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电动执行机构(电动执行器)简介

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。

其基本类型有部分回转(Part-Turn)、多回转(Multi-Turn)及直行程(Linear)三种驱动方式。

 

    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。

 

阀门

为了成功的实现过程自动化,最重要的是要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

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驱动上述阀门。

 

电动多回转式执行机构

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。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)

 

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。

 

电动执行器选择要素

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

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

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

对于90度回转的阀门如:球阀、蝶阀、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

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。

 

电动执行器结构原理

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输人信号相对应的位置上。

 

电动执行器预测维护

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。

8、过流保护

当执行机构在运动过程中电机电流超过预设的最大电流值时,内部的逻辑电路将使得电机立即停止动作以防止电机烧毁。

9、减速、水压冲击保护

在阀门操作必须降低以防止水压冲击或水锤的场合,可选用中断定时器功能,在接近目标位置的范围内(此范围可由用户自行设定)进行脉冲点动操作,开启和停止的脉冲操作时间周期可在1-99秒范围内独立调整。

10、联锁保护

执行机构在高度安全的场合提供了联锁控制方式,在联锁控制方式下,有效的开阀或关阀指令均需一个相应的联锁信号,在其中任意一个信号丢失的情况下,执行机构将保位。

11、紧急保护(ESD)

执行机构提供了灵活的紧急保护功能,可与任何远程开关和模拟控制电路同时使用,也可超越就地和远程信号。每台执行机构均可单独设定紧急保护时的动作方式,如全开、全关或保位。如果需要,ESD信号可设定为超越联锁控制、就地停止和电机温度保护电路。

12、电气保护

输入输出通道均采用光电隔离。

 

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