水泥行业电动执行器的选型及发展趋势

水泥 2007-08-28

实现新型干法水泥生产过程自动化，电动执行器起着十分重要作用，
本文介绍了水泥行业中电动执行器的应用、选型和智能电动执行器的应用和发展趋势。
Summary: This article introduce application, selection of actuators in the cement plants, otherwise presentation application and development trend of intelligent actuators. The actuators react very important in automation for the cement process.

一. 概述
     大型水泥干法生产工艺过程要求其连续性、快速性和协调性，特别是对物料流、气流的实时工况和协调关系,必须及时地监视和控制，并实时调整工艺参数的扰动。工艺过程的物料流有原燃料和中间成品，气流包括冷风、热风、一次风、二次风、三次风、磨机进出口风、循环风等，它们之间的协调关系更显得重要。实施相互协调的机构在干法水泥工艺过程是执行器，它主要由调节阀和执行机构组成，另外根据需要也可再配阀门定位器和手轮机构。调节阀在水泥厂以蝶阀为主，也有用于分料的二位和三位阀，它和与其连接的电动推杆由电动执行器来改变操作变量。据不完全的统计一个典型的5000~5500t/d的单条水泥生产线，阀门数量约为80个，其中电动控制阀门为75台左右。故执行器在水泥生产过程自动化中起十分重要作用，常被称为实现生产过程自动化的“手足”。
      电动执行器是以电能为动力，接受控制系统发出的标准信号（模拟量或数字量），并将此信号变成相对应的机械位移（转角，直线或多转）, 来自动改变操作变量（操作阀、风门、档板的开度等），以达到对被调参数（温度、压力、流量、物位等）实现自动或手动调节的目的，故电动执行器对水泥工艺过程的安全、可靠的运行有很大的影响，许多水泥厂的实践证明，由于电动执行器选型不当，使生产不能正常进行，不得不停产重新更换电动执行器。

二.关于电动执行器选型
     电动执行器主要用于钢铁、电力、建材、供热、轻工和水处理等企业，相对于化工、石化行业使用的气动、液动执行器而言主要有三点优势：
（1）无需特殊气源和气动三大件,即使电源失电时，也能保持原执行位置；
（2）可远距离传输信号，电缆铺设比气管和液体管道铺设方便，且便于线路检查；
（3）与工厂控制系统连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。当今水泥厂极大多数选用电动执行器，近来有些水泥厂在库的流量调节中采用了BMH配套的PS2气电定位器，它是由电信号控制气动执行器来调节流量的，笔者认为这种形式的气电定位器尽管控制简单，但需配特殊气源，为此另需要设置气管；
另外气动阀门和元件还比较娇气，结构也相应复杂，故没有必要由它替代电动执行器，电动执行器运行更可靠，安全。
       当前在水泥厂使用的电动执行器有国产的、全引进的、也有引进技术在国内组装的，不管是国内还是国外的，电动执行器多是按输出方式、安装方式和调节方式分类，
按输出方式分为三种：
（1）角行程-输出力矩和900转角，水泥厂在主工艺线大多选用角行程的执行器；
（2）直行程-输出推力拉力和直线位移，在辅助工艺线上如增湿塔水泵站回水流量的调节常选用直行程执行器；
（3）多转式-输出力矩和超过3600的多圈转动，此类在水泥厂几乎不用。
按安装方式又可分为二种：
（1）直联式-通过执行器输出法蓝与阀门直接连接，这样执行器可直接安装在管道上，目前新上的水泥厂大多采用此种形式；（2）底座式-执行器通过杠杆与阀门连接，此时执行器需要安装在一个基础座上，它仅用于角行程，一些老水泥厂还是采用此种形式。
按调节方式分为三种：
（1）比例调节型-执行器接收计算机控制系统（或调节器、操作器）输出的4~20mA的信号，执行器输出轴转角或位移与此信号成比例关系，自动完成调节任务；现今在水泥厂使用的大多是整体式，即执行器与位置定位器组装成一体，整体现场安装使用；
（2）远控型-执行器接收开关信号，执行器的输出轴可控制在任意位置；
（3）开关型-也称二位式，它接收开关信号，执行器的输出轴只能控制在开和关的两个极限位置，水泥厂在流程中两位阀，可采用此种形式；（4）积分调节型-执行器接收脉冲信号，并通过PWM或PFM两种脉冲调制器控制执行机构的动作。有些执行器的制造商如SIPAI，H&B等公司生产的SIPOS MME等执行器，电机用变频器驱动，其电机速度和负载就不受电源电压的影响，产品应用面宽，备品少。
     我们在设计选型要由工艺确定最大输出力矩、行程的要求确定型式和规格，由工艺布置确定安装方式，并根据所供电源和控制信号选择执行器的电源和控制调节方式。
    九十年代前水泥厂选用的电动执行器，主要是国产DKJ或ZKJ角行程电动执行器，它是DDZ-Ⅲ型或Ⅱ型电动组合仪表中的执行单元，是传统电动执行器的典型产品，执行器主要由伺服放大器和执行机构两部分组成，接受来自调节单元、变送单元或手操器输出的标准模拟信号，将其转换成与之相对应的机械位移输出。
     虽然DKJ电动执行器还在应用，但由于它存在的不足和水泥厂使用的情况来看，在大型干法水泥厂的主工艺流程一些重要的阀门，建议不采用它，因为它主要有以下几方面问题：
（1）产品规格品种较单一，且只有一种位移速度；
（2）没有力矩保护和行程开关（有些DKJ电动执行器已加装了限位开关作为行程开关，但可靠性差），虽然电动机能堵转，但其转矩一直施加在阀门上，使阀门容易受损而减少使用寿命；
（3）主要参数技术指标较落后，如工作死区、基本误差、回差等比一些引进产品差得多；
（4）制动器易磨损，电容击穿问题也较大，平均故障间隔时间（MTBF）仅约10000小时；
（5）在机械上不能自锁，增加了对制动器的可靠性要求。当然为节省投资，一些不在主流程的且力矩又较小的阀门还是可选用的。
除DKJ电动执行器外，在国内水泥厂用的还有天津津达执行器公司的JD系列电动执行器，上海自动化仪表十一厂的IKZL电动执行器，天津仪表七厂引进法国伯纳德（BANADY）技术的AS，BS，RS系列电动执行器，重庆川仪十厂引进德国H&B公司的MOE700/MME800系列电动执行器，还有引进的SIEMENS POSITIONER公司的SIPOS系列电动执行器，德国AUMA系列，英国ROTORK公司的IQ 系列电动执行器等。水泥厂可根据其安装位置、主要参数技术指标、控制保护功能、减速器、电动机的性能、位置发送器的可靠性及性能价格比择优选用。

三.智能电动执行器
     近年来，电动执行器获得了快速的发展，国内外一些厂商相继推出带现场总线通信协议的智能电动执行器。新型智能电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器和执行机构合为一体，不仅实现了双向通信、PID调节、在线自校正与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，它可进行现场操作和远方操作，完成手动操作及手动/自动之间无扰动切换。这几年国内有些水泥厂使用引进的SIPOS 、MME、IQ等系列电动执行器，国内如天津津达公司、上海上自十一厂生产的JD、IKZL等系列电动执行器应属于智能电动执行器。这些智能电动执行器在技术功能和性能指标上还有差异，但它们有共同的特点：
1．在机械结构上采用了新型结构部件，如减速器c采用新颖传动结构，运行平稳，传动效率高，无爬行，摩擦小。位置发送器采用新技术和新方法，如有的采用霍尔传感器，如H&B公司生产的 MM系列电动执行器，它直接感应阀杆的纵向或旋转动作，实现了非接触式定位检测；有的采用特殊电位器，电位器中装有球轴承和特殊导电材质做成的电阻簿片，如津达公司JD 系列；有的采用磁阻效应的非接触式旋转角度传感器。位置定位器也即伺服放大器均采用微处理器系统，所有控制功能可通过编程实现；有的伺服放大器中还采用了变频技术。
2．各种保护功能齐全、使用方便、具有自诊断、自调整等功能，有的现场总线型执行器还增加了PI调节功能，可直接接受变送器来的信号。
3．采用先进微机和数字显示技术，以智能伺服放大器替代传统的伺服放大器，以数字式操作器取代原有的模拟指针式操作器，解决了数字显示跳动频繁而造成人眼疲劳的问题。
4．在调节中采用电制动和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可取消机械摩擦制动器，提高了整机的可靠性。
5．有的厂家开发了运用红外遥控的非接触调试技术，逐步取代接触式手动调试技术等，如天津津达执行器公司开发的非侵入式电动执行器，采用了JDIDL-A型智能数字定位器，它可通过手持式设定器，运用红外遥感技术在无须打开执行器箱盖的情况下，通过显示窗口就可进行人机对话，包括改变执行器运行状态，控制阀门开关及对执行器各种参数的设定。水泥厂有的阀门安装位置高，不便于人工在初始阶段的手动调试，特别是废气处理等部门，这种智能数字定位器的开发为遥控调试创造了良机。图1为天津津达执行器公司非侵入式电动执行器和手持式设定器的外形图。
四．智能电动执行器的发展趋势

               图1：JDIDL-A型智能电动执行器
      电动执行器在自动化金字塔的模型中，属最下一层，是直接和工艺设备连接的执行机构，对水泥工艺过程的安全、可靠的运行有很大的影响。随着微处理技术、通信技术、自动化仪表技术的迅猛发展，智能电动执行器将进一步发展，其趋势可归纳为：机电一体化结构逐步取代组合式结构；智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术；带通信技术的逐步取代不带通信技术；数字控制方式逐步取代传统的模拟控制方式；用控制技术逐步取代纯电子控制技术；运用红外遥控的非接触调试技术，逐步取代接触式手动调试技术等。
    当智能电动执行器与现场总线连接时，它就成了现场总线控制系统中的一块仪表，这时它不仅是执行器，还具有控制、通信等功能。
随着水泥行业规模越来越大，并正在努力打入国际市场，智能电动执行器及新一代的产品将在水泥工业中更普遍应用。