徐進(jìn)

【摘 要】氣動(dòng)執(zhí)行器是一種以壓縮空氣為動(dòng)力能源的自動(dòng)執(zhí)行器。它接受調(diào)節(jié)儀表發(fā)送的信號(hào)，直接改變調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)定的要求正常進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

【關(guān)鍵詞】氣動(dòng)；執(zhí)行器；自動(dòng)化

0.前言

氣動(dòng)執(zhí)行器是一種以壓縮空氣為動(dòng)力能源的自動(dòng)執(zhí)行器。它接受調(diào)節(jié)儀表發(fā)送的信號(hào)，直接改變調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)定的要求正常進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（大多為調(diào)節(jié)閥）在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中占有極其重要的地位，定位器、轉(zhuǎn)換器是調(diào)節(jié)閥上的主要附件，其性能的優(yōu)劣直接決定了調(diào)節(jié)閥的控制精度。

1.氣動(dòng)執(zhí)行器在系統(tǒng)中的工作原理

氣動(dòng)執(zhí)行器包括現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器和就地控制柜兩部分。DCS系統(tǒng)給出的4～20mA指令信號(hào)通過(guò)就地控制柜內(nèi)的電/氣轉(zhuǎn)換器把對(duì)應(yīng)的線性0.02～0.1MPa的氣信號(hào)送給現(xiàn)場(chǎng)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)控制，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的位置變送器把4～20mA反饋信號(hào)通過(guò)就地控制柜內(nèi)的端子排輸出給DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。在需要時(shí)也可以同時(shí)輸出一對(duì)全開(kāi)/全關(guān)到位的接點(diǎn)信號(hào)?？刂乒駜?nèi)的三斷保護(hù)裝置能夠在系統(tǒng)斷氣源斷電源和斷信號(hào)時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持原位或到達(dá)全開(kāi)/全關(guān)位置，保障整個(gè)系統(tǒng)的安全，同時(shí)可以提供報(bào)警信號(hào)輸出給DCS。

2.技術(shù)現(xiàn)狀

2.1采用機(jī)械式定位器、轉(zhuǎn)換器氣動(dòng)執(zhí)行器

傳統(tǒng)電/氣閥門(mén)定位器工作原理如圖1所示，當(dāng)線圈里輸入電流時(shí)，鐵心被磁化，在永久磁場(chǎng)作用下，鐵心以O(shè)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，杠桿1上的平衡彈簧用來(lái)調(diào)整擋板與噴嘴的初始距離，保證線圈內(nèi)無(wú)電流時(shí)，擋板與噴嘴間隔處于最佳距離，當(dāng)輸入電流使杠桿2反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)微小的角度，擋板靠近噴嘴，被壓室氣壓升高，推動(dòng)閥桿下移，帶動(dòng)偏心凸輪反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，把滾子向左推，經(jīng)過(guò)杠桿2上的彈簧把杠桿2向左拉，擋板遠(yuǎn)離噴嘴，則被壓室壓力降低，這就是負(fù)反饋?zhàn)饔?，保證調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與輸入信號(hào)成比例關(guān)系，也就是定位作用。70～80年代初，此種定位器在我國(guó)使用范圍約占85%～90%，機(jī)械力平衡結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是：耐環(huán)境性差，易受溫度、外界振動(dòng)影響，易磨損，手動(dòng)調(diào)整費(fèi)時(shí)且需要中斷控制回路。但由于其價(jià)格低廉，在傳統(tǒng)企業(yè)里仍在使用。

1平衡彈簧；2 磁鐵；3杠桿1；4恒節(jié)留口；5氣動(dòng)放大器；6噴嘴；

7擋板；8杠桿2；9偏心凸輪；10滾輪；11調(diào)節(jié)閥；12平板

圖1 機(jī)械式電/氣閥門(mén)定位器原理

2.2采用電子式定位器、轉(zhuǎn)換器氣動(dòng)執(zhí)行器

電子式電/氣閥門(mén)定位器在80年代初開(kāi)始走向市場(chǎng)，近幾年技術(shù)手段不斷更新。圖2是日本SMC公司生產(chǎn)的IP5000電子式電/氣閥門(mén)定位器與雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的工作原理圖，其動(dòng)作也是基于力平衡的原理。線性電位器把閥桿位置轉(zhuǎn)換成電信號(hào)和初始設(shè)定值比較，經(jīng)過(guò)PI控制器調(diào)整和信號(hào)放大輸出至壓電微型閥，控制輸出氣壓，經(jīng)氣動(dòng)放大器輸出性0.02～0.1MPa的氣信號(hào)，作用在控制滑閥的膜片上，滑閥膜片氣壓增大，拉長(zhǎng)反饋彈簧，引起滑閥位移，氣缸無(wú)桿腔氣壓增加活塞伸出，反饋彈簧拉長(zhǎng)。只要滑閥受力平衡時(shí)，輸入信號(hào)與反饋信號(hào)平衡，氣動(dòng)放大器輸出穩(wěn)定的壓力信號(hào)，保證調(diào)節(jié)閥精確定位。由此可見(jiàn)，控制原理完全不同于過(guò)去的機(jī)械力平衡原理，給定值與實(shí)際反饋值的比較完全是電信號(hào)，減少了中間傳遞環(huán)節(jié)，消除了力傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中一些問(wèn)題，提高了抗干擾能力。其中電/氣轉(zhuǎn)換元件采用壓電微型閥，壓電閥具有動(dòng)作速度快、質(zhì)量小、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)氣路平衡的同時(shí)，完成電信號(hào)到氣信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。

圖2 電子式電/氣閥門(mén)定位器原理

圖3是美國(guó)FISHER-ROSEMOUNT公司生產(chǎn)的電子式電/氣轉(zhuǎn)換器控制原理圖，控制原理同上述相似，其中電/氣轉(zhuǎn)換裝置如圖6所示，線圈通入直流電流，中間鐵心被磁化，吸引質(zhì)量很輕的帶硬心的平模片產(chǎn)生位移，從而改變被壓室壓力。平膜片質(zhì)量輕、慣性小。這種全封閉軟磁包容結(jié)構(gòu)，使電/氣轉(zhuǎn)換裝置變換精度高、效率高、能耗小、響應(yīng)快。

2.3智能式

最早是美國(guó)尤他州的VALTEK公司提出智能管理器IVM（Intelligent ValveManager）的全新概念，現(xiàn)在定位器自診斷和通信等功能不斷加強(qiáng)，智能閥門(mén)定位器已經(jīng)成為各國(guó)儀器儀表公司研究、開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

圖3是德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的智能閥門(mén)定位器原理圖，智能定位器以微處理器為核心，采用數(shù)字定位，加強(qiáng)并擴(kuò)展了定位器的功能。微處理器對(duì)設(shè)定值與實(shí)際閥位的反饋值進(jìn)行比較，如果檢測(cè)到偏差很大，就輸出一個(gè)連續(xù)信號(hào)，快速響應(yīng)；如果偏差較小，則輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，以精確定位。壓電轉(zhuǎn)換元件采用兩個(gè)壓電微型閥，壓電閥只有通和斷兩種狀態(tài)，需要加大閥門(mén)開(kāi)度，打開(kāi)進(jìn)氣閥，否則打開(kāi)出氣閥，狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，兩閥均處于切斷狀態(tài)，將執(zhí)行器鎖定在設(shè)定位置，這和傳統(tǒng)定位器相比較，氣源損耗幾乎可以忽略不計(jì)。

圖3智能閥門(mén)定位器原理圖

由圖3還可以看出，微處理器的使用擴(kuò)展了定位器許多功能。報(bào)警模塊輸出高低報(bào)警值；LCD顯示及按鈕使操作更容易、方便、直觀；HART（HighwayAddressableRemoteTransduce）模塊的使用，可以借助于手持通訊器，個(gè)人電腦或系統(tǒng)控制臺(tái)方便地獲取現(xiàn)場(chǎng)信息；閥位反饋模塊輸出執(zhí)行器位置信號(hào)（4～20mA）。定位器在初始化時(shí)，可以根據(jù)輸入?yún)?shù)，自動(dòng)確定執(zhí)行器的零點(diǎn)、最大行程、作用方向和定向速度，大大節(jié)省了投運(yùn)時(shí)間。工作時(shí)，可以根據(jù)閥門(mén)或執(zhí)行器的機(jī)械性能變化，自動(dòng)修改控制參數(shù)、補(bǔ)償閥門(mén)老化、磨損等機(jī)械問(wèn)題。

智能電氣閥門(mén)定位器對(duì)輸出氣源壓力調(diào)節(jié)的新穎之處：

（1）輸出壓力調(diào)節(jié)采用PID脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，迅速準(zhǔn)確。由于CPU對(duì)壓電閥的控制采用一個(gè)五步開(kāi)關(guān)程序來(lái)控制，可以精確、快速地控制輸出氣源壓力增減。其控制算法一般采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)方式，CPU根據(jù)輸入信號(hào)與閥位產(chǎn)生偏差的大小和方向進(jìn)行PID計(jì)算，輸出一個(gè)PWM脈寬調(diào)制脈沖信號(hào)來(lái)控制壓電閥開(kāi)、閉動(dòng)作。由于脈沖的寬度對(duì)應(yīng)于定位器輸出氣源壓力的增量，從而可以迅速、準(zhǔn)確的改變氣源壓力輸出P1。當(dāng)偏差較大時(shí)，定位器輸出一個(gè)連續(xù)信號(hào)，快速連續(xù)、大幅度的改變P1的大小，當(dāng)偏差較小時(shí)，定位器輸出一個(gè)較小脈寬的脈沖信號(hào)，斷續(xù)、小幅改變P1的大小，當(dāng)偏差很?。ㄟM(jìn)入死區(qū)）時(shí)，則無(wú)脈沖輸出，閥位穩(wěn)定工作。

（2）新型壓電閥器件的采用，保證了控制的高精度。壓電閥的主導(dǎo)元件是一個(gè)壓電柔韌開(kāi)關(guān)閥，也稱作硅微控制閥，由于其質(zhì)量小，開(kāi)關(guān)慣性非常小，可以執(zhí)行很高的開(kāi)關(guān)頻率，因而作為一個(gè)高頻率的脈沖閥，對(duì)輸出氣路壓力P1進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以達(dá)到很高的閥門(mén)定位精度。

（3）閥位反饋元件定位精度高，壽命長(zhǎng)。閥位反饋元件是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度、高可靠性的導(dǎo)電塑料電位器，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)，因而可以精確的檢測(cè)閥位并且可以方便的對(duì)閥門(mén)進(jìn)行零位，滿度及閥門(mén)流量特性曲線的定位。

現(xiàn)在，智能定位器的開(kāi)發(fā)引起各大儀表公司的關(guān)注，而智能定位器的核心技術(shù)都大同小異。如美國(guó)FISHER-ROSEMOUNT公司生產(chǎn)的DVC5000智能閥門(mén)定位器的電/氣轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)有電流通過(guò)線圈時(shí)，磁化線圈鐵心，吸引上端蓋產(chǎn)生微小位移，與上端蓋一體化的U型彈性梁起到位移放大作用，噴嘴可前后移動(dòng)，和傳統(tǒng)的噴嘴擋板結(jié)構(gòu)相比較，氣壓初始值調(diào)整更加方便靈活。電/氣轉(zhuǎn)換性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)制作精良，體現(xiàn)了精美的設(shè)計(jì)思想。

3.未來(lái)展望

3.1智能化

在許多石油化工企業(yè)，氣動(dòng)執(zhí)行器位置高，工作環(huán)境惡劣，監(jiān)控與維護(hù)極其困難，調(diào)節(jié)閥性能不穩(wěn)引起的停產(chǎn)給企業(yè)帶來(lái)生產(chǎn)困難。智能定位器由于以微處理器為核心不受環(huán)境影響，調(diào)校方便快捷，易于維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，代表了定位器的發(fā)展方向。

3.2數(shù)字化

無(wú)論是3～15psi氣動(dòng)信號(hào)，還是現(xiàn)場(chǎng)4～20mA直流電流，都是模擬信號(hào)，并且信息只能單向流動(dòng)。隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)也應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，這和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)要求相一致。目前，大多是利用HART數(shù)字信號(hào)疊加于4～20mA模擬信號(hào)上，也就是說(shuō)，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)混合使用。具有純數(shù)字雙向通信，即滿足基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）技術(shù)規(guī)范是智能現(xiàn)場(chǎng)儀表發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3.3節(jié)能化

氣動(dòng)節(jié)能主要指降低電力消耗和氣量消耗。壓縮空氣由壓縮機(jī)產(chǎn)生，減少空氣消耗量就是降低壓縮機(jī)電力消耗。傳統(tǒng)電/氣轉(zhuǎn)換原理在執(zhí)行器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，也要連續(xù)消耗壓縮空氣，壓電微型閥采用開(kāi)關(guān)原理，在系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，切斷氣源，大大減少了氣源消耗。此外，流過(guò)壓電閥的電流很小，功率消耗低。采用這種消耗能源低、反應(yīng)快、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的電/氣轉(zhuǎn)換裝置必然成為發(fā)展的主流。

4.結(jié)論

氣動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，智能定位器的發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，給工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)帶來(lái)了深刻的變革，代表了氣動(dòng)執(zhí)行技術(shù)的發(fā)展方向。在國(guó)外大儀表公司開(kāi)發(fā)新型智能閥門(mén)定位器，搶占中國(guó)市場(chǎng)的同時(shí)，我們必須高起點(diǎn)投入，開(kāi)發(fā)智能化產(chǎn)品，早日實(shí)現(xiàn)自主規(guī)模生產(chǎn)。