非侵入智能電動執行機構在鋼鐵公司的應用

文/張志軍 曹秀爽

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司設備部 河北省唐山市 063000）

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司采用國際最先進的自動化設備及自動化技術和生產管理，是21世紀國際先進水平的鋼鐵聯合企業。公司在保證高起點、高水平保證產品和技術先進性的前提下，對現場自動化設備采用國內最領先技術及裝備。

對于自動化調節系統一般由檢測器、執行機構、調節器及調節對象組成，其中執行機構是必不可少的。相對于氣動、液壓執行機構而言，電動執行機構具有無需特殊的氣源和空氣凈化等設備，即可遠距離傳輸信號，與工業控制機連接方便簡單，更能適應電子信息新技術。目前廠內執行機構（電動頭）大多采用分體式或電子式執行機構（電動頭），由閥門廠家集成提供。由于鋼鐵企業大部分工況都比較惡劣（如粉塵煙塵鐵粉大的區域），同時各工況對執行機構的要求也參差不齊，采用分體式或電子式執行機構（電動頭），不到半年大部分執行機構出現不同類型的故障，電機損壞、定位失效造成閥門卡死、閥門值與實際反饋值不相符、內部堆積粉塵、分體式或電子式執行機構（電動頭）的結構安裝維護調試時沒有人機界面只能按經驗調整從而造成維護量高，同時高故障率給生產帶來安全隱患。

1 工作原理

非侵入式智能一體化電動執行機構是由最近國外引進并吸收研制開發的一種新型執行機構,它是執行機構族其中一個新亮點,是分體式或電子式執行機構（電動頭）換代產品（同時也是進口產品的替代品），分體式或電子式執行機構（電動頭）長時間使用容易電機損壞、定位失效造成閥門卡死、閥門值與實際反饋值不相符、內部堆積粉塵，尤其是高粉塵、高動作頻率，時間一長就容易電機損壞、定位失效造成閥門卡死、閥門值與實際反饋值不相符、內部堆積粉塵。體式或電子式執行機構（電動頭）因采用的是行程開關或電位器，在實際使用過程中行程開關易受外部的振動造成松動，從而使閥位定位不準，電位器使用過程因其構造是接觸磨擦旋轉方式，旋轉過程中發生線性阻值變化從而達到電平或電流發生變化與閥位位移成線性比例,因電位器在長期使用中會造成磨損，同時電阻值易受外部溫度的影響，所以電位器的磨損或溫度都會發生阻值變化最終使閥門零位發生飄移現象，同時這類執行機構沒有電機溫度、運行速度的有效控制手段使得實際應用時高故障。

非侵入式智能一體化電動執行機構由電動機、減速裝置、主控板（含紅外接收裝置、控制信息輸入輸出等）、電源驅動板（包含電流檢測及力矩檢測）、磁電編碼器、就地操作開關組件等組成。

在實際應用時，當采用三相380V電源時，系統自動檢測三相電源相序（防止電機反向運行）并將電機的控制方向與三相電源相序一致，同時就地LCD顯示當前閥位值、扭矩值，正常時沒有故障顯示，LED燈顯示關位、開位、中間三個其中一個狀態，當有遠程（就地開關需選擇在遠程位）控制信號時（模擬信號或開關信號），信號通過內部光電隔離后SOC單片機檢測并判斷執行機構是開閥或關閥信號，當發生位置變化時磁電編碼器時時檢測并將位移變化以數字方式傳送直SOC單片系統，單片系統將把磁電編碼器與前期設置并存儲在EEPROM內的參數做對比，當磁電編碼器的傳送

圖1：外形圖

來的位置數據與EEPROM內的值相同時，執行機構停止電機，并將執行機構實際位置以模擬量、干接點信號方式輸出，當執行機構在運行過程中出現過扭矩、電源缺相、過電流、失速等故障時，執行機構將停止運行，并反饋故障信息，LCD界面顯示故障原因。

運行過程如需調整執行機構的參數，可通過紅外遙控設置，可設置的范圍包含執行機構所有功能選項，可檢索所有設置參數、故障原因、運行狀態，紅外設置有效距離為1米直線操作（防止域區內誤操作）。

2 技術特點

非侵入式智能一體化電動執行機構利用微處理器和現場總線通信技術將伺服放大器與執行機構合為一體，不僅能實現雙向通信、PID調節、在線自動標定、自校正和自診斷等多種控制技術要求的功能，還增設了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護、斷電信號保護、輸出現場閥位指示和故障報警等功能。它可進行現場操作或遠方操作，完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換。非侵入式智能一體化電動執行機構采用目前世界先進的磁電編碼器技術，其非接觸式采用磁電方式、溫度可在-35～125℃從而避免了因接觸磨損、溫度變化造成的零位漂移，同時其采用數字方式處理信號（非模擬信號）避免電子元件及環境因素變化造成的精度誤差。其就地LCD（并帶有LED燈）的人機操作界面，紅外遙控的使用，使用產品安裝調試變的簡單直接可視化，可達到精確有效的設置各參數，查閱各類信息檢索，使用現場維護人員更易上手。精確可設置的扭矩輸出（40-100%可設）、輸出失速保護（0-99）為電機閥門的保護提供了保障。其高頻率（1200次/小時）的設計能勝任絕大部分的工況，IP68防護等級可在環境下使用。

簡單來說就是打開外部接線端子蓋接好線，其他部分不需要打開，只要一個紅外線設定器就可以調試的執行機構。調試簡潔方便，用紅外線設定器就可快速對非侵入式執行機構進行力矩設定、開關限位、控制及顯示功能的調整設定。一般非侵入式電動執行機構里面都裝有電池，斷電后可以保持閥位不被清除，無論動力電源提供與否，均可對執行器進行非侵入式設定。

零部件采用鋁合金、鎳青銅、Cr鋼、進口油封、高抗磨型潤滑、進口電子元件，加上優化設計方案，具有優質、可靠、穩定、設置簡單及高防護性能。

圖2：煉鋼公輔區安裝圖

圖3：中厚板蒸汽管道安裝圖

（1）設計簡單、緊湊、堅固可靠、壽命長；5年免維護；能長年在戶內、外安裝使用；

（2）獨特的現場，遠傳一體化結構，紅外設置技術，使工業自動化管理變的更輕松方便；

（3）獨特的磁電編碼技術使產品能勝任絕大部分環境及工況；

（4）LCD加LED的人機界面，使操作調試更人性化；輸出輸入信號的光電隔離使整體系統更加安全可靠；

（5）工作溫度范圍寬，適用于從-30℃至+85℃（環境溫度）；

（6）各型號均可輸出4～20mA信號、干接點信號，接收4～20mA信號、干接點信號，實現遠距離集中測量與控制。

（7）在執行機構的電機線圈里預埋有熱敏開關，一旦線圈溫度超過預設值（+132℃），熱敏開關將斷開相應觸點，禁止執行機構運行，并發出報警信號。

（8）智能一體化電動執行機構的自巡檢功能在一些作為安全保護及檢修時切換用操作頻率不高時，這樣的巡檢是可以設置的。當巡檢設置為無效時，執行機構將處理長期待機狀態。當巡檢設置為有效時，執行機構在一定周期（時間可設置）內如果沒有動作，執行機構將自動巡檢執行機構的完好性，當自巡檢通過時執行機構還處于待機狀態，并重復下一周期的自巡檢；自巡檢不能通過時檢測系統將輸出相應的報警信號。通常條件下當遠程操作時，現場所有的對閥門執行機構的操作都是禁止的，一般普通分體式或電子式的執行機構都是用硬件來達到就地禁止操作，而這種方式有時硬件的原因或人為都是保證不了有效的就地禁止操作，智能一體化特有的就地操作設置菜單，它可以設置就地操作有效或無效；當設置為有效時是常規方式，當設為無效時，就地的所有操作都是無效的，同時按鈕不管在什么位置，執行機構都是以遠程操作方式。而這一切的設置方式通過紅外線遙控手操器就能完成，為達到更安全的保護可以設置修改密碼，防止非專業人員誤設置。

（9）智能一體機的ESD功能，用戶可以根據自身具體情況預先設置ESD動作，如開、關、停、是否溫度旁路、是否使用中斷定時器等等。平時執行機構按照現場預先設好的一般配置和控制指令正常工作。一旦使用者按下ESD開關，執行機構內部對應電路會產生一個ESD信號，該信號將清除執行機構當前控制信號，使得執行機構運行預設的ESD動作。該功能為應付現場工作條件下的突發情況提供了必要的保障。

3 技術要求

（1）電動執行機構應有以下性能：主要參數可通過編程設定，具有故障自診斷功能，且操作調試簡便。電動執行機構必須是具有液晶窗顯示的智能型設備。智能一體化電動執行機構應為非侵入式調整機構（即無需打開設備蓋板），能夠對執行機構的零點、行程等參數進行設置。可實現在就地通過遠動就地切換開關實現就地電動“開”或“關”。智能一體化電動執行機構應具有過力矩、過熱、堵轉、限位、斷信號等保護。

（2）智能一體化電動執行機構電機啟動時應采用軟啟動技術，不采用傳統接觸器的啟動方式，以提高電動閥的整體壽命。

（3）執行機構位置檢測采用磁電式絕對編碼器技術，無零位漂移，滿足停電進行手輪操作時可以進行閥位的跟蹤顯示和記錄的要求，不允許采用電位器及行程開關信號采集方式。

（4）智能一體化電動執行機構應采用電動頭與減速箱分離的模塊式設計，以保證備品備件的通用性和互換性，以實現需方最大限度降低備件的要求。

（5）接受來自用戶4～20mA的閥位控制信號，自動相位校正；缺相保護。閥門電動裝置輸出力應滿足不同工況下閥門的快速開啟和關閉的要求，其剛度滿足系統穩定性的要求。

（6）電動執行裝置應直接安裝在閥門上，并完成有關整體調試工作。

（7）所有電動執行機構為一體化結構的執行機構，每個執行機構分別配供一對獨立的開限位開關、一對獨立的關限位開關、一對獨立的力矩開關、一對綜合故障信號、遠程/就地轉換信號、4-20mA閥位給定和4-20mA閥位反饋信號，所有的信號接點均接到端子排上，接點容量不低于220VAC，3A。

（8）閥門電動裝置的操作力、定位力和操作速度應達到技術條件書規定的最佳控制特性。

（9）閥門電動裝置防護等級不低于IP68。動力電源為380VAC或220VAC。

（10）當電源等故障時，閥門電動裝置應送出報警信號。

（11）手-電動切換裝置和手輪：當電動裝置帶電，離合器桿分離，電動裝置自動處于電動狀態。當離合器桿打到手動位置，可通過手柄進行手動操作。應合理地考慮鎖定組件，以保證安全操作電動裝置。

（12）就地操作組件：提供遠控/停止/就地切換裝置以保證電動裝置處在不同的控制狀態下。提供就地操作裝置，使電動裝置在就地控制方式下能完成操作。

4 結束語

非侵入式智能一體化電動執行機構TE/TR系列在首鋼京唐鋼鐵各分廠，任意工況環境均可長期無故障運行,而且與高品質的電子式執行機構價格相差不多，可替代進口產品，使用壽命大大提高，維護量減少，這為公司保障設備功能精度，實現效益最大化，可替代進口降低公司庫存與消耗做出努力。