摘要：角行程电动执行机构作为过程控制中的终端执行单元，应用范围较广，但是针对70℃以上的高温环境或者振动强烈的位置，一体化的角行程电动执行机构无法长期使用。分体式角行程电动执行机构在科远股份ST-B一体化角行程的基础上对关键零部件：电机、磁绝对编码器、电路板、信号传输等进行了耐高温设计，可以在105℃的高温环境、潮湿及高振环境中长期使用，传输距离达到了50米，其性能达到了国内领先水平，满足了这些场合的控制精度要求。 关键词：电动执行机构、分体式、高温。
1、引言
电动执行机构是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置，其能源取用方便、安装调试简单，广泛用于火电、石化、冶金、轻工建材及水处理等领域。宽广的应用领域也使得电动执行机构经常需要面对现场的各种复杂工况，包括高温环境、高湿度环境、周边设备强烈电磁干扰及管道的强烈振动等各种恶劣工装。例如在高温蒸汽管道及热风门的控制面对的高温环境；井下安装、凝结水系统管道上阀门控制面对的高潮湿环境；增压泵出口处阀门控制面对的因高压差或者汽蚀现象导致管道强烈振动环境等。而一体化型的电动执行机构在这些恶劣环境使用时，普遍存在着元器件容易老化甚至损坏、电气腔进水和零件松动、脱落的现象，进而导致严重损坏。
为了解决上述问题，分体式角行程电动执行机构则将机械传动单元与控制单元进行分离，将机械传动部分与阀门、风门等连接在一起，而控制单元可以单独安装在一个环境较好、温度较低、无振动的地方，在机械传动单元和控制单元之间通过高温电缆进行连接。机械传动单元包括蜗轮蜗杆传动件、电机、手自动切换系统、阀位采集及反馈系统等关键部件；控制单元包括电源板、主控板、各种电子元器件、操作按钮和显示面板等；控制单元和机械传动单元之间的信号数据及强电传输则通过耐高温及抗拉的电缆实现，而且电缆两端均有不锈钢防水接头进行密封。科远股份分体式角行程电动执行机构在一体化智能型产品的基础上，对电机、磁绝对编码器、高温采集板进行了耐高温设计，对信号远距离传输进行了稳定性设计，对控制单元的控制柜进行了防水密封设计，并对产品进行了长期耐高温测试、防护等级测试，
确保产品在105℃高温环境或者潮湿、振动环
境中能够稳定可靠的长期使用，调节精度与一
体化智能型产品一致，其主要特点如下：
（1）使用环境温度：机械控制单元，
-25~105℃；控制单元，-25℃~70℃。
（2）控制单元与机械单元可分离长度（即
高温电缆长度）：标准配置20米，最长可达50
米。
（3）机械传动单元防护等级：IP67；控制
单元防护等级：IP65。
2、电机耐高温处理
电机作为电动执行机构的动力源，只能与蜗轮蜗杆等机械传动零件一起放置在机械传动
单元，这就要求电机不但能在105℃环境带载长期稳定运行，而且其表面温升不能超过20℃，否则电机周围元器件环境高温可能会高于125℃（汽车级）。为了满足使用条件，对电机进行了如下处理：
（1）轴承采用了耐高温轴承、漆包线及其辅助材料均为耐高温型；
（2）对铁芯进行了加长设计，提高了电机的效率，从而降低温升；
（3）在高温老化箱105℃的环境中，通过力矩工装测试，电机在S2和S4工作制下，其温升均低于10℃。
3、磁绝对编码器耐高温设计
科远股份自主开发的磁绝对编码器利用12位可编程磁
旋转编码器，可实现360°范围内无接触感应，分辨率高，
它由磁钢、电路控制板、芯轴和易成型的塑料外壳组成，
其采集精度直接影响了电动执行机构的控制精度。磁绝对
编码器作为阀位采集的关键零件，也必须放置在机械传动
单元，考虑到电机温升影响，使用范围要满足-25℃
~125℃。为了满足使用条件，对磁编码器进行了重
新设计：磁感应芯片的温度使用范围选用-40℃~125℃
器件，相应的通讯线缆采用的同样是耐高温型；塑
料外壳的变形会影响磁绝对编码器的精度，前期产
品经105℃高温测试后，出现开裂和变形，考虑注塑
工艺及高温变形，在现有材料基础上增加了玻纤。
改进设计后，经过长达1个月的120℃测试，各方面的性能都保持良好，系统正常工作，满足分体式角行程电动执行机构105℃的高温要求。验光组合
4、高温采集板耐高温设计
机械传动单元的阀位信号、力矩参数、电机温度报警信号等需要传输至控制单元，而阀位信号为SPI信号，当传输超过10米时，相应EMC的电磁抗干扰能力会变差，而且开关量信号长距离传输后，信息驱动能力会大大下降。高温采集板可以采集上述相应信号，并转换为RS-485信号，增强信号的抗干扰能力，确保长距离传输的有效性。因此，对于安装在机械传动单元中的高温采集板，也需要进行耐高温设计。
（1）高温采集板采用Tg点为170℃的板材
在NEMA标准中，环氧玻纤布覆铜板有四种型号：G10(不阻燃）、G11(保留热强度，不
阻燃）、FR-4（阻燃）、FR-5(保留热强度，阻燃）。线路板基材的一个重要的温度性能指标为Tg温度。当温度升高到某一区域时，基板将由"玻璃态”转变为“橡胶态”，此时的温度称为该板的玻璃化温度(Tg)。Tg是基材保持刚性的最高温度。
（2）高温电子元器件采用汽车级
分体式角行程高温采集板上的高温电子元器件物料主要包括MCU、频率振荡器、共模电感、表贴3.3V稳压器等。电子元器件按温度适应能力及可靠性分为四类：商业级（0~70℃）、工业级（-40~85℃）、汽车级（-40~125℃）、军工级（-55~150℃）。高温采集板上的电子元器件要求至少能够达到105℃，因此选用汽车级。
5、信号远距离传输稳定性设计
高温采集板需要控制单元的主控板提供电压进行工作，同时需要与主控板间进行数据传输通讯，即机械传动单元和控制单元之间必须通过线缆（最长50米）连接。因此，需要考虑信号远距离传输的稳定性，从而确保执行机构的控制精度。
（1）选用带屏蔽层的高温电缆
分体式角行程的高温电缆能在高温105℃环境中正常使用且阻燃。电缆包裹有屏蔽层，能够提高电缆抗伸、抗电磁干扰的能力，从而最大效果的保证传输的稳定性。
（2）采用Modbus通讯协议
Modbus协议最初由Modicon公司开发，支持传统的RS-232C、RS-422、RS-485和以太网设备。分体式角行程采用Modbus协议中的RTU模式，除奇/偶校验外，错误校验区采用CRC（循环冗余校验）。协议采用主从方式定时收发数据，在实际使用中若高温采集板（从机站点）断开后，主控板（主机端）可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，可靠性较好，可有效地保证信号传输的精度。
6、控制柜密封设计
分体式角行程执行机构将机械传动部分与控制单元分离后，其
机械传动单元的密封性能及抗振性相比于一体化产品大大提高，控
制单元也可以安装在环境较好的地方，但控制柜中安装了大量的电
路板和各种电器元件，因此其防护性能需要达到IP65。为了满足防
水要求及免开盖调试，对控制柜进行了如下设计：
（1）控制柜箱体采用防腐蚀材质；
（2）控制按钮外面增加了防水的按钮套；
精炼渣（3）亚克力板显示窗与控制柜背板之间涂抹密封胶进行密封；
人体检测（4）前盖板和箱体之间采用防水胶条密封。
控制柜首先装入粉尘进行测试，没有粉尘溢出；然后对六个面
通过水流量12.5±0.625L/min，淋水时间3分钟测试，控制柜内没
有进水，完全达到IP65密封要求。
7、整机性能测试验证
为了验证分体式角行程电动执行机构的耐高温性能及系统稳定性，制作了高温扭矩测试工装，将机械传动单元安装在高温老化箱内对其进行了两种测试（电缆长度均为50米）：105℃高温环境下为期7天的带额定载荷测试和120℃高温环境下为期15天的空载长期性测试，然后再依照标准《GB/T 26155.1-2010工业过程测量和控制系统用智能电动执行机构第
一部分：通用技术条件》和《GB/T 26155.2-2012工业过程测量和控制系统用智能电动执行机构第二部分：性能评定方法》进行测试，主要测试项及结果（均为105℃环境中）如下：（1）降压10%启动：342VAC，带额定载荷正常启动；
（2）控制精度：≤1%；
（3）死区：≤1%；
（4）回差：≤1%；
（5）其余测试结果也均符合标准中规定。
此外，还对分体式电动执行机构的机械控制单元进行了EMC性能测试、抗振性测试、IP68测试、交变湿热测试、恒定湿热测试，均满足要求。
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8、结束语
科远股份分体式角行程电动执行机构具有耐高温、远距离稳定传输、控制精度高、耐潮湿及抗振等优点，其耐高温性能和远距离传输稳定性均达到国内领先水平，可以解决一体化电动执行机构在这些环
境条件下易老化、无法长期使用和难以维护等问题，将成为高温蒸汽管道及热风门的控制，井下安装、凝结水系统管道上阀门控制及增压泵出口处阀门控制的最佳选择。
参考文献
【1】马超. 电动执行机构分体安装的研究及应用[J].华北电力技术，2014，2：28-32. 【2】倪平.电动执行器技术改造方案的优化与实施[J].华电技术，2012，
电磁炉热水器
34（1）：49-50.
【3】辜信实. 高热可靠性FR-4覆铜板的开发[J]. 印制电路信息，2010，02:22-24.
【4】周海洋. 汽车级芯片封测、失效分析及质量管理[D].天津大学，2012.
【5】齐磊，崔翔，卢铁兵，谷雪松.屏蔽电缆的分布参数测量及瞬态分析[J].
中国电机工程学报，2005，06：122-126.
【6】许燕萍，杨代华. RS485串行总线可靠性的研究[J]. 电子科技，2009，02:8-10+22.
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