智能閥門定位器在三聚氰胺裝置中的應(yīng)用探討

張文萍,王 彬,張青松,張魯蘭

(中原大化集團(tuán)儀表維修公司,河南濮陽(yáng) 457004)

0 引 言

隨著工業(yè)控制智能化的發(fā)展,數(shù)字式、智能型的閥門定位器在化工過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它已成為取代常規(guī)機(jī)械式模擬量閥門定位器和減少氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程偏差的最有效工具。為此,該公司為提高整體裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性,在2套15 kt/a和1套30 kt/a三聚氰胺裝置中的氣動(dòng)執(zhí)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型上,考慮到普通定位器的功能缺陷,全部安裝了數(shù)字式智能閥門定位器,該定位器的投用使有死區(qū)的閥門動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到很大改善,同時(shí)它對(duì)調(diào)節(jié)閥的強(qiáng)大診斷功能,做到了預(yù)防式減少因閥門引起的突發(fā)性停車事故,使用后也克服了過(guò)去維護(hù)時(shí)盲目對(duì)閥門進(jìn)行檢修的慣例。

該文結(jié)合公司三聚氰胺裝置中Fisher智能閥門定位器的成功應(yīng)用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn),討論了智能閥門定位器的工作原理和在使用中存在的問(wèn)題及處理方法。

1 數(shù)字式智能閥門定位器的工作原理

數(shù)字式智能閥門定位器一般有I/P轉(zhuǎn)換器、PWB組件、氣動(dòng)中繼器、閥行程傳感器組成。它的輸入信號(hào)和反饋信號(hào)比較后進(jìn)入印刷電路板組件子模塊,在那里被微處理器讀取,經(jīng)數(shù)字算法處理并轉(zhuǎn)換成模擬量I/P驅(qū)動(dòng)信號(hào)。克服了傳統(tǒng)定位器處理信號(hào)時(shí)受溫度、振動(dòng)的影響,同時(shí)它具有模擬與數(shù)字混合或純數(shù)字化雙向通信能力,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)的定位器校準(zhǔn),噴嘴孔自動(dòng)清障等功能[1]。智能閥門定位器的使用可有效消除力轉(zhuǎn)換和傳動(dòng)時(shí)形成的偏差,其操作原理如圖1所示[2]。

圖1 DVC5000型智能閥門定位器工作原理

該定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成一個(gè)反饋回路,當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí),去I/P轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)增大,這使得I/P轉(zhuǎn)換器的線圈和銜鐵之間的磁吸引力增加,于是擋板使噴嘴節(jié)流,即增大了噴嘴壓力,噴嘴壓力送入氣動(dòng)中繼器子模塊的輸入膜片。當(dāng)噴嘴壓力增大時(shí),氣動(dòng)中繼器的膜片組件移動(dòng),使得閥芯去打開(kāi)供氣口和關(guān)閉排氣口,以增加送去執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出壓力,增大的輸出壓力使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿向下移動(dòng)。閥行程傳感器通過(guò)反饋連桿感受閥桿的位置變化,閥行程傳感器與印刷電路板組件子模塊電信號(hào)相連。閥桿繼續(xù)向下移動(dòng)直至達(dá)到正確的閥桿位置,在這一點(diǎn)位置上,印刷電路板組件使I/P驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定下來(lái),這使擋板定位,阻止噴嘴壓力進(jìn)一步增加。當(dāng)輸入信號(hào)減少時(shí),去I/P轉(zhuǎn)換器子模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)減小,于是減小了噴嘴壓力,氣動(dòng)中繼器的膜片組件移動(dòng),使得閥芯去關(guān)閉供氣口和打開(kāi)排氣口,向大氣釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭壓力,閥桿向上移動(dòng)直至達(dá)到正確的位置,在這一點(diǎn)位置上,印刷電路板組件使I/P驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定下來(lái)。這使擋板定位,阻止噴嘴壓力進(jìn)一步減少[3]。

2 常規(guī)閥門定位器的功能缺陷及與智能閥門定位器的比較

2.1 常規(guī)閥門定位器的功能缺陷

普通閥門定位器是采用機(jī)械式力平衡原理工作的,即噴嘴擋板技術(shù),該型定位器在化工生產(chǎn)中已使用多年,它存在的主要功能缺陷如下:

a)因采用機(jī)械力平衡式原理工作,其定位器中的機(jī)械可動(dòng)部件較多,易受工作環(huán)境的溫度、振動(dòng)等影響。彈簧的彈性系數(shù)在惡劣環(huán)境下能發(fā)生改變,會(huì)造成調(diào)節(jié)閥非線性,導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。外界振動(dòng)傳到力平衡機(jī)構(gòu),易造成部件磨損以及零點(diǎn)和行程漂移,也使定位器難以正常工作。

b)工作過(guò)程是單純的單回路控制過(guò)程,不具備雙向的通信能力,無(wú)法通過(guò)其自診斷功能來(lái)識(shí)別故障信息。

c)常規(guī)定位器的零點(diǎn)和量程需反復(fù)調(diào)整,精度難以保證。投用后工作線性常常變化。

d)常規(guī)定位器噴嘴孔很小,易被灰塵或污物顆粒堵住,使定位器不能正常地工作,而處理過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力[4]。

因其功能缺陷大都是機(jī)械、設(shè)計(jì)等方面的因素造成,為避免缺陷的存在只能選用智能型閥門定位器。

2.2 智能閥門定位器的特性

a)改善控制:雙向數(shù)字通信把閥門當(dāng)前情況的信息顯示出來(lái),據(jù)此信息對(duì)過(guò)程控制進(jìn)行管理,確保及時(shí)控制。

b)提高安全性:可以從現(xiàn)場(chǎng)接線盒、端子板或在控制室等安全地區(qū)使用手操器、PC機(jī)或系統(tǒng)工作站選取信息,將面對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境的機(jī)會(huì)減到最小,并且不必親臨現(xiàn)場(chǎng)。

c)保護(hù)環(huán)境:可以把閥門泄漏檢測(cè)儀或限位開(kāi)關(guān)接到智能數(shù)字式閥門控制器的輔助端子,避免額外增加現(xiàn)場(chǎng)布線,若發(fā)生超限該儀表將會(huì)報(bào)警。

d)節(jié)省硬件開(kāi)支:FIELDVUE系列數(shù)字式閥門定位器使布線投資、端子和I/O需求投資節(jié)省50%。同時(shí)FIELDVUE儀表采用二線制供電,不要求單獨(dú)而價(jià)高的供電導(dǎo)線。它們替換掉現(xiàn)有的配裝于閥門的模擬儀表,節(jié)省了單獨(dú)敷設(shè)電源線和信號(hào)線的高額費(fèi)用[5]。

由于智能閥門定位器,是基于微處理器的新一代產(chǎn)品,具有高精度的閥門位置信號(hào)傳感器輸出壓力傳感器等,因而具有較高的控制精度(0.5%～1%,常規(guī)電氣閥門定位器精度僅為2%～5%),并具有遠(yuǎn)距離組態(tài)、調(diào)試、診斷、數(shù)據(jù)管理等功能[6]。經(jīng)過(guò)6年多的運(yùn)行,智能閥門定位器與普通閥門定位器的性能、使用情況、性價(jià)比等方面的比較見(jiàn)表1所列。

表1 兩種閥門定位器的比較

3 使用中存在的問(wèn)題和處理方法

a)控制系統(tǒng)的卡件不能驅(qū)動(dòng)智能閥門定位器,造成儀表間通信故障。常規(guī)模擬閥門定位器一般輸入阻抗為250Ω,而智能閥門定位器的輸入阻抗均大于250Ω,只是各種定位器的品牌差異使其阻抗不同。阻抗的增加,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行受到的影響也增大,如果不能很好處理,就會(huì)造成整個(gè)控制回路的不匹配。如在2002年中原大化集團(tuán)儀表維修公司第二套15 kt/a三聚氰胺裝置安裝調(diào)試中,曾出現(xiàn)控制系統(tǒng)卡件不能驅(qū)動(dòng)智能閥門定位器、HART手操器也不能正常通信的情況。經(jīng)過(guò)檢查Fisher公司DVC5000系列閥門定位器的電氣輸入為12 V DC/20 mA,這樣它的輸入阻抗相當(dāng)于600Ω,而整套裝置選用的控制系統(tǒng) Honeywell TDC 3000和定位器不匹配。為了能有效地解決這個(gè)問(wèn)題,在靠近控制系統(tǒng)I/O現(xiàn)場(chǎng)接線端子的地方安裝了HART專用濾波器。該濾波器是一個(gè)有源設(shè)備接在HART回路的現(xiàn)場(chǎng)接線中,它的用途是有效地把控制系統(tǒng)的輸出和調(diào)制HART通信信號(hào)隔離并提升控制系統(tǒng)的阻抗以利HART通信和定位器的正常使用。濾波器從控制系統(tǒng)接收4～20 mA電流信號(hào),并作為高阻抗電流驅(qū)動(dòng)回路。其輸出電流是輸入電流濾波后的復(fù)制品,濾波器的電流驅(qū)動(dòng)阻止了HART回路里的電壓調(diào)制信號(hào)混入控制器的輸出信號(hào)中,并對(duì)控制器的輸出產(chǎn)生影響。該問(wèn)題解決也為處理裝置中使用的Neles公司的ND800系列智能閥門定位器(電氣輸入: 12.8V DC/mA)類似故障提供了借鑒意義。HART濾波器的應(yīng)用接線如圖2所示[7]。

圖2 HART濾波器的應(yīng)用接線

b)閥位行程傳感器失調(diào)是造成智能閥門定位器故障的另一重要原因。閥行程傳感器的作用是輸出閥位反饋信號(hào),當(dāng)閥行程傳感器故障而反饋中斷時(shí),整個(gè)調(diào)節(jié)閥將不受DCS調(diào)節(jié),閥位自動(dòng)運(yùn)行到全開(kāi)/全關(guān)位置,這將嚴(yán)重威脅裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。例如:2007年8月14日,該公司三聚氰胺工藝人員反映FT-31181閥位處于全開(kāi)位置,要求儀表人員及時(shí)處理。當(dāng)儀表人員對(duì)FT-31181用手操器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),手操器卻無(wú)法完成手/自動(dòng)校準(zhǔn)程序,調(diào)節(jié)閥閥位嚴(yán)重失靈。用萬(wàn)用表測(cè)量閥行程零位時(shí)閥位傳感器的精密多線圈電阻值為1 650Ω。經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)生故障的定位器分析發(fā)現(xiàn),性能良好的閥位傳感器的精密多圈電阻在閥行程零位時(shí)應(yīng)為1 950～2 050Ω。最后把發(fā)生故障的定位器拆下后,把反饋臂定位在零位,用萬(wàn)用表測(cè)量閥位傳感器的精密多圈電阻值,調(diào)整閥位傳感器的連接軸,使得萬(wàn)用表指示在1 950～2 050Ω之間,然后鎖定連接軸,安裝閥行程傳感器緊固件和閥桿相連,問(wèn)題得以解決。

4 智能閥門定位器的應(yīng)用和維護(hù)

DVC5000和DVC6000系列智能閥門定位器于2002年和2005年在該公司三聚氰胺裝置安裝使用200多臺(tái)。投用后使用手操器對(duì)其進(jìn)行了組態(tài)和校驗(yàn),其線性度可達(dá)99%,零點(diǎn)和量程及回差均可以控制在精度要求的范圍之內(nèi),控制極其穩(wěn)定且抗干擾的能力也很強(qiáng),完全滿足工藝控制的要求。FIELDVUE定位器維護(hù)量極少,基本上無(wú)需維護(hù),其現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性也很強(qiáng)。但為了保證其長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行,儀表人員應(yīng)做好以下幾個(gè)方面的工作。

a)為保證其良好的工作環(huán)境,防止意外損壞,應(yīng)定期檢查定位器周圍的工作環(huán)境,同時(shí)保證其工作氣源的穩(wěn)定、干燥和潔凈,減少外界因素造成的儀表波動(dòng)和故障。

b)儀表人員應(yīng)每周檢查閥門和定位器的泄露和工作情況,及時(shí)消除隱患。每月使用手操器對(duì)定位器進(jìn)行特性曲線檢查,檢查零點(diǎn)、量程、線性和回差等參數(shù),并對(duì)其優(yōu)化和調(diào)整,保證其工作質(zhì)量。

c)定期對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行檢修和維護(hù),確保閥門工作質(zhì)量。同時(shí)對(duì)DCS調(diào)節(jié)控制回路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以確保與定位器互相工作的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。

d)由于DCS方面和其他原因,其現(xiàn)場(chǎng)總線和軟件功能沒(méi)有完全得到開(kāi)發(fā)和利用,對(duì)智能維護(hù)和診斷功能無(wú)法完全使用,但還是大大減輕了日常維護(hù)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)近幾年在三聚氰胺裝置的使用效果來(lái)看,智能型閥門控制器性能穩(wěn)定、調(diào)校方便。隨著智能閥門定位器的廣泛應(yīng)用,其方便性和強(qiáng)大的軟件功能,必將替代傳統(tǒng)模擬量閥門定位器,是閥門定位器的發(fā)展趨勢(shì)。該文希望通過(guò)對(duì)智能閥門定位器在三聚氰胺裝置中的應(yīng)用和分析,能夠?yàn)樽x者提供在定位器設(shè)計(jì)選型和使用時(shí)能有一定借鑒意義。

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