电动执行机构发展趋势研究

王召垒

（扬州电力设备修造厂有限公司，江苏 扬州 225003）

1 电动执行机构的概念、用途及分类

电动执行机构是自动化过程控制领域常用的一种机电一体化设备，它以电为动力源，通过对阀门进行控制和调节，并能接收调节设备送来的模拟量或数字量标准信号，通过将这些信号变成相对应的转角或行程等的机械位移来改变与操作阀门（调节阀、风门、挡板开度等），以使得被调参数（压力、流量、温度、液位等）能够进行自动调节。电动执行机构可以使生产过程按预定的要求进行，它是过程自动控制系统中极为重要的执行设备，被广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业。

电动执行机构按其使用的工作环境可以归纳为普通型、核电型、防爆型和防腐型等；按其输出运动的形式又可分为多回转型（输出轴转角大于360°）、部分回转型（转角小于360°，多为90°）和直行程（输出轴直线运动）；按其控制方式也可分为开关型（开环控制）和调节型（闭环控制）。

2 电动执行机构国内外发展历程

2.1 国外发展历程

1905年德国西门子公司制造出世界上第一台电动执行机构SIPOS，从此电动执行机构进入工业自动化领域，并且伴随着科学技术的发展和自动化控制系统的进步不断发展完善。早期的电动执行机构以机械部件为主，主要由电机、机械传动部分和位置、转矩信号开关组成。

二十世纪七、八十年代，随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，出现了可编程序控制器（PLC），使得集中式与分散式相结合的分散型控制系统（DCS）应运而生，从这一阶段开始，电动执行机构成为机电一体化的现场设备。

二十世纪末，随着计算机网络技术的发展，企业对综合自动化和管理现代化的要求不断提高，工业自动化系统逐渐向数字化网络化方向发展，这一时期，以单片微处理器为核心的电动执行机构开始出现，并逐渐成为市场主流。单片微处理器的应用，使得电动执行机构由原有的硬件控制变成了软件控制，使电动执行机构从单一的现场执行单元转变为数字化的现场设备，走向了智能化控制。

2.2 国内发展历程

国内的电动执行机构大致经历了以下几个发展阶段：

（1）初级阶段（1964年～1980年）：这个时期的电动执行机构仅用于驱动闸阀、截止阀等阀门的多回转型产品，以机械结构为主，输出转矩范围窄，规格单一。

（2）快速发展阶段（1981年～2000年）：这一时期通过引进国外产品及技术，产品种类增加、适应性更强，传动技术有较大进步，初步实现简易控制，制定产品标准。

（3）高新控制技术应用阶段（2000年至今）：随着嵌入式控制系统、传感器及通信技术的发展，非侵入式产品应运而生，智能型、总线控制型产品得到推广应用，并制定了国家标准。

3 电动执行机构的发展趋势

3.1 现场总线型电动执行机构

现场总线是指在制造或者过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。根据协议的不同，现场总线分为PROFIBUS、FF、MODBUS、HART、LONWORKS和 CAN等等。电动执行机构的控制模块中嵌入现场总线通信协议组成总线型电动执行机构。

现场总线系统主要由上位机组态界面、PLC控制系统、下位机电动执行机构和仪表等组成，其结构如图1所示。通俗地讲就是根据固定的协议，电脑通过2根总线电缆与现场设备进行通信，实现电脑对现场设备的监控。

3.2 蓝牙控制型电动执行机构

蓝牙是一种短距离无线通信标准，已广泛应用于手机、笔记本、车载设备等电子产品中，它使用射频信号作为传输介质，标准是完全开放和无偿的，互操作性与兼容性好，射频信号功率小，功耗低，安全无公害，在基带层使用跳频扩频技术，数据可加密，信息的安全性高。电动执行机构内嵌蓝牙通信组件，在具有 Windows Mobile／CE／Android操作系统的手持智能设备（PDA、手机）上装入应用软件，即可在电动执行机构与智能设备之间搭建起点对点的无线通信平台，智能设备可控制电动执行机构运行，查询或修改执行机构运行参数，实现双向数据传输，有效工作距离可达10 m。系统由电动执行机构、手持设备构成，其结构如图2所示。

图1 现场总线控制系统结构图

图2 蓝牙控制系统结构图

3.3 ZigBee控制型电动执行机构

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，单个ZigBee模块控制距离为300 m，加装多个ZigBee中继模块可以实现信号跳跃式传播，在人力难以到达的位置或高危场合实施控制具有绝对的优势。

ZigBee控制系统结构如图3所示，由电脑、中心主站、中继路由、智能电动执行机构组成。其工作原理是控制终端内应用程序应用2.4 GHz ZigBee无线通信，通过中心主站、中继路由与执行机构建立双向信息交换平台进行信息交换。

3.4 智慧型电动执行机构

智慧型控制系统如图4所示，通过安装在电动执行机构上的GSM短信终端模块将阀门管道的状态信息编码后作为短信发送出去，经远程基站到达远程监控中心，远程监控中心的GSM终端模块接收解码，当验证来源的合法性后还原成文本信息发布在用户的手机上。如果需要发往若干个手机，只要在群发列表中添加每个手机的SIM卡电话号码就可以了。短信息发送周期很短，所以在电动执行机构上发送阀门管道状态信息后，几秒钟内手机上的信息就可以得到更新，这样便实现了远程控制。

图3 ZigBee控制系统结构图

图4 智慧型控制系统结构图

GSM短信终端模块带有RS－232或RS－485接口，可以实现与电动执行机构电控组件的通信，电控组件通过单片机芯片采集电动执行机构的状态信息并存储，然后经VP1176等485信号转换模块将芯片的TTL电平转换为485电平，最终把数据传输给GSM短信终端模块，由GSM把数据编码打包，以短信息的方式发送出去。

4 结语

随着信息化、互联网技术的飞速发展，过程驱动控制领域对电动执行机构的要求越来越高，高可靠性、高防护等级、高防爆等级（石化市场）、高智能化、体积小是未来发展的趋势，更智能更安全更实用的电动执行机构必将引领行业的潮流。

［1］ 胥峰.基于现场总线的电动执行机构在电厂的应用［J］.科技与企业，2013（1）：123.

［2］ 诸银兴，施竹仁，巢乐，等.现场总线智能电动执行机构的研制［J］.自动化仪表，2001（11）：23－25.

［3］ 瞿雷.一种新的无线网络通信技术Zigbee［J］.单片机与嵌入系统应用，2006（1）：45－47.