王召壘

（揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225003）

1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的概念、用途及分類

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化過程控制領(lǐng)域常用的一種機(jī)電一體化設(shè)備，它以電為動(dòng)力源，通過對(duì)閥門進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，并能接收調(diào)節(jié)設(shè)備送來的模擬量或數(shù)字量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過將這些信號(hào)變成相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角或行程等的機(jī)械位移來改變與操作閥門（調(diào)節(jié)閥、風(fēng)門、擋板開度等），以使得被調(diào)參數(shù)（壓力、流量、溫度、液位等）能夠進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以使生產(chǎn)過程按預(yù)定的要求進(jìn)行，它是過程自動(dòng)控制系統(tǒng)中極為重要的執(zhí)行設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按其使用的工作環(huán)境可以歸納為普通型、核電型、防爆型和防腐型等；按其輸出運(yùn)動(dòng)的形式又可分為多回轉(zhuǎn)型（輸出軸轉(zhuǎn)角大于360°）、部分回轉(zhuǎn)型（轉(zhuǎn)角小于360°，多為90°）和直行程（輸出軸直線運(yùn)動(dòng)）；按其控制方式也可分為開關(guān)型（開環(huán)控制）和調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制）。

2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)國內(nèi)外發(fā)展歷程

2.1 國外發(fā)展歷程

1905年德國西門子公司制造出世界上第一臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)SIPOS，從此電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，并且伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的進(jìn)步不斷發(fā)展完善。早期的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以機(jī)械部件為主，主要由電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)部分和位置、轉(zhuǎn)矩信號(hào)開關(guān)組成。

二十世紀(jì)七、八十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可編程序控制器（PLC），使得集中式與分散式相結(jié)合的分散型控制系統(tǒng)（DCS）應(yīng)運(yùn)而生，從這一階段開始，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)成為機(jī)電一體化的現(xiàn)場設(shè)備。

二十世紀(jì)末，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)綜合自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化的要求不斷提高，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)逐漸向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，這一時(shí)期，以單片微處理器為核心的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始出現(xiàn)，并逐漸成為市場主流。單片微處理器的應(yīng)用，使得電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由原有的硬件控制變成了軟件控制，使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從單一的現(xiàn)場執(zhí)行單元轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化的現(xiàn)場設(shè)備，走向了智能化控制。

2.2 國內(nèi)發(fā)展歷程

國內(nèi)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：

（1）初級(jí)階段（1964年～1980年）：這個(gè)時(shí)期的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)僅用于驅(qū)動(dòng)閘閥、截止閥等閥門的多回轉(zhuǎn)型產(chǎn)品，以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，輸出轉(zhuǎn)矩范圍窄，規(guī)格單一。

（2）快速發(fā)展階段（1981年～2000年）：這一時(shí)期通過引進(jìn)國外產(chǎn)品及技術(shù)，產(chǎn)品種類增加、適應(yīng)性更強(qiáng)，傳動(dòng)技術(shù)有較大進(jìn)步，初步實(shí)現(xiàn)簡易控制，制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

（3）高新控制技術(shù)應(yīng)用階段（2000年至今）：隨著嵌入式控制系統(tǒng)、傳感器及通信技術(shù)的發(fā)展，非侵入式產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，智能型、總線控制型產(chǎn)品得到推廣應(yīng)用，并制定了國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢

3.1 現(xiàn)場總線型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

現(xiàn)場總線是指在制造或者過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。根據(jù)協(xié)議的不同，現(xiàn)場總線分為PROFIBUS、FF、MODBUS、HART、LONWORKS和 CAN等等。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模塊中嵌入現(xiàn)場總線通信協(xié)議組成總線型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)主要由上位機(jī)組態(tài)界面、PLC控制系統(tǒng)、下位機(jī)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和儀表等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通俗地講就是根據(jù)固定的協(xié)議，電腦通過2根總線電纜與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。

3.2 藍(lán)牙控制型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

藍(lán)牙是一種短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本、車載設(shè)備等電子產(chǎn)品中，它使用射頻信號(hào)作為傳輸介質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)是完全開放和無償?shù)?，互操作性與兼容性好，射頻信號(hào)功率小，功耗低，安全無公害，在基帶層使用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，數(shù)據(jù)可加密，信息的安全性高。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)嵌藍(lán)牙通信組件，在具有 Windows Mobile／CE／Android操作系統(tǒng)的手持智能設(shè)備（PDA、手機(jī)）上裝入應(yīng)用軟件，即可在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與智能設(shè)備之間搭建起點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信平臺(tái)，智能設(shè)備可控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，查詢或修改執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，有效工作距離可達(dá)10 m。系統(tǒng)由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、手持設(shè)備構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 藍(lán)牙控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 ZigBee控制型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，單個(gè)ZigBee模塊控制距離為300 m，加裝多個(gè)ZigBee中繼模塊可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)跳躍式傳播，在人力難以到達(dá)的位置或高危場合實(shí)施控制具有絕對(duì)的優(yōu)勢。

ZigBee控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由電腦、中心主站、中繼路由、智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其工作原理是控制終端內(nèi)應(yīng)用程序應(yīng)用2.4 GHz ZigBee無線通信，通過中心主站、中繼路由與執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立雙向信息交換平臺(tái)進(jìn)行信息交換。

3.4 智慧型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

智慧型控制系統(tǒng)如圖4所示，通過安裝在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的GSM短信終端模塊將閥門管道的狀態(tài)信息編碼后作為短信發(fā)送出去，經(jīng)遠(yuǎn)程基站到達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的GSM終端模塊接收解碼，當(dāng)驗(yàn)證來源的合法性后還原成文本信息發(fā)布在用戶的手機(jī)上。如果需要發(fā)往若干個(gè)手機(jī)，只要在群發(fā)列表中添加每個(gè)手機(jī)的SIM卡電話號(hào)碼就可以了。短信息發(fā)送周期很短，所以在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上發(fā)送閥門管道狀態(tài)信息后，幾秒鐘內(nèi)手機(jī)上的信息就可以得到更新，這樣便實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

圖3 ZigBee控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 智慧型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

GSM短信終端模塊帶有RS－232或RS－485接口，可以實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電控組件的通信，電控組件通過單片機(jī)芯片采集電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息并存儲(chǔ)，然后經(jīng)VP1176等485信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將芯片的TTL電平轉(zhuǎn)換為485電平，最終把數(shù)據(jù)傳輸給GSM短信終端模塊，由GSM把數(shù)據(jù)編碼打包，以短信息的方式發(fā)送出去。

4 結(jié)語

隨著信息化、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，過程驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)﹄妱?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求越來越高，高可靠性、高防護(hù)等級(jí)、高防爆等級(jí)（石化市場）、高智能化、體積小是未來發(fā)展的趨勢，更智能更安全更實(shí)用的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)必將引領(lǐng)行業(yè)的潮流。

［1］ 胥峰.基于現(xiàn)場總線的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電廠的應(yīng)用［J］.科技與企業(yè)，2013（1）：123.

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