非侵入智能电动执行机构在钢铁公司的应用

时间：2024-05-04

文/张志军曹秀爽

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司设备部河北省唐山市 063000）

首钢京唐钢铁联合有限责任公司采用国际最先进的自动化设备及自动化技术和生产管理，是21世纪国际先进水平的钢铁联合企业。公司在保证高起点、高水平保证产品和技术先进性的前提下，对现场自动化设备采用国内最领先技术及装备。

对于自动化调节系统一般由检测器、执行机构、调节器及调节对象组成，其中执行机构是必不可少的。相对于气动、液压执行机构而言，电动执行机构具有无需特殊的气源和空气净化等设备，即可远距离传输信号，与工业控制机连接方便简单，更能适应电子信息新技术。目前厂内执行机构（电动头）大多采用分体式或电子式执行机构（电动头），由阀门厂家集成提供。由于钢铁企业大部分工况都比较恶劣（如粉尘烟尘铁粉大的区域），同时各工况对执行机构的要求也参差不齐，采用分体式或电子式执行机构（电动头），不到半年大部分执行机构出现不同类型的故障，电机损坏、定位失效造成阀门卡死、阀门值与实际反馈值不相符、内部堆积粉尘、分体式或电子式执行机构（电动头）的结构安装维护调试时没有人机界面只能按经验调整从而造成维护量高，同时高故障率给生产带来安全隐患。

1 工作原理

非侵入式智能一体化电动执行机构是由最近国外引进并吸收研制开发的一种新型执行机构,它是执行机构族其中一个新亮点,是分体式或电子式执行机构（电动头）换代产品（同时也是进口产品的替代品），分体式或电子式执行机构（电动头）长时间使用容易电机损坏、定位失效造成阀门卡死、阀门值与实际反馈值不相符、内部堆积粉尘，尤其是高粉尘、高动作频率，时间一长就容易电机损坏、定位失效造成阀门卡死、阀门值与实际反馈值不相符、内部堆积粉尘。体式或电子式执行机构（电动头）因采用的是行程开关或电位器，在实际使用过程中行程开关易受外部的振动造成松动，从而使阀位定位不准，电位器使用过程因其构造是接触磨擦旋转方式，旋转过程中发生线性阻值变化从而达到电平或电流发生变化与阀位位移成线性比例,因电位器在长期使用中会造成磨损，同时电阻值易受外部温度的影响，所以电位器的磨损或温度都会发生阻值变化最终使阀门零位发生飘移现象，同时这类执行机构没有电机温度、运行速度的有效控制手段使得实际应用时高故障。

非侵入式智能一体化电动执行机构由电动机、减速装置、主控板（含红外接收装置、控制信息输入输出等）、电源驱动板（包含电流检测及力矩检测）、磁电编码器、就地操作开关组件等组成。

在实际应用时，当采用三相380V电源时，系统自动检测三相电源相序（防止电机反向运行）并将电机的控制方向与三相电源相序一致，同时就地LCD显示当前阀位值、扭矩值，正常时没有故障显示，LED灯显示关位、开位、中间三个其中一个状态，当有远程（就地开关需选择在远程位）控制信号时（模拟信号或开关信号），信号通过内部光电隔离后SOC单片机检测并判断执行机构是开阀或关阀信号，当发生位置变化时磁电编码器时时检测并将位移变化以数字方式传送直SOC单片系统，单片系统将把磁电编码器与前期设置并存储在EEPROM内的参数做对比，当磁电编码器的传送

图1：外形图

来的位置数据与EEPROM内的值相同时，执行机构停止电机，并将执行机构实际位置以模拟量、干接点信号方式输出，当执行机构在运行过程中出现过扭矩、电源缺相、过电流、失速等故障时，执行机构将停止运行，并反馈故障信息，LCD界面显示故障原因。

运行过程如需调整执行机构的参数，可通过红外遥控设置，可设置的范围包含执行机构所有功能选项，可检索所有设置参数、故障原因、运行状态，红外设置有效距离为1米直线操作（防止域区内误操作）。

2 技术特点

非侵入式智能一体化电动执行机构利用微处理器和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体，不仅能实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正和自诊断等多种控制技术要求的功能，还增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位指示和故障报警等功能。它可进行现场操作或远方操作，完成手动操作及手动/自动之间无扰动切换。非侵入式智能一体化电动执行机构采用目前世界先进的磁电编码器技术，其非接触式采用磁电方式、温度可在-35～125℃从而避免了因接触磨损、温度变化造成的零位漂移，同时其采用数字方式处理信号（非模拟信号）避免电子元件及环境因素变化造成的精度误差。其就地LCD（并带有LED灯）的人机操作界面，红外遥控的使用，使用产品安装调试变的简单直接可视化，可达到精确有效的设置各参数，查阅各类信息检索，使用现场维护人员更易上手。精确可设置的扭矩输出（40-100%可设）、输出失速保护（0-99）为电机阀门的保护提供了保障。其高频率（1200次/小时）的设计能胜任绝大部分的工况，IP68防护等级可在环境下使用。

简单来说就是打开外部接线端子盖接好线，其他部分不需要打开，只要一个红外线设定器就可以调试的执行机构。调试简洁方便，用红外线设定器就可快速对非侵入式执行机构进行力矩设定、开关限位、控制及显示功能的调整设定。一般非侵入式电动执行机构里面都装有电池，断电后可以保持阀位不被清除，无论动力电源提供与否，均可对执行器进行非侵入式设定。

零部件采用铝合金、镍青铜、Cr钢、进口油封、高抗磨型润滑、进口电子元件，加上优化设计方案，具有优质、可靠、稳定、设置简单及高防护性能。

图2：炼钢公辅区安装图

图3：中厚板蒸汽管道安装图

（1）设计简单、紧凑、坚固可靠、寿命长；5年免维护；能长年在户内、外安装使用；

（2）独特的现场，远传一体化结构，红外设置技术，使工业自动化管理变的更轻松方便；

（3）独特的磁电编码技术使产品能胜任绝大部分环境及工况；

（4）LCD加LED的人机界面，使操作调试更人性化；输出输入信号的光电隔离使整体系统更加安全可靠；

（5）工作温度范围宽，适用于从-30℃至+85℃（环境温度）；

（6）各型号均可输出4～20mA信号、干接点信号，接收4～20mA信号、干接点信号，实现远距离集中测量与控制。

（7）在执行机构的电机线圈里预埋有热敏开关，一旦线圈温度超过预设值（+132℃），热敏开关将断开相应触点，禁止执行机构运行，并发出报警信号。

（8）智能一体化电动执行机构的自巡检功能在一些作为安全保护及检修时切换用操作频率不高时，这样的巡检是可以设置的。当巡检设置为无效时，执行机构将处理长期待机状态。当巡检设置为有效时，执行机构在一定周期（时间可设置）内如果没有动作，执行机构将自动巡检执行机构的完好性，当自巡检通过时执行机构还处于待机状态，并重复下一周期的自巡检；自巡检不能通过时检测系统将输出相应的报警信号。通常条件下当远程操作时，现场所有的对阀门执行机构的操作都是禁止的，一般普通分体式或电子式的执行机构都是用硬件来达到就地禁止操作，而这种方式有时硬件的原因或人为都是保证不了有效的就地禁止操作，智能一体化特有的就地操作设置菜单，它可以设置就地操作有效或无效；当设置为有效时是常规方式，当设为无效时，就地的所有操作都是无效的，同时按钮不管在什么位置，执行机构都是以远程操作方式。而这一切的设置方式通过红外线遥控手操器就能完成，为达到更安全的保护可以设置修改密码，防止非专业人员误设置。

（9）智能一体机的ESD功能，用户可以根据自身具体情况预先设置ESD动作，如开、关、停、是否温度旁路、是否使用中断定时器等等。平时执行机构按照现场预先设好的一般配置和控制指令正常工作。一旦使用者按下ESD开关，执行机构内部对应电路会产生一个ESD信号，该信号将清除执行机构当前控制信号，使得执行机构运行预设的ESD动作。该功能为应付现场工作条件下的突发情况提供了必要的保障。

3 技术要求

（1）电动执行机构应有以下性能：主要参数可通过编程设定，具有故障自诊断功能，且操作调试简便。电动执行机构必须是具有液晶窗显示的智能型设备。智能一体化电动执行机构应为非侵入式调整机构（即无需打开设备盖板），能够对执行机构的零点、行程等参数进行设置。可实现在就地通过远动就地切换开关实现就地电动“开”或“关”。智能一体化电动执行机构应具有过力矩、过热、堵转、限位、断信号等保护。

（2）智能一体化电动执行机构电机启动时应采用软启动技术，不采用传统接触器的启动方式，以提高电动阀的整体寿命。

（3）执行机构位置检测采用磁电式绝对编码器技术，无零位漂移，满足停电进行手轮操作时可以进行阀位的跟踪显示和记录的要求，不允许采用电位器及行程开关信号采集方式。

（4）智能一体化电动执行机构应采用电动头与减速箱分离的模块式设计，以保证备品备件的通用性和互换性，以实现需方最大限度降低备件的要求。

（5）接受来自用户4～20mA的阀位控制信号，自动相位校正；缺相保护。阀门电动装置输出力应满足不同工况下阀门的快速开启和关闭的要求，其刚度满足系统稳定性的要求。

（6）电动执行装置应直接安装在阀门上，并完成有关整体调试工作。

（7）所有电动执行机构为一体化结构的执行机构，每个执行机构分别配供一对独立的开限位开关、一对独立的关限位开关、一对独立的力矩开关、一对综合故障信号、远程/就地转换信号、4-20mA阀位给定和4-20mA阀位反馈信号，所有的信号接点均接到端子排上，接点容量不低于220VAC，3A。

（8）阀门电动装置的操作力、定位力和操作速度应达到技术条件书规定的最佳控制特性。

（9）阀门电动装置防护等级不低于IP68。动力电源为380VAC或220VAC。

（10）当电源等故障时，阀门电动装置应送出报警信号。

（11）手-电动切换装置和手轮：当电动装置带电，离合器杆分离，电动装置自动处于电动状态。当离合器杆打到手动位置，可通过手柄进行手动操作。应合理地考虑锁定组件，以保证安全操作电动装置。

（12）就地操作组件：提供远控/停止/就地切换装置以保证电动装置处在不同的控制状态下。提供就地操作装置，使电动装置在就地控制方式下能完成操作。