智能电动执行机构在化工厂应用研究

陈东  ,杜险峰,刘春建

新疆九龙电子科技发展有限公司  新疆乌鲁木齐市  830000

摘要：本文从事智能电动执行机构在化工厂的应用研究，在对智能电动执行机构的结构与优势加以分析后，以某化工厂对美国EIM企业的TEC2000智能电动执行机构引用为例进行了实践应用的研究，并对应用效果加以分析，从而论证智能电动执行机构于化工厂中的应用价值。

关键词：电动执行机构；化工厂；工作原理

随科技发展，我国工业生产控制水平在自动化领域近年来获得了长足的进步，自动化水平不断提升，电动执行机构在工业生产企业中的应用范围越来越广。电动执行机构，是以电能为动力接收调节器发送的数字量、模拟量等信号，随后将其转化为输出动作实现自动改变操作变量的技术。目前，电动执行机构，已经实现了面向被调参数自动调节之功能，且随着工业生产控制精度要求的不断提升，电动执行机构的智能化水平也在不断进步，而探索智能电动执行机构在化工厂的应用，不仅有助于在工业生产领域推动智能电动执行机构的推广，同时亦可让化工企业进一步掌握智能电动执行机构的应用要点，以促进企业生产水平进一步得到提升。

一、智能电动执行机构的结构与优势分析

（一）智能电动执行机构概述

智能电动执行机构，其工作原理是利用机构内的三相异步电动机实现驱动，接受人工给定或是控制器伐除的控制信号，随后对信号进行功率放大处理，同时将信号转换成为输出轴转角、直线位移，利用蜗轮蜗杆来减速带动空心轴输出转矩，继而以断续或是连续的形式推动控制机构活动，满足企业生产阶段所需的各种参量控制[1]。图1为智能电动机构结构图：

图1 智能电动执行机构结构图

如图1，在智能电动执行机构运行期间，减速机构部分包括手动切换、电动切换两种模式。当处于手动切换模式期间，手轮离合器会带动齿轮组终梯形螺母，让传输轴进入运动状态。机构中的输出轴极限尺寸，主要取决于导管的长度。当处于电动操作阶段，切换机构会自动回落到电动位置，此刻离合器与涡轮二者啮合，三相电机会驱动空心输出轴实现来回转动。综合分析，智能电动执行机构可分为两部分，其一为控制器，其二为执行器，控制器为整个机构核心部分，内部包含电磁开关模块、总线接口模块、微控制器模块，执行器将在控制器的指挥下完成工作人员预先设定的机械动作，即依靠控制模块的控制完成如下功能：

功能1：进行信号的接收、反馈，实现伺服电机控制，同时面向上位机进行信息反馈。

功能2：信号选择与断信号保护，利用微控制器选择电流、电压模拟量两类不同的控制信号，同时通过对开关状态的读取，选择断信号为执行机构应处位置。

功能3：参数调整，调整零点参数、行程参数、灵敏度参数。

（二）智能电动执行机构的优势分析

将智能电动执行机构应用于工业产业，可发挥智能电动执行机构六大优势，第一为执行机构核心采用PLC，更加适合工业环境的需求，且程序更新十分便捷，人机界面可以显示当前的位置、执行机构运行状态以及力矩信息。第二，非侵入式的设计模式下，智能电动执行机构的信号以电信号形式加以传递，无需开启电气箱便可实现远程调试、保存参数。第三，智能电动执行机构可实现故障自我诊断，并给基于故障发送告警信息。第四，智能电动执行机构可实现输入有三相电源的相序自动纠正。第五，无须改变硬件结构，仅需进行程序升级便可让智能电动执行机构添加全新功能。第六，智能电动执行机构以总线技术为主，结合多种技术实现控制，能够适应工业领域下的新技术发展要求[2]。

二、化工厂中智能电动执行机构的应用研究

（一）企业概况与智能电动执行控制需求

1.企业概况

某化工厂于1997年成立，注册资金500万元，所属行业为化学原料与化学制品制造企业。企业经营范围包括生产醇酸漆、环氧树脂漆、水性地板胶、腻子、除垢剂、污水处理机，同时企业开展胶黏剂技术研发。

2.智能电动执行控制需求

2020年，为提升生产效益同时，促进化工厂生产自动化水平，实现企业人力资源成本一定程度的节约，经企业高层会议沟通，决定对化工厂来水处理工艺进行改造。化工厂来水处理工艺，由进水阀设备、清水阀设备、排水阀设备、冲洗阀设备、流量计、水泵、加药阀设备以及液位计所组成。根据企业生产线原有设计方案，来水工艺下的进水阀、清水阀设备，排水阀与冲洗阀设备均需要以技术人员人工形式进行控制。为提升生产效率，降低人工成本，对化工厂来水工艺提出如下工艺要求。首先，开启进水阀后，让判断快滤池液位达到预先设置的特定高度，系统自动开启清水阀。当液位下降到特定高度，清水阀自动降低运行期间的开合度。在流量计通过检测，发现清水流量低于预先设定值，此刻根据工艺要求需要冲洗滤池，则系统自动关闭进水阀、管理清水阀，开启排水阀，当接收到排水阀已经开足的信号，自动开启冲洗阀实现滤池的冲洗继而实现滤池重生，再次让滤池获取较高滤速与滤净度。

（二）智能电动执行机构选比

（三）智能电动执行机构应用

1.机构选型

为落实该化工厂对来水处理工艺的优化，在集合前文进行市面上现有智能电动执行机构选比基础上，最终决定和采购美国EIM公司出品的TEC2000智能电动执行机构作为来水处理工艺流程下现场阀门驱动设备。本次改造共计采购了57套智能电动执行机构，同时全部配置Controlinc(r)数字控制网络下CAM通讯模块。

2.机构分析

（1）机构整体分析

美国EIM公司的TEC2000智能电动执行机构，动力传动链采用青铜合金涡轮+合金钢制涡杆+金金钢制齿轮组合，具有结构坚固的特点。在全智能数字控制基础上，融合用于直接实现机械位移检测的力矩传感器，该设计方式，其性能胜过利用采集电机速度+软件力矩计算的精准性，同时以优于采集橡胶衬垫压力+软件计算力矩的设计方式。TEC2000智能电动执行系统所采用的机械传感甘技术，目前已有超过50年的使用经验，大量实践工况已证明该技术对于测量机械位移仍旧为最佳技术。

（2）机构控制

机构控制方面，TEC2000智能电动执行机构在LMD就地模块中配置了大尺寸LCD液晶显示屏，可面向企业操作者提供良好人机界面，可实现以文字+图形形式综合性展示各项数据。

（3）机构参数配置

参数配置方面，TEC2000智能电动执行机构设置3中参数设置形式，第一为控制旋钮、第二为红外控制钥匙系统，第三为RS-485通讯设置。

（4）机构故障处理

故障处理方面，TEC2000智能电动执行机构配置了两级熔断保险机制，当TEC2000智能电动执行机构发生保护行动做期间，企业技术人员无需打开电气箱处理故障便可实现故障快速定位，可实现企业面向TEC2000智能电动执行机构的非入侵时维护检修。

（5）阀门位置检测功能

阀门位置检测功能方面，TEC2000智能电动执行机构内设有隶属美国EIM公司助理的APD绝对位置监测检测，可实全时24h下企业内所有阀门位置完全同步，同时TEC2000智能电动执行机构采用非接触传感技术，不仅寿命超过5千万次输出轴旋转，且能够为企业提供12bit精度（0..025%），无需采用额外电池供电来监测阀门位置。

（6）数字通讯控制

数字通讯控制方面，Controlinc(r)数字控制网络下CAM通讯模块，专门致力于阀门控制应用领域，并能够完全适应化工厂来水处理工艺流程下阀门的开关控制、调节控制要求，CAM通讯模块下设有模拟量自动校准输出功能，可实现自动适应、学习不同类型阀门的操作速度、操作尺寸差异性。此外，TEC2000智能电动执行机构下的CAM模块，采用Modbus RTU协议为标准网络协议，对Modbus协议内所有功能码均予以支持，例如Modbus下的Report by Exception命令能够让系统2s之内对100台智能电动执行机构的状态进行阅读、改变，单一网络之下便可配置254台智能电动执行机构，且不会降低网络性能与响应速度，即便在不采用继电器的背景下，两台相邻的电动执行机构也可以设置1500m长度的通讯电缆。

此外，在运用Modbus RTU协议结合两线制接线基础上，企业管理者可利用所有数字通讯方式，获取来水处理工艺流程下所有TEC2000智能电动执行机构的现场数据，并可对其发送控制命令数据，即阀门开度数据、全开/全关数据/开运行/关运行数据、远控信息以及综合故障信息

（7）拓扑结构设计

拓扑结构方面，TEC2000智能电动执行机构采用“串行环状网络”拓扑结构设计形式，该拓扑结构具有可实现完全冗余特点，当TEC2000智能电动执行机构运行期间，通讯回路出现短路故障、开路故障、阶地故障，上述故障均对TEC2000智能电动执行机构、中央控制系统的运行不会造成影响，现场工作中的TEC2000智能电动执行机构可始终处于安全、可靠的网络控制体系之下。

（8）设备安装与调试

在采用Modbus RTU协议基础上，机构下的所有设备均为智能化设备，改造现场的安装、调试工作具有高度便捷性特点，极大程度降低了设备安装费用以及开车时间成本。与此同时，HMI配置器使用背景下，可以图形、文字显示的模式开展直观设备调试、故障诊断，对比传统PLC控制体系，Modbus协议有着更加强大的通信功能，组网便捷，且设备成本相比其他类型总线更具有经济性。

（四）智能电动执行机构应用效果

完成案例化工厂来水处理工艺流程改造后，开展为期3个月的试运行，对智能电动执行机构控制下的各流程工作情况进行记录，并对经济成本进行计算。

试运行过程中，当系统自动化开启进水阀，清水阀成功基于快滤池的液位进行开操作/关操作以及自动降低开合度。进水阀、清水发、排水阀均可实现基于流量计监测信号的自动开关操作，冲洗阀成功基于排水阀信号实现开关操作。

成本方面，本次改造采购57套TEC2000智能电动执行机构，价格为10300元一台，人工安装费用由经销商承担，结合现场工人搬运、物流费用，本次化工厂来水处理工艺改造成本共计64万元。在生产水平全面提升背景下，结合人力资源成本的节约，综合分析该化工厂每年将节约来水处理工艺人力成本7万元，且节约的人力资源投入其他生产化解，可促进其他生产环节生产水平、效益的提升。

结语：本文对智能电动执行机构在化工厂中的运用开展研究，基于案例化工厂来水处理工艺的改造，可以发现智能电动执行机构，深度融合了电子与总线控制等一系列先进技术，可极大程度促进化工厂来水处理工艺系统运行效率，在实现人力成本节约同时可有效降低人为失误带来的经济损失。故我国相关部门应加大化工企业中智能电动执行机构的推广、运用，以全面提升我国化工企业生产水平，于宏观促进我国化工行业的进步。

参考文献

[1]那炜.电动执行机构在电厂中的应用[J].电工技术,2021(06):81-82.

[2]张志军,曹秀爽.非侵入智能电动执行机构在钢铁公司的应用[J].电子技术与软件工程,2020(02):127-128.