調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作偏差分析及控制策略

徐盛，王磊

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東 青島 266555）

電動(dòng)執(zhí)行器是工業(yè)控制閥中電動(dòng)閥門的重要驅(qū)動(dòng)裝置和控制裝置，其中，調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器以模擬量電信號(hào)為控制信號(hào)，經(jīng)變送后輸出位移推力或者轉(zhuǎn)角力矩，可以對(duì)閥門進(jìn)行精確控制，在以溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)作為被控變量的工業(yè)過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用。相比開關(guān)量執(zhí)行器，調(diào)節(jié)型執(zhí)行器有無(wú)數(shù)個(gè)角度狀態(tài)，由于狀態(tài)難以簡(jiǎn)易量化和監(jiān)控過(guò)程煩瑣等原因，其動(dòng)作精度的變異往往被忽視，動(dòng)作精度越低，意味著過(guò)程控制偏差越大，從而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行失穩(wěn)，經(jīng)年累月還會(huì)造成嚴(yán)重的物料浪費(fèi)。因此，研究如何提高此類執(zhí)行器的動(dòng)作精度，是提高設(shè)備可靠性和成本管理的重點(diǎn)，也是設(shè)備技術(shù)的難點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)試和維護(hù)案例進(jìn)行分析，研究如何降低調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)作偏差，旨在為此類設(shè)備的技術(shù)管理提供參考。

1 控制原理

1.1 概述

某車企涂裝車間工藝設(shè)備使用調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)蝶閥、球閥、百葉閥等動(dòng)作來(lái)進(jìn)行工藝參數(shù)的過(guò)程控制，涉及燃?xì)?、冷水、熱氣、新鮮風(fēng)等介質(zhì)，使用PLC 作為控制器（配套4 ～20mA 模擬量出入/輸出模塊）。所有執(zhí)行器均為電開型，即4mA 信號(hào)對(duì)應(yīng)閥體全關(guān)，20mA 信號(hào)對(duì)應(yīng)閥體全開。

1.2 調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器原理

調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器以控制器輸出的電信號(hào)（0 ～10V電壓，4 ～20mA 電流等，本文涉及案例以4 ～20mA 作為控制信號(hào)）作為伺服放大器的輸入信號(hào)Ii，與閥的位置反饋信號(hào)If 進(jìn)行比較，當(dāng)反饋信號(hào)和輸入信號(hào)不等時(shí)，其差值經(jīng)伺服放大器放大后，控制伺服電機(jī)按相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)減速器減速后使輸出軸產(chǎn)生扭力，帶動(dòng)機(jī)械閥門產(chǎn)生角向位移，直至反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等，電機(jī)停轉(zhuǎn)，執(zhí)行器及機(jī)械閥門穩(wěn)定在與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置上。按照閥芯的運(yùn)動(dòng)軌跡，電動(dòng)執(zhí)行器又可分為直行程和角行程兩種。理想情況下，電動(dòng)執(zhí)行器的輸出直線位移或角位移應(yīng)與輸入電流成線性關(guān)系。電動(dòng)執(zhí)行器控制原理方框圖如圖1。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行器控制原理方框圖

2 問(wèn)題調(diào)查

2.1 建立調(diào)查模型

調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線為連續(xù)量，考慮通過(guò)某幾個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)（離散量）來(lái)表征執(zhí)行器的狀態(tài)，由此制定調(diào)查策略（以角行程執(zhí)行器為例）：在PLC 程序中進(jìn)行輸出行程賦值（實(shí)際賦值為一個(gè)百分?jǐn)?shù)，通過(guò)模擬量模塊將0 ～100%與4 ～20mA 信號(hào)達(dá)成映射），將電動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)際開度與賦值角度進(jìn)行對(duì)比，從而判斷執(zhí)行器動(dòng)作是否準(zhǔn)確。考慮設(shè)備運(yùn)行實(shí)際需求及觀測(cè)誤差，以程序設(shè)定值±5°視為角度準(zhǔn)確的量化標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)查初期，筆者發(fā)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)相同的角度賦值，執(zhí)行器在開行程和關(guān)行程的實(shí)際開度并不完全一樣。因此，取開行程和關(guān)行程共9個(gè)離散量角度的判斷值（X1 ～X9，準(zhǔn)確為1，不合格為0）與來(lái)判斷角行程是否準(zhǔn)確。調(diào)查模型記錄表如表1。

2.2 調(diào)查結(jié)果

從車間100 多個(gè)電動(dòng)執(zhí)行器中隨機(jī)抽取50個(gè)，按調(diào)查模型展開調(diào)查（直行程電動(dòng)執(zhí)行器的現(xiàn)場(chǎng)行程標(biāo)尺量程為0-100，可直接與程序賦值比較，其他與角行程執(zhí)行器調(diào)查方法相同）。合格數(shù)量8個(gè)，合格率僅16%。

表1 調(diào)查模型記錄表（角行程）

3 動(dòng)作偏差分析

從中選取兩個(gè)案例進(jìn)行分析，所有案例在初期已進(jìn)行電流檢測(cè)和傳動(dòng)檢查。即4 ～20mA 電流信號(hào)正常，與機(jī)械閥門傳動(dòng)正常。

3.1 案例1

位置：烘爐燃燒器燃?xì)夤苈罚?/p>

電動(dòng)執(zhí)行器類別：角行程；

機(jī)械閥門類別：蝶閥；

流體介質(zhì)：甲烷；

現(xiàn)象：燃?xì)忾y開度與程序輸出不一致。

工藝影響：烘爐爐膛升溫慢，與另一臺(tái)結(jié)構(gòu)相同的烘爐相比，升溫時(shí)間高出近一倍。

由閥門曲線可知，執(zhí)行器的零點(diǎn)和滿點(diǎn)均正常，而過(guò)程開度偏低，曲線呈反拋物線狀態(tài)，由此判斷執(zhí)行器發(fā)生了線性度偏差。檢修措施：調(diào)整執(zhí)行器的電位計(jì)，對(duì)執(zhí)行器動(dòng)作曲線的線性度進(jìn)行標(biāo)定（如圖2）。

圖2 案例1 執(zhí)行器行程角度曲線

3.2 案例2

位置：空調(diào)冷水管路；

電動(dòng)執(zhí)行器類別：直行程；

機(jī)械閥門類別：閘閥；

流體介質(zhì)：冷凍水；

現(xiàn)象：較低行程時(shí)，執(zhí)行器與程序輸出一致；較高行程時(shí)，執(zhí)行器不再動(dòng)作，且伴隨發(fā)熱，并有較高故障率。

工藝影響：冷水換熱能力下降。由閥門曲線可知，執(zhí)行器的動(dòng)作行程被鉗制80%在以內(nèi)。對(duì)閘閥進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)閥門有卡滯現(xiàn)象，由此判斷執(zhí)行器發(fā)生了行程阻滯，閥門無(wú)法達(dá)到到程序輸出位置，因此，Ii 和If 差值一直存在，伺服放大器輸出運(yùn)行信號(hào)，伺服電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)而持續(xù)發(fā)熱，長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致執(zhí)行器故障。檢修措施：機(jī)械閥體檢查、潤(rùn)滑或者更換，消除卡滯（如圖3）。

圖3 案例2 執(zhí)行器實(shí)際行程開度曲線

對(duì)于閥組整體來(lái)講，動(dòng)作偏差的原因眾多，如電流信號(hào)變異，傳動(dòng)故障等，本文的分析對(duì)象為執(zhí)行器，因此，執(zhí)行器本體之外的原因不再做詳細(xì)探討。

4 控制策略

在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，其狀態(tài)變異無(wú)法消除。對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，內(nèi)部電氣元件的狀態(tài)變異、凸輪開關(guān)的設(shè)定位置偏離、機(jī)械閥門的卡滯、流體腐蝕等，都可能導(dǎo)致其動(dòng)作偏差，長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)作偏差，對(duì)物料成本、備件成本、工藝管理、設(shè)備可靠性甚至工業(yè)安全等都會(huì)產(chǎn)生不可忽略的影響，考慮如何第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)變異從而能及時(shí)優(yōu)化，是工程技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

4.1 工程控制策略

原控制策略為單閉環(huán)控制系統(tǒng)，If 為執(zhí)行器內(nèi)部反饋，與Ii 的比較結(jié)果僅用于執(zhí)行器是否需要?jiǎng)幼鞯囊罁?jù)，而無(wú)法判斷執(zhí)行器自身的狀態(tài)，考慮將其控制策略改為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：增加If 反饋至控制器，在PLC 內(nèi)部增加程序進(jìn)行執(zhí)行器邏輯判斷，當(dāng)If 與Ii 偏差超出5%且持續(xù)5 分鐘（考慮執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)間），判斷為電動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作偏差故障，輸出報(bào)警。電動(dòng)執(zhí)行器控制原理方框圖如圖4。

圖4 電動(dòng)執(zhí)行器控制原理方框圖（優(yōu)化后）

4.2 管理控制策略

對(duì)于一些位置較關(guān)鍵的電動(dòng)執(zhí)行器，基于表1 調(diào)查模型的方法和標(biāo)準(zhǔn)，制定月度PM（預(yù)測(cè)性維修）計(jì)劃，將對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器的檢查由以前僅檢查生產(chǎn)過(guò)程能否動(dòng)作，優(yōu)化為程序賦值并檢查動(dòng)作角度是否準(zhǔn)確，并固化到維修人員每月點(diǎn)檢工作中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備量化管理。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了一種將調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器狀態(tài)量化的調(diào)查模型的建立方式，分析了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)動(dòng)作偏差的幾個(gè)常見案例，提供了抑制此類偏差的控制策略。調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)作偏差問(wèn)題在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍存在。如何有效地提高其動(dòng)作精度，對(duì)提高設(shè)備控制的“精，準(zhǔn)，穩(wěn)”，降低企業(yè)、運(yùn)行成本以及優(yōu)化工藝質(zhì)量管理，具有重要意義。