電動執(zhí)行機構發(fā)展趨勢研究

王召壘

（揚州電力設備修造廠有限公司，江蘇 揚州 225003）

1 電動執(zhí)行機構的概念、用途及分類

電動執(zhí)行機構是自動化過程控制領域常用的一種機電一體化設備，它以電為動力源，通過對閥門進行控制和調節(jié)，并能接收調節(jié)設備送來的模擬量或數字量標準信號，通過將這些信號變成相對應的轉角或行程等的機械位移來改變與操作閥門（調節(jié)閥、風門、擋板開度等），以使得被調參數（壓力、流量、溫度、液位等）能夠進行自動調節(jié)。電動執(zhí)行機構可以使生產過程按預定的要求進行，它是過程自動控制系統(tǒng)中極為重要的執(zhí)行設備，被廣泛應用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)。

電動執(zhí)行機構按其使用的工作環(huán)境可以歸納為普通型、核電型、防爆型和防腐型等；按其輸出運動的形式又可分為多回轉型（輸出軸轉角大于360°）、部分回轉型（轉角小于360°，多為90°）和直行程（輸出軸直線運動）；按其控制方式也可分為開關型（開環(huán)控制）和調節(jié)型（閉環(huán)控制）。

2 電動執(zhí)行機構國內外發(fā)展歷程

2.1 國外發(fā)展歷程

1905年德國西門子公司制造出世界上第一臺電動執(zhí)行機構SIPOS，從此電動執(zhí)行機構進入工業(yè)自動化領域，并且伴隨著科學技術的發(fā)展和自動化控制系統(tǒng)的進步不斷發(fā)展完善。早期的電動執(zhí)行機構以機械部件為主，主要由電機、機械傳動部分和位置、轉矩信號開關組成。

二十世紀七、八十年代，隨著計算機技術和大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，出現了可編程序控制器（PLC），使得集中式與分散式相結合的分散型控制系統(tǒng)（DCS）應運而生，從這一階段開始，電動執(zhí)行機構成為機電一體化的現場設備。

二十世紀末，隨著計算機網絡技術的發(fā)展，企業(yè)對綜合自動化和管理現代化的要求不斷提高，工業(yè)自動化系統(tǒng)逐漸向數字化網絡化方向發(fā)展，這一時期，以單片微處理器為核心的電動執(zhí)行機構開始出現，并逐漸成為市場主流。單片微處理器的應用，使得電動執(zhí)行機構由原有的硬件控制變成了軟件控制，使電動執(zhí)行機構從單一的現場執(zhí)行單元轉變?yōu)閿底只默F場設備，走向了智能化控制。

2.2 國內發(fā)展歷程

國內的電動執(zhí)行機構大致經歷了以下幾個發(fā)展階段：

（1）初級階段（1964年～1980年）：這個時期的電動執(zhí)行機構僅用于驅動閘閥、截止閥等閥門的多回轉型產品，以機械結構為主，輸出轉矩范圍窄，規(guī)格單一。

（2）快速發(fā)展階段（1981年～2000年）：這一時期通過引進國外產品及技術，產品種類增加、適應性更強，傳動技術有較大進步，初步實現簡易控制，制定產品標準。

（3）高新控制技術應用階段（2000年至今）：隨著嵌入式控制系統(tǒng)、傳感器及通信技術的發(fā)展，非侵入式產品應運而生，智能型、總線控制型產品得到推廣應用，并制定了國家標準。

3 電動執(zhí)行機構的發(fā)展趨勢

3.1 現場總線型電動執(zhí)行機構

現場總線是指在制造或者過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。根據協(xié)議的不同，現場總線分為PROFIBUS、FF、MODBUS、HART、LONWORKS和 CAN等等。電動執(zhí)行機構的控制模塊中嵌入現場總線通信協(xié)議組成總線型電動執(zhí)行機構。

現場總線系統(tǒng)主要由上位機組態(tài)界面、PLC控制系統(tǒng)、下位機電動執(zhí)行機構和儀表等組成，其結構如圖1所示。通俗地講就是根據固定的協(xié)議，電腦通過2根總線電纜與現場設備進行通信，實現電腦對現場設備的監(jiān)控。

3.2 藍牙控制型電動執(zhí)行機構

藍牙是一種短距離無線通信標準，已廣泛應用于手機、筆記本、車載設備等電子產品中，它使用射頻信號作為傳輸介質，標準是完全開放和無償的，互操作性與兼容性好，射頻信號功率小，功耗低，安全無公害，在基帶層使用跳頻擴頻技術，數據可加密，信息的安全性高。電動執(zhí)行機構內嵌藍牙通信組件，在具有 Windows Mobile／CE／Android操作系統(tǒng)的手持智能設備（PDA、手機）上裝入應用軟件，即可在電動執(zhí)行機構與智能設備之間搭建起點對點的無線通信平臺，智能設備可控制電動執(zhí)行機構運行，查詢或修改執(zhí)行機構運行參數，實現雙向數據傳輸，有效工作距離可達10 m。系統(tǒng)由電動執(zhí)行機構、手持設備構成，其結構如圖2所示。

圖1 現場總線控制系統(tǒng)結構圖

圖2 藍牙控制系統(tǒng)結構圖

3.3 ZigBee控制型電動執(zhí)行機構

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協(xié)議。根據國際標準規(guī)定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，單個ZigBee模塊控制距離為300 m，加裝多個ZigBee中繼模塊可以實現信號跳躍式傳播，在人力難以到達的位置或高危場合實施控制具有絕對的優(yōu)勢。

ZigBee控制系統(tǒng)結構如圖3所示，由電腦、中心主站、中繼路由、智能電動執(zhí)行機構組成。其工作原理是控制終端內應用程序應用2.4 GHz ZigBee無線通信，通過中心主站、中繼路由與執(zhí)行機構建立雙向信息交換平臺進行信息交換。

3.4 智慧型電動執(zhí)行機構

智慧型控制系統(tǒng)如圖4所示，通過安裝在電動執(zhí)行機構上的GSM短信終端模塊將閥門管道的狀態(tài)信息編碼后作為短信發(fā)送出去，經遠程基站到達遠程監(jiān)控中心，遠程監(jiān)控中心的GSM終端模塊接收解碼，當驗證來源的合法性后還原成文本信息發(fā)布在用戶的手機上。如果需要發(fā)往若干個手機，只要在群發(fā)列表中添加每個手機的SIM卡電話號碼就可以了。短信息發(fā)送周期很短，所以在電動執(zhí)行機構上發(fā)送閥門管道狀態(tài)信息后，幾秒鐘內手機上的信息就可以得到更新，這樣便實現了遠程控制。

圖3 ZigBee控制系統(tǒng)結構圖

圖4 智慧型控制系統(tǒng)結構圖

GSM短信終端模塊帶有RS－232或RS－485接口，可以實現與電動執(zhí)行機構電控組件的通信，電控組件通過單片機芯片采集電動執(zhí)行機構的狀態(tài)信息并存儲，然后經VP1176等485信號轉換模塊將芯片的TTL電平轉換為485電平，最終把數據傳輸給GSM短信終端模塊，由GSM把數據編碼打包，以短信息的方式發(fā)送出去。

4 結語

隨著信息化、互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，過程驅動控制領域對電動執(zhí)行機構的要求越來越高，高可靠性、高防護等級、高防爆等級（石化市場）、高智能化、體積小是未來發(fā)展的趨勢，更智能更安全更實用的電動執(zhí)行機構必將引領行業(yè)的潮流。

［1］ 胥峰.基于現場總線的電動執(zhí)行機構在電廠的應用［J］.科技與企業(yè)，2013（1）：123.

［2］ 諸銀興，施竹仁，巢樂，等.現場總線智能電動執(zhí)行機構的研制［J］.自動化儀表，2001（11）：23－25.

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