电动执行机构原理
一、电动执行机构概述
执行机构，又称执行器，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备（器件），是自动 化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设 备和执行设备）中的执行设备。主要是对一 些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。按动力类型可分为气 动、液动、电动、电液动等几类；按运动形 式可分为直行程、角行程、回转型（多转式） 等几类。由于用电做为动力有其它几类介质不可比拟的优势，因此电动型近年来发展最
快，应用面较广。电动型按不同标准又可分为：组合式结构、机电一体化结构，电器控 制型、电子控制型、智能控制型（带HART、 FF协议），数字型、模拟型，手动接触调试 型、红外线遥控调试型等。它是伴随着人们 对控制性能的要求和自动控制技术的发展而迅猛发展的。
•早期的工业领域，有许多的控制是手动和半自动的，在操作中人体直接接触工业设备的 危险部位和危险介质（固、液、气三态的多种化学物质和辐射物质），极易造成对人的 伤害，很不安全；
•设备寿命短、易损坏、维修量大；
•采用半自动特别是手动控制的控制效率很低、
误差大，生产效率低下。 基于以上原因，执行机构逐渐产生并应用于
工业和其它控制领域，减少和避免了人身伤
害和设备损坏，极大的提高了控制精确度和 效率，同时也极大提高了生产效率。今年来
随着电子元器件技术、计算机技术和控制理论的飞速发展，国内外的执行机构都已跨入 智能控制的时代。
ROTORK
LIMITORQUE、天津二通
二、工作原理及结构
（一）电动执行机构
目前，电动执行机构主要有：罗托克（ROTORK）、西博斯（SIPOS‐SIEMENSPositioner的缩写）、瑞基(RAGA)、奥马（AUMA）、ABB、上仪ROTORK、利米托克（ LIMITORQUE ）等各种电动执行机构。电动执行机构由伺服放大器和执行机构二个结构上相互独立的整体构成。执行机构为现场就地安装式结构，在减速器箱体上装有交流伺服电机和位置发送器。减速器上有手动部件、输出轴、机械限位块。直行程位置发送器与减速器的联接结构如图
1所示
图1 电动执行机构位置发送器和减速器的联接示意图置
它们之间的联接和调整是通过杠杆和弹簧来 实现的。当减速器输出轴上下运动是时，杠杆一端依靠弹簧的拉力紧压在输出轴的端面 上，因而传感器芯棒产生轴向位移，达到改 变位置发送器输出电流大小的目的。传感器 芯棒移动距离而对应的位置反馈电流为4~20mA DC（0~10mA DC）。输出轴位移 的行程和位置发送器输出电流呈线性关系。利用杠杆支点距离的不同来改变行程的变化。机械限位块则按行程不同来进行设置。直行程电动执行机构是一个用交流伺服电动机为原动机的位置伺服机构，其系统方块图如图2所示。
图2 电动执行机构系统方块图
FC 伺服放大器 SD 单相伺服电机 WF 位置发送器 Z 减速器 DFD 电动操作器 C 调节阀
电动执行机构处于连续调节的控制过程状态：
•当输入信号Ii=0（或4mA DC）时,位置发送器反馈电流If=0(或4mA DC) ,此时伺服放大器没有输出电压，交流伺服电动机停转，执行机构输出轴稳定在预选好的零位。
•当输入信号Ii>0（或4mA DC）时（接入极 性应与位置反馈电流极性相反）此输入信号与系统本身的位置反馈电流在伺服放大器的 前置级磁放大器中进行磁势的综合比较，由于这两个信号大小不相等且极性相反就有误差磁势出现，从而使伺服放大器有足够的输 出功率，驱动交流伺服电动机，执行机构输 出轴就朝着减少这个误差磁势的方向运动， 直到输入信号和位置反馈信号两者相等为 止，此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。
电动执行机构三种控制方式：
•当电动操作器切换开关放在“自动”位置时，即处在连续调节控制状态。
•当电动操作器切换开关放在“手动”位置时，即处在手动远方控制状态，操作时只要将旋 转切换开关分别拔到“开”或“关”的位置，执
行机构输出轴就可以上行或下行，在运动过 程中观察电动操作器上的阀位开度表，到所需控制阀位开度时，立即松开切换开关即可。
•当电动操作器切换开关放置“手动”位置时，把交流伺服电动机端部旋钮放在“手动”位置，拉出执行机构上的手轮，摇动手轮就可 以实现手动操作。当不用就地手动操作时，千万要注意，把交流伺服电机端部的旋钮放在“自动”位置，并把手轮推进。
三、用途
电动执行机构可以与变送器，调节器等仪表 配套使用，它以电源为动力，接受4~20mA DC或0~10mA DC信号，将此转换成与输入 信号相对应的直线位移，自动地操纵阀门等 调节机构，完成自动调节任务，或者配用电动操作器实现远方手动控制，可广泛应用于 发电厂、钢铁厂、化工、轻工等工业总门的 调节系统中。 执行机构主要应用在以下三大领域：
1．发电厂
•火电行业应用
送风机风门挡板、一次进风风门挡板、二次 进风风门挡板、主风箱风门挡板 、燃烧器调节杆、燃烧器摇摆驱动器、球阀和蝶阀控制、 滑动门等。
•其它电力行业的阀门执行器应用
球阀、叶轮机转速控制、冷凝水再循环、脱 氧机、锅炉给水、再加热恒温控制器及其它相关阀门应用。
2．过程控制 用于化工、石化、模具、食品、医药、包装等行业的生产过程控制，按照既定的逻辑指 令或电脑程序对阀门、刀具、管道、挡板、 滑槽、平台等进行精确的定位、起停、开合、 回转，利用系统检测出的温度、压力、流量、尺寸、辐射、亮度、色度、粗糙度、密度等 实时参数对系统进行调整，从而实现间歇、 连续和循环的加工过程的控制。
3．工业自动化用于较为广泛的航空、航天、军工、机械、 冶金、开采、交通、建材等方面，对各类自 动化设备和系统的运动点（运动部件）进行 各种形式的调节和控制。
四、电动执行机构的安装和接线
•伺服放大器应安装在环境温度为0~50℃： 相对温度≤85%无腐蚀性气体的环境中。
•执行机构应安装在环境温度为‐25~+70℃， 相对温度≤95%无腐蚀性气体环境中，在一般情况下，执行机构均安装在调节阀的阀体 上，用螺钉坚固，当然也可以安装在其他调节机构上。安装时应考虑到手动操作及维修 拆装的方便，安装时必须避免所有接合外的 松动间隙。限位块作限位用更不可松动和随 便拆装。执行机构的外形及安装方式见图3。
图3外形及安装方式
•执行机构外部接线按图4、5所示连接，仔细复查
图4 伺服放大器、电动操作器、执行机构接线图
图5 无操作器接线图
五、电动执行机构的调试
电动执行机构组成部分在出厂时皆经过调 试，但为了保证正常运行和现场实际需要，使用前应对基本性能作如下检查：
1.按图6接线图接线。
图6执行机构校验接线图
2\合上电源开关“1K”，将电机“把手”放在手动位置，摇动“手轮”使输出轴的位置置于出厂调试好的零位（即输出轴的下限值），此时mA 表指示值应为零值或4mA。如果不到（或超过）此值可调整（调零），电位器使其值为0mA 或4mA 。
3、摇动“手轮”，使输出轴向上移动，mA表示值应相应地从0变化到10mA或从4mA变化到20Ma.如果不到或超过10mA或20mA，可调节“调满”电位器。
4、如需要重新调整方法如下：
在机械起始点（或偏离起始点一小位移） 用螺丝刀旋转调零（ZEPO）电位器，使 输出电流为0mA（显示为指示灯由亮至灭 时为零位）。
0~10mA调整方法：将执行机构开至终端或手摇）用螺丝刀调节满（ZERO）电位器至20mA，再上、下开几次，信号调准即可。
4~20mA 调整方法：将执行机构开至终端，用螺丝刀调节调满（ZERO）电位器至16mA，再将执行机构开至（或手摇）零位（起始点），调节调零（ZEPO）电位器使0mA变为4mA，再将执行机构开至（或手摇）终端。此时如果显示20mA即可。如果有小误差，反复上、下几次，信号调准即可。
5. 分别操作按钮“2K”“3K”输出轴应随之上下移动。同时位置发送器的输出电流值和输出轴的行程一一对应。
6. 反零位调整方法：
按图7所示，将伺服电机①、②两线掉换。
图7 执行机构位发内部接线示意图
按图7所示，将印刷板上①、③两电位器线掉换，再按上所述的第4点重复调试方法调 试（如果在调调零，调满时有假零位或超位 现象，可以松开电位器的固定螺钉，电位器前后移动，将信号调至所要求范围，固定电 位器螺钉）。
六、使用和检维修
1. 电动执行机构使用前应认真仔细阅读使用 说明书按规定的检验方法，进行检查和校 验。
2. 电动执行机构的减速器应根据现场使用环 境加注合适的润滑油。
3. 电动执行机构投入运行前应检查现场电源 电压是否与规定相符。同时按规定的电器 安装接线图检查接线，拆线时，做好标记并包扎好，接线时，按照拆线的顺序接回 并注意线头编号，各接线端子接线应牢靠。日常故障，可在接线端子上进行相应的检 查调试，对于指令故障，可以在就地短接 指令线查看，反馈故障可以在就地测量反 馈信号。
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开指令
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关指令
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开反馈
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关反馈
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故障
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阀位
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短接
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ROTROK
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34 35
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33 34
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8 9
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6 7
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42 43
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22 23
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5—34
4—36
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SIPOS
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3 5
|
3 4
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1 2
|
5 6
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19 20
|
1 2
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18—19
3--6
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RAGA
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5 35
|
5 33
|
10 11
|
6 7
|
42 43
|
|
5—34
4—36
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AUMA
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3 11
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2 11
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39 40
|
35 36
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14 15
|
23 24
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上仪
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37 39
|
38 39
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15—16
12--13
|
6—7
28--29
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41 42
|
|
36 39
|
4. 据调节系统的要求，选定输出轴的初始化 零位。执行机构出厂时输出轴的零位皆调 整在机械限位下端处。
5. 执行机构和调节机构所有连接的接合处不 可有松动间隙，以保证有良好的调节效果。
6. 执行机构输出轴推力应和调节机构（阀门等）所需推力相适应，防止过载。
7. 执行机构各组成部分应根据现场使用条件 定期检查和调整。减速器应定期清洗加油。
8. 凝汽器入口执行器改中停，凝汽器A/B侧入口执行器以前只有开和关反馈，只给DCS反馈一个开关量，为了让运行人员能更深入了解凝汽器入口阀门开关位置，维修时给该执行器添加一个模拟量反馈功能。
9. 循泵出口蝶阀新增15°反馈限位改造，先断电，再添加继电器，依次添加行程开 关，当循泵出口蝶阀达到15°，行程开关 K闭合，继电器KR线圈得电，电路导通使循泵自动启动，并给DCS传递一个“高电平”信号。(见图8 继电器安装接线图)
图8 继电器安装接线图
电动执行机构的故障及排除方法见下表1：
表1
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故障现象
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原因分析
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检查方法
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排除方法
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执 行 机构不动 作
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相线与中线接反
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用试电笔检查中 线与相线
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对调重新接好
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保险丝断开
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目测
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更换保险管
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线路断开或各接 点接触不良
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目测和用万用表 测量检查各焊点
是否脱焊或各接 线点、插座等接
触是否良好
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对 脱 焊 重 新 焊 好，对接触不良
要重新接好或更 换不良零件
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电机绕组断路或 短路
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用导线短接固态 继电器的交流输出两接点，电机 转动。
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更换电机
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分相电容器断路 损坏
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更换电容
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执 行 机构不动 作
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固态继电器断路损坏
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用导线短接固态继电器 的交流输出两接点，电机转动
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更换固态继电器
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放大器前级故障
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依次检查前级输 出直流电源及元
器件，对损坏无 件更换
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接通电源后 输出轴就朝
一个方向转
动
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放大器前级不调零
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用万用表量出在无信号 时放大器前级的输出
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断开输入信号和 反馈信号重新调
零
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两条反馈线接反
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用万用表检查反馈电流 的方向
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更改接线
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两条放大器输出线接反
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用调接两条线方法
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更改接线
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固态继电器击穿
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用断开固态继电器交流 输出接点方法，或用万
用表测量
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更换固态继电器
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一路输出断路，固态继电器损坏或输出电路断线
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用导线短接续固态继电 器两交流输出接点
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①对损坏固 态 继电器进行 更换②对接线断线 重新接好
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控制电路一路失效
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用万用表检查三极管
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更换损坏的 三 极管
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电机一路断线
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用万用表测量
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重新接好断线
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执行机构一个方向正常，一个方向输出无力
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一个固态继电器软击穿
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用断开固态继电器交流 输出两端子方法断开后
电机转动正常
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更换被断开的固态继电器
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电机中线接错
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目测
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更换接线
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执行机构两个方 向输出无力
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电机分相 电 容 容 量降低或软击穿
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更换电容
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电机制动器故障
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打开电机后罩检查
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调整或更换 制 动器零件 38
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执行机构振 荡
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放大器不调零
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用万用表检前级 输出
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放大器在无任何外信号 情况下重新调零
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死区过小
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调节放大器灵敏电位器
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电机制动器失效
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打开电机后盖检 查摩擦片和弹簧
是否完好
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更换新的摩擦片或重新 调整弹簧
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输出线性不 好或没有输出信号
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导电塑料电位器损坏
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用万用表量
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更换新电位器
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位发线路板工作不正常
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用万用表检查是 否有信号输出
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更换损坏的线路板
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位发变压器不好
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用万用表检查
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更换变压器
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远方无法启 动，反馈故障，指令故 障
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电动门正常，接线错误
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用万用表检查
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重新接线
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控制机柜开关锈死，线 头生锈导致电阻增大， 线头沾水造成短路
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目测，用万用表检查
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重新接线
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执行器动作正常，但无阀位反馈
阀 门 关 不到位
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测量阀位反馈回路仅有4-6mA左右
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用万用表检查
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重新设定，不起作 用，更换阀位反馈
板，如果问题依然 没有解决就要考虑 更换主板
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检查计数器圆形磁钢坏或者计数器板坏
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更换计数器
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电动阀门阀杆卡塞，电动头的输出力矩不够大
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增大电动头的输出力矩
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执行器阀杆无输出
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检查手动是否可以操作，如果手自动离合器卡死在手动位置，电机只会空转
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调整手自动离合器
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检查电机是否转动，如果电机可以转动，并且已在自动位置，说明指令信号
已经到达阀门，可能阀杆断裂
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更换阀杆
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手动电动均不能操作，可能阀门卡死或
轴套卡死、滑丝、松脱
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调整阀门或轴套
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执行器远方 / 就
地均不动作
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电机电源接线不正确
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重新接线
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检查手自动离合器是 否卡死、松动
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调整手自动离合器
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执行器的显示面板有 报警显示
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按面板提示进行处理
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执行器送电就发 生跳闸
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继电器控制板损坏
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更换继电器
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电机线圈烧毁
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更换电机
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手动正常，电机不能切换
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手自动离合器卡簧在 手动方向卡死
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拆卸手轮，释放卡簧，重 新装配好
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