张畅
罗托克阀门控制技术（上海）有限公司
摘要：在我国以电力电子和微机控制技术等为代表的科学技术不断发展下，现代电动执行机构也迎来了发展“春天”，智能电动执行器应运而生。其通过深度整合通信技术、微机控制技术等，利用检测器、调节器以及执行器等相关部件，可以有效完成负责、指导车间生产的技术工艺工作，处理生产过程中遇到的技术问题，及新产品试生产工艺流程的指导。在此背景下，本文结合某地区炼油全油罐区自动控制系统项目实例，从说明电动执行器的组成以及工作原理入手，对电动执行器在自动控制系统中的发展与应用进行分析研究。研究成果可为相关应用与研究提供参考。
关键词：电动执行器；自动控制系统；发展；应用；某地区炼油全油罐区
引言
通过将电动执行器运用在工业自动控制当中，可以通过充分发挥电动执行器结构简单体积较小，且可以实现伺服放大器同执行器有机集成，保护装置多样化等优势特点，提高自动控制的精准度和灵敏性，进而有效帮助顺利完成工业生产任务。因此探究电动执行器在自动控制系统中的应用具有十分重要的现实意义，本文将立足于此，重点探究电动执行器在自动控制系统中的应用，并对其未来发展提出相关看法以供参考。
1 电动执行器概述
1.1 电动执行器结构组成
一般运用在自动控制系统当中的电动执行器也被称之为终端控制元件，其主要由伺服放大器和执行器等共同组成。以我公司生产研发的电动执行器为例，从类型上来看，其生产的电动执行器拥有包括角行程和直行程以及多转等不同类型的电动执行器。尤其是在当前科学技术的不断发展下，其不仅拥有执行器本身的基础功能，同时还将包括微机控制技术、红外线遥控技术等其他众多先进的科学技术融入其中，使得电动执行器得以更加精准、安全可靠地运行，在一定程度上有效改善了电动执行器机械卡滞和性能不足等问题[1]。譬如说在其生产研发的IQ型电动执行器中，IQ驱动器适用于启动600次/小时的阀门操作，IQM/IQT调幅服务为1200次/小时，IQ单相和IQTC均为600次/小时。
1.2 电动执行器工作原理
电动执行器在实际工作的过程中主要是依靠可编程控制器或是变送器中的4~20毫安信号传输至伺服放大器，在经由伺服微处理器对输入信号以及位置反馈信号进行扫描以及相应监测后，通过对比两个信号，如果分析发现信号不一致，并且正负差值远远高于平衡位置值，此时电动执行器将通过发送控制信号，用于对伺服放大器功率晶闸管导通角进行相应的控制调整，在导通驱动伺服器后对阀门开度进行相应调节。此时，伺服微处理器将自动转换调节阀位置信号，使之成为脉冲量后再将其传输至操作器中。在完成变送器信号的成功接收并进入PI调节工作状态下，利用微处理器比较分析变送器信号以及相关给定值，结合标准PI参数完成控制信号调节阀门开度的计算、发出并保障两信号完全处于平衡状态即可。
1.3 电动执行器的发展趋势
随着我国科学技术水平的进一步提高，本文认为未来电动执行器的智能化、现代化以及集成化程度也将更高，通过结合相关既定值能够自动、高效便捷地完成PID调节工作，并对各过程变量包括流量、压力等进行精准控制与串级控制。同时无论电源还是其他部件出现异常现象或故障信息，未来电动执行器均可以自动结合实际工况，采取相应的智能保护措施，利用包括光纤通讯、现场总线等在内的各项通讯传输技术同上位机控制系统进行有效连接。并通过在电动执行器中加装智能化、敏感度较高的传感器，用于及时判断故障问题，在利用专业程序语言编程下，可以将发现的故障问题或是异常情况直接通过传感器发送至总控制中心处，用以完成故障报警处理。相信未来应用在自动控制系统中的电动执行器能够在一个现场仪器当中完成包括控制电路和传感器等在内各项结构部件的全部安装。而为了有效达到节能减排、降低能耗的效果，在将智能电动执行器运用在自动控制系统中时，也需要注重大力发展其变频技术，通过依托现有的PWM技术，利用控制电压空间矢量等各种方法实现对电动执行器的智能变频，以有效提高其安全性和稳定性。
2 自动控制系统中电动执行器的实际应用
2.1 系统架构
2.1.1 电动执行器概况
本文在探究电动执行器在自动控制系统中的运用过程中，选择以我公司生产的IQ智能型电动执行器为例，该电动执行器主要由电机、电源模块、控制模块、力矩、阀位控制器等共同组合而成。阀位检测的精准度较高，无论何时对阀门进行操作，都可以实时精准记录其阀为信息，在对执行机构的显示系统进行升级更新后，可以更好地完成提供信息的功能。在智能化系统当中其架构主要包括现场单元以及主控站和通讯环路。其中在现场单元中需要在距离不超过20千米的情况下由主工作站负责对超过200台现场设备进行相应控制，对现场电动执行器中的各项信息数据进行精准采集，其扫描周期为1.8秒，且并不需要中继器[2]。在其控制模块当中主要包括单片集成电路、执行器逻辑控制硬连线、用于外部非侵入式设定的和红外线接口以及可通过PC查询的IQ-Insight组态及数据记录器。内置数据记录器可以随时记录运行数据、阀门力矩与位置分布情况和统计信息。
2.1.2 通讯方式
考虑到车间生产中阀门执行器在同控制室进行信号传输过程中存在接线复杂的情况，不利于后续的安装维护，因此在通信中采用了现场总线控制方式，通过利用一个内装的Pakscan现场单元能够通过容错双线串行连接提供远程控制以及状态显示。环路距离达20千米并且无需中继器，利用Modbus协议与主控设备进行通讯，而系统变量则可以通过红外数据连接进行编程。在该IQ智能型电动执行器中可以安装同时适用于单、双通讯路线的Modbus模块，用于提供执行器全部控制功能以及反馈数据的现场总线通讯。现场总线信息利用RS485数据总线连接，系统变量譬如设备地址、数据波特率等则同样可以通过红外线数据连接进行编程。
图1 IQ型电动执行器
3 电动执行器在某地区炼油全油罐区自动控制系统中的应用实例
3.1 炼油全油罐区自动控制系统概况
以某地区炼油全油罐区的自动控制系统为例，该控制系统中采用了DCS操作站，用于实时操作现场总线电动阀门。而IQ电动执行器中主站控制器采用Pakscan现场单元、Modbus总线通讯协议与DCS操作站进行相互通信传输，利用RS485接口进行相互连接。主站控制器为冗余配置，而DCS串行通讯卡同样也为冗余配置。采集获取的各项信息数据经由智能阀传输至控制器，在RS485通讯接口的帮助下，DCS可以准确读取控制器当中的相关数据并完成并令发布等工作。此时，控制器在接收到相关命令之后通过对其进行严格执行，按照命令要求驱动智能阀进行正常运转即可。在系统当中为了能够使得通信具有更强的抗干扰能力，还额外使用了光耦对其进行光电分离，且在运用6N137高速光耦下也使得信号能够尽可能避免受到光耦对其造成的延迟影响。炼油厂当中使用的DSC主通讯卡和DSC从通讯卡，在利用Pakscan现场总线以及Modbus通讯协议下，支持同时与若干控制器进行相互连接，即便现场拥有众多智能阀，系统仍然可以采用简单的连线方式实现有效扩展[3]。
3.2 电动执行器在某地区炼油全油罐区自动控制系统中的应用方式
在系统正常运行期间，通过实时扫描查询环路电缆，对其完整性进行精准判断。如果通信环路具有较高完整度，则主控站将严格按照过程控制要求，将控制命令发送经由环路电缆发送至现场单元处。已经预先设置完地址的现场单元将负责随时对控制命令进行接收和查询。该炼油厂自动控制系统中，通讯模块主要包括通信状态监测模块、通信初始化模块和数据读写模块等。其通过在初始化中度SCB、MCB以及COM REQ控制块参数进行初始化，即分别初始化和通信Slave有关的参数如Slave个数和型号等等，并同时初始化各Slave执行命令信息以及通信方式，在对相应DCS参数地址进行准确定义后即可进入到读写初始化环节中。该炼油厂总共设置了38个我公司生产研发的IQ智能电动执行器，在执行器电气控制端盖当中配置了非侵入式选择器，一个是用就地/停止/远程/的选择可用挂锁定在每个位置上，另一个则主要用于开阀/关阀控制。控制器可以旋转，以适合执行器的安装方向。通过利用IQ设定器对就地控制进行选择，在设定器中主要包括专用的开阀、停止以及关阀案件，在距离显示窗0.75米的距离上进行相应操作即可。
3.3 电动执行器在某地区炼油全油罐区自动控制系统中的应用成效
通过结合自动控制系统中我公司生产的IQ智能电动执行器实际运行情况，可知其基本实现了监控参数的基准采集工作，能够实时监控和有效处理各项与设备运行有关的信息数据，从而帮助工作人员准确判断炼油厂中各项相关设备的实际运行情况。尤其是直接利用数字化通讯方式代替以往开关量控制和传统模拟量，使得智能电动执行器能够在干扰性较低的环境下对设备运行以及炼油工艺流程等进行相应控制。根据现场总线控制系统采集得到的，关于炼油厂生产下场各项设备的运行和管理信息，可以在对其实时在线状态进行精准检测以及预估的同时判断出设备是否存在故障问题，由此实现控制系统自动巡检，从而可以有效弥补以往炼油厂人工巡检的不足，将现场总线控制系统设备管理的应有效用充分发挥出来，有助于提高现场各项设备的运行效率和使用性能。
4 结论与展望
本文通过对我公司研发制造的电动执行器进行简要分析研究，在以IQ智能电动执行器为例对其结构组成以及工作原理进行明确的基础上。结合炼油厂原油罐区的自动控制系统，对电动执行器运用在自动控制系统中的流程和应用效果等进行相应说明。笔者认为，通过结合自动控制系统中电动执行器的运用成效，可知电动执行器能够有效负责、指导车间生产的技术工艺工作，对生产过程中遇到的技术问题和故障问题进行及时指导和判断。因此将其运用在自动控制系统当中确实具有较高的应用价值。但在选择应用电动执行器时，工作人员还需要切实根据自动控制系统的实际情况以及具体要求，从而选择与之相适宜的电动执行器。
但总体来看，目前电动执行器在运用过程中无可避免地会产生能源消耗，在我国持续朝着资源节约型和环境友好型国家的建设目标努力下，随着未来科学技术水平的进一步提高，相信未来电动执行器的性能也将更加优化，并在先进变频技术的运用下可以有效控制能耗。
参考文献:
[1]李宁,张旭阳,王少伟. 控制系统中电动执行器工作原理[J]. 工业, 2016(12):277-278.
[2]江淑安. 探究电动执行器技术在自动控制中的应用[J]. 河北企业, 2014(4):133-135.
[3]杨光,魏星,李佳宁. 概述电动执行器在自动控制中的应用及发展[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2013(21):33-34.
论文作者:张畅
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/19
标签：电动执行器论文; 自动控制系统论文; 油罐论文; 信号论文; 通讯论文; 自动控制论文; 数据论文; 《防护工程》2018年第12期论文;