执行机构又称执行器,是自动控制领域常用的机电一体化设备,是自动化仪表三大组成部分(检测设备、调节设备、执行设备)中的执行设备。电动执行机构的工作性能直接影响整个调节系统的工作质量,掌握常见故障的快速判断与排除方法,是仪表维护人员的基本功。

一、电动执行机构的工作原理

图1 电动执行机构原理框图

电动执行机构主要由电机、减速器、位置发送器和伺服控制器组成。当伺服放大器输入端有输入信号时,该信号与输出轴位置反馈信号在伺服放大器内综合比较,当两者之差大于死区(灵敏度)设定值时,输出轴朝减小差值的方向移动,直到差值小于死区,执行机构稳定在输入信号指定的位置上,从而实现调节阀(或风门等被控对象)开度的自动调节。

上世纪 90 年代以前,伺服放大器和位置发送器是分离的;进入 90 年代,随着电子技术发展,国内电动执行机构逐步将两者融为一体,体积、重量大幅降低,即目前广泛应用的伺服一体化产品。

二、常见故障及快速排除方法

电动执行机构涉及电机、减速器和电气控制三大部分,通常电气控制部分出问题的可能性最大。以下按四大类故障分别给出快速诊断流程。

1. 执行机构不动作(给定信号改变时执行机构没有响应)

图2 "执行机构不动作"故障排除流程

① 判断阀门(或风门、挡板)是否卡死或执行机构卡死——可将执行机构从阀门上拆下进一步判断;② 就地手轮能否操动——不能则检查机械卡阻;③ 就地电动能否操动;④ 区分是电路板故障(电机驱动部分)还是力矩超限——有力矩超限报警功能的查看报警信息,有力矩保护无报警的确认力矩开关是否动作;单相电机还需检查分相电容是否损坏;⑤ 判断输入信号正常与否——开关量型用万用表电压挡直接测量;调节型将电流表串入模拟信号输入端,看电流值与系统给定值是否相符;⑥ 输入信号故障则问题不在执行机构,在控制系统;⑦ 测控制板输入端阻抗——断电、断开信号后用欧姆挡测量:调节型一般应在 500Ω 以下,开关型(带伺服控制板)一般应在 1kΩ 以上(以说明书参数为准);⑧ 反馈信号检查——将执行机构分别置于全关、全开和中间位置,反馈值应分别为 0%、100% 和介于 0~100% 之间的数;⑨ 确认行程是否已设定好——不确定时按说明书重新设定(行程设置也称零点和满量程设置、终端位置设置、全开全关位置设置)。

2. 阀门泄漏过大(执行机构全关时阀门仍有较大泄漏量)

图3 "阀门泄漏过大"故障排除流程

① 通过就地手轮将阀门关死,看能否排除故障——操作前注意检查执行机构是否已走到机构零位(若已到零位而阀门未关严,需重新调节阀门与执行机构输出轴的相对位置);② 排除执行机构因素后检查阀门本身——阀芯损坏或阀内有异物;③ 检查跟踪误差——执行机构反馈值与给定值的误差一般应小于 1.5%;④ 重新设定行程(某些执行机构还带限位开关,需一并调节);⑤ 行程未设置好的,一般是没有设好零点(全关)位置;⑥ 以上均正常则可能是阀门选型有误——阀门形式、口径、填料等。

3. 跟踪不准确(误差过大)

图4 "跟踪不准确"故障排除流程

① 用电流表直接测量输入信号的准确性;② 输入信号不准确时进行校正,无法校正可更换相应 IO 模块;③ 检查全开、全关位置的反馈是否分别为 100% 和 0%;④ 反馈未校正好——各执行机构调节方法不同,按说明书操作(有些执行机构有调零和调满功能,即对输出进行校正);仍不能消除的,试试重新设定一遍行程;⑤ 尝试减小死区——死区与精度密切相关,故障可能是死区设得过大;⑥ 死区过大——参照说明书将死区减小即可;执行机构未提供此接口的,只能更换电路板。

4. 执行机构振荡(自动状态下控制信号未变而执行机构在某一位置来回动作,或到达指定位置时频繁动作停不下来)

图5 "执行机构振荡"故障排除流程

振荡会严重影响执行机构的使用寿命。① 尝试增大死区——若能消除振荡,证明死区设得过小;但死区增大精度就减小,若精度因此超出允许误差范围,则此做法不可取;② 死区参考值:一般在 0.75%~1.5% 比较常见,精度要求不高时可设到 2.5%;若死区设为 0.5%,受执行机构惰走性和信号不稳定性影响必然产生振荡;③ 检查回差——切到就地手操,先往一个方向操动再反向操动,若反馈信号过一会儿才变化,说明回差过大,主因是机械间隙过大;④ 检查输入信号稳定性——不稳时可能需更换对应 IO 模块;⑤ 检查惰走性——电机断电后转子因惯性继续转动,输出轴会多走一段距离,执行机构一般带制动装置(接触式如刹车盘,非接触式如电磁能耗制动);⑥ 刹车盘故障或失效的可重新调节;⑦ 检查行程设定——行程设得过小(超出出厂限定)也会引起振荡。

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