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作 者： 骆立强 摘 要： 文章介绍了电动执行机构在舰船过程控制系统中的使用状况，对比分析了国内外电动执行机构在应用中的性能特点，提出电动执行机构发展还应立足于国内市场，重点解决船用化及小型化问题。 0 前言 电动执行机构作为过程控制系统的重要执行单元，接受标准信号（模拟量或数字量），并将此信号转变成对应的机械位移，从而操纵调节阀、风门、挡板等，以此完成自动控制任务，执行机构对控制系统的调节性能和可靠性有着重要影响，其结构如图1所示。 图1 电动执行机构工作原理框图 电动执行机构与气动和液动执行机构相比有以下优势： 1）以电源为动力，无需增加气源和空气净化设备，一旦失电，执行机构使阀门等保持原来位置，可方便地转为手操； 2）电信号可以远距离传输，电缆比气、液管路安装方便且容易检查； 3）电动执行机构的灵敏度、运行时间等较气动和液动执行机构调整方便，且容易掌握； 4）电动执行机构位置反馈指示明确； 5）随着电子技术的提高和计算机技术的普及应用，电动执行机构发展更为快速。 近20年，随着工业控制技术的提高，船舶动力装置的过程控制系统在不断发展、完善，机械调节或就地手操已陆续改为电气控制或电液控制，原气动或液动执行机构已由电动执行机构替代。本文结合长期工程应用及观察经验，总结了电动执行机构在船舶过程控制系统中的应用，并展望了船舶应用电动执行机构未来的发展方向。 1 舰船电动执行机构性能特点 1.1 船舶应用选型要点 1）根据阀门种类合理选择电动执行机构。角行程电动执行机构：执行机构输出轴转动带动阀门启闭，适用于蝶阀、球阀、旋塞阀等；直行程电动执行机构：输出轴的运动为直线运动式，适用于单座调节阀、双座调节阀等。 2）根据阀门所需确定电动执行机构的输出扭力，以确定其它规格。 3）所选电动执行机构的电气参数应与控制系统要求相匹配，根据现有应用条件和使用环境，船舶过程控制系统选用的基本为带伺服反馈、闭环控制的电动执行机构。 4）选择外壳防护等级、防爆等级。与陆地使用相比，舰船上电动执行机构的布置位置差，使用环境条件恶劣，易受到潮湿、盐雾、震动等的影响；同时，由于空间狭小，检修困难，故要求电动执行机构具有更高的可靠性，能够在船舶复杂条件下长期正常工作。 1.2 基本技术性能指标 舰船电动执行机构应满足如下的基本技术性能： 1）输入控制信号：4 mA~20 mA DC或1 V~5 V DC； 2）阀位反馈输出信号：4 mA~20 mA； 3）负载能力：不小于500Ω； 4）有阀位上、下限位开关量输出信号； 5）死区可调，范围：0.3%~3%； 6）基本误差≤±1%； 7）行程及运行时间可调。 1.3 典型电动执行机构性能比较 结合工程应用经验，对几种典型的电动执行机构性能指标进行了分析、比较，结果如表1所示。 表1 典型电动执行机构性能指标比较 2 电动执行机构在船舶中的应用 2.1 国产电动执行机构的应用 执行机构一直是我国控制系统中的薄弱环节。20世纪80年代我国自行设计生产的DDZ-Ⅱ、Ⅲ型电动执行机构占市场主导地位，最早应用于船舶的电动执行机构是DKZ-1100 型，用于某水位控制系统。由于其为陆用产品，使用过程中出现过一些故障，但因其工作原理简单，维修也比较方便，所以该系统能一直维持正常运行。 主要不足有以下几点： 1）材料耐腐蚀性能不佳，在恶劣环境条件下，紧固件及阀杆等比较容易锈蚀； 2）外壳密封性能差，绝缘等级低； 3）零点调试时常出现假零点现象； 4）反馈部件为差动变压器，其铁芯与连杆由弹簧衔接进而带动阀杆，在振动环境下弹簧易脱落； 5）限位开关在振动环境下易偏脱原位置，从而使电机发生堵转现象。 20 世纪90年代开始，国内电动执行机构生产厂家逐步引进国外技术。有的是全套进口执行机构器件，国内组装，生产技术进行国产化；有的进口主要器件和壳体，国内组装。但有些引进的是技术仿制产品，所用材料、工艺水平等不过关，而与进口原装产品有一定的差别。 2.2 进口电动执行机构在船舶中的应用 20世纪90年代中期，船舶过程控制系统中曾选用过是美国里米托克公司的执行机构，通过试验发现其存在惰走现象、调节精度低等问题。英国ROTORK公司原装进口的IQM和AQ系列是目前舰船过程控制系统中应用比较多的产品。其中IQM系列为智能型电动执行机构，用于直行程阀门控制，主要优点： 1）采用IQ红外遥控器设定内部参数，无需打开机壳，提高了设备安全运行性； 2）保护功能齐全； 3）位置反馈是利用霍尔效应原理，优于差动变压器位置反馈原理，提高了精度； 4）绝缘等级及防护等级较高，可达IP68，电气性能稳定，可靠性较高。 AQ系列产品是非智能型设备，用于角行程阀门控制，电气参数调整需开盖手动设置，现场调试没有IQ方便，位置反馈为高塑电位器，可靠性也较高，目前ROTORK公司已不生产AQ 系列，取而代之的是智能型的IQT系列。 投入使用近10年的IQM、AQ系列也有过一些故障现象，其主要问题是： 1）两种系列的执行机构均存在体积过大问题，使在舰船上狭窄的空间里如何合理布置执行机构成为一个难题； 2）AQ执行机构因操作频繁使主控板故障、接触器开关失控现象时有发生； 3）IQM系列执行机构出现过设定死区较小而使执行机构发生振荡； 4）IQM执行机构因操作不当使离合器脱合，不能手动操作；自备电池由于潮湿等失电而使IQ操作器及控制操作失灵且调节阀不能正常运行等。 近年使用的德国PS电子式执行机构和意大利的BIFFI-F02执行机构，它们的体积相对IQM、AQ、IQT小很多，但负载能力也小。PS有智能型执行机构PS-AMS/AMT和普通型PS-AM系列，PS全行程时间不可调，但在一定的范围内对于力矩、速度、行程等功能进行设定，非侵入式结构，接线盒独立，不用开盖即可进行接线和调试，其安装方式有一定限制；PS-AMS/AMT智能型执行机构可通过内部16位高性能RIC处理器设定十六段特性曲线改变阀门的流量特性，以提高调节阀控制品质。BIFFI-F02也为非侵入式结构，试验室设定参数后现场接线即可，但只有小力矩且为角行程系列，只能在对应要求的场所选用。 2.3 国产与进口执行机构的优缺点 国产电动执行机构目前在技术水平、可靠性等方面与国外先进产品相比仍有差距，其优点是供货渠道通畅，结构原理简单，维修方便，价格适中。 进口电动执行机构的优点是性能、可靠，但较为突出的缺点是缺乏原理图，维修不便，一旦故障总要通过代理商更换故障部件，包括紧固件都是专用的，不能替代。另外体积大，布置困难，且零配件不能保证稳定供货，维护成本高。如：ROTORK的IQM、AQ、IQT在使用中比较突出的问题就是体积偏大、且规格系列少，更适用于电厂的风门挡板大推力、大扭矩场所等。由于船舶空间比较狭窄，某些需要实施自动控制的系统，因其体积偏大而不便安装只好沿用开关式的电动阀控制甚至就地手操，为此使整体自动化控制水平受到限制。 3 展望 根据实际应用情况及需求的增加，船用电动执行机构应向小型化、船用化、智能化发展，同时应立足于本国市场，发展本国工业。国产执行机构从防护等级、转速比、功能及性能指标及工艺上与国外同种产品均有一定差距，可根据引用的国外先进技术，或在国外执行机构基础上进行改进设计，采用功能适用、结构简单可靠的设计思路等多方面进行研究，以确保其可行性。 3.1 船用化处理 电动执行机构设备应能在潮湿、盐雾、油雾恶劣环境下正常工作，必须对设备在船用环境条件进行船用化改造处理。 1）为预防潮气可对执行机构内部电路板的损害，对其进行洁化及涂覆三防漆处理后，以达到防护电路板等降低绝缘等级的目的； 2）采取措施加固执行机构内部组件，以IQM电动执行机构为例，其内部控制电路板及部件用O 型圈固定在一起，置于电动执行机构壳体内；为防止电动执行机构因剧烈振动和冲击而使其零件松散，增加了固定控制板的机械卡箍及防锈蚀的不锈钢紧固件； 3）密封处理：对进入控制器内部的机械、电缆部件进行填料函设计加工，以防止水汽破坏端子的绝缘电阻，提高密封性能； 4）进行船用环境条件考核试验：电动执行机构需满足电气设备的舰船电子设备环境试验GJB4.1~13-1983 中的高温、低温、低温储存、恒定湿热、冲击、振动、外壳防水等船用环境条件考核要求。 3.2 小型化 电动执行机构应尽力保证体积小，以便于安装和使用。小型化设计需要对执行机构的结构进行优化设计，从结构上寻找突破口，其中传动机构、减速机构、位置反馈机构的功能及性能匹配的小型设计，结构上优化及制造，电器部件结构紧凑合理的整合设计，同时还应兼顾执行机构的使用环境等指标要求。选择小型电机，也是执行机构小型化的基础。力争省去用于控制电机正、反转的接触器而采取电子换向开关模块。 进行传动机构研究、减速机构研究，位置检测机构的集成化研究，在性能及功能之间匹配设计，使其尽量小型化。 3.3 智能化 电动执行机构同其它电气设备一样，随着科学技术发展其功能与性能也在不断完善，使执行机构的功能及操作等实现智能化也是发展必然。 1）采用蓝牙、红外技术对阻尼、限位、精度等参数进行现场设定或读出，方便使用维护人员的调试或监视； 2）进行远端通信功能研究，以便在控制台上的控制器实现通讯或远程调整零点、量程和监视； 3）对信号断线、偏差过大、电子限力矩保护、电子行程限位、数字式位置发送器、相位自动鉴别、电机堵转、过热等故障进行诊断及报警、处理功能研究； 4）执行机构还可考虑自带PID 控制功能，以简化控制系统组成。 4 前景分析 适合舰船使用的小型化电动执行机构安装、调试和使用相对方便，可使更多的回路系统电动、手操控制及开关式控制改为电动调节控制，从而提高控制系统精度。提高整体控制水平和管理水平，减少岗位人员的劳动强度及误操率。另外，多系统的协调控制、串级控制系统中需要应用电动执行机构的地方将会更多，直接或间接地促使舰船的工作性能有较大的提高。电动执行机构满足船用化要求，其智能化使操作及调试简单，其小型化使拆修方便。电动执行机构的高可靠性，可保证系统长期正常的工作，减少使用设备的维修工作量，直接或间接创造效益。 |
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