连续性的工业生产自动化程度很高，正确分配和稳定控制流动介质对于生产稳定非常重要。对于能量交换和流量、液位等工艺参数的控制，通常通过应用执行器完成。在生产现场，许多执行器工作条件如温度、压力、腐蚀、污染等是高温、高压、易腐蚀、易结晶的恶劣环境，极易造成执行器不动作或者误动作的情况，导致工艺参数调节难度加大，影响产品质量，严重的甚至造成安全事故。
1 气动执行器
执行器是工业自动化过程控制系统的重要组成环节，接收来自控制单元输出的控制信号，通过改变控制阀的流通面积，调节流体流通能力，实现对生产过程的自动控制。根据所使用的能源不同，执行器分为气动、电动和液动等类型。其中气动执行器作为重要的控制仪表之一，在石油、化工、电力、冶金等工业企业应用最广泛。
1.1 气动执行器控制回路
气动执行器以压缩空气为动力源，将输入控制信号转换为气压信号加到气动执行机构上进而驱动阀门，实现连续调节或开关动作，可选配电气转换器、阀门定位器、电磁阀、保位阀等附件。其控制/联锁回路如图1所示，工业自动化控制系统如DCS的控制槽路根据AI模拟输入（流量、压力、温度、液位等被调参数）进行PID控制运算，通过AO模拟输出4mA～20mA控制信号到气动执行器的电气阀门定位器，转换为定位控制的气动信号使气动执行器执行动作。串接在气路中的电磁阀用于安全联锁控制，DCS通过DO数字输出一个联锁信号控制电磁阀是否带电进而控制气路通断。
图1 气动执行器控制/联锁回路示意图
1.2 气动执行器结构
气动执行器有薄膜式和活塞式两种。常见的气动执行器多为薄膜式，特点是结构简单、价格较低廉，但输出行程较小。薄膜式气动执行器又分有弹簧和无弹簧两种。现以常用的有弹簧正作用执行器为例说明其工作原理，如图2所示：当信号压力通过上膜盖1和薄膜片2组成的气室时，在膜片上产生一个推力，使推杆8下移并压缩弹簧9。当弹簧的作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡时，推杆稳定在一个对应的位置。推杆的位移即执行器的输出，也称行程。
1－上膜盖；2－薄膜片；3－托板；4－阀杆；5－阀座；
6－阀体；7－阀芯；8－推杆；9－平衡弹簧；10－下盖
图2 气动薄膜执行器结构图
2 运行风险分析
在化工生产过程中，由于气动执行器长期处于高温、高压等环境中，以及动作相对频繁，故障率相对高一些，容易出现阀杆填料泄漏、连接件脱开、气管路松动泄漏，造成不动作或者误动作，中原大化煤化工装置区和天然气装置区都曾出现上述情况导致减负荷或者停车事故。带有电磁阀的气动执行器很有可能由于电磁阀故障造成气动执行器动作异常，给正常生产带来极大隐患。针对实际应用中遇到的问题，应分析气动执行器的运行风险来源，以便制定相应的措施最大限度减少运行风险。
2.1 填料泄漏等常见风险
气动执行器阀杆填料泄漏较为常见，还有部件松动、阀体腐蚀、过滤器减压阀损坏、膜头泄漏等，针对这些运行风险，中原大化仪表公司建立了气动执行器运行的点检定修制度。针对部件松动、阀体腐蚀、过滤器减压阀损坏、膜头泄漏等，中原大化制定了点检定修制度。
点检定修就是按照一定的标准、一定周期、对设备规定的部位进行检查，以便早期发现设备故障隐患，及时加以修理调整，使设备保持其规定功能的设备管理方法。结合现场实际并根据仪表对生产的影响程度、重要性进行分级管理，制定了点检定修标准及相应的考核办法。要求点检员每月5日前对包区所有仪表按照点检标准逐一全方位检查，对点检数据进行汇总分析，找出仪表存在的问题，然后采取“定时间、定责任人、定整改措施、定资金、定措施”的“五定”方法进行跟踪将查出的仪表隐患进行彻底解决。点检定修制度能够及时发现仪表隐患，通过五定将隐患消灭于萌芽状态，做到仪表设备的预知检修、状态检修。针对气动执行器运行进行的点检表如表1所示。
表1 执行器运行工况检查表
2.2 执行机构与电气元件连接脱开
在化工自动控制系统中，为了实现执行器的准确定位常将气动执行器与阀门定位器配套使用。定位器接收控制器的输出信号，产生与之成比例关系的输出信号来控制气动执行器。由于化工生产的特殊性，执行器会出现由于震动导致与定位器连接脱开的情况。中原大化曾出现上述情况导致的减负荷或者停车事故，为了吸取事故教训、做到事故的预知、预防，进而达到预治的效果，中原大化仪表公司开展了执行器连接部件专项检查活动。
执行器连接部件专项检查即制定专门的标准和细则，抽调专门的工程技术人员每月按照规定的检查内容对所负责装置区内所有执行器的连接部件进行检查。检查完成后，领导对检查的结果进行验收，对检查出的问题制定整改方案和整改期限责令相关责任人进行整改并根据相关考核标准对人员进行奖惩考核。自活动开展以来，中原大化未再出现由于执行器与定位器等脱开的情况。执行器连接部件专项检查表如表2所示。
表2 执行器连接部件专项检查表
2.3 电磁阀故障
在气动执行器的气动信号管路中配置电磁阀，用以实现安全联锁动作。电磁阀接受DCS发出的联锁信号激励或释放电磁阀线圈，改变流路，接通或断开气动信号并使气动执行机构气室排空。电磁阀误动作或线圈烧毁等原因造成气动执行器故障，严重影响生产稳定。为了防范电磁阀故障给气动执行器带来的运行风险，将电磁阀单配置改造为双配置、DCS数字输出双点设置，形成“与门”控制关系的双保险。双电磁阀联锁原理如图3所示。阀门定位器输出的气动信号经过三通接头连接到电磁阀1、电磁阀2的输入端，将电磁阀1的排空孔与电磁阀2的输出孔连接起来，而电磁阀1的输出接气动执行机构气室。当电磁阀1或电磁阀2单独故障时，气动信号都能接通到气动执行机构，不会造成影响。仅当电磁阀1与电磁阀2同时故障时才会彻底断开气动信号并使气动执行机构气室压力经电磁阀1和电磁阀2排空，这种两个电磁阀同时故障的概率比单个出现故障的概率就要低很多。同时，DCS的数字输出点要组态在不同的DO卡上，避免双电磁阀接在同一卡件上，规避DCS卡件故障而导致双电磁阀同时出现问题。
图3 双电磁阀改造原理图
3 结束语
气动执行器运行的点检定修和风险防范能够有效降低一般故障率和风险，预知处理填料泄漏、将连接部件松动风险消灭于萌芽状态，而双电磁阀改造更是提高了安全系数。据不完全统计，中原大化仪表公司点检员平均每人每月能够发现并处理执行器隐患十余处。正是由于点检定修制度、专项检查制度、技术改造等的不断实施，中原大化自2012年3月至今未发生因气动执行器故障而导致生产装置断料、减负荷等情况。
