戶新朋

摘要：本文主要講述執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣路控制系統(tǒng)，按照文章進(jìn)展順序講述了其背景、概述、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，結(jié)合在化工行業(yè)的實(shí)際使用情況，總結(jié)概述幾套在用的氣動(dòng)系統(tǒng)控制方案并針對(duì)大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)回路做重點(diǎn)介紹。本文內(nèi)容綜合性較高，具有很好的借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：執(zhí)行機(jī)構(gòu);氣控系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)具有很多的優(yōu)勢(shì)，被化工行業(yè)廣泛應(yīng)用，除此之外像醫(yī)藥行業(yè)、紡織行業(yè)、微電子以及生物工程等諸多自動(dòng)化領(lǐng)域也在普遍使用，其優(yōu)勢(shì)有幾點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有污染、性價(jià)比高、維修方便以及抗干擾能力強(qiáng)等。

過程控制系統(tǒng)的自動(dòng)化儀表由檢測(cè)、調(diào)節(jié)和執(zhí)行設(shè)備三部分組成。執(zhí)行器就是這三部分中的執(zhí)行設(shè)備。執(zhí)行器屬機(jī)電一體化范疇，應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，主要的作用是通過其開關(guān)動(dòng)作或調(diào)節(jié)其開度，代替人工，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化作業(yè)。

1、研究背景

基于化工行業(yè)發(fā)展及產(chǎn)能擴(kuò)大，氣動(dòng)執(zhí)行器的口徑隨之變大，氣控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了新的組織形式以滿足需求。對(duì)氣控系統(tǒng)和執(zhí)行器的深入研究有助于解決生產(chǎn)發(fā)展中面臨的新的挑戰(zhàn)，更好的達(dá)到工藝需求，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、快速控制和調(diào)節(jié)。

2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣路控制系統(tǒng)

2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.1.1執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)

執(zhí)行器是由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)接收來自上位機(jī)的調(diào)節(jié)信號(hào)，將調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成能對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的控制信號(hào)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受來自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)的大小產(chǎn)生與控制信號(hào)相匹配的推力作用，推動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動(dòng)器。

2.1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述

在現(xiàn)代的生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)揮了其無法比擬的重要作用。其就像人體的手足一樣，是大腦的執(zhí)行者，是生產(chǎn)的創(chuàng)造者。其參與過程控制的過程是，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收來自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，根據(jù)控制信號(hào)改變調(diào)節(jié)變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)過程的控制和調(diào)節(jié)，將生產(chǎn)過程參數(shù)（溫度、壓力、流量等）按照工藝要求進(jìn)行改變。

2.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類

通過不同的分類方式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有多種形式。

1）根據(jù)能源的不同：氣動(dòng)式、電動(dòng)式、液動(dòng)式和自力式。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：能源為壓縮空氣，特點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無污染，動(dòng)作迅速，但其噪聲較其他三類大。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：由伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，特點(diǎn)為動(dòng)作緩慢，控制精準(zhǔn)，但其功率大，動(dòng)作大，尤其在防爆場(chǎng)合下使用造價(jià)高;

液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：用液壓油為介質(zhì)和動(dòng)力，特點(diǎn)是動(dòng)作快、功率大，但其成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜;

自力式執(zhí)行機(jī)構(gòu)：能源為被調(diào)介質(zhì)的能量，特點(diǎn)為無電源控制，適合防爆場(chǎng)合使用，但不易控制精準(zhǔn)。

2）根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同：直行程、角行程和回轉(zhuǎn)型等。

化工常用的執(zhí)行器種類為氣動(dòng)式執(zhí)行器，角行程或直行程的運(yùn)動(dòng)形式，電動(dòng)式執(zhí)行器在熱力行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

2.1.4氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將氣動(dòng)控制器或閥門定位器的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成推動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的中間部位進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)。主要有兩種類型：上下動(dòng)作的薄膜式和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度的活塞式。

氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)為膜頭，內(nèi)含一彈性膜片，通過輸入氣壓使彈性膜片產(chǎn)生形變，帶動(dòng)推桿和閥芯產(chǎn)生位移，實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥芯上下動(dòng)作，整體形式簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，是比較常用的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu);薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種作用形式。當(dāng)信號(hào)壓力增加時(shí)，閥門推桿向下動(dòng)作的叫正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相反叫反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制為氣缸，內(nèi)含活塞，在氣缸允許的工作壓力下，將輸入的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為活塞的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)在不同坐標(biāo)域內(nèi)的開關(guān)。由于氣缸的允許壓力高，因此可以獲得較大的活塞動(dòng)作力，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)有單作用和雙作用兩種形式，單作用氣缸內(nèi)含彈簧，氣缸大，自帶斷氣保護(hù)功能;雙作用氣缸內(nèi)不含彈簧，開關(guān)作用都由氣源推動(dòng)，斷氣動(dòng)作保持。

2.2氣路控制系統(tǒng)

2.2.1氣路控制系統(tǒng)概述

氣路控制系統(tǒng)的動(dòng)力能源為壓縮空氣，根據(jù)工藝需求不同，用不同形式的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)來完成各種不同的控制功能。

氣控系統(tǒng)和執(zhí)行器共同組成氣動(dòng)控制回路，對(duì)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。

2.2.2氣動(dòng)系統(tǒng)介紹

氣動(dòng)系統(tǒng)的工作介質(zhì)為壓縮空氣，經(jīng)過處理的壓縮空氣在經(jīng)過一系列的控制元器件后，最后作用于執(zhí)行元件，執(zhí)行元件會(huì)根據(jù)壓縮空氣壓力的大小和氣量的多少而輸出不同的力或者力矩。這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了利用壓縮空氣進(jìn)行能量的傳遞和控制。

2.2.3氣動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)系統(tǒng)是由氣源裝置、控制元件、執(zhí)行元件和氣動(dòng)輔件四部分構(gòu)成。

1）氣源裝置：目的是為氣動(dòng)系統(tǒng)提供符合要求的壓縮空氣。主要有四類設(shè)備，氣壓發(fā)生裝置、凈化、貯存壓縮空氣的裝置、管道系統(tǒng)、氣動(dòng)三大件（分水過濾器、油霧器和減壓閥）。

2）控制元件：控制壓縮空氣傳輸壓力、流量及流動(dòng)方向的元件。主要有壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三種。

3）執(zhí)行元件：將壓縮空氣的壓力能量轉(zhuǎn)換為推動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作的機(jī)械能的元件。常用的執(zhí)行元件為氣缸和氣馬達(dá)。

4）氣動(dòng)輔件：是氣動(dòng)系統(tǒng)中的一些輔助元件，如消音器、接頭等。

2.2.4氣動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

與液動(dòng)、電動(dòng)系統(tǒng)相比，氣動(dòng)系統(tǒng)目前是化工行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的控制手段，得益于其無法比擬的優(yōu)勢(shì)：

1）價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。

2）動(dòng)作迅速延遲小，易于實(shí)現(xiàn)快速控制

3）調(diào)節(jié)方便

4）安全性高，適合防潮、防爆和防火場(chǎng)合使用。

5）安裝方便，具有過載保護(hù)能力

6）可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

相應(yīng)，氣動(dòng)技術(shù)也具有一定的缺點(diǎn)：

1）噪音大、潤(rùn)滑性差、難以實(shí)現(xiàn)精確定位。

2）由于介質(zhì)為壓縮空氣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作易受到負(fù)載的影響，難達(dá)到勻速的動(dòng)作

3）容易出現(xiàn)爬行、喘動(dòng)，低速狀態(tài)下穩(wěn)定性不高

4）相對(duì)其他控制系統(tǒng)，氣缸的輸出力較小

3、現(xiàn)用氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

3.1、一般氣動(dòng)系統(tǒng)回路

現(xiàn)用的氣動(dòng)執(zhí)行器，有薄膜式的直行程執(zhí)行器和長(zhǎng)行程的角位移執(zhí)行器。根據(jù)閥門的控制需求不同，有兩種，一是控制開關(guān)閥啟閉的氣控系統(tǒng);二是對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥可控閥門開度的氣控系統(tǒng)，我們分別來看：

開關(guān)閥的氣路，氣源來自外網(wǎng)的壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)過過濾器過濾，濾除雜質(zhì)和水，后進(jìn)入電磁閥箱的閥島，兩位五通電磁閥在電壓信號(hào)改變的情況下，改變氣路的導(dǎo)通狀態(tài)，兩路壓縮空氣分別對(duì)應(yīng)氣缸的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)角行程執(zhí)行器的開關(guān)控制。閥門的反饋盒又通過接近開關(guān)，給中控室返回閥門的動(dòng)作情況。

調(diào)節(jié)閥的氣路，取源和開關(guān)閥門取源一致，只是在對(duì)壓縮空氣的處理上，除了過濾還有減壓，通過過濾減壓器實(shí)現(xiàn)，通常氣源在6-7bar，我們調(diào)節(jié)的氣壓在5bar。然后經(jīng)過氣源分配器，氣源進(jìn)入閥門定位器，定位器通過給定信號(hào)的大小來控制出氣量，達(dá)到對(duì)閥門任意開度的控制。調(diào)節(jié)閥是沒有反饋信號(hào)的。

3.2、大執(zhí)行器的氣動(dòng)系統(tǒng)回路

近年來，生產(chǎn)制造業(yè)蓬勃發(fā)展，現(xiàn)有的生產(chǎn)產(chǎn)能不斷提升，相應(yīng)的參與過程控制的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)也在不斷變大，一般的氣控系統(tǒng)不能滿足新的控制需求。針對(duì)這些大執(zhí)行器現(xiàn)研究了一種新型的控制方式——加上單獨(dú)的啟閉推動(dòng)氣源，增大對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力，加快執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟閉速度。

4、結(jié)語

新型的控制思路經(jīng)過試驗(yàn)期，運(yùn)行穩(wěn)定，控制精準(zhǔn)，安全可靠，很好的滿足了工藝控制需求。

經(jīng)過對(duì)執(zhí)行器的分析，對(duì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)的剖析，有了對(duì)這些相關(guān)知識(shí)的了解，能解決生產(chǎn)遇到實(shí)際問題，確保工藝控制穩(wěn)定，收益頗豐。

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