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執行機構講義
一、執行機構的由來
執行機構，又稱執行器，是一種自動控制領域的常用機電一體化設備（器件），是自動化儀表的三大組成部分（檢測設備、調節設備和執行設備）中的執行設備。主要是對一些設備和裝置進行自動操作，控制其開關和調節，代替人工作業。按動力類型可分為氣動、液動、電動、電液動等幾類；按運動形式可分為直行程、角行程、回轉型（多轉式）等幾類。由于用電做為動力有其它幾類介質不可比擬的優勢，所以電動型近年來發展最快，應用面較廣。電動型按不同標準又可分為：組合式結構和機電一體化結構；電器控制型、電子控制型和智能控制型（帶HART、FF協議）；數字型和模擬型；手動接觸調試型和紅外線遙控調試型等。它是伴隨著人們對控制性能的要求和自動控制技術的發展而迅猛發展的：
1． 早期的工業領域，有許多的控制是手動和半自動的，在操作中人體直接接觸工業設備的危險部位和危險介質（固、液、氣三態的多種化學物質和輻射物質），極易造成對人的傷害，很不安全；
2． 設備壽命短、易損壞、維修量大；
3． 采用半自動特別是手動控制的控制效率很低、誤差大，生產效率低下。
基于以上原因，執行機構逐漸產生并應用于工業和其它控制領域，減少和避免了人身傷害和設備損壞，極大的提高了控制精確度和效率，同時也極大提高了生產效率。今年來隨著電子元器件技術、計算機技術和控制理論的飛速發展，國內外的執行機構都已跨入智能控制的時代。
二、執行機構的英文名：ACTUATORS
三、執行機構的應用領域
執行機構主要應用在以下三大領域：
1． 發電廠
典型應用有：
①火電行業應用
送風機風門擋板 一次進風風門擋板 空氣預熱風門擋板 煙氣再循環 旁路風門擋板 二次進風風門擋板 主風箱風門擋板 燃燒器調節桿 燃燒器搖擺驅動器 液壓推桿驅動器 葉輪機調速 煙氣調節閥 蒸氣調節閥 球閥和蝶閥控制 滑動門 閘門
②其它電力行業的閥門執行器應用
球閥 除塵控制噴水 葉輪機轉速控制 控制大型液壓閥 燃氣控制閥 燃燒器點火啟動 蒸氣控制閥 冷凝水再循環, 脫氧機，鍋爐給水，過熱控制 器，再加熱恒溫控制器，及其它相關閥門應用
2． 過程控制
用于化工、石化、模具、食品、醫藥、包裝等行業的生產過程控制，按照既定的邏輯指令或電腦程序對閥門、刀具、管道、擋板、滑槽、平臺等進行精確的定位、起停、開合、回轉，利用系統檢測出的溫度、壓力、流量、尺寸、輻射、亮度、色度、粗糙度、密度等實時參數對系統進行調整，從而實現間歇、連續和循環的加工過程的控制。
3． 工業自動化
用于較為廣泛的航空、航天、軍工、機械、冶金、開采、交通、建材等方面，對各類自動化設備和系統的運動點（運動部件）進行各種形式的調節和控制。
過程控制和工業自動化方面的主要應用舉例如下：
① 在硫礦生產中的應用
注水流量控制 球閥和碟閥控制
②碳酸鉀管道閥門執行器的應用
滑動門 分流器 閘門 球閥和蝶閥 球型控制閥
③水處理閥門執行器的應用
液流流量控制 調壓閥壓力控制 酸溶液流量控制
④石灰石/水泥廠閥門執行器的應用
球或蝶閥控制 處理干水泥，石膏，或液體 送風和引風機 調節型風門擋板 旁路風門擋板 環境污染控制和除塵裝置 滑動門 對在料斗和儲藏庫的原材料進行物流控制 閘門 控制原材料在進料口的流量 燃氣控制閥 調節轉爐上燃燒器進氣量 蒸氣控制閥 控制生產過程所需的蒸氣
⑤在谷物加工廠執行器的應用
閘門 分流閥 分配器 物料卸貨器/加熱器 除塵隔離擋板 氣流控制(物流干燥) 球閥和蝶閥控制
⑥鋼廠風門擋板和閥門執行器的應用
球或蝶閥控制 控制冷卻水，廢水，或其它冷卻介質 調節型風門擋板 送風和引風機 旁路風門擋板 閘門 環境污染控制和除塵裝置 滑動門 控制原材料在進料口的流量 對在料斗和儲藏庫的原材料進行物流控制 燃氣控制閥 蒸氣控制閥 調節轉爐上燃燒器進氣量 控制生產過程所需的蒸氣
⑦鋁廠風門擋板和閥門執行器的應用
送風機風門擋板 一次進風風門擋板 空氣預熱風門擋板 煙氣再循環 旁路風門擋板 二次進風風門擋板 主風箱風門擋板 燃燒器調節桿 燃燒器搖擺驅動器 液壓推桿驅動器 葉輪機調速 煙氣調節閥 蒸氣調節閥 球閥和蝶閥控制 滑動門 閘門
⑧過程控制擋板的應用
空氣補充 排風機旁路 熱/冷風混和 應急關斷
⑨在石油工業中的應用
注油工藝流量控制 氣舉管路主閥門壓力控制 注水工藝流量控制 油井油質采樣試驗 / 生產用閥門
⑩在天然氣生產和輸送工業的應用
氣舉氣流流量控制 氣管路主閥門壓力控制 壓縮機喘振控制 天然氣壓力控制 天然氣管路主閥門壓力控制 應急關斷 天然氣調壓器控制 壓力控制 壓縮機喘振控制 流量控制
四、現在國際上有那些知名公司
國外的執行機構出現較早，一直保持較大優勢。西門子公司于1905年生產了世界上第一臺電動執行機構。從20世紀90年代初期，國外一些生產電動執行機構的廠商，又開發了新一代的產品占領市場。世界上比較知名的公司主要有以下一些：
1． 英國的羅托克（ROTORK）
從20世紀90年代初期，國外一些生產電動執行機構的廠商，就開發了新的產品占領市場。較早的是英國勞托克（ROTORK），于1995年推出了IQ型智能電動執行機構。IQ系列智能電動執行機構是英國勞托克（ROTORK）公司推出的較早一代智能型電動執行機構，它的執行機構基型是ROTORK多轉電動執行機構，在此基礎上，加上微處理器和外圍芯片電路、軟件實現智能控制。它采用紅外線手操器來設置執行機構參數，所以能實現無需“開蓋”調拭技術。它的限位機構通過霍爾傳感器產生數字信號來設定，力矩保護通過測試電機電流和磁場來獲得。這種通過霍爾傳感器產生數字信號來設定，力矩保護通過測定電機電流和磁場來獲得。這種通過電子傳感器取代常規的計數器傳動機構及凸輪開關組件便于局部工況監視及安全保障并簡化調試工作。
2． 美國的喬登（JORDAN）
美國喬登控制公司成立于1955年，從開始到現在一直專業生產電廠擋板電動執行機構，特別是在苛刻工況下（比如：環境溫度高，安裝位置受限制和不易維護，動作頻繁等），喬登的產品一直是世界上大多數用戶的首選，這是由于制造商近五十年的經驗累積和先進的設計制造思想使然。在這個領域，特別是高調節頻度（每小時執行機構能動作的次數達到2000次到4000次）的調節型應用方面，在歐美市場占有率達到70％以上，唯一能和它競爭的是德國HARTMANN& BRAUN，但后者的價格是它的三倍以上。
喬登的主要優勢在于高調節頻度（2000-4000次/小時），一體化（電機、伺服放大器和傳動機構），永久潤滑免維護，任意位置角度安裝，正齒輪和蘇格蘭軛傳動機構等。目前國內的知名品牌（如：ROTORK,SIPOS,AUMA等）無一例外都采用分體設計，特別是減速箱的壽命是很短的。采用渦輪渦桿傳動機構，磨損大，發熱量高，傳動效率低，壽命短，調節頻度最高只能達到1200次/小時。而且要定期潤滑維護和不能任意位置安裝。
主要系列：SM、LA、MV、VA、EH、TA-1200、MC-1100、SM/LA-3300
3． 德國的EMG
1883 德國AEG集團成立，1900年前后開始生產電動執行器。1946 AEG集團當時歐洲排名第二的電子設備集團（其電廠建設部歐洲排名第一）成立全資子公司EMG，負責電動執行機構業務.1976 EMG 開發出專利的偏心行星齒輪傳動機構 并成功應用在其執行器上。1984 AEG集團電廠建設部出售給西門子公司，成為現在西門子的電力集團KWU。 EMG開始設立獨立的全球銷售網絡。1992 在全球有十幾萬員工的AEG集團被戴姆勒-奔馳集團并購，成為戴姆勒工業部并被分拆。1996 EMG工業集團獨立。2003年EMG集團公司在中國設立中國辦事處，開始開拓中國市場。
主要系列：德瑞摩DREHMO（Standard、Matic I、Matic C）
4． ABB
于1988年由分別成立于1883年和1891年的瑞典阿西亞公司和瑞士BBC公司合并成立，總部位于瑞士蘇黎世。是電力和自動化技術領域的全球領先公司，ABB集團在全球100多個國家擁有上千家企業，員工139, 000人。
ABB與中國的往來可追溯到本世紀初：早在1907年，ABB就向中國政府提供了一套蒸汽鍋爐。隨著業務的不斷發展，集團于1974年在香港創立了中國地區總部。1994年底把中國地區總部遷至北京。1995年，ABB公司在北京注冊了獨資的控股公司：阿西亞.布朗. 勃法瑞（中國）投資有限公司，負責中國地區的所有投資活動。目前，ABB中國在上海、廣州、重慶、沈陽、武漢、青島、南京、西安、成都、福州、哈爾濱、天津、大連、濟南、杭州、昆明、南寧、深圳、鄭州、長春、長沙和香港等地擁有23家銷售機構，在北京、上海、廣州、重慶、廈門、合肥、新會、中山、香港等地擁有27家合資/獨資企業，員工人數達到6000多名。
主要系列：ONTRAC（MOE700、MME 800）
Ontrac系列智能電動執行機構是ABB公司近年推出的智能電動執行機構產品。它的執行機構基型也是多轉電動執行機構，它的智能控制器安裝在執行機構內，有操作面板直接操作，LCD顯示，通過菜單式操作，設置執行機構參數。它采用霍爾傳感器來獲得位置信號。通過微處理器對電機轉差S推算出力矩，并與用戶設定的力矩超限值進行比較，一旦超限電機被迫停止運動，微處理器發出報警信號。這種電子式力矩保護方式，省去過程傳統的彈簧、機械式開關，調試很方便。該執行機構還能進行變頻調速控制及閥門特性修正。除傳統控制信號4-20mA可選外，還提供PROFIBUS DP/V1，通訊接口。
5． 德國的哈特曼-布朗（HARTMAN&BRAUN）
主要系列：PME 120
6． 德國的奧馬（AUMA）
7．德國的西門子（SIEMENS）
西門子公司是世界自動化行業的“老大”，SIPOS是SIEMENS Positioner的縮寫。于一九零五年生產出世界上第一臺電動執行機構，至今已有近百年的研究、開發、生產和銷售電動執行機構的經驗。SIPOS（西博思）為其電動執行機構的注冊商標。
SIPOS已被廣泛應用于全球各個工業生產領域。中國電廠的所有電動汽機旁路上使用的執行機構幾乎全部為原裝進口SIPOS。西門子公司還分別于1987年和1992年向中國的兩家制造廠出售其SIPOS1系列和SIPOS 3系列的生產技術。西門子公司不斷更新技術，相繼淘汰了SIPOS 1和SIPOS 3，在全球范圍內首次創造性地將先進而又成熟的電機變頻控制技術應用于電動執行機構中，采用內置一體化變頻器來控制執行機構的電機，并于一九九七年向市場推出面向新世紀的新一代SIPOS 5 系列電動執行機構。
SIPOS 5 于一九九七年底進入中國市場，因其結構簡單、技術先進、性能可靠、可進行故障自診斷、智能化程度高且價格適中而備受市場青睞。在短短三年的時間內，中國的七十多家用戶相繼購買了三千余臺，其質量、性能和高性能價格比得到了所有用戶的一致贊賞和認同。
為適應市場需要，自一九九九年十月一日起，西門子公司電動執行機構部門從西門子公司龐大的機構中獨立出來，以原有注冊商標SIPOS為公司名，在德國成為具有獨立法人地位的電動執行機構專業性公司：SIPOS AktorikGmbh（西博思電動執行機構有限公司）。西博思公司的總部及生產廠位于德國的紐倫堡市，并已在全球主要國家和地區設有銷售和服務機構。
自一九九九年十月一日起，西門子公司所有于電動執行機構有關的業務已全部轉至西博思公司，且西門子公司不再生產電動執行機構。獨立后的西博思公司仍以SIPOS作為其電動執行機構產品的注冊商標，但不再屬于西門子公司。西門子公司現在是西博思公司的主要用戶之一，西博思公司繼續想西門子公司提供產品和服務。
主要系列：SIPOS1、 SIPOS3 、SIPOS 5 Flash
8.法國的伯納德
法國伯納德股份有限公司是法中電力協會成員之一，成立于1946年，是世界知名的閥門電動執行器（SERVOMOTEUR）專業生產廠商，其生產的核級閥門電動執行器符合國際標準。自1950年起，法國核電站開始采用該公司的產品。世界上有60多座核電站使用伯納德的電動執行器。1996年該公司產品開始進入中國市場，為中國的大亞灣、嶺澳、秦山、田灣等核電站提供過設備。目前，該公司年產35000多套控制設備，70%銷往國外，廣泛應用于核電、石油、天然氣和水處理等領域。
主要系列：SERVOMOTEUR
9. 意大利的BIFFI
10．美國的柏勒夫（BELLOFRAM）
11．德國PS
12．日本光榮（Unic）
五、JORDAN公司的歷史
1955由Chuck Jordan先生創立，1960向電力用戶推出風門擋板執行機構，1964推出固態電路控制器，1968推出直行程電動執行機構，1970推出角行程和直行程閥門電動執行機，1978由美國成套供應商配用進入中國市場，1979 ~1990成為并作為Foxboro公司的執行機構分公司，1987首次開發彈簧復位電動執行機構，1990成為獨立公司，1991開發并生成采用步進電機的電動執行機構，1992該設計贏得政府設計獎，1995推出智能型數字式伺服控制器，1996通過ISO-9001論證，1997建立公司網站（www.jordancontrols.com），1998推出 HART & Fieldbus 接口，1999推出快速大推力液壓電動執行機構，2000推出具有連續調節能力的 SM-6000系列電動執行機構，2001 – 成為獨立運作的ROTORK公司。在北京、上海和洛陽有服務和備件中心。
六、JORDAN進入中國的情況簡述
從1978年山東石橫電廠開始進入中國市場，到現在在國內已經有了數十家電力用戶，而且從未出過任何問題。從中國的市場來看，目前在電廠的煙風系統（送引風機，磨煤機，排粉機，一次風，二次風等）的擋板，調節閥電動頭（給水，凝結水，再循環等）和燃油系統快開閥等方面應用非常廣泛。
七、在中國JORDAN主要有哪幾種執行機構的業績
在中國JORDAN主要有角行程（SM）；直行程（LA）；短直行程（MV、VA）的業績。
八、在中國執行機構的主要現狀
我國的執行機構和伺服放大器是六十年代統一設計的，三十多年來在技術上沒有多大創新，最早的型號有DTZ和DTJ。但近幾年（基本是在“九五”期間進行），隨著國內對控制要求的不斷提高，各相關研究機構和部門也開發出新一代的智能型電動執行機構，性能有很大提高，價格在進口產品的一半以下。
開發機構主要有：上海自動化儀表股份有限公司、四川儀表集團公司、海萬迅儀表有限公司、上海銳凱儀表有限公司等。
型號主要有：QSL、QSQ、DKZ-Z、ZKJ-Z、ZILJ、IKJ等。
目前，在中國，執行機構的品牌（含國內品牌和國外品牌）較多，市場競爭較大。國外產品主要集中在中高端市場，而國內產品則集中在低端市場。國外產品質量較優，但價格往往是國產品牌的幾倍甚至十倍以上，其在技術和商務方面的投資和努力明顯高于國內企業；國內現以有一些產品已能達到較高的性價比，但總體來講需要加快技術進步和行業激勵，加大商務努力。
國產執行機構在各行業應用已比較普遍。但進口執行機構從行業來看，則主要集中在軍工、電力、石化、化工、冶金、建材、環保等領域和自動化程度較高的生產線上。從投資來看，進口執行機構應用較多的地方主要是國家投資的大中型企業和支柱產業、外商投資企業、資金充足和融資能力強的民營企業。
中國經濟正在騰飛，做為現今世界第一大制造基地，執行機構的市場潛力仍是非常大的：西部大開發、中部開發、東北老工業基地的振興等國家重大舉措；外資投入的不斷加大；老企業的技術更新和改造等都帶來了很大的機遇。
現在中國的企業用戶已擺脫長期以來的盲目，變得理性化，既不盲目崇洋，也不再一味追求低價。國內企業在緊追和趕超國際先進技術，力爭提高知名度；而外國廠商則瞄準中國巨大的市場，在降低價格方面不斷的努力，以提高在中國市場的競爭力
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