徐盛，王磊

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東 青島 266555）

電動執(zhí)行器是工業(yè)控制閥中電動閥門的重要驅(qū)動裝置和控制裝置，其中，調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器以模擬量電信號為控制信號，經(jīng)變送后輸出位移推力或者轉(zhuǎn)角力矩，可以對閥門進行精確控制，在以溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)作為被控變量的工業(yè)過程控制中廣泛應(yīng)用。相比開關(guān)量執(zhí)行器，調(diào)節(jié)型執(zhí)行器有無數(shù)個角度狀態(tài)，由于狀態(tài)難以簡易量化和監(jiān)控過程煩瑣等原因，其動作精度的變異往往被忽視，動作精度越低，意味著過程控制偏差越大，從而導(dǎo)致設(shè)備運行失穩(wěn)，經(jīng)年累月還會造成嚴重的物料浪費。因此，研究如何提高此類執(zhí)行器的動作精度，是提高設(shè)備可靠性和成本管理的重點，也是設(shè)備技術(shù)的難點。本文通過對工業(yè)現(xiàn)場的實際調(diào)試和維護案例進行分析，研究如何降低調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器的動作偏差，旨在為此類設(shè)備的技術(shù)管理提供參考。

1 控制原理

1.1 概述

某車企涂裝車間工藝設(shè)備使用調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器驅(qū)動蝶閥、球閥、百葉閥等動作來進行工藝參數(shù)的過程控制，涉及燃氣、冷水、熱氣、新鮮風等介質(zhì)，使用PLC 作為控制器（配套4 ～20mA 模擬量出入/輸出模塊）。所有執(zhí)行器均為電開型，即4mA 信號對應(yīng)閥體全關(guān)，20mA 信號對應(yīng)閥體全開。

1.2 調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器原理

調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器以控制器輸出的電信號（0 ～10V電壓，4 ～20mA 電流等，本文涉及案例以4 ～20mA 作為控制信號）作為伺服放大器的輸入信號Ii，與閥的位置反饋信號If 進行比較，當反饋信號和輸入信號不等時，其差值經(jīng)伺服放大器放大后，控制伺服電機按相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動，再經(jīng)減速器減速后使輸出軸產(chǎn)生扭力，帶動機械閥門產(chǎn)生角向位移，直至反饋信號與輸入信號相等，電機停轉(zhuǎn)，執(zhí)行器及機械閥門穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。按照閥芯的運動軌跡，電動執(zhí)行器又可分為直行程和角行程兩種。理想情況下，電動執(zhí)行器的輸出直線位移或角位移應(yīng)與輸入電流成線性關(guān)系。電動執(zhí)行器控制原理方框圖如圖1。

圖1 電動執(zhí)行器控制原理方框圖

2 問題調(diào)查

2.1 建立調(diào)查模型

調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器的實際運動曲線為連續(xù)量，考慮通過某幾個點的狀態(tài)（離散量）來表征執(zhí)行器的狀態(tài)，由此制定調(diào)查策略（以角行程執(zhí)行器為例）：在PLC 程序中進行輸出行程賦值（實際賦值為一個百分數(shù)，通過模擬量模塊將0 ～100%與4 ～20mA 信號達成映射），將電動執(zhí)行器的實際開度與賦值角度進行對比，從而判斷執(zhí)行器動作是否準確?？紤]設(shè)備運行實際需求及觀測誤差，以程序設(shè)定值±5°視為角度準確的量化標準。在調(diào)查初期，筆者發(fā)現(xiàn)對于一個相同的角度賦值，執(zhí)行器在開行程和關(guān)行程的實際開度并不完全一樣。因此，取開行程和關(guān)行程共9個離散量角度的判斷值（X1 ～X9，準確為1，不合格為0）與來判斷角行程是否準確。調(diào)查模型記錄表如表1。

2.2 調(diào)查結(jié)果

從車間100 多個電動執(zhí)行器中隨機抽取50個，按調(diào)查模型展開調(diào)查（直行程電動執(zhí)行器的現(xiàn)場行程標尺量程為0-100，可直接與程序賦值比較，其他與角行程執(zhí)行器調(diào)查方法相同）。合格數(shù)量8個，合格率僅16%。

表1 調(diào)查模型記錄表（角行程）

3 動作偏差分析

從中選取兩個案例進行分析，所有案例在初期已進行電流檢測和傳動檢查。即4 ～20mA 電流信號正常，與機械閥門傳動正常。

3.1 案例1

位置：烘爐燃燒器燃氣管路；

電動執(zhí)行器類別：角行程；

機械閥門類別：蝶閥；

流體介質(zhì)：甲烷；

現(xiàn)象：燃氣閥開度與程序輸出不一致。

工藝影響：烘爐爐膛升溫慢，與另一臺結(jié)構(gòu)相同的烘爐相比，升溫時間高出近一倍。

由閥門曲線可知，執(zhí)行器的零點和滿點均正常，而過程開度偏低，曲線呈反拋物線狀態(tài)，由此判斷執(zhí)行器發(fā)生了線性度偏差。檢修措施：調(diào)整執(zhí)行器的電位計，對執(zhí)行器動作曲線的線性度進行標定（如圖2）。

圖2 案例1 執(zhí)行器行程角度曲線

3.2 案例2

位置：空調(diào)冷水管路；

電動執(zhí)行器類別：直行程；

機械閥門類別：閘閥；

流體介質(zhì)：冷凍水；

現(xiàn)象：較低行程時，執(zhí)行器與程序輸出一致；較高行程時，執(zhí)行器不再動作，且伴隨發(fā)熱，并有較高故障率。

工藝影響：冷水換熱能力下降。由閥門曲線可知，執(zhí)行器的動作行程被鉗制80%在以內(nèi)。對閘閥進行檢修，發(fā)現(xiàn)閥門有卡滯現(xiàn)象，由此判斷執(zhí)行器發(fā)生了行程阻滯，閥門無法達到到程序輸出位置，因此，Ii 和If 差值一直存在，伺服放大器輸出運行信號，伺服電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)而持續(xù)發(fā)熱，長時間堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致執(zhí)行器故障。檢修措施：機械閥體檢查、潤滑或者更換，消除卡滯（如圖3）。

圖3 案例2 執(zhí)行器實際行程開度曲線

對于閥組整體來講，動作偏差的原因眾多，如電流信號變異，傳動故障等，本文的分析對象為執(zhí)行器，因此，執(zhí)行器本體之外的原因不再做詳細探討。

4 控制策略

在設(shè)備長期運行過程中，其狀態(tài)變異無法消除。對于電動執(zhí)行器來說，內(nèi)部電氣元件的狀態(tài)變異、凸輪開關(guān)的設(shè)定位置偏離、機械閥門的卡滯、流體腐蝕等，都可能導(dǎo)致其動作偏差，長時間的動作偏差，對物料成本、備件成本、工藝管理、設(shè)備可靠性甚至工業(yè)安全等都會產(chǎn)生不可忽略的影響，考慮如何第一時間發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器運行狀態(tài)變異從而能及時優(yōu)化，是工程技術(shù)人員亟待解決的問題。

4.1 工程控制策略

原控制策略為單閉環(huán)控制系統(tǒng)，If 為執(zhí)行器內(nèi)部反饋，與Ii 的比較結(jié)果僅用于執(zhí)行器是否需要動作的依據(jù)，而無法判斷執(zhí)行器自身的狀態(tài)，考慮將其控制策略改為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：增加If 反饋至控制器，在PLC 內(nèi)部增加程序進行執(zhí)行器邏輯判斷，當If 與Ii 偏差超出5%且持續(xù)5 分鐘（考慮執(zhí)行器動作時間），判斷為電動執(zhí)行器動作偏差故障，輸出報警。電動執(zhí)行器控制原理方框圖如圖4。

圖4 電動執(zhí)行器控制原理方框圖（優(yōu)化后）

4.2 管理控制策略

對于一些位置較關(guān)鍵的電動執(zhí)行器，基于表1 調(diào)查模型的方法和標準，制定月度PM（預(yù)測性維修）計劃，將對電動執(zhí)行器的檢查由以前僅檢查生產(chǎn)過程能否動作，優(yōu)化為程序賦值并檢查動作角度是否準確，并固化到維修人員每月點檢工作中，實現(xiàn)設(shè)備量化管理。

5 結(jié)語

本文闡述了一種將調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器狀態(tài)量化的調(diào)查模型的建立方式，分析了工業(yè)現(xiàn)場電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)動作偏差的幾個常見案例，提供了抑制此類偏差的控制策略。調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器的動作偏差問題在工業(yè)現(xiàn)場普遍存在。如何有效地提高其動作精度，對提高設(shè)備控制的“精，準，穩(wěn)”，降低企業(yè)、運行成本以及優(yōu)化工藝質(zhì)量管理，具有重要意義。