智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件

（薩姆森控制設(shè)備（中國(guó)）有限公司，北京 100176）李寶華

1 引言

在流程工業(yè)過(guò)程強(qiáng)化、功能安全和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備資產(chǎn)管理的強(qiáng)勁需求下，控制閥數(shù)字解決方案成為近年來(lái)控制閥制造廠商研發(fā)的重點(diǎn)，市場(chǎng)上數(shù)字式閥門(mén)定位器不斷涌現(xiàn)，多數(shù)產(chǎn)品實(shí)際算不上智能閥門(mén)定位器，只有一部分產(chǎn)品是真正具有數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識(shí)別和故障智能診斷的決策生成、在線和離線測(cè)試、雙向通信等功能的智能閥門(mén)定位器，可以實(shí)現(xiàn)控制閥預(yù)測(cè)性維護(hù)和資產(chǎn)管理。同時(shí)也注意到，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能預(yù)估診斷技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，智能閥門(mén)定位器的固件易于研發(fā)和技術(shù)提升。固件包含硬件和軟件，且已經(jīng)是固件依存功能、硬件依存軟件的局面，在板微處理器、應(yīng)用軟件、專(zhuān)家軟件及功能模塊和接口，都有不俗的設(shè)計(jì)和組合，且緊隨新技術(shù)發(fā)展而固件版本升級(jí)不斷。但要看到，智能閥門(mén)定位器內(nèi)部最終產(chǎn)生控制閥氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力的氣動(dòng)部件性能和表現(xiàn)也是影響高可用性和安全可靠性的重要因素。

2 閥門(mén)定位器市場(chǎng)

源自ARC咨詢機(jī)構(gòu)2007報(bào)告[1]，2006年全球用于控制閥的各類(lèi)閥門(mén)定位器產(chǎn)品銷(xiāo)售6.576億美元，占有市場(chǎng)份額85%的公司排名前11位見(jiàn)圖1，其余眾多公司僅占有市場(chǎng)份額15%。發(fā)展到2009年，全球閥門(mén)定位器市場(chǎng)格局并沒(méi)有發(fā)生大變化。同時(shí)，排名前11位的公司也是智能閥門(mén)定位器的領(lǐng)軍廠商，中國(guó)市場(chǎng)上常見(jiàn)的智能閥門(mén)定位器也主要出自這11家公司。

圖1 閥門(mén)定位器全球市場(chǎng)格局/份額

在中國(guó)市場(chǎng)上，用于控制閥的智能閥門(mén)定位器主要的國(guó)外品牌有：艾默生—費(fèi)希爾（EMERSON-Fisher）的DVC6000/DVC2000、福斯（Flowserve）的Logix 3000/5000/1400、PMV-D3、美卓—耐萊斯（Metso-Neles）的ND9000、德萊賽—梅索尼蘭（DRESSER-Masoneilan）的SVI II AP、西門(mén)子（Siemens）的SIPART PS2、薩姆森（SAMSON）的3730-2/-3/-4/-5和3731-3/-5、英維思—?？怂共_—埃卡（IPS-Foxboro-Eckardt）的SRD960/991、ABB-H&B的TZIDC、阿自倍爾（azibil（山武Yamatake））的SVP 3000等。

3 智能閥門(mén)定位器

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T22137.2-2008（等同IEC 61514-2:2004）《工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用閥門(mén)定位器 第2部分：氣動(dòng)輸出智能閥門(mén)定位器性能評(píng)定方法》中3.1條的定義[2]：

智能閥門(mén)定位器（intelligent valve positioner），是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、決策生成和雙向通信；它可以通過(guò)配備附加的傳感器和附加的功能來(lái)補(bǔ)充其主要功能。

在智能閥門(mén)定位器的常規(guī)模型中，氣動(dòng)部件屬于“輸出子系統(tǒng)”，用于將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)信號(hào)。GB/T22137.2-2008第4.1.7條“輸出子系統(tǒng)”對(duì)氣動(dòng)部件基本設(shè)計(jì)做了描述。

4 智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件

智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件一般為先導(dǎo)部分和功放部分的組合，先導(dǎo)部分主要使用兩類(lèi)技術(shù)：一個(gè)是基于非對(duì)稱(chēng)構(gòu)造晶體的壓電逆效應(yīng)材料的壓電閥技術(shù)，通常是接受數(shù)字信號(hào)（電脈沖）兩位動(dòng)作氣動(dòng)輸出；一個(gè)是基于電磁原理和氣動(dòng)噴嘴/擋板機(jī)構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器技術(shù)，通常接受模擬電信號(hào)連續(xù)動(dòng)作氣動(dòng)輸出。在先導(dǎo)部分之后都有氣動(dòng)放大器或氣動(dòng)滑閥一類(lèi)的功率放大輸出部分。前一類(lèi)的壓電閥片或壓電閥+氣功放組合件多為外購(gòu)件或OEM定制，而后一類(lèi)的I/P轉(zhuǎn)換器+氣動(dòng)放大器組合件多是自有技術(shù)生產(chǎn)的。

4.1 壓電閥組件

壓電晶體是一種陶瓷功能材料，晶體為非對(duì)稱(chēng)中心的構(gòu)造，可逆轉(zhuǎn)換電能和機(jī)械能，外力可致該晶體形變和正壓電效應(yīng)，外加電場(chǎng)可致該晶體產(chǎn)生電極化和出現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力的逆壓電效應(yīng)。壓電閥正是基于壓電逆效應(yīng)，具有節(jié)能低功耗（驅(qū)動(dòng)電流僅10微安）、精密微型化、高速響應(yīng)和耐用性好的顯著特點(diǎn)，也易于閥門(mén)定位器全數(shù)字化。目前，智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件中的壓電閥組件大都來(lái)自德國(guó)賀爾碧格（hoerbiger）自動(dòng)化技術(shù)公司，主要是P9系列壓電閥片（先導(dǎo)部分）和OEM P20系列壓電閥組件[3]，PS2使用的壓電閥組件也是向賀爾碧格定制的。賀爾碧格壓電閥工作原理參見(jiàn)圖2。

圖2（a）是先導(dǎo)用的P9系列壓電閥片的工作原理。結(jié)構(gòu)為極薄彈性金屬片兩面粘結(jié)壓電晶體，在壓電片的兩個(gè)工作面上真空鍍膜形成兩個(gè)電極，利用壓電片在電場(chǎng)作用下的變形，來(lái)實(shí)現(xiàn)微型氣路兩位式開(kāi)關(guān)換向。不通電時(shí)壓縮空氣輸入孔1被封閉，輸出孔2和通大氣孔3相通，輸出氣壓為大氣壓，相當(dāng)于閥關(guān)；通電時(shí)上層晶體收縮，下層晶體伸長(zhǎng)，上翹機(jī)械變形可有幾十微米，通大氣孔3封閉，壓縮空氣由孔1流向孔2，輸出氣壓信號(hào)，相當(dāng)于閥開(kāi)。壓電片彎曲度與輸入電壓有關(guān)，響應(yīng)時(shí)間小于2ms，兩位開(kāi)關(guān)動(dòng)作的滯環(huán)約為電壓4V。壓電閥也可制成比例輸出型，但因其上下行存在較大滯環(huán)（動(dòng)作電壓約相差2V左右），故很少有在智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件使用比例型壓電閥的。

圖2（b）是P20系列壓電閥組件的工作原理。P20由P9先導(dǎo)壓電閥片、氣功放（或稱(chēng)主閥）、微減壓器和30μm過(guò)濾器組成，對(duì)外呈氣路兩位三通特征。工作電壓24VDC、響應(yīng)時(shí)間小于20ms、氣源壓力120～800kPa、最大氣量7.8Nm3/h。左側(cè)是斷電狀態(tài)，右側(cè)是通電狀態(tài)。當(dāng)P9動(dòng)作接通先導(dǎo)氣路孔2時(shí)，作用在氣功放的膜片上推動(dòng)主閥打開(kāi)并關(guān)閉排氣口，形成大的氣量輸出。當(dāng)P9動(dòng)作封住氣路孔1，孔3通大氣，氣功放膜片上作用力為0（大氣壓），主閥關(guān)閉主氣路和輸出連通排氣口。

圖2 壓電閥工作原理

壓電閥結(jié)構(gòu)的智能閥門(mén)定位器通常是采用兩個(gè)P20系列壓電閥組件（PV1、PV2）和兩個(gè)單向閥（RV1、RV2）組成氣動(dòng)部件，如圖2（c）所示。氣動(dòng)組件可有三種氣路邏輯狀態(tài)：

PV1通電、PV2通電、RV1打開(kāi)、RV2關(guān)閉：輸出氣壓信號(hào)到控制閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖2c；

PV1斷電、PV2通電、RV1關(guān)閉、RV2關(guān)閉：氣路封閉狀態(tài)，封住通到氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路氣壓；

PV1斷電、PV2斷電、RV1關(guān)閉、RV2打開(kāi)：排氣，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜室經(jīng)壓電閥氣路通大氣。

這類(lèi)智能閥門(mén)定位器一般采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制方法驅(qū)動(dòng)壓電閥組件，PWM軟件自適應(yīng)調(diào)整，以滿足氣動(dòng)輸出需求。當(dāng)定位偏差大時(shí)，CPU發(fā)出寬幅脈沖指令，當(dāng)定位偏差小時(shí)，CPU發(fā)出脈寬窄的脈沖指令，當(dāng)定位偏差在允許值內(nèi)時(shí)，CPU沒(méi)有脈沖指令，壓電閥組件封住外氣路。定位控制可達(dá)到1%基本偏差，壓電閥組件功耗非常低，穩(wěn)態(tài)耗氣量也相當(dāng)?shù)?，但?duì)壓縮空氣質(zhì)量要求高一些。另一方面，對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及外部氣管路的氣密性要求很高，當(dāng)有膜室或氣管路泄漏大時(shí)，壓電閥組會(huì)頻繁動(dòng)作，有時(shí)PWM也難以適應(yīng)，常導(dǎo)致閥位振蕩或造成壓電閥組件故障。

圖3 I/P轉(zhuǎn)換器工作原理

4.2 I/P轉(zhuǎn)換器組件

I/P轉(zhuǎn)換器基于傳統(tǒng)的電磁技術(shù)和氣動(dòng)噴嘴擋板機(jī)構(gòu)，技術(shù)成熟，靈敏度高，信號(hào)有一定功率且平滑線性好；機(jī)械零部件較多些，開(kāi)放式噴嘴持續(xù)排氣的耗氣量也比壓電閥片大一些，電磁線圈也要考慮電磁干擾問(wèn)題。噴嘴擋板機(jī)構(gòu)先導(dǎo)信號(hào)（噴嘴背壓）送給氣動(dòng)放大器進(jìn)行進(jìn)一步功率（壓力×氣量）放大，以便長(zhǎng)距離輸送和驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，輸出氣量也大，對(duì)壓縮空氣質(zhì)量要求也略低一些。智能閥門(mén)定位器通常是CPU模糊PID運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A給I/P轉(zhuǎn)換器模擬電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并由氣動(dòng)放大器連續(xù)氣動(dòng)輸出的；或者CPU之外的定位控制電路直接輸出電信號(hào)給I/P轉(zhuǎn)換器；也有CPU輸出數(shù)字信號(hào)讓I/P轉(zhuǎn)換器兩位動(dòng)作帶動(dòng)多位多通滑閥進(jìn)行氣動(dòng)輸出的。

圖3（a）是一種低功耗（小于5mW）微型I/P轉(zhuǎn)換器（用于SAMSON 3730/3731系列）的工作原理圖[4]。體積很?。?2×22×12mm），沒(méi)有磁鋼單元。氣源通過(guò)減壓定值和恒節(jié)流孔經(jīng)線圈中心的氣管路從噴嘴與擋板間隙流出。電信號(hào)接到線圈產(chǎn)生電磁力，使銜鐵（擋板）微位移，使噴嘴與擋板間隙改變，使噴嘴背壓即I/P輸出改變并與電信號(hào)成比例。由于對(duì)I/P轉(zhuǎn)換器氣源設(shè)計(jì)有微型減壓定值器，所以不受定位器外部氣源壓力的影響，穩(wěn)態(tài)耗氣量基本為定值。對(duì)擋板有阻尼防抖動(dòng)設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性好。

圖3（b）是一種杠桿（擋板）力平衡結(jié)構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器（用于ABB TZIDC）的工作原理圖，靠近線圈一端帶有磁鐵的杠桿繞中心支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，電信號(hào)接到線圈在軛架空氣間隙處產(chǎn)生電磁場(chǎng)，施加給磁鐵一個(gè)力使杠桿偏轉(zhuǎn)即使擋板靠近或偏遠(yuǎn)噴嘴，使噴嘴背壓改變，再經(jīng)氣功放輸出。

圖3（c）是一種比較傳統(tǒng)的I/P轉(zhuǎn)換器（用于azibil山武 SVP 3000（AVP 30x）），仍是磁單元結(jié)構(gòu)，體積和功耗都比較大，線圈接通電信號(hào)后，在與磁鋼磁場(chǎng)的共同作用下使可動(dòng)擋板位移，靠近或遠(yuǎn)離噴嘴致使噴嘴背壓變化，并影響到氣動(dòng)放大器輸出?？紤]到電氣防爆，在線圈和磁單元之間加有隔板。

4.3 氣動(dòng)信號(hào)功率放大

壓電閥或噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器都是將微小位移轉(zhuǎn)換為氣壓信號(hào)，但由于氣源流過(guò)氣孔或恒節(jié)流孔，功率很小，需要進(jìn)一步氣動(dòng)信號(hào)功率（壓力×氣量）放大，配置氣功放或氣動(dòng)放大器以及氣動(dòng)多位多通滑閥等。氣功放實(shí)質(zhì)是一個(gè)有一定流通能力的開(kāi)關(guān)閥，而氣動(dòng)放大器品種繁多，結(jié)構(gòu)各異，基本原理都是采用繼動(dòng)式彈性元件力平衡、雙閥控制進(jìn)氣和排氣，一般不會(huì)采用耗氣大的節(jié)流式氣動(dòng)放大器。繼動(dòng)式氣動(dòng)放大器在穩(wěn)態(tài)時(shí)，彈性元件（單膜片或膜片組）上的力相互平衡，進(jìn)氣閥和排氣閥基本處于關(guān)閉狀態(tài)，耗氣較小；力平衡發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)作反應(yīng)快，動(dòng)態(tài)形態(tài)性能好，輸出氣量也大。傳統(tǒng)的氣動(dòng)放大器應(yīng)用已久，簡(jiǎn)單可靠，本文不再贅述。

表1 全球閥門(mén)定位器市場(chǎng)排名前11名廠商中，部分智能閥門(mén)定位器產(chǎn)品樣本的部分技術(shù)數(shù)據(jù)

5 智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件的部分技術(shù)數(shù)據(jù)

對(duì)于智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件的技術(shù)數(shù)據(jù)，主要查找了全球閥門(mén)定位器市場(chǎng)排名前11名廠商中的部分智能閥門(mén)定位器的產(chǎn)品樣本手冊(cè)，匯總的部分技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，僅供參考，更多數(shù)據(jù)請(qǐng)見(jiàn)相關(guān)廠商的各自產(chǎn)品資料。

6 結(jié)束語(yǔ)

智能閥門(mén)定位器為控制閥提供了數(shù)字解決方案，有效地提升了控制性能以及完善預(yù)測(cè)性維護(hù)和資產(chǎn)管理，滿足了過(guò)程控制的需求。隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越多應(yīng)用新技術(shù)新型號(hào)的智能設(shè)備，如何使用好智能閥門(mén)定位器應(yīng)是用戶面臨的實(shí)際問(wèn)題，用戶儀表空氣的現(xiàn)狀也需要更好的閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件。

從結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)認(rèn)識(shí)智能閥門(mén)定位器，了解和比較智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件，讓智能閥門(mén)定位器更好地發(fā)揮定位控制和數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識(shí)別、預(yù)測(cè)性維護(hù)、雙向通信功能，安全有效地長(zhǎng)周期運(yùn)行。

[1] ARC Advisory Group. The Worldwide Control Valve Market [R]. Five Year Market Analysis and Forecast through 2011, 2007.

[2] GB/T22137.2-2008, 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用閥門(mén)定位器第2部分: 氣動(dòng)輸出智能閥門(mén)定位器性能評(píng)定方法[S].

[3] hoerbiger. 3/2 way valve with Piezo-pilot valve Series P20. AAT4PT009X,2009(03).

[4] SAMSON. 3730系列數(shù)字式閥門(mén)定位器 3730-3型. EB 8384-3 ZH, 2009,(10): 10.