气动执行器技术现状与展望

标题：气动执行器技术现状与展望

作者：李东明 孙宝元 张化岚 武文良

来源：互联网

1 引言

气动执行器（大多为调节阀）在工业自动化生产中占有极其重要的地位，定位器、转换器是调节阀上的主要附件，其性能的优劣直接决定了调节阀的控制精度。

2 定位器、转换器的基本原理

定位器和转换器都是调节阀的主要附件，与气动调节阀配套使用，保证调节阀按设定的要求正确定位。带气动定位器的自动控制系统如图1所示。电/气阀门转换器是把电信号转换成气压信号，通过气动定位器或直接与执行器相连接。电/气阀门定位器是把电信号直接转换成执行器位移信号，其实质是电/气转换器与气动定位器的组合仪表。图中i是被调量的设定值，电/气转换器把输出气压反馈值与调节器初始设定值进行比较，根据比较后的偏差值，调整气压输出，从而保证执行器准确定位。转换器也可以直接与执行器相连，由于转换器反馈信息是输出气压值，不是阀门实际位移值，单独使用时，当阀杆摩擦力等不平衡力发生变化，就会影响阀门正确定位。电/气阀门定位器反馈的是阀门实际位置信号，对执行器控制更加精确。无论是电/气阀门转换器还是电/气阀门定位器，电/气转换装置都是相同的。

3 定位器、转换器技术现状

3.1 机械式

传统电/气阀门定位器工作原理如图2所示[1]，当线圈里输入电流时，铁心被磁化，在永久磁场作用下，铁心以O为轴转动，杠杆1上的平衡弹簧用来调整挡板与喷嘴的初始距离，保证线圈内无电流时，挡板与喷嘴间隔处于最佳距离，当输入电流使杠杆2反时针转动微小的角度，挡板靠近喷嘴，被压室气压升高，推动阀杆下移，带动偏心凸轮反时针旋转，把滚子向左推，经过杠杆2上的弹簧把杠杆2向左拉，挡板远离喷嘴，则被压室压力降低，这就是负反馈作用，保证调节阀开度与输入信号成比例关系，也就是定位作用。70～80年代初，此种定位器在我国使用范围约占85%～90%，机械力平衡结构缺点是：耐环境性差，易受温度、外界振动影响，易磨损，手动调整费时且需要中断控制回路。但由于其价格低廉，在传统企业里仍在使用。图3是美国SAMSON公司根据机械力平衡原理生产的电/气转换装置，用于电/气转换器，控制原理与上述基本相同。

图1 电/气阀门定位器自动调节系统

3.2 电子式

电子式电/气阀门定位器在80年代初开始走向市场，近几年技术手段不断更新。图4是日本HONEYWELL公司生产的EP2300/2400电子式电/气阀门定位器工作原理图，线性电位器把阀杆位置转换成电信号和初始设定值比较，经过PI控制器调整和信号放大输出至压电微型阀，控制输出气压，经气动放大器输出。当输入信号与反馈信号平衡时，气动放大器输出稳定的压力信号，保证调节阀精确定位。由此可见，控制原理完全不同于过去的机械力平衡原理，给定值与实际反馈值的比较完全是电信号，不再是力平衡，减少了中间传递环节，消除了力传递和转换过程中一些问题，提高了抗干扰能力。其中电/气转换元件采用压电微型阀，压电阀具有动作速度快、质量小、寿命长等突出优点，在实现气路平衡的同时，完成电信号到气信号的精确转换。

图2 机械式电/气阀门定位器原理

注：1 平衡弹簧；2 磁铁；3杠杆1；4 恒节留口；5 气动放大器；6 喷嘴；7 挡板；
8 杠杆2；9 偏心凸轮；10 滚轮；11 调节阀；12 平板

图3 机械力平衡原理电气转换装置图

注：1 挡板；2 喷嘴；3 平衡梁；4弹簧；5 机械调零；6 柱塞线圈；7 永久磁铁

图4 电子式电/气阀门定位器原理图

图5是美国FISHER-ROSEMOUNT公司生产的电子式电/气转换器控制原理图，控制原理同上述相似，其中电/气转换装置如图6所示，线圈通入直流电流，中间铁心被磁化，吸引质量很轻的带硬心的平模片产生位移，从而改变被压室压力。平膜片质量轻、惯性小。这种全封闭软磁包容结构，使电/气转换装置变换精度高、效率高、能耗小、响应快。

图5 电子式电/气转换器原理图

图6 电/气转换装置结构图

注：1 平膜片；2 挡板；3 喷嘴；4线圈；5 磁路

3.3 智能式

最早是美国尤他州的VALTEK公司提出智能管理器IVM（Intelligent ValveManager）的全新概念[2]，现在定位器自诊断和通信等功能不断加强，智能阀门定位器已经成为各国仪器仪表公司研究、开发的热点。

图7是德国SIEMENS公司生产的智能阀门定位器原理图，智能定位器以微处理器为核心，采用数字定位，加强并扩展了定位器的功能。微处理器对设定值与实际阀位的反馈值进行比较，如果检测到偏差很大，就输出一个连续信号，快速响应；如果偏差较小，则输出数字脉冲信号，以精确定位。压电转换元件采用两个压电微型阀，压电阀只有通和断两种状态，需要加大阀门开度，打开进气阀，否则打开出气阀，状态稳定时，两阀均处于切断状态，将执行器锁定在设定位置，这和传统定位器相比较，气源损耗几乎可以忽略不计。

由图7还可以看出，微处理器的使用扩展了定位器许多功能。报警模块输出高低报警值；LCD显示及按钮使操作更容易、方便、直观；HART（HighwayAddressableRemoteTransduce）模块的使用，可以借助于手持通讯器，个人电脑或系统控制台方便地获取现场信息；阀位反馈模块输出执行器位置信号（4～20mA）。定位器在初始化时，可以根据输入参数，自动确定执行器的零点、最大行程、作用方向和定向速度，大大节省了投运时间。工作时，可以根据阀门或执行器的机械性能变化，自动修改控制参数、补偿阀门老化、磨损等机械问题[4]。

图7 智能型电/气阀门定位器原理图

现在，智能定位器的开发引起各大仪表公司的关注，而智能定位器的核心技术都大同小异。如美国FISHER-ROSEMOUNT公司生产的DVC5000智能阀门定位器的电/气转换装置，当有电流通过线圈时，磁化线圈铁心，吸引上端盖产生微小位移，与上端盖一体化的U型弹性梁起到位移放大作用，喷嘴可前后移动，和传统的喷嘴挡板结构相比较，气压初始值调整更加方便灵活。电/气转换性能稳定，结构制作精良，体现了精美的设计思想。文献[4]中利用自行设计正平面弹簧结构，成功应用在电/气转换阀门上。

图8 新型转换器结构和实验系统原理

注：1 热补偿机构；2偏置和激励线圈；3 预压弹簧；4 输出杆；5 控制腔；6 传感器；
7 节流阀；8 压力表；9 减压阀；10 气源；11 功率放大器

3.4 新型转换装置的研究

无论对定位器而言还是对转换器而言，电/气转换装置都是核心技术之一。随着各种材料科学的研究深入，给电/气转换元件带来新的变化，图8是利用超磁致伸缩材料（GiantMagnetostrictive Material 简写为GMM）进行新型电/气转换器的实验研究。如图所示，GMM在外磁场作用下产生较大的伸缩应变，带动输出杆产生位移，起到挡板的作用。实验曲线如图9所示，输出压力与输入信号有良好的线性关系[5～7]。

4 展望

4.1 智能化

在许多石油化工企业，气动执行器位置高，工作环境恶劣，监控与维护极其困难，调节阀性能不稳引起的停产给企业带来生产困难。智能定位器由于以微处理器为核心不受环境影响，调校方便快捷，易于维护，可以实现远程监控，代表了定位器的发展方向。

4.2 数字化

无论是3～15psi气动信号，还是现场4～20mA直流电流，都是模拟信号，并且信息只能单向流动。随着数字通信技术的发展，数字技术也应用于自动控制领域，这和现场总线技术要求相一致[8]。目前，大多是利用HART数字信号叠加于4～20mA模拟信号上，也就是说，模拟信号与数字信号混合使用。具有纯数字双向通信，即满足基金会现场总线（Fieldbus）技术规范是智能现场仪表发展的必然趋势。

图9 压力阀特性

4.3 节能化

气动节能主要指降低电力消耗和气量消耗。压缩空气由压缩机产生，减少空气消耗量就是降低压缩机电力消耗。传统电/气转换原理在执行器处于稳定状态时，也要连续消耗压缩空气，压电微型阀采用开关原理，在系统状态稳定时，切断气源，大大减少了气源消耗。此外，流过压电阀的电流很小，功率消耗低。采用这种消耗能源低、反应快、性能稳定、寿命长的电/气转换装置必然成为发展的主流。

5 结束语

气动执行器在工业现场应用越来越广泛，智能定位器的发展和现场总线技术的成熟，给工业自动化生产带来了深刻的变革，代表了气动执行技术的发展方向。在国外大仪表公司开发新型智能阀门定位器，抢占中国市场的同时，我们必须高起点投入，开发智能化产品，早日实现自主规模生产。

参考文献

［1］王家桢. 调节器与执行器［M］.北京：清华大学出版社，2001.
［2］GEORGE J，Blickley. Vavle Join Transmitters in Get Smart［J］.Control Engineering，1990，（1）.
［3］解怀仁.智能阀门定位器［J］. 化工自动化及仪表，1995，22（9）：51-55.
［4］JohnJ Parise，Larry L Howell，Spencer P. Ortho Planar Linearmotion
Springs［J］. Mechanism and Machine Theory，2001，36（11 /12）：1281-1299.
［5］XiaChunlin，Ding Fan，Tao Guoliang et al. Giant Magnetostrictive
Avtuator and Its Application in Pneumatic Flapper-type PressureValve，’97ICFP［R］. Hangzhou，1997.
［6］夏春林，丁凡，陶国良. GMM 电—机械转换器驱动的气动压力阀［J］，液压气动与密封.1996，75（3）：21-22.
［7］Takahiro Urai. Development of a Direct Drive Servo ValveUsing
a Giant Magnetostrictive Actuator ［J］. Fluid Power，1993.
［8］Routes to Fieldbus Development ［R］. USA：Smar ResearchCorporation，1997.

李东明 孙宝元 张化岚武文良 大连理工大学机械工程学院