智能型电动执行机构是自动控制系统中不可缺少的重要设备，在邯钢烧结及球团厂得到了广泛应用。智能型电动执行机构将调节器送来的控制信号成比例地转换成直线位移或角位移去带动阀门、挡板等调节机构，以实现自动控制，因而也广泛用于电力、冶金、石油、化工等工业部门的自动控制领域。
研制与应用
随着现代工控计算机管理的发展，目前我国仪器仪表行业综合技术水平普遍上升，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，多数产品实现了初步智能化。智能型的电动执行器的智能控制、防护等级高、控制精度高、重量轻、稳定性好，位置控制基本误差±1%，重复性误差（设定行程时间≥25s）≤1%，采用全封闭、一体化结构；传动系统采用螺杆螺母式，传动平稳、承载能力强、传动精度高；具有自诊断、自调整和PID调节功能。但是与国际上先进的智能化电动执行器相比，现有的国产电动执行机构仍存在控制方式落后，不能根据生产的实际要求进行参数的现场调整，不能组成网络进行远程控制等问题，安全防爆性能也远远低于气动执行机构。
随着高新技术的迅猛发展，国外己开发出新一代智能化电动执行机构产品。这些智能化电动执行器功能强大、简单可靠、技术先进，不但具有智能通信、智能控制、支持多种现场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中，防水防爆、终身可靠，调试及故障排除简单，实现了智能式电子一体化、变频变速定位、监控等功能。代表着该领域的世界先进水平的公司有美国的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等。
机构特点
智能通信技术
智能型电动执行器利用微机技术和现场通信技术，实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能。国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（FactoryAutomation）工程技术近十年来得到了长足的发展，作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标准的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和专用的局域网接口，以增强其与其他控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系统。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Interent的结合成为可能，现场总线技术的应用，取代了传统的4～20mA模拟信号，实现了电动执行器的远程监控，状态、故障、参数信息传送，完成远程参数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及工程成本。有影响的现场总线主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等，目前国外的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发了一些带现场总线接口的智能执行器。
机电一体化
电子电路的高度集成、单片机的使用以及一些功能强大模块的使用，使电动执行器的体积越来越小，向小型化、轻便化发展。目前，智能型电动执行器一般将整个控制回路装在一台现场仪表里，将伺服电机、现场仪表控制器安装为一体。电动执行器的一体化，使得执行器的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。
新型智能化电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控制性能好。
数字化、智能化
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机和新型高速微处理器将全面代替以模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元，从而实现完全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）来提高控制性能。传统的电动执行器一般被看作是线性系统，但实际上，绝大多数执行器参数在运行期间会显著地发生改变，应用参数调节和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。控制策略更为先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位，提高控制精度。例如Nucom电动执行器利用先进的电制动技术，控制精度可达1/250，国产的普通型DKZ及DKJ电动执行器控制精度一般为2.5/100。
相对于气动、液动执行器而言，接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行器将不断扩大应用范围。
工作原理
以奥地利SCHIEBEL智能型电动执行机构为例，其电气控制系统结构如图2所示。整个系统由专用可编程序控制器、电子行程、电子力矩、电动机驱动模块、功率扩展模块、人机界面（HMI）、红外线控制器、手动操作电路等组成。其中专用可编程序控制器为整个控制系统的核心，它接收各种信号，经过逻辑处理后作出相应的反应，决定是否驱动和如何驱动电动机，并向用户反馈各类状态信号。
图1 电动执行机构的效果图
控制器以RISC微处理器为核心的CSC控制器具备强大的功能，可完成模拟输入、编码器信号的高速采集、内置PROFIBUS通信协议等专用功能。用于实现对电动执行机构的开和关、现场/远控、故障诊断报警等的控制。采用了通用编程语言，控制系统软件的可移植性和可扩充性得到加强。
图2 智能型电动执行机构的电气控制系统结构
人机界面（HMI）
智能型电动执行机构的人机界面（HMI）由一块128×64的点阵式液晶显示模块、6个磁控开关以及红外接收器组成。整个人机界面通过RS485接口和专用可编程序控制器进行通信，可把输入指令传递到专用可编程序控制器，并在液晶显示模块上显示相应的状态和提示信息。人机界面也具备二次开发的功能，采用一个小型的组态软件，在计算机上绘制好各种状态页面，然后下载到人机界面中，具有直观、灵活的特点。
电子力矩
电子力矩的实现采用了电阻应变原理。在蜗杆上连接一个贴有4片电阻应变片的弹性变形体，输出力矩的大小反映为弹性变形体的变形量，电阻应变片阻值也相应变化，经处理放大后导致最终输出电压的变化。为了反映开、关向力矩的变化，设计上采用了双向推拉式结构，电子力矩在不受力的情况下输出DC5V电压，开向受力时输出DC5～10V，关向受力时输出DC0～5V。这种电子力矩测量直接、实时，线性度、精度都可达到1%以内，远高于相关标准规定的7%的要求。
电子行程
电子行程与电子力矩一样是实现智能型电动执行机构的非侵入调试的关键部件。国内同类产品一般采用电位器。高精度的塑料导电电位器将执行机构输出轴的机械变化转化为电信号，输入到控制器，参与执行机构的调节控制。同时，该信号也被转化成阀门位移开启度，通过显示板显示出阀门的开启度百分比。这种结构虽然简单，但电动执行机构运行一段时间后，各类元件/组件因工作频率和负载条件的差异，各易损件先后磨损超标，而出现位置反馈接触不良、定位精度差、稳定性下降、效率显著降低、故障率逐渐增加等现象，给操作人员带来很多不便，甚至严重影响生产的正常调节和控制。采用绝对编码器可有效地避免这一问题，保证上电后输出码与机械位置的一致性。输出采用的格雷码（GrayCode，简称G码）是典型的循环码，序号相邻的两组代码只有一位码不同，且具有循环性。
电动机驱动模块
CMR控制组件满足用于驱动各种阀门的电动执行机构的所有控制要求。CMR设计成系统控制模件，集成在执行机构中，而附加的执行机构控制器可以满足定位元件的控制要求。执行机构的控制功能通过CMR来设定，不需要更改接线，也不需要在工程项目开始时就确定有关接线。通过在逻辑板PAL（可编程序控制器逻辑）的DIP开关设置快速而方便地实现功能的设定。监视功能、状态显示使启动更容易，可以优化日常维护并因此保证执行机构的可靠动作。具有电机控制、相位顺序控制、相位丢失控制、行程止端和力矩止端特性设定、功能监测、信号发送、选择故障时状态、自诊断等功能。
软件设计
要实现智能型电动执行机构的开关、现场/远控和故障报警的管理与控制，关键在于专用可编程序控制器的程序设计，它直接关系到电动执行机构开、关到位的准确性与实时性。专用可编程序控制器采用编程软件进行编程，整个程序由主程序和多个子程序组成。输入到可编程序控制器的信号，有来自上位机的操作命令，也有来自现场电动执行机构的信号，操作人员在现场或监控室都能对电动执行机构进行控制。由程序的不断扫描，实现电动执行机构的开到位、关到位的控制以及电源故障、电动机过热、力矩故障、机械故障的报警功能。可编程序控制器通过RS485接口与人机界面实现通信，同时通过人机界面（HMI）来反馈设备状态和红外线控制器的操作信号。系统还设置了数据查询系统，能够追逐和查询历史数据，便于维护。
图3 智能型电动执行机构
结束语
电力电子技术、计算机技术及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器更加快速的发展：机电一体化将取代分体式结构；智能通讯取代模拟信号通讯；控制精度越来越高，使用环境越来越广。功能更强大、可靠性更高的智能型电动执行器必定能适应不断发展的自动控制要求。
参考文献
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