智能电气阀门定位器：优化技术实现

1.引言

随着计算机技术迅速发展，国外推出带微处理器的智能仪表，智能化仪表使用方便，准确度高且可靠性高，使差压变送器、压力变送器等现场变送器发生了极大变化。同时现在也相应出现了智能化执行机构。在自动化生产中，由于执行机构发生故障对生产过程影响非常大，而且其冗余化也比较困难。因此，国外公司如德国西门子公司开发了智能化电气阀门定位器，这样为执行机构的智能化打下了基础。德国西门子公司生产的智能化电气阀门定位器在控制准确度、耐环境性、投运、维护及操作费用等方面都优于常规定位器，该产品可优化资源利用，减少能耗，节约资金。

2.常规定位器的问题

常规定位器是采用机械式力平衡原理，即喷嘴/挡板技术，如图6-4-11所示。该产品已使用多年，但存在以下几个问题：

1）因采用机械力平衡式原理工作，可动件较多，容易受温度波动的影响。

2）耐环境性差。采用机械力平衡原理的定位器易受外界振动影响，外界振动传到力平衡机构，有时会使定位器难以工作。

3）装好的调节阀由于尺寸、衬垫摩擦等是多变的，若将各种调节阀也做相应改变，达到最佳控制状态，难以实现。

4）喷咀本身是一个潜在故障源，易被灰尘或污物颗粒堵住，使定位器不能正常工作。

5）能耗大。常规定位器由喷咀连续供给压缩空气，在执行机构处于稳定状态也要供给压缩空气，工厂使用执行机构较多，能耗较大。

6）常规定位器手动调整时不用专用设备（如减压阀），不中断控制回路是不可能的。

图6-4-11 喷嘴/挡板式定位器原理

7）常规定位器零点和行程的调整分别用手动调整，须反复调整，很费时间。

3.智能定位器

智能定位器以微处理器为核心，采用的数字定位技术如图6-4-12所示。其先进性在于：控制准确度高、能耗低、调整方便、可任意选择流量阀的流量特性、故障报警、通过接口与其他现场总线用户实现通信。

图6-4-13是德国Siemens公司生产的智能阀门定位器原理图，智能定位器以微处理器为核心，采用数字定位，加强并扩展了定位器的功能。微处理器对设定值与实际阀位的反馈值进行比较，如果检测到偏差很大，就输出一个连续信号，快速响应；如果偏差较小，则输出数字脉冲信号，以精确定位。压电转换元件采用两个压电微型阀，压电阀只有通和断两种状态，需要加大阀门开度，打开进气阀，否则打开出气阀，状态稳定时，两阀均处于切断状态，将执行机构锁定在设定位置，这和传统定位器相比较，气源损耗几乎可以忽略不计。

图6-4-12 智能型电/气阀门定位器

由图6-4-13还可以看出，微处理器的使用扩展了定位器许多功能。报警模块输出高低报警值；LCD显示及按钮使操作更容易、方便、直观；HART模块的使用，可以借助于手持通信器、个人电脑或系统控制台方便地获取现场信息；阀位反馈模块输出执行机构位置信号（4～20mA）。定位器在初始化时，可以根据输入参数，自动确定执行机构的零点、最大行程、作用方向和定向速度，大大节省了投运时间。工作时，可以根据阀门或执行机构的机械性能变化，自动修改控制参数、补偿阀门老化、磨损等机械问题。

图6-4-13 智能型电/气阀门定位器原理图

现在，智能定位器的开发引起各大仪表公司的关注，而智能定位器的核心技术都大同小异。如美国Fisher—Rosemount公司生产的DVC5000智能阀门定位器的电/气转换装置，当有电流通过线圈时，磁化线圈铁心，吸引上端盖产生微小位移，与上端盖一体化的U形弹性梁起到位移放大作用，喷嘴可前后移动。和传统的喷嘴挡板结构相比较，气压初始值调整更加方便灵活，电/气转换性能稳定，结构制作精良，体现了精美的设计思想。

下面以德国西门子公司SIPART PS产品为例，介绍智能化阀门定位器。

德国西门子公司SIPART、PS新型智能定位器由微控制器（CPU）、A/D和D/A转换器、电磁阀和压电控制阀即双气动系统等部分组成，主要功能如图6-4-14所示。

智能电气阀门定位器的操作原理完全不同于过去的喷嘴/挡板式定位器，给定值和实际值的比较是纯电动信号，不再是力的平衡。用微控制器的控制程序取代了易于受振动等干扰的力平衡方式，可以消除力转换过程及机械传动所产生的问题。智能定位器工作原理如图6-4-15所示。

图6-4-14 智能电气阀门定位器功能图

1—主板 2—控制面板 3—单作用定位器 4—双作用定位器 5—控制器接口模块 6—报警模块 7—限位开关报警模块 8—弹簧复位气动执行机构（单作用） 9—无弹簧复位气动执行机构（双作用）

智能定位器和执行机构组成一个反馈回路，阀位参数Y为被控参数X，X和给定值W比较，则有一个系统偏差，它使五接点开关确定动作方向，使调节阀动作±△Y。在系统高偏差区域（高速区）保持开关接通，行程移动。在系统中偏差区域（短步区）用最小长度脉冲地调节行程的移动，这些位置脉冲使执行机构的气室有不同的压力，从而调节执行机构行程。在系统低偏差区域没有位置脉冲输出（自适应死区）。死区带自适应和最小脉冲长度自适应，可使控制准确度最佳，开关动作频率最小。执行机构位置输出信号I_y为4～20mA信号，用两个限位阀监测。

双气动系统是SIPART PS智能定位器的主要部件之一，双作用电气阀门定位器用两套气动阀，如图6-4-16所示。其操作原理如下：

通过刚性的、不振荡的连杆，把调节阀的行程或转角转换成电动信号，参数设定采用电位器，西门子公司所采用的电位器不是常规电位器，而是一种装有球轴承和非常耐用的电阻薄片，电阻薄片用特殊的不磨损的导电塑料材质做成的。因此，电位器用于各种场合，连续动作都不会损坏。

电位器产生一个阀门动作信号并送到微控制器，调节器或控制系统发出给定值信号，微控制器比较这两个信号，得到一个系统偏差。考虑到动态情况，要计算下游气动阀动作的响应。一个阀装在执行机构供气入口管线上，另一个阀装在排气管线上。此阀开时，执行机构排放空气。两个气动阀只有开或关两种状态，均由微控制器的输出信号控制。

图6-4-15 智能定位器工作原理(www.xing528.com)

采用电磁阀和带有压电导向控制的气动阀的优点是：压电式气动阀动作速度快，所需电流非常小。因此，智能定位器采用二线制，不需增加辅助电源。在稳定状态下，执行机构操作的耗气量小，仅是喷嘴/挡板式定位器耗气量的2%，节能效果明显。

4.智能定位器的多功能化

SIPART PS智能定位器有微电子控制器，不辅加其他硬件就具有许多辅助功能和专用功能。而采用喷嘴/挡板系统的定位器的辅助功能需加机械措施，包括复杂的改线路和用校验手段的辅助装配工作等。智能定位器只要简单地改变编码开关的设定或把数据输入手持终端即可实现所需的功能。

智能定位器有一个控制面板，上面有LCD显示和按钮，除了可简化投运外，还有阀位显示的控制面板，手动操作很容易。在现场用慢速和快速设定，可手动调整调节阀。SI-PART PS智能定位器主要专用功能如下：

图6-4-16 智能定位器双气动阀系统

1）简化行程和压力换向的调整。

2）对使用几个定位器的回路，可按要求，把设定值信号分开，分成不同范围，实现分程控制。

3）可调节响应速度（减少定位速度），以防止长管线压力波动。

4）可选择调节阀的线性或等百分比特性。

5）在控制板上用简单的输入方法，可选择任意特性如性能特性，可做成凸轮盘，留有调整的余量。

6）在整个操作范围内规定调节阀的上行程和下行程。

7）自动密封功能，例如用于带有可压缩填料的阀。

8）阀位反馈是4～20mA两线制信号。

9）在0～100%之间可编程范围内，限制监测器可测量（最大或最小接点）和检查阀的操作。

10）调节阀停用时有输出报警，如系统压力太低时，调节阀停用则报警。

5.智能定位器的自动调校功能

常规定位器用手动调整零点和调整行程，其力平衡和行程校验很费时间。通常是调整螺丝达到力平衡，用这种方法，在调整零点时也会改变行程范围，反之亦然。校验程序则要重复进行。取代这种方法是采用连续监测收敛方向。

智能定位器（SIPART PS）不用上述老方法，而是自动调整行程和平衡，大大节约了投运时间。定位器安装在阀的执行机构上，只要按按钮则可全自动地进行过程的初始化。

执行机构移动到最好的位置，记录准确的零点和行程范围，行程刻度在0～100%之间。系统还要测量两个方向的定位速度，确定最小的定位增量，计算最佳中间带。不再用手动调整放大值和衰减值。智能定位器自动调整参数可满足各类调节阀的要求。

6.智能定位器在线修改参数功能

SIPART PS智能定位器在投运过程中不仅可优化参数，还可连续地修改参数，以便得到最好的控制效果。定位器可检测出操作过程中发生的问题，如在工作期间，阀门或执行机构的机械性能有变化，它可自动地修改控制参数，以补偿阀门或配件的问题及老化的影响。举例来说，当阀门填料盒有泄漏时，不能中断正在运行的生产过程来更换调节阀。因此，只能采取措施在较大范围内增加填料盒的静摩擦。常规定位器是围绕工作点寻找静态摩擦。智能定位器用现代自适应技术检测已变化的操作状态，自动地扩大中间带进行补偿而不产生振荡，达到稳定控制状态。

智能定位器的自适应算法提高了闭环控制回路的质量，它用于生产过程中，不仅可提高产品质量，还可优化资源的利用，节约原料，节约能源和资金。

7.将和现场总线连用

现场数字技术为执行机构与今后的现场总线相连创造了条件。今后几年里，现场总线将更广泛地用于工业过程中，智能定位器或电动执行机构通过接口可与其他现场总线用户通信。在简单控制回路方面，在一定环境下，智能执行机构具有闭环过程控制功能已成为可能。测量传感器和执行机构之间可直接相连，通过现场总线将把操作状态和故障信息传送到控制室。

8.智能定位器的应用

在石油化工生产过程中已开始使用智能型电气阀门定位器，主要可用于以下几方面：

1）用于控制要求非常严格的石化生产过程，如乙烯裂解、催化裂化反应再生系统等生产装置，以提高产品质量。

2）现石化系统有很多新建或改扩建生产装置采用数字或DCS和智能变送器，若采用智能定位器则可集成智能控制系统，增加安全性和经济性。

3）生产装置已用常规仪表控制，但为了改善控制系统，提高控制准确度或克服工艺过程管线振动较大的影响，可使用智能定位器。

4）除石化系统外，还可用于石油、化工、冶金等工业过程。

在工业生产过程中，预计会进一步扩大智能电气阀门定位器应用范围，以取得明显的经济效益。