执行机构和气路控制

执行机构和气路控制内容概要一、前言二、执行机构三、气路控制一、前言•执行器，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备（器件），是自动化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备。主要是对一些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。•执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两个部分组成，执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节阀动作，所以他是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。二、执行机构1、概述•执行机构在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用。人们常把它称为实现生产过程控制的手足，因为它在自动化控制系统中接受调节器的控制信号，自动的改变调节变量，达到对被调参数（如温度、压力、流量、液位等）进行调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。•执行机构的作用就是将调节器来的信号转变为相应的推力和位移，用于带动调节机构完成调节动作。二、执行机构2、分类•根据所用的能源的不同，执行机构可分为气动、液动、电动和自力式等。气动执行机构是压缩空气供风为动力，特点是结构简单、安全防爆，低成本；液动执行机构是以液压为动力，特点是功率大、动作快，但使用成本高，结构复杂；电动执行机构有电源盒控制信号驱动伺服电机来动作，这种仪表易于电动仪表连接，功率大，动作大，但应注意在防爆场合下使用；自力式执行机构依靠被调介质本身的能量来动作，如有介质的压力带动。•按运动形式可分为直行程、角行程、回转型（多转式）等几类。二、执行机构3、执行器的基本结构执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两个部分组成，执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节阀动作。调节阀是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节阀产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。为了保证执行器能够正常工作，提高调节质量和可靠性，执行器还必须配备一定的辅助装置。常用的辅助装置有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理改善执行器性能，使执行器能按调节器的控制信号，实现准确定位。手轮机构用于直接操作调节阀，以便在停电、停气、调节器无输出或执行机构损坏而失灵的情况下，生产仍能正常工作。二、执行机构4、气动执行机构气动执行机构接受气动控制器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的推杆直线位移，以推动调节阀动作。气动执行机构主要有两种类型：薄膜式与活塞式。薄膜式执行机构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉，是最常用的一种执行机构；活塞式执行机构允许操作压力可达500kpa，因此输出推力大，而且无弹簧抵消推力，但价格较高。二、执行机构•气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种，有弹簧的气动执行机构较之无弹簧的气动执行机构输出推力小、价格低。•气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增加时，阀门推杆向下动作的叫正作用式执行机构；信号压力增加时，阀门推杆向上动作的叫反作用式执行机构。二、执行机构•气动薄膜执行机构使用弹性膜片将输入气压转变为推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀的开度。一个典型的气动薄膜型执行机构主要由弹性薄膜、压缩弹簧和推杆组成。•气动活塞式执行机构以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可获得较大的推力，并容易制成长行程执行机构。适用于大口径、高静压、高压差阀和蝶阀。•还有一种长行程执行机构，其结构原理与活塞式执行机构基本相同，它具有行程长、输出力矩大的特点，输出转角位移为90o，直线位移为40～200mm，适用于输出角位移和力矩的场合。二、执行机构4.1、气动薄膜式执行机构当信号压力P进入气室时，此时压力乘以膜片的有效面积得到推力，使推杆移动，弹簧受压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力平衡为止。信号压力越大，推力越大，推杆的位移计弹簧的压缩量也越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆若从零走到全行程，则阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。二、执行机构•4.2气动活塞式执行机构•气动活塞式执行机构，其基本部分为气缸，气缸内活塞随气缸两侧压差而移动。两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力差来完成推动任务的，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。二、执行机构•5、电动执行机构•电动执行机构按调节方式分类:一般有开关型、调节型。•开关型（两位型）：执行机构接收开关信号控制输出，即使开关复位，输出件继续移动，直到极限位置停止。执行机构除非紧急按停，不能停在中间位置。原理与远控调节型相同，区别是能自动保持开关信号。•远控调节型：执行机构接收开关（继电）信号控制输出位移，开关复位，输出件停止运动。是一种开环的可间断调节的控制系统。•比例调节型：执行机构接收系统的控制信号自动实现工业过程调节控制，控制行程与输入信号成正比。是一种带负反馈的偏差控制系统。二、执行机构•电动执行机构的按输出位移一般分为直行程、角行程、多转式三种类型•电动执行器按装配的阀门与减速机构不同有多回转型（3600）和部分回转型（900）•按停止种类划分也可分为力矩停与行程停两种，现阶段的智能型电动执行机构在生产过程中根据不同需要两种形式都可以选择。二、执行机构•电动型按不同标准又可分为：组合式结构、机电一体化结构，电器控制型、电子控制型、智能控制型（带HART、FF协议），数字型、模拟型，手动接触调试型、红外线遥控调试型等。它是伴随着人们对控制性能的要求和自动控制技术的发展而迅猛发展的电动执行机构。•目前，电动执行机构主要有：罗托克（ROTORK）、西博斯（SIPOS‐SIEMENSPositioner的缩写）、瑞基(RAGA)、奥马（AUMA）、ABB、上仪ROTORK、利米托克（LIMITORQUE）等各种电动执行机构。•电动执行机构的工作原理都是利用电机的正反转来实现阀门的开关。接收调节器输出的4～20mA信号，由放大器进行功率放大，驱动电动机正反转产生推杆的直行程或角行程。二、执行机构•电动执行机构实际上是由伺服放大器以及执行机构共同构成的电动执行机构，执行机构为现场就地安装式结构，在减速器箱体上装有交流伺服电机和位置发送器。减速器上有手动部件、输出轴、机械限位块。•这个系统在结构上是一个自动调节系统，被调参数为行程。系统有信号比较，功率放大，单相低速同步电机，减速传动机构和位置反馈电路组成。在这个系统中还可以加进操作器用于实现手动和自动的切换操作。二、执行机构•直行程位置发送器与减速器的联接结构如图1所示，它们之间的联接和调整是通过杠杆和弹簧来实现的。当减速器输出轴上下运动是时，杠杆一端依靠弹簧的拉力紧压在输出轴的端面上，因而传感器芯棒产生轴向位移，达到改变位置发送器输出电流大小的目的。•传感器芯棒移动距离而对应的位置反馈电流为4~20mADC（0~10mADC）。输出轴位移的行程和位置发送器输出电流呈线性关系。利用杠杆支点距离的不同来改变行程的变化。机械限位块则按行程不同来进行设置。二、执行机构•直行程电动执行机构是一个用交流伺服电动机为原动机的位置伺服机构，其系统方块图如图2所示。FC：伺服放大器SD：单相伺服电机WF：位置发送器Z：减速器DFD：电动操作器C：调节阀二、执行机构电动执行机构三种控制方式：•当电动操作器切换开关放在“自动”位置时，即处在连续调节控制状态。•当电动操作器切换开关放在“手动”位置时，即处在手动远方控制状态，操作时只要将旋转切换开关分别拔到“开”或“关”的位置，执行机构输出轴就可以上行或下行，在运动过程中观察电动操作器上的阀位开度表，到所需控制阀位开度时，立即松开切换开关即可。•当电动操作器切换开关放置“手动”位置时，把交流伺服电动机端部旋钮放在“手动”位置，拉出执行机构上的手轮，摇动手轮就可以实现手动操作。当不用就地手动操作时，千万要注意，把交流伺服电机端部的旋钮放在“自动”位置，并把手轮推进。二、执行机构6、执行机构检修时应注意事项.1）检修作业人员应认真学习并严格执行《安规》有关规定以及大中小修期间制订的相关的规章制度。2）检修人员已完成安全、技术交底，明确检修的目的、任务和要消除的缺陷。工作票手续准备完整，需要解除的联锁保护或安全措施已执行。3）电动执行机构在检修或更换板件时，特别注意应停电。4）调节阀在调试前应核实、考虑阀门开关会对系统造成的影响，必要时应隔离。5）板件或零件拆卸时要做好标记，防止丢失和接错板件。6）执行机构为精密仪器，检修时应注意不要使用蛮力。7）检修时应做到工完料尽场地清。英国Rotork电动执行器结构图1、电动机2、行程和力矩传感器3、减速装置4、阀门附件5、手动轮6、执行器控制板7、电气接线端8、现场总线板带Rotork多回转执行机构的闸阀带Rotork角行程执行执行机构的蝶阀德国AUMA电动执行机构结构图1、电动机2、行程和力矩传感器3、减速器4、阀门附件5、手动轮6、执行器控制板7、电气接线8、现场总线板AUMA角行程执行机构带蝶阀示意图AUMA执行机构带闸阀示意图•露天安装的AUMA电动执行器，中间灰色电缆是电机电源线，两侧的四个蓝色电缆（本安信号）用于传输末位、力矩和远方程令。小知识一、电动执行机构的“电开”和“电关“概念是什么？如何将一个“电关”代改为“电开”阀？答：1）“电开”是指伺放在没有输入控制电流信号时，执行机构处于关闭状态，有信号输入时向开的方向动作。“电关”与“电开”相反。2）将“电关”改为“电开”可改变伺放电机正、反转线，将正接入反，反接正即可。小知识二、从哪些方面考虑气开气闭阀的选型？a、事故条件下，工艺装置处于安全状态。失电、失气状态下保证工艺过程或设备安全条件下对阀门开、关状态的要求。这是选择气开、气关阀的原则。如：加热炉燃烧控制，调节阀安装在燃料气进口管线上。根据炉膛的温度或背加热物料在加热炉出口的温度来控制其燃料的供应，这时应选择气开阀（FC）更安全些，防止炉膛超温，造成设备烧损炉管。又如：冷却水冷却的换热设备，热物料在换热器内与冷却水进行交换换热，调节阀安装在冷却水管上，用换热后的物料温度来控制冷却水量，当气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式（FO）调节阀。小知识b、事故状态下，减少原料和动力损耗，保证产品质量。c、介质特性。如：如果容器内有易凝固、结晶的介质，则尽量选择气关阀，防止介质在事故状态下在容器内结晶而难以处理。例如：1、人们提到的蒸汽加热器（比如精镏塔塔釜再沸器），其加热介质为水蒸汽，一般的原则，一旦出现操作不正常，如塔压、塔釜温度过高等极其不利的情况出现，在事故状态或者不正常操作的状态下，这个调节阀应该处于关闭状态，比如仪表气源突然没了，压缩机事故、仪表空气缓冲罐压力失常等，处于关闭状态有利于切断高温水蒸汽继续进入加热器，也就是切断了热源，从而保证设备的安全，“无气源则关”，很显然，这个调节阀应该选气开阀（气来了才能开嘛）。小知识拓展一下思维，塔顶的冷凝器的冷却水上水调节阀，应该是气开、气关呢？为了保证冷凝器不处于高温下，或者说在调节阀出现失去气源的情况下，为了塔顶压力、温度正常，这个时候是不允许冷却水出现停水状况的，那么这个调节阀在事故状态下就应该是处于开启状态，恰恰和加热器的调节阀相反，道理都一样，就是为了维持这个精镏塔的正常、稳定操作，事故状态下不会有恶劣的影响，为了安全，这个阀“无气源则开”，很显然，这个调节阀应该选气关阀（气来了才能关嘛）。特殊的情况，加热器的蒸汽调节阀也有可能选气关，比如塔釜的物料在低温下极易结晶，一旦停止了蒸汽的加入，物料就会随着温度的下降结晶，事故状态下为了不让其堵塞管道和设备，给人们争取到处理事故的时间，此时要维持蒸汽的通入，保证设备管道不至于堵塞，此时就要选气关阀。这是特例，也是根据具体的工艺操作情况而定的。小知识2、再看看漩涡泵出口的旁路流量调节阀，一般而言，旁路调节流量是一种较为普遍的方