執行機構和氣路控制系統探究

戶新朋

摘要：本文主要講述執行機構和氣路控制系統，按照文章進展順序講述了其背景、概述、結構和特點，結合在化工行業的實際使用情況，總結概述幾套在用的氣動系統控制方案并針對大執行機構的氣動控制系統回路做重點介紹。本文內容綜合性較高，具有很好的借鑒和參考意義。

關鍵詞：執行機構;氣控系統

氣動系統具有很多的優勢，被化工行業廣泛應用，除此之外像醫藥行業、紡織行業、微電子以及生物工程等諸多自動化領域也在普遍使用，其優勢有幾點：結構簡單、沒有污染、性價比高、維修方便以及抗干擾能力強等。

過程控制系統的自動化儀表由檢測、調節和執行設備三部分組成。執行器就是這三部分中的執行設備。執行器屬機電一體化范疇，應用于自動控制領域，主要的作用是通過其開關動作或調節其開度，代替人工，實現設備的自動化作業。

1、研究背景

基于化工行業發展及產能擴大，氣動執行器的口徑隨之變大，氣控系統設計有了新的組織形式以滿足需求。對氣控系統和執行器的深入研究有助于解決生產發展中面臨的新的挑戰，更好的達到工藝需求，實現精準、快速控制和調節。

2、執行機構和氣路控制系統

2.1執行機構

2.1.1執行器的基本結構

執行器是由調節機構和執行機構兩部分構成。

調節機構接收來自上位機的調節信號，將調節信號進行轉換，轉換成能對執行機構進行控制和調節的控制信號。

執行機構接受來自調節機構的控制信號，并根據信號的大小產生與控制信號相匹配的推力作用，推動調節閥動作。執行機構是執行器的推動器。

2.1.2執行機構概述

在現代的生產過程控制中，執行機構發揮了其無法比擬的重要作用。其就像人體的手足一樣，是大腦的執行者，是生產的創造者。其參與過程控制的過程是，執行機構接收來自調節機構的控制信號，根據控制信號改變調節變量，實現對過程的控制和調節，將生產過程參數（溫度、壓力、流量等）按照工藝要求進行改變。

2.1.3執行機構分類

通過不同的分類方式，執行機構有多種形式。

1）根據能源的不同：氣動式、電動式、液動式和自力式。

氣動執行機構：能源為壓縮空氣，特點是成本低、結構簡單，無污染，動作迅速，但其噪聲較其他三類大。

電動執行機構：由伺服電機來驅動動作，特點為動作緩慢，控制精準，但其功率大，動作大，尤其在防爆場合下使用造價高;

液動執行機構：用液壓油為介質和動力，特點是動作快、功率大，但其成本高，結構復雜;

自力式執行機構：能源為被調介質的能量，特點為無電源控制，適合防爆場合使用，但不易控制精準。

2）根據運動形式的不同：直行程、角行程和回轉型等。

化工常用的執行器種類為氣動式執行器，角行程或直行程的運動形式，電動式執行器在熱力行業應用較為廣泛。

2.1.4氣動執行機構

氣動執行機構是將氣動控制器或閥門定位器的氣壓信號轉換成推動調節閥動作的中間部位進行能量轉換的機構。主要有兩種類型：上下動作的薄膜式和產生旋轉角度的活塞式。

氣動薄膜式執行機構為膜頭，內含一彈性膜片，通過輸入氣壓使彈性膜片產生形變，帶動推桿和閥芯產生位移，實現開關控制。這種執行機構閥芯上下動作，整體形式簡單且價格低廉，是比較常用的一種執行機構;薄膜式執行機構有正作用和反作用兩種作用形式。當信號壓力增加時，閥門推桿向下動作的叫正作用執行機構，相反叫反作用執行機構。

氣動活塞式執行機構的能量轉換機制為氣缸，內含活塞，在氣缸允許的工作壓力下，將輸入的氣壓信號轉換為活塞的動作，實現在不同坐標域內的開關。由于氣缸的允許壓力高，因此可以獲得較大的活塞動作力，實現長行程執行機構。活塞式執行機構有單作用和雙作用兩種形式，單作用氣缸內含彈簧，氣缸大，自帶斷氣保護功能;雙作用氣缸內不含彈簧，開關作用都由氣源推動，斷氣動作保持。

2.2氣路控制系統

2.2.1氣路控制系統概述

氣路控制系統的動力能源為壓縮空氣，根據工藝需求不同，用不同形式的氣壓傳動系統來完成各種不同的控制功能。

氣控系統和執行器共同組成氣動控制回路，對過程進行調節和控制，實現生產的自動化。

2.2.2氣動系統介紹

氣動系統的工作介質為壓縮空氣，經過處理的壓縮空氣在經過一系列的控制元器件后，最后作用于執行元件，執行元件會根據壓縮空氣壓力的大小和氣量的多少而輸出不同的力或者力矩。這個過程實現了利用壓縮空氣進行能量的傳遞和控制。

2.2.3氣動系統組成結構

氣動系統是由氣源裝置、控制元件、執行元件和氣動輔件四部分構成。

1）氣源裝置：目的是為氣動系統提供符合要求的壓縮空氣。主要有四類設備，氣壓發生裝置、凈化、貯存壓縮空氣的裝置、管道系統、氣動三大件（分水過濾器、油霧器和減壓閥）。

2）控制元件：控制壓縮空氣傳輸壓力、流量及流動方向的元件。主要有壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三種。

3）執行元件：將壓縮空氣的壓力能量轉換為推動執行元件動作的機械能的元件。常用的執行元件為氣缸和氣馬達。

4）氣動輔件：是氣動系統中的一些輔助元件，如消音器、接頭等。

2.2.4氣動系統的優缺點

與液動、電動系統相比，氣動系統目前是化工行業應用最為廣泛的控制手段，得益于其無法比擬的優勢：

1）價格便宜，結構簡單，制造容易，可靠性高，使用壽命長。

2）動作迅速延遲小，易于實現快速控制

3）調節方便

4）安全性高，適合防潮、防爆和防火場合使用。

5）安裝方便，具有過載保護能力

6）可進行遠距離傳輸。

相應，氣動技術也具有一定的缺點：

1）噪音大、潤滑性差、難以實現精確定位。

2）由于介質為壓縮空氣，執行機構的動作易受到負載的影響，難達到勻速的動作

3）容易出現爬行、喘動，低速狀態下穩定性不高

4）相對其他控制系統，氣缸的輸出力較小

3、現用氣動系統結構介紹

3.1、一般氣動系統回路

現用的氣動執行器，有薄膜式的直行程執行器和長行程的角位移執行器。根據閥門的控制需求不同，有兩種，一是控制開關閥啟閉的氣控系統;二是對應調節閥可控閥門開度的氣控系統，我們分別來看：

開關閥的氣路，氣源來自外網的壓縮空氣，壓縮空氣經過過濾器過濾，濾除雜質和水，后進入電磁閥箱的閥島，兩位五通電磁閥在電壓信號改變的情況下，改變氣路的導通狀態，兩路壓縮空氣分別對應氣缸的開關狀態，實現對角行程執行器的開關控制。閥門的反饋盒又通過接近開關，給中控室返回閥門的動作情況。

調節閥的氣路，取源和開關閥門取源一致，只是在對壓縮空氣的處理上，除了過濾還有減壓，通過過濾減壓器實現，通常氣源在6-7bar，我們調節的氣壓在5bar。然后經過氣源分配器，氣源進入閥門定位器，定位器通過給定信號的大小來控制出氣量，達到對閥門任意開度的控制。調節閥是沒有反饋信號的。

3.2、大執行器的氣動系統回路

近年來，生產制造業蓬勃發展，現有的生產產能不斷提升，相應的參與過程控制的執行器結構也在不斷變大，一般的氣控系統不能滿足新的控制需求。針對這些大執行器現研究了一種新型的控制方式——加上單獨的啟閉推動氣源，增大對執行機構的推力，加快執行機構的啟閉速度。

4、結語

新型的控制思路經過試驗期，運行穩定，控制精準，安全可靠，很好的滿足了工藝控制需求。

經過對執行器的分析，對氣動控制系統的剖析，有了對這些相關知識的了解，能解決生產遇到實際問題，確保工藝控制穩定，收益頗豐。

參考文獻：

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[2]付敬奇.執行器及其應用[M].機械工業出版社，2009.04.