電動執(zhí)行器故障診斷的研究

1、電動執(zhí)行器故障診斷的研究 內(nèi)容來源自網(wǎng)絡(luò)作者：冉瑩；高韶坤摘要：以往對于執(zhí)行器的故障診斷主要基于仿真層面, 然而在實際應(yīng)用中卻不太理想。針對上述情況，通過深入分析執(zhí)行器的故障特點提出了一些 切實可行的診斷方法以及排除故障的方法。這些方法不需要建作者：冉瑩；高韶坤摘 要：以往對于執(zhí)行器的故障診斷主要基于仿真層面，然而在實際應(yīng)用中卻不太理想。針 對上述情況，通過深入分析執(zhí)行器的故障特點提出了一些切實可行的診斷方法以及排除故障 的方法。這些方法不需要建立執(zhí)行器復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，而是通過分析輸入信號和輸出信號變 化特點進(jìn)行故障診斷，具有運算簡單、判斷迅速、成本低等優(yōu)點。這些排除故障的方法，只 要采集適當(dāng)

2、的信號就可以實現(xiàn)故障診斷適用于電動執(zhí)行器及其他類型的執(zhí)行器。0引言隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工礦業(yè)設(shè)備日益朝向大型化、復(fù)雜化、智能化發(fā)展。在諸如大型火電廠這樣的現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)往往包括上百個控制回路，傳統(tǒng)的參數(shù)報警 和連鎖保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的需要。在當(dāng)今計算機(jī)控制系統(tǒng)中，軟硬件的 可靠性和穩(wěn)定性已經(jīng)非常高，而傳感器和執(zhí)行器已經(jīng)成為控制系統(tǒng)失效的主要原因。據(jù)統(tǒng)計，傳感器和執(zhí)行器的故障占到總故障的80%左右。在這樣的情況下對于控制系統(tǒng)的故障診斷就顯得尤為重要1。以往對于執(zhí)行的故障分析主要是基于仿真層面或者建立相應(yīng)模型進(jìn)行分析2-3。這樣的研究往往在仿真過程中能得到較為理

3、想的結(jié)果，但實際中并不能滿足生產(chǎn)的需要4。本文著力于對實際執(zhí)行器原理的研究，在充分分析了執(zhí)行器的原理和故障發(fā)生的原因的基礎(chǔ)上，提出一 些切實可行的解決方法。1執(zhí)行器的工作原理執(zhí)行器分為氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器和液動執(zhí)行器，在此主要介紹DKJ角行程電動執(zhí)行器5。DKJ角行程電動執(zhí)行器的原理如圖1所示。圖1電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理圖圖1中：Ii為輸入電流即指令；If為變送器的反饋電流；輸出量 0為執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)的角度1。DKJ角行程電動執(zhí)行器是一個具有深度負(fù)反饋的閉合隨動系統(tǒng)。它由伺服放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。伺服放大器將輸入信號Ii 和來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號If 進(jìn)行比較，將兩者的偏差進(jìn)行放大以驅(qū)

4、動兩相電動機(jī)轉(zhuǎn)動，再經(jīng)減速器減速，帶動輸出軸改 變轉(zhuǎn)角。輸出軸轉(zhuǎn)角的變化又經(jīng)過位置發(fā)送器按比例轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位置反饋電流If ,反饋到伺服放大器的輸入端。當(dāng) I i 與I f 偏差為0時，兩相電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，輸出軸穩(wěn)定在與輸入Ii 相對應(yīng)的位置上。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)角0與輸入信號電流Ii之間的關(guān)系為4：0 =KIi (1)式中：K=9。/mA,可以近似看成一個比例環(huán)節(jié)。前置磁放大器是伺服放大器的主要部件, 是一個具有內(nèi)部負(fù)反饋的直流雙推挽式磁放大器，由四個結(jié)構(gòu)完全相同的環(huán)形磁導(dǎo)體組成。 它利用鐵磁材料的非線性原理，將電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出。2電動執(zhí)行器的故障分析執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型為(忽略其動態(tài)過程)

5、6:y= a •x+ 3 (2)式中：X和y分別為執(zhí)行器的輸入/輸出；a和3為執(zhí)行器的增益系數(shù)和零點誤差， ”和 3對于不同的故障有不同的值。如圖 2所示，圖中X軸的X表示變送器的反饋電流； Y軸的 y變量表示輸入電流即指令。圖2電動執(zhí)行器的故障機(jī)理分析圖圖2中：矩形范圍內(nèi)直線 b, c與執(zhí)行器的一種故障相對應(yīng)，具體詳解如下:直線a ( a =1, 3 =。)表示執(zhí)行器正常工作。直線b ( a W1)表現(xiàn)為執(zhí)行器的增益出現(xiàn)突變或緩變，此故障在工程中常見。當(dāng)a =0時即表現(xiàn)為執(zhí)行器的卡死故障。直線C表現(xiàn)為執(zhí)行器出現(xiàn)的恒偏差故障。執(zhí)行器的故障主要有死區(qū)故障、自振蕩故障、卡死故障

6、、恒偏差故障、恒增益故障這五種故障7。它們占到了故障總數(shù)的絕大部分。在實際的DCS系統(tǒng)中執(zhí)行器的輸入信號、執(zhí)行器的反饋信號、執(zhí)行器的控制結(jié)果輸出轉(zhuǎn)速等可以直接得到。只要充分分析上述三個量值就可以對執(zhí)行器的故障類型作出判斷。下面分別對各個故障進(jìn)行分析，所得圖形是通過DABLib(Matlab-Simlink 執(zhí)行器模型庫)搭建模型仿真基礎(chǔ)上所得。2.1 死區(qū)故障死區(qū)故障又分為死區(qū)太大故障和自振蕩故障。伺服放大器的死區(qū)取決于觸發(fā)器，觸發(fā)器中單結(jié)晶體管峰值電壓所對應(yīng)的差值大于或等于150科A。如果執(zhí)行器的死區(qū)太大， 則會使執(zhí)行器輸出不能很好地跟蹤輸入信號。很可能使執(zhí)行器閥門滯留在某個位置不動作，即調(diào)

7、節(jié)器輸出 信號不能對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，造成控制系統(tǒng)的控制性能快速下降，此時極易造成故障。死 區(qū)故障主要通過觀測輸入信號和反饋閾值信號進(jìn)行檢測。當(dāng)延遲時間超過正常值即認(rèn)為發(fā)生 了死區(qū)故障，如圖 3所示。當(dāng)大約40s時反饋閾值信號明顯超出正常值，這時可認(rèn)為執(zhí)行器 發(fā)生了死區(qū)故障。圖4恒偏差故障2.3恒增益故障故障描述：位置發(fā)送器將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸全程范圍090。的角位移信號轉(zhuǎn)換成與之成比例010mA的直流信號，此信號反饋到伺服放大器的輸入端。如果010mA的電流輸出不能對應(yīng)090。的角位移，比如只對應(yīng)085。的角位移，此時就會出現(xiàn)恒增益故障。 執(zhí)行器的增益定義為輸出閾位和輸入指令的比例關(guān)系。增益“可

8、定義為：(3)式中：Ax為閾位變化量；A 丫為輸入指令的變化量。 首先估計執(zhí)行器的增益， 即統(tǒng)計一段 時間內(nèi)，閾位與指令變化速度均值的比值作為執(zhí)行器增益的估計值。診斷方法的應(yīng)用如圖5所示。圖5恒增益故障100s時由1變?yōu)?17。圖5 (b)給圖5 (a)給出執(zhí)行器指令和閥位的變化，執(zhí)行器增益在出增益的估計值，在大約 160s時增益的估計穩(wěn)定在 017附近。解決的辦法是調(diào)節(jié)電動操作器，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿量程在 90。位置。然后打開位置變送器的罩蓋, 調(diào)整電位器 W3使反饋達(dá)到10mA這樣就使得反饋電流與執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)的角度達(dá)到一一對應(yīng)， 滿足了實際工作的需要。2.4卡死故障卡死故障有兩種表現(xiàn)：一段時間內(nèi)，

9、指令變化程度較大，而反饋不隨指令變化；當(dāng)指令不變化時，反饋和角度也不變化，但反饋和指令相差很大。這種情況在現(xiàn)場很容易判斷，最主要的特征是反饋信號很長時間不發(fā)生變化。如圖6所示，指令信號變化幅度非常大，但是反饋信號一直不變化。這樣的情況認(rèn)定為卡死故障。圖6卡死故障解決的方法是檢查執(zhí)行器凸輪是否超出滿量程，再進(jìn)一步檢查位置發(fā)送器內(nèi)部的推桿是否被 卡住。3結(jié)束語通過以上分析，我們可以知道，只要針對不同的故障采取不同的信號處理方法，加以分析就 能夠很好地診斷故障。在實際應(yīng)用中利用診斷的結(jié)果調(diào)節(jié)相應(yīng)的電位器就能迅速地排除故障。 以上診斷方法也可以用于其他類型的執(zhí)行器，只要提取相應(yīng)的特征量信號加以分析就能

10、夠進(jìn) 行正確的故障診斷。從而為生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供保障。該診斷方法與以往不同之處在于：不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型就可以實現(xiàn)電動執(zhí)行器的故 障診斷。只需利用現(xiàn)有 DC汕的輸入信號、反饋信號以及執(zhí)行器控制結(jié)果輸出，通過不同的 算法就可以實現(xiàn)不同故障的診斷；深入分析執(zhí)行器的工作原理和電路圖，總結(jié)出故障產(chǎn)生 的原因，為故障的排除提供指導(dǎo)。采購前閥門選型的步驟和依據(jù):在流體管道系統(tǒng)中，閥門是控制元件，其主要作用是隔離設(shè)備和管道系統(tǒng)、調(diào)節(jié)流量、防止 回流、調(diào)節(jié)和排泄壓力。由于管道系統(tǒng)選擇最適合的閥門顯得非常重要，所以，了解閥門的 特性及選擇閥門的步驟和依據(jù)也變得至關(guān)重要起來。閥門行業(yè)到目前為止，已能生產(chǎn)種類齊

11、全的閘閥、截止閥、節(jié)流閥、旋塞閥、 球閥、電動閥、隔膜閥、止回閥、安全閥、減壓閥、蒸汽疏水閥和緊急切斷閥等12大類、3000多個型號、4000多個規(guī)格的閥門產(chǎn)品；最高工作壓力為600MPa最大公稱通徑達(dá) 5350mm最高工作溫度為1200C,最低工彳乍溫度為-196C,適用介質(zhì)為水、蒸汽、油品、天然氣、強(qiáng) 腐蝕性介質(zhì)（如濃硝酸、中濃度硫酸等）、易燃介質(zhì)（如笨、乙烯等）、有毒介質(zhì)（如硫化氫）、 易爆介質(zhì)及帶放射性介質(zhì)（金屬鈉、-回路純水等）。閥門承壓件材質(zhì)鑄銅、鑄鐵、球墨鑄鐵、高硅鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、高、低合金 鋼、不銹耐酸鋼、哈氏合金、因科饃爾、蒙乃爾合金、雙相不銹鋼、鈦合金等。并且能夠生 產(chǎn)各

12、種電動、氣動、液動閥門驅(qū)動裝置。面對如此眾多的閥門品種和如此復(fù)雜的各種工況， 要選擇管道系統(tǒng)最適合安裝的閥門產(chǎn)品，我以為，首先應(yīng)了解閥門的特性；其次應(yīng)掌握選擇 閥門的步驟和依據(jù)；再者應(yīng)遵循選擇閥門的原則。1 .閥門的特性一般有兩種，使用特性和結(jié)構(gòu)特性。使用特性：它確定了閥門的主要使用性能和使用范圍，屬于閥門使用特性的有：閥門的類別（閉路閥門、調(diào)節(jié)閥門、安全閥門等）；產(chǎn)品類型（閘閥、截止閥、蝶閥、球閥等）； 閥門主要零件（閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、密封面）的材料；閥門傳動方式等。結(jié)構(gòu)特性： 它確定了閥門的安裝、維修、保養(yǎng)等方法的一些結(jié)構(gòu)特性，屬于結(jié)構(gòu)特性的有：閥門的結(jié)構(gòu) 長度和總體高度、與管道的連

13、接形式（法蘭連接、螺紋連接、夾箍連接、外螺紋連接、焊接 端連接等）；密封面的形式（鑲?cè)?、螺紋圈、堆焊、噴焊、閥體本體）；閥桿結(jié)構(gòu)形式（旋轉(zhuǎn)桿、升降桿）等。2 .選擇閥門的步驟和依據(jù)大體如下：選擇步驟1. 明確閥門在設(shè)備或裝置中的用途，確定閥門的工作條件：適用介質(zhì)、工作壓力、工作溫度等等。2. 確定與閥門連接管道的公稱通徑和連接方式：法蘭、螺紋、焊接等。3. 確定操作閥門的方式：手動、電動、電磁、氣動或液動、電氣聯(lián)動或電液聯(lián)動等。4. 根據(jù)管線輸送的介質(zhì)、工作壓力、工作溫度確定所選閥門的殼體和內(nèi)件的材料：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、不銹耐酸鋼、銅合金等。5. 確定閥門的型式：閘閥

14、、截止閥、球閥、蝶閥、節(jié)流閥、安全閥、減壓閥、蒸汽疏水閥、等。6. 確定閥門的參數(shù)：對于自動閥門，根據(jù)不同需要先確定允許流阻、排放能力、背壓等，再確定管道的公稱通徑和閥座孔的直徑。7. 確定所選用閥門的幾何參數(shù)：結(jié)構(gòu)長度、法蘭連接形式及尺寸、開啟和關(guān)閉后閥門高度方向的尺寸、連接的螺栓孔尺寸和數(shù)量、整個閥門外型尺寸等。8. 利用現(xiàn)有的資料：閥門產(chǎn)品目錄、閥門產(chǎn)品樣本等選擇適當(dāng)?shù)拈y門產(chǎn)品。選擇閥門的依據(jù)在了解掌握選擇閥門步驟的同時，還應(yīng)進(jìn)一步了解選擇閥門的依據(jù)。1. 所選用閥門的用途、使用工況條件和操縱控制方式。2. 工作介質(zhì)的性質(zhì)：工作壓力、工作溫度、腐蝕性能，是否含有固體顆粒，介質(zhì)是否有毒，是

15、否是易燃、易爆介質(zhì)，介質(zhì)的黏度等等。3. 對閥門流體特性的要求：流阻、排放能力、流量特性、密封等級等等。4. 安裝尺寸和外形尺寸要求：公稱通徑、與管道的連接方式和連接尺寸、外形尺寸或重量限制等。 對閥門產(chǎn)品的可靠性、 使用壽命和電動裝置的防爆性能等的附加要求。 （在選定參數(shù)時應(yīng)注意：如果閥門要用于控制目的，必須確定如下額外參數(shù)：操作方法、最 大和最小流量要求、正常流動的壓力降、關(guān)閉時的壓力降、閥門的最大和最小進(jìn)口壓力。）根 據(jù)上述選擇閥門的依據(jù)和步驟，合理、正確地選擇閥門時還必須對各種類型閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 進(jìn)行詳細(xì)了解，以便能對優(yōu)先選用的閥門做出正確的抉擇。管道的最終控制是閥門。閥門啟 閉件控制

16、著介質(zhì)在管道內(nèi)的流束方式，閥門流道的形狀使閥門具備一定的流量特性，在選擇 管道系統(tǒng)最適合安裝的閥門時必須考慮到這一點。如下為選擇閥門應(yīng)遵循的原則：截止和開放介質(zhì)用的閥門流道為直通式的閥門，其流阻較小，通常選擇作為 截止和開放介質(zhì)用的閥門。向下閉合式閥門（截止閥、柱塞閥）由于其流道曲折，流阻比其 他閥門高，故較少選用。在允許有較高流阻的場合，可選用閉合式閥門。控制流量用的閥門通常選擇易于調(diào)節(jié)流量的閥門作為控制流量用。向下閉合 式閥門（如截止閥）適于這一用途，因為它的閥座尺寸與關(guān)閉件的行程之間成正比關(guān)系。旋 轉(zhuǎn)式閥門（旋塞閥、蝶閥、球閥）和撓曲閥體式閥門（夾緊閥、隔膜閥）也可用于節(jié)流控制， 但通常

17、只能在有限的閥門口徑范圍內(nèi)適用。閘閥是以圓盤形閘板對圓形閥座口做橫切運動， 它只有在接近關(guān)閉位置時，才能較好地控制流量，故通常不用于流量控制。換向分流用的閥門根據(jù)換向分流的需要，這種閥門可有三個或更多的通道。 旋塞閥和球閥較適用于這一目的，因此，大部分用于換向分流的閥門都選取這類閥門中的一 種。但是在有些情況下，其他類型的閥門，只要把兩個或更多個閥門適當(dāng)?shù)叵嗷ミB接起來， 也可作換向分流用。帶有懸浮顆粒的介質(zhì)用閥門當(dāng)介質(zhì)中帶有懸浮顆粒時，最適于采用其關(guān)閉件沿 密封面的滑動帶有擦拭作用的閥門。如果關(guān)閉件對閥座的來回運動是豎直的，那末就可能夾 持顆粒，因此這種閥門除非密封面材料可以允許嵌入顆粒，否則只適用于基本清潔的介質(zhì)。 球閥和旋塞閥在啟閉過程中對密封面均有擦拭作用，故適宜用在帶有懸浮顆粒的介質(zhì)中。目 前，無論在石油、化工，還是在別的行業(yè)的管道系統(tǒng)，閥門應(yīng)用、操作頻率和服務(wù)千變?nèi)f化，要控制或杜絕那怕是低微的泄漏，最重要、最關(guān)鍵的設(shè)備還數(shù)閥門。管道的最終控制是閥門，閥門在各個領(lǐng)域的服務(wù)和可靠表現(xiàn)是獨一無二的。采購后閥門檢查及維修