浅谈气动执行器发展现状

徐进

【摘 要】气动执行器是一种以压缩空气为动力能源的自动执行器。它接受调节仪表发送的信号，直接改变调节介质的流量，使生产过程按预定的要求正常进行，实现生产过程的自动化。

【关键词】气动；执行器；自动化

0.前言

气动执行器是一种以压缩空气为动力能源的自动执行器。它接受调节仪表发送的信号，直接改变调节介质的流量，使生产过程按预定的要求正常进行，实现生产过程的自动化。气动执行机构（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。

1.气动执行器在系统中的工作原理

气动执行器包括现场执行器和就地控制柜两部分。DCS系统给出的4～20mA指令信号通过就地控制柜内的电/气转换器把对应的线性0.02～0.1MPa的气信号送给现场的气动执行机构，对执行机构进行连续的调节控制，同时现场的位置变送器把4～20mA反馈信号通过就地控制柜内的端子排输出给DCS系统，实现闭环调节。在需要时也可以同时输出一对全开/全关到位的接点信号。控制柜内的三断保护装置能够在系统断气源断电源和断信号时控制现场的执行机构保持原位或到达全开/全关位置，保障整个系统的安全，同时可以提供报警信号输出给DCS。

2.技术现状

2.1采用机械式定位器、转换器气动执行器

传统电/气阀门定位器工作原理如图1所示，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。

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1 机械式电/气阀门定位器原理

2.2采用电子式定位器、转换器气动执行器

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2是日本SMC公司生产的IP5000电子式电/气阀门定位器与双作用执行机构连接的工作原理图，其动作也是基于力平衡的原理。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，经气动放大器输出性0.02～0.1MPa的气信号，作用在控制滑阀的膜片上，滑阀膜片气压增大，拉长反馈弹簧，引起滑阀位移，气缸无杆腔气压增加活塞伸出，反馈弹簧拉长。只要滑阀受力平衡时，输入信号与反馈信号平衡，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，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 电子式电/气阀门定位器原理

图3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。

2.3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，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3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。

图3智能阀门定位器原理图

由图3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。

智能电气阀门定位器对输出气源压力调节的新颖之处：

（1）输出压力调节采用PID脉宽调制（PWM）技术，迅速准确。由于CPU对压电阀的控制采用一个五步开关程序来控制，可以精确、快速地控制输出气源压力增减。其控制算法一般采用数字PID调节方式，CPU根据输入信号与阀位产生偏差的大小和方向进行PID计算，输出一个PWM脉宽调制脉冲信号来控制压电阀开、闭动作。由于脉冲的宽度对应于定位器输出气源压力的增量，从而可以迅速、准确的改变气源压力输出P1。当偏差较大时，定位器输出一个连续信号，快速连续、大幅度的改变P1的大小，当偏差较小时，定位器输出一个较小脉宽的脉冲信号，断续、小幅改变P1的大小，当偏差很小（进入死区）时，则无脉冲输出，阀位稳定工作。

（2）新型压电阀器件的采用，保证了控制的高精度。压电阀的主导元件是一个压电柔韧开关阀，也称作硅微控制阀，由于其质量小，开关惯性非常小，可以执行很高的开关频率，因而作为一个高频率的脉冲阀，对输出气路压力P1进行控制，驱动执行机构，可以达到很高的阀门定位精度。

（3）阀位反馈元件定位精度高，寿命长。阀位反馈元件是一个结构简单、高精度、高可靠性的导电塑料电位器，将执行机构的直线或转角位移转换为电阻信号，因而可以精确的检测阀位并且可以方便的对阀门进行零位，满度及阀门流量特性曲线的定位。

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。

3.未来展望

3.1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。

3.2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。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。

3.3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。

4.结论

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。