調節型電動執行器動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）

電動執行器是工業控制閥中電動閥門的重要驅動裝置和控制裝置，其中，調節型電動執行器以模擬量電信號為控制信號，經變送后輸出位移推力或者轉角力矩，可以對閥門進行精確控制，在以溫度、壓力、流量等工藝參數作為被控變量的工業過程控制中廣泛應用。相比開關量執行器，調節型執行器有無數個角度狀態，由于狀態難以簡易量化和監控過程煩瑣等原因，其動作精度的變異往往被忽視，動作精度越低，意味著過程控制偏差越大，從而導致設備運行失穩，經年累月還會造成嚴重的物料浪費。因此，研究如何提高此類執行器的動作精度，是提高設備可靠性和成本管理的重點，也是設備技術的難點。本文通過對工業現場的實際調試和維護案例進行分析，研究如何降低調節型電動執行器的動作偏差，旨在為此類設備的技術管理提供參考。

1 控制原理

1.1 概述

某車企涂裝車間工藝設備使用調節型電動執行器驅動蝶閥、球閥、百葉閥等動作來進行工藝參數的過程控制，涉及燃氣、冷水、熱氣、新鮮風等介質，使用PLC 作為控制器（配套4 ～20mA 模擬量出入/輸出模塊）。所有執行器均為電開型，即4mA 信號對應閥體全關，20mA 信號對應閥體全開。

1.2 調節型電動執行器原理

調節型電動執行器以控制器輸出的電信號（0 ～10V電壓，4 ～20mA 電流等，本文涉及案例以4 ～20mA 作為控制信號）作為伺服放大器的輸入信號Ii，與閥的位置反饋信號If 進行比較，當反饋信號和輸入信號不等時，其差值經伺服放大器放大后，控制伺服電機按相應的方向轉動，再經減速器減速后使輸出軸產生扭力，帶動機械閥門產生角向位移，直至反饋信號與輸入信號相等，電機停轉，執行器及機械閥門穩定在與輸入信號相對應的位置上。按照閥芯的運動軌跡，電動執行器又可分為直行程和角行程兩種。理想情況下，電動執行器的輸出直線位移或角位移應與輸入電流成線性關系。電動執行器控制原理方框圖如圖1。

圖1 電動執行器控制原理方框圖

2 問題調查

2.1 建立調查模型

調節型電動執行器的實際運動曲線為連續量，考慮通過某幾個點的狀態（離散量）來表征執行器的狀態，由此制定調查策略（以角行程執行器為例）：在PLC 程序中進行輸出行程賦值（實際賦值為一個百分數，通過模擬量模塊將0 ～100%與4 ～20mA 信號達成映射），將電動執行器的實際開度與賦值角度進行對比，從而判斷執行器動作是否準確。考慮設備運行實際需求及觀測誤差，以程序設定值±5°視為角度準確的量化標準。在調查初期，筆者發現對于一個相同的角度賦值，執行器在開行程和關行程的實際開度并不完全一樣。因此，取開行程和關行程共9個離散量角度的判斷值（X1 ～X9，準確為1，不合格為0）與來判斷角行程是否準確。調查模型記錄表如表1。

2.2 調查結果

從車間100 多個電動執行器中隨機抽取50個，按調查模型展開調查（直行程電動執行器的現場行程標尺量程為0-100，可直接與程序賦值比較，其他與角行程執行器調查方法相同）。合格數量8個，合格率僅16%。

表1 調查模型記錄表（角行程）

3 動作偏差分析

從中選取兩個案例進行分析，所有案例在初期已進行電流檢測和傳動檢查。即4 ～20mA 電流信號正常，與機械閥門傳動正常。

3.1 案例1

位置：烘爐燃燒器燃氣管路；

電動執行器類別：角行程；

機械閥門類別：蝶閥；

流體介質：甲烷；

現象：燃氣閥開度與程序輸出不一致。

工藝影響：烘爐爐膛升溫慢，與另一臺結構相同的烘爐相比，升溫時間高出近一倍。

由閥門曲線可知，執行器的零點和滿點均正常，而過程開度偏低，曲線呈反拋物線狀態，由此判斷執行器發生了線性度偏差。檢修措施：調整執行器的電位計，對執行器動作曲線的線性度進行標定（如圖2）。

圖2 案例1 執行器行程角度曲線

3.2 案例2

位置：空調冷水管路；

電動執行器類別：直行程；

機械閥門類別：閘閥；

流體介質：冷凍水；

現象：較低行程時，執行器與程序輸出一致；較高行程時，執行器不再動作，且伴隨發熱，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，執行器的動作行程被鉗制80%在以內。對閘閥進行檢修，發現閥門有卡滯現象，由此判斷執行器發生了行程阻滯，閥門無法達到到程序輸出位置，因此，Ii 和If 差值一直存在，伺服放大器輸出運行信號，伺服電機處于堵轉狀態而持續發熱，長時間堵轉導致執行器故障。檢修措施：機械閥體檢查、潤滑或者更換，消除卡滯（如圖3）。

圖3 案例2 執行器實際行程開度曲線

對于閥組整體來講，動作偏差的原因眾多，如電流信號變異，傳動故障等，本文的分析對象為執行器，因此，執行器本體之外的原因不再做詳細探討。

4 控制策略

在設備長期運行過程中，其狀態變異無法消除。對于電動執行器來說，內部電氣元件的狀態變異、凸輪開關的設定位置偏離、機械閥門的卡滯、流體腐蝕等，都可能導致其動作偏差，長時間的動作偏差，對物料成本、備件成本、工藝管理、設備可靠性甚至工業安全等都會產生不可忽略的影響，考慮如何第一時間發現執行器運行狀態變異從而能及時優化，是工程技術人員亟待解決的問題。

4.1 工程控制策略

原控制策略為單閉環控制系統，If 為執行器內部反饋，與Ii 的比較結果僅用于執行器是否需要動作的依據，而無法判斷執行器自身的狀態，考慮將其控制策略改為雙閉環控制系統：增加If 反饋至控制器，在PLC 內部增加程序進行執行器邏輯判斷，當If 與Ii 偏差超出5%且持續5 分鐘（考慮執行器動作時間），判斷為電動執行器動作偏差故障，輸出報警。電動執行器控制原理方框圖如圖4。

圖4 電動執行器控制原理方框圖（優化后）

4.2 管理控制策略

對于一些位置較關鍵的電動執行器，基于表1 調查模型的方法和標準，制定月度PM（預測性維修）計劃，將對電動執行器的檢查由以前僅檢查生產過程能否動作，優化為程序賦值并檢查動作角度是否準確，并固化到維修人員每月點檢工作中，實現設備量化管理。

5 結語

本文闡述了一種將調節型電動執行器狀態量化的調查模型的建立方式，分析了工業現場電動執行器調節動作偏差的幾個常見案例，提供了抑制此類偏差的控制策略。調節型電動執行器的動作偏差問題在工業現場普遍存在。如何有效地提高其動作精度，對提高設備控制的“精，準，穩”，降低企業、運行成本以及優化工藝質量管理，具有重要意義。