使用阶段、废弃阶段三个阶段的综合指标。具体指标有成本、能耗、对环境的负担（主要是排放物等）。譬如成本，电动执行器在运行能耗（使用阶段）成本上有优势，但维护成本（使用阶段）和购置成本（制造阶段）都比气缸要高得多

57、，在该指标上的比较应建立在所有成本的总和上。 在总成本上，我们的研究结果表明，气缸在大多数工业应用场合具有一定优势。 综合以上分析，我们应该看出，气缸与电动执行器各有特点，不可单纯地用效率的高低来评价其优劣。随着电气技术的发展，电动执行器的成本还会进一步下降， 预期其应用领域还会进一步拓广，但要完自吸无堵塞排污泵全取代气缸是不现实的。 从市场形式来看， 前面己经提到若电缸从一开始就参照气缸的外形及安装连接尺寸生产， 是一个很好的开端。 而对于还未有 ISO 标准的无杆气缸和气动滑台，则同样采用相对应的外形及安装连接尺寸， 这个便利的措施能够杜绝气驱动与电驱动在安装、添置或更换方面无谓的竞争。FESTO 公司的电驱动产品包含了 300多种可自由组合的抓取模块和多轴系统。在 Festo，电驱动器不是气动驱动器的竞争产品，而是对气动驱动器性能的完美补充。电驱动器的特点是精确和灵活。在作用力快速消失和需要精确定位的应用场合， 电驱动器是无堵塞自吸排污泵理想的决方案。 因此今后气缸与电动执行器的发展应该是处于非常良性状况和互补的， 也一定会按照这两门技术自身的科学自然发展规律发展