執(zhí)行機構(gòu)和氣路控制系統(tǒng)探究

戶新朋

摘要：本文主要講述執(zhí)行機構(gòu)和氣路控制系統(tǒng)，按照文章進展順序講述了其背景、概述、結(jié)構(gòu)和特點，結(jié)合在化工行業(yè)的實際使用情況，總結(jié)概述幾套在用的氣動系統(tǒng)控制方案并針對大執(zhí)行機構(gòu)的氣動控制系統(tǒng)回路做重點介紹。本文內(nèi)容綜合性較高，具有很好的借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：執(zhí)行機構(gòu);氣控系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)具有很多的優(yōu)勢，被化工行業(yè)廣泛應(yīng)用，除此之外像醫(yī)藥行業(yè)、紡織行業(yè)、微電子以及生物工程等諸多自動化領(lǐng)域也在普遍使用，其優(yōu)勢有幾點：結(jié)構(gòu)簡單、沒有污染、性價比高、維修方便以及抗干擾能力強等。

過程控制系統(tǒng)的自動化儀表由檢測、調(diào)節(jié)和執(zhí)行設(shè)備三部分組成。執(zhí)行器就是這三部分中的執(zhí)行設(shè)備。執(zhí)行器屬機電一體化范疇，應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，主要的作用是通過其開關(guān)動作或調(diào)節(jié)其開度，代替人工，實現(xiàn)設(shè)備的自動化作業(yè)。

1、研究背景

基于化工行業(yè)發(fā)展及產(chǎn)能擴大，氣動執(zhí)行器的口徑隨之變大，氣控系統(tǒng)設(shè)計有了新的組織形式以滿足需求。對氣控系統(tǒng)和執(zhí)行器的深入研究有助于解決生產(chǎn)發(fā)展中面臨的新的挑戰(zhàn)，更好的達到工藝需求，實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速控制和調(diào)節(jié)。

2、執(zhí)行機構(gòu)和氣路控制系統(tǒng)

2.1執(zhí)行機構(gòu)

2.1.1執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)

執(zhí)行器是由調(diào)節(jié)機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)兩部分構(gòu)成。

調(diào)節(jié)機構(gòu)接收來自上位機的調(diào)節(jié)信號，將調(diào)節(jié)信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成能對執(zhí)行機構(gòu)進行控制和調(diào)節(jié)的控制信號。

執(zhí)行機構(gòu)接受來自調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制信號，并根據(jù)信號的大小產(chǎn)生與控制信號相匹配的推力作用，推動調(diào)節(jié)閥動作。執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動器。

2.1.2執(zhí)行機構(gòu)概述

在現(xiàn)代的生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行機構(gòu)發(fā)揮了其無法比擬的重要作用。其就像人體的手足一樣，是大腦的執(zhí)行者，是生產(chǎn)的創(chuàng)造者。其參與過程控制的過程是，執(zhí)行機構(gòu)接收來自調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制信號，根據(jù)控制信號改變調(diào)節(jié)變量，實現(xiàn)對過程的控制和調(diào)節(jié)，將生產(chǎn)過程參數(shù)（溫度、壓力、流量等）按照工藝要求進行改變。

2.1.3執(zhí)行機構(gòu)分類

通過不同的分類方式，執(zhí)行機構(gòu)有多種形式。

1）根據(jù)能源的不同：氣動式、電動式、液動式和自力式。

氣動執(zhí)行機構(gòu)：能源為壓縮空氣，特點是成本低、結(jié)構(gòu)簡單，無污染，動作迅速，但其噪聲較其他三類大。

電動執(zhí)行機構(gòu)：由伺服電機來驅(qū)動動作，特點為動作緩慢，控制精準(zhǔn)，但其功率大，動作大，尤其在防爆場合下使用造價高;

液動執(zhí)行機構(gòu)：用液壓油為介質(zhì)和動力，特點是動作快、功率大，但其成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜;

自力式執(zhí)行機構(gòu)：能源為被調(diào)介質(zhì)的能量，特點為無電源控制，適合防爆場合使用，但不易控制精準(zhǔn)。

2）根據(jù)運動形式的不同：直行程、角行程和回轉(zhuǎn)型等。

化工常用的執(zhí)行器種類為氣動式執(zhí)行器，角行程或直行程的運動形式，電動式執(zhí)行器在熱力行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

2.1.4氣動執(zhí)行機構(gòu)

氣動執(zhí)行機構(gòu)是將氣動控制器或閥門定位器的氣壓信號轉(zhuǎn)換成推動調(diào)節(jié)閥動作的中間部位進行能量轉(zhuǎn)換的機構(gòu)。主要有兩種類型：上下動作的薄膜式和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度的活塞式。

氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)為膜頭，內(nèi)含一彈性膜片，通過輸入氣壓使彈性膜片產(chǎn)生形變，帶動推桿和閥芯產(chǎn)生位移，實現(xiàn)開關(guān)控制。這種執(zhí)行機構(gòu)閥芯上下動作，整體形式簡單且價格低廉，是比較常用的一種執(zhí)行機構(gòu);薄膜式執(zhí)行機構(gòu)有正作用和反作用兩種作用形式。當(dāng)信號壓力增加時，閥門推桿向下動作的叫正作用執(zhí)行機構(gòu)，相反叫反作用執(zhí)行機構(gòu)。

氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換機制為氣缸，內(nèi)含活塞，在氣缸允許的工作壓力下，將輸入的氣壓信號轉(zhuǎn)換為活塞的動作，實現(xiàn)在不同坐標(biāo)域內(nèi)的開關(guān)。由于氣缸的允許壓力高，因此可以獲得較大的活塞動作力，實現(xiàn)長行程執(zhí)行機構(gòu)。活塞式執(zhí)行機構(gòu)有單作用和雙作用兩種形式，單作用氣缸內(nèi)含彈簧，氣缸大，自帶斷氣保護功能;雙作用氣缸內(nèi)不含彈簧，開關(guān)作用都由氣源推動，斷氣動作保持。

2.2氣路控制系統(tǒng)

2.2.1氣路控制系統(tǒng)概述

氣路控制系統(tǒng)的動力能源為壓縮空氣，根據(jù)工藝需求不同，用不同形式的氣壓傳動系統(tǒng)來完成各種不同的控制功能。

氣控系統(tǒng)和執(zhí)行器共同組成氣動控制回路，對過程進行調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。

2.2.2氣動系統(tǒng)介紹

氣動系統(tǒng)的工作介質(zhì)為壓縮空氣，經(jīng)過處理的壓縮空氣在經(jīng)過一系列的控制元器件后，最后作用于執(zhí)行元件，執(zhí)行元件會根據(jù)壓縮空氣壓力的大小和氣量的多少而輸出不同的力或者力矩。這個過程實現(xiàn)了利用壓縮空氣進行能量的傳遞和控制。

2.2.3氣動系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

氣動系統(tǒng)是由氣源裝置、控制元件、執(zhí)行元件和氣動輔件四部分構(gòu)成。

1）氣源裝置：目的是為氣動系統(tǒng)提供符合要求的壓縮空氣。主要有四類設(shè)備，氣壓發(fā)生裝置、凈化、貯存壓縮空氣的裝置、管道系統(tǒng)、氣動三大件（分水過濾器、油霧器和減壓閥）。

2）控制元件：控制壓縮空氣傳輸壓力、流量及流動方向的元件。主要有壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三種。

3）執(zhí)行元件：將壓縮空氣的壓力能量轉(zhuǎn)換為推動執(zhí)行元件動作的機械能的元件。常用的執(zhí)行元件為氣缸和氣馬達。

4）氣動輔件：是氣動系統(tǒng)中的一些輔助元件，如消音器、接頭等。

2.2.4氣動系統(tǒng)的優(yōu)缺點

與液動、電動系統(tǒng)相比，氣動系統(tǒng)目前是化工行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的控制手段，得益于其無法比擬的優(yōu)勢：

1）價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，可靠性高，使用壽命長。

2）動作迅速延遲小，易于實現(xiàn)快速控制

3）調(diào)節(jié)方便

4）安全性高，適合防潮、防爆和防火場合使用。

5）安裝方便，具有過載保護能力

6）可進行遠距離傳輸。

相應(yīng)，氣動技術(shù)也具有一定的缺點：

1）噪音大、潤滑性差、難以實現(xiàn)精確定位。

2）由于介質(zhì)為壓縮空氣，執(zhí)行機構(gòu)的動作易受到負(fù)載的影響，難達到勻速的動作

3）容易出現(xiàn)爬行、喘動，低速狀態(tài)下穩(wěn)定性不高

4）相對其他控制系統(tǒng)，氣缸的輸出力較小

3、現(xiàn)用氣動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

3.1、一般氣動系統(tǒng)回路

現(xiàn)用的氣動執(zhí)行器，有薄膜式的直行程執(zhí)行器和長行程的角位移執(zhí)行器。根據(jù)閥門的控制需求不同，有兩種，一是控制開關(guān)閥啟閉的氣控系統(tǒng);二是對應(yīng)調(diào)節(jié)閥可控閥門開度的氣控系統(tǒng)，我們分別來看：

開關(guān)閥的氣路，氣源來自外網(wǎng)的壓縮空氣，壓縮空氣經(jīng)過過濾器過濾，濾除雜質(zhì)和水，后進入電磁閥箱的閥島，兩位五通電磁閥在電壓信號改變的情況下，改變氣路的導(dǎo)通狀態(tài)，兩路壓縮空氣分別對應(yīng)氣缸的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)對角行程執(zhí)行器的開關(guān)控制。閥門的反饋盒又通過接近開關(guān)，給中控室返回閥門的動作情況。

調(diào)節(jié)閥的氣路，取源和開關(guān)閥門取源一致，只是在對壓縮空氣的處理上，除了過濾還有減壓，通過過濾減壓器實現(xiàn)，通常氣源在6-7bar，我們調(diào)節(jié)的氣壓在5bar。然后經(jīng)過氣源分配器，氣源進入閥門定位器，定位器通過給定信號的大小來控制出氣量，達到對閥門任意開度的控制。調(diào)節(jié)閥是沒有反饋信號的。

3.2、大執(zhí)行器的氣動系統(tǒng)回路

近年來，生產(chǎn)制造業(yè)蓬勃發(fā)展，現(xiàn)有的生產(chǎn)產(chǎn)能不斷提升，相應(yīng)的參與過程控制的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)也在不斷變大，一般的氣控系統(tǒng)不能滿足新的控制需求。針對這些大執(zhí)行器現(xiàn)研究了一種新型的控制方式——加上單獨的啟閉推動氣源，增大對執(zhí)行機構(gòu)的推力，加快執(zhí)行機構(gòu)的啟閉速度。

4、結(jié)語

新型的控制思路經(jīng)過試驗期，運行穩(wěn)定，控制精準(zhǔn)，安全可靠，很好的滿足了工藝控制需求。

經(jīng)過對執(zhí)行器的分析，對氣動控制系統(tǒng)的剖析，有了對這些相關(guān)知識的了解，能解決生產(chǎn)遇到實際問題，確保工藝控制穩(wěn)定，收益頗豐。

參考文獻：

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