一、前言

 

　　電氣閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵附件之一，其作用是把調(diào)節(jié)裝置輸出的電信號變成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作的氣信號。它具有閥門定位功能，既克服閥桿摩擦力，又可以 克服因介質(zhì)壓力變化而引起的不平衡力，從而能夠使閥門快速的跟隨，并對應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥快速定位，提升其調(diào)節(jié)品質(zhì)。隨著智能儀表技術(shù) 的發(fā)展，微電子技術(shù)廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)儀表中，大大提高了儀表的功能與性能。其在電氣閥門定位器中的應(yīng)用使智能定位器的性能和功能有了一個大的飛躍。

 

　　二、智能電氣閥門定位器與傳統(tǒng)定位器的對比

 

　　2.1 傳統(tǒng)電氣閥門定位器的工作原理

 

　　電氣閥門定位器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各公司產(chǎn)品雖不盡相同，但基本原理大致相似，下面畫簡圖進行說明。其基本結(jié)構(gòu)見圖1:

 

 

 

　　反饋桿反饋閥門的開度位置發(fā)生變化，當(dāng)輸入信號產(chǎn)生的電磁力矩與定位器的反饋系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩相等，定位器力平衡系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，定位器處于穩(wěn)定狀態(tài)，此 時輸入信號與閥位成對應(yīng)比例關(guān)系。當(dāng)輸入信號變化或介質(zhì)流體作用力等發(fā)生變化時，力平衡系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破，磁電組件的作用力與因閥桿位置變化引起的反 饋回路產(chǎn)生的作用力就處于不平衡狀態(tài)，由于噴嘴和擋板作用，使定位器氣源輸出壓力發(fā)生變化，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力的變化推動執(zhí)行機構(gòu)運動，使閥桿定位到新位 置，重新與輸入信號相對應(yīng)，達到新的平衡狀態(tài)。

 

　　在使用中改變定位器的反饋桿的結(jié)構(gòu)(如凸輪曲線)，可以改變調(diào)節(jié)閥的正、反作用，流量特性等，實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥性能的提升。

 

　　2.2 智能電氣閥門定位器工作原理

 

　　雖然智能電氣閥門定位器與傳統(tǒng)定位器從控制規(guī)律上基本相同，都是將輸入信號與位置反饋進行比較后對輸出壓力信號進行調(diào)節(jié)。但在執(zhí)行元件上智能定位器和傳統(tǒng) 定位器完全不同，也就是工作方式上二者完全不同。智能定位器以微處理器為核心，利用了新型的壓電閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調(diào)壓系統(tǒng)來實現(xiàn)對輸出壓力 的調(diào)節(jié)。

 

　　目前有很多廠家生產(chǎn)智能型電氣閥門定位器，西門子公司的SIPATT PS2系列智能電氣閥門定位器比較典型，具有一定代表性，下面以就以SIPART PS2系列定位器為例，對智能定位器的工作原理進行說明，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示:

 

 

 

　　其具體工作原理如下:

 

　　由閥桿位置傳感器拾取閥門的實際開度信號，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字編碼信號，與定位器的輸入(設(shè)定)信號的數(shù)字編碼在CPU中進行對比，計算二者偏差值。 如偏差值超出定位精度，則CPU輸出指令使相應(yīng)的開/關(guān)壓電閥動作，即:當(dāng)設(shè)定信號大于閥位反饋時，升壓壓電閥V一l打開，輸出氣源壓力P1增 大，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力增加是閥門開度增加，減小二者偏差;如設(shè)定信號小于閥位反饋則排氣壓電閥V-2打開，通過消音器排氣減小輸出氣源壓力P1， 執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力減小是閥門開度減小，二者偏差減小。正是通過CPU控制壓電閥來調(diào)節(jié)輸出氣源壓力的大小使輸入信號與閥位達到新的平衡。

 

　　2.3 智能電氣閥門定位器對輸出氣源壓力調(diào)節(jié)的新穎之處

 

　　1) 輸出壓力調(diào)節(jié)采用PID脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，迅速準(zhǔn)確。由于CPU對壓電閥的控制采用一個五步開關(guān)程序來控制，可以精確、快速地控制輸出氣源壓力增 減。其控制算法一般采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)方式，CPU根據(jù)輸入信號與閥位產(chǎn)生偏差的大小和方向進行PID計算，輸出一個PWM脈寬調(diào)制脈沖信號來控制壓電閥 開、閉動作。由于脈沖的寬度對應(yīng)于定位器輸出氣源壓力的增量，從而可以迅速、準(zhǔn)確的改變氣源壓力輸出P1。當(dāng)偏差較大時，定位器輸 出一個連續(xù)信號，快速連續(xù)、大幅度的改變P1的大小，當(dāng)偏差較小時，定位器輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續(xù)、小幅改變P1的 大小，當(dāng)偏差很小(進入死區(qū))時，則無脈沖輸出，閥位穩(wěn)定工作。

 

　　2) 新型壓電閥器件的采用，保證了控制的高精度。壓電閥的主導(dǎo)元件是一個壓電柔韌開關(guān)閥，也稱作硅微控制閥，由于其質(zhì)量小，開關(guān)慣性非常小，可以執(zhí)行很高的開 關(guān)頻率，因而作為一個高頻率的脈沖閥，對輸出氣路壓力P1進行控制，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，可以達到很高的閥門定位精度。

 

　　3) 閥位反饋元件定位精度高，壽命長。閥位反饋元件是一個結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高可靠性的導(dǎo)電塑料電位器，將執(zhí)行機構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號，因而可以 精確的檢測閥位并且可以方便的對閥門進行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。

 

　　2.4 智能定位器的特點

 

　　由于新型控制元件如導(dǎo)電塑料和壓電閥的使用，可以使閥門定位達到很高精度，由于微處理的使用，可以使定位器的調(diào)校以及適用范圍有大的改善。主要特點是:

 

　　1) 安裝簡易;可以進行自動調(diào)校。組態(tài)簡便、靈活，可以非常方便的設(shè)定閥門正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。

 

　　2) 定位器的耗氣量極小。傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)耗氣型元件。由于智能定位器采用脈沖壓電閥替代了傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng),而且五步脈沖壓電閥 控制方式可實現(xiàn)閥門的快速、精確定位。智能定位器只有在減小輸出壓力時，才向外排氣，因此在大部分時間內(nèi)處于非耗氣狀態(tài)，其總耗氣量為20L/h，相對于 傳統(tǒng)定位器來說可以忽略不計。

 

　　3) 具有智能通訊和現(xiàn)場顯示功能，便于維修人員對定位器工作情況進行檢查維修。

 

　　4) 定位器與閥門可以采用分離式安裝方式。因為智能定位器的位置反饋元件是電位器，即閥位信息是用電信號傳遞的，并且可以在CPU中對閥門的特征進行現(xiàn)場整 定。因此采用行程位置檢測裝置外置的方法，將閥位反饋組件與定位器本身分離安裝。將行程位置檢測裝置在執(zhí)行機構(gòu)上，定位器安裝在離執(zhí)行器一定距離的地方， 如圖3所示:

 

 

 

　　這樣就大大擴展了定位器的使用范圍，例如可以適用于大型風(fēng)門、閘門等非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)以及超大行程結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)中(已經(jīng)有大量此類應(yīng)用)。正是與智 能電氣閥門定位器的結(jié)合，大大提高了此類裝置的控制定位精度。

 

　　5) 行程檢測裝置還可以采用非接觸式位置傳感器，用于惡劣現(xiàn)場。如應(yīng)用在強振動、高低溫及核輻射區(qū)環(huán)境中的閥門上，避免了不良環(huán)境對定位器的影響，保證定位器 的可靠使用和壽命。

 

　　6) 具有豐富的自診斷功能。不僅可以對定位器本身的工作情況進行故障自診斷，還可對調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機構(gòu)的性能進行定量測量和診斷。如閥門行程的變化檢測，對閥門 極限位置變化的測量，可診斷閥門的磨損情況;對閥門定位時間的測量可以診斷定位周期是否合適，是否會引起震蕩;還可以對氣動執(zhí)行機構(gòu)的密封情況等進行診 斷，從而為閥門的維修提供科學(xué)依據(jù)。

 

　　7) 可以非常方便的進行安全檢測測試與試動作，尤其在對閥門的可靠動作要求非常高的安全儀表系統(tǒng)中，可以在線驗證SIS安全儀表系統(tǒng)的閥門執(zhí)行的安全有效性， 見參考文獻2。

 

　　三、實際使用中應(yīng)注意的問題

 

　　雖然智能定位器使用簡單，功能強大，但在工程應(yīng)用中還是應(yīng)注意一些問題，以使其可靠的工作，發(fā)揮出更好的控制作用，延長其使用壽命。

 

　　3.1 定位器2/4線接線方式的選擇

 

　　由于智能閥門定位器的輸入阻抗較高，而且隨輸入電流的增加而增大。例如西門子SPRART PS2系列定位器作為2線制儀表使用時其輸入阻抗為415歐姆，如帶HART協(xié)議型則輸入阻抗更大，為440歐姆左右,因此對調(diào)節(jié)信號的帶負載能力有較高 的要求。而通常情況下,數(shù)字調(diào)節(jié)儀表的輸出帶負荷能力小于300歐姆，因此在選用智能電氣閥門定位器時一定要核對調(diào)節(jié)器輸出控制信號的帶負載能力，應(yīng)大于 500歐姆，才能保證大開度時定位器的正常工作。筆者曾在某DCS系統(tǒng)的輸出回路中直接驅(qū)動SPRART PS2型智能電氣閥門定位器，最大只能驅(qū)動18mA的電流，即只能滿足87.5%以內(nèi)的行程開度。并且在通訊情況下，其最大電流會進一步降低，嚴重影響大 開度時的定位要求。鑒于此，對于調(diào)節(jié)器輸出控制信號帶負載能力不夠的情況，應(yīng)考慮以下解決方案:

 

　　1) 在輸入信號回路中設(shè)置信號隔離器件，增加控制信號的帶負載能力。即選用帶負載能力高的中間隔離驅(qū)動器件，器件帶載能力應(yīng)大于500歐姆。如果現(xiàn)場是防爆場 所則可選用帶負載能力高的隔離式安全柵，如MTL3000系列隔離安全柵，見圖4所示:

 

 

 

　　2) 采用4線制連接方式，減小智能定位器輸入信號回路的輸入阻抗，如圖5所示的接線方式，由于增加了電源供電回路，因此智能定位器信號回路的輸入阻抗會大大減 小，約250歐姆左右，符合大多數(shù)調(diào)節(jié)器輸出回路的負載要求。

 

　　3.2 合理設(shè)置定位器的動作死區(qū)

 

　　一般智能定位器的動作死區(qū)設(shè)置范圍為0.1～l0.0%之間。死區(qū)設(shè)置越小，定位精度越高，但相應(yīng)的壓電閥及反饋連桿等運動部件的動作越頻繁，有時甚至?xí)?引起閥門震蕩，增大機械磨損，影響定位器和閥門的壽命，故定位器的死區(qū)設(shè)置不宜過小，應(yīng)結(jié)合具體工藝控制精度要求進行設(shè)置，一般不小于0.5%。

 

 

 

　　3.3 合理設(shè)置控制周期

 

　　應(yīng)結(jié)合調(diào)節(jié)器和被調(diào)節(jié)對象的特性來合理設(shè)置控制系統(tǒng)的控制周期。一般的智能定位器本身的控制響應(yīng)時間為1.5s，因此調(diào)節(jié)器輸出改變周期設(shè)置在1.0s左 右比較合適。

 

　　3.4 智能定位器流量特性的選擇

 

　　智能定位器均具有流量特性選擇設(shè)定功能。