智能閥門定位器的研究與設(shè)計(jì)

高院生

(上海標(biāo)一閥門有限公司，上海 201703)

一 智能閥門定位器及其工作原理

(一)閥門定位器的定義和特點(diǎn)

閥門定位器是一種用于調(diào)節(jié)閥上的主要附件。通常來說又稱為氣動閥門定位器。一般來說必須與氣動調(diào)節(jié)閥配套使用，才能正常運(yùn)作。它的工作原理是接受調(diào)節(jié)器所輸出的信號，然后利用這一信號去控制氣動調(diào)節(jié)閥。當(dāng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)信號的指示做出一定的動作后，調(diào)節(jié)閥上的閥桿位置有一定的位移，這一位移的動作也會通過機(jī)器的機(jī)械裝置反饋到閥門的定位器，這時(shí)閥門的狀況通過這一個(gè)回合的電信號傳給上位系統(tǒng)。閥桿位置移動的信號傳輸至它，然后經(jīng)過它的反饋，它將這種信號作為反饋信號?？刂破魍瑯訒敵鲆环N信號，這種是一種輸出信號。這兩種信號作為比較。如果這兩種信號出現(xiàn)了某種偏差，使其足以改變機(jī)械操作的執(zhí)行動作，輸出了執(zhí)行動作的輸出信號，會建立一種閥桿位置移動與控制器輸出信號之間的對應(yīng)關(guān)系。這時(shí)，閥門定位器能夠組成一組以閥桿位置移動為測量信號，以控制輸出為設(shè)定信號的反饋控制系統(tǒng)。一般來說，閥門的定位器結(jié)構(gòu)按照其結(jié)構(gòu)形式和工作原理可以分氣動閥門定位器、電氣閥門定位器和智能式閥門定位器。閥門定位器的作用是增大調(diào)節(jié)閥的輸出功率，對于調(diào)節(jié)信號快速傳遞很反映。對于閥桿來說，可以增加閥桿的移動速度，閥桿移動是所產(chǎn)生的摩擦力帶來的平衡性問題有很大改善。閥門的線性度可以通過定位器裝置的反應(yīng)有很大的提高。對于閥門的正確定位和機(jī)器的有效運(yùn)行有巨大作用。

(二)智能閥門定位器的定義和工作原理

智能閥門調(diào)節(jié)定位器是一種不需要人工矯正和調(diào)整的，可以自動檢測所帶的調(diào)節(jié)閥零點(diǎn)、滿度、摩擦系數(shù)、自動設(shè)置控制參數(shù)的閥門定位器。它的工作原理又和傳統(tǒng)的閥門定位器工作原理有所區(qū)別。一般來說，后者接受的是來至控制系統(tǒng)的4～20mA模擬信號，然后通過驅(qū)動力，使電動機(jī)產(chǎn)生一定的電磁力，這種電磁力會作用于主杠桿。閥門器上閥位的變化一般來說主要經(jīng)過反饋桿、凸輪、副杠桿和反饋彈簧傳遞到要做出反應(yīng)的主杠桿上。主杠桿上的平衡直接影響擋板噴嘴機(jī)構(gòu)，這一機(jī)構(gòu)受它的影響，經(jīng)過氣動放大器來控制氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣與排氣這一一進(jìn)一出的氣體反應(yīng)。然后才最終達(dá)到已經(jīng)設(shè)定的參數(shù)，及設(shè)定點(diǎn)。簡單的來說，后者的主要工作原理主要是利用物理上的力平衡理論，來達(dá)到對于閥門的操控。

對前者，即智能閥門調(diào)節(jié)定位器來說。它的工作原理顯然與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場需求相關(guān)。它的工作原理主要是通過電子化、數(shù)字化的信號控制。這也是人工智能做明顯用于工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)。它接受的是來自于控制系統(tǒng)的4～20mA閥位設(shè)定信號，然后通過軟件裝置和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行高精確度的A/D采樣轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)設(shè)定值的變量數(shù)字元素。閥門位置的變化在經(jīng)過了閥門位置所設(shè)置的反饋機(jī)構(gòu)的閥門位置的電信號后，也需要經(jīng)過A/D采樣轉(zhuǎn)換，計(jì)算出設(shè)定值的變量數(shù)字元素和閥門位置移動所產(chǎn)生的變量數(shù)值。這兩個(gè)數(shù)值經(jīng)過微處理器的處理，最后匯集成一個(gè)關(guān)于閥門位置變動的信號。通過電子和電氣二者的轉(zhuǎn)換，來達(dá)到氣動機(jī)構(gòu)空氣狀態(tài)控制的目的[1]。實(shí)際上這就是不同于力平衡原理的數(shù)字平衡原理來對閥位進(jìn)行位移控制。

實(shí)際上，整個(gè)智能閥門定位器是一個(gè)控制回路，它是由兩線和一個(gè)4～20mA信號來控制的?；贖ART協(xié)議的雙向數(shù)字通信，是經(jīng)過HART模件的送出然后接收和4～20mA疊加覆蓋在一起的數(shù)字信息，可以實(shí)現(xiàn)跟微處理器雙向交流的數(shù)字通信。首先，模擬量的4～20mA信號會傳送給微處理器，在微處理器當(dāng)中進(jìn)行處理，與閥位處的傳感器返回來的反饋信息加以對比。微處理器經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算，根據(jù)二者的偏差數(shù)值和方向變化進(jìn)行控制計(jì)算，這就是所謂的一級控制。然后向壓電閥發(fā)出相應(yīng)的電控指令。壓電閥根據(jù)這一指令做出開與合的動作。壓電閥同時(shí)會使氣動放大器的輸出反饋給內(nèi)控制系統(tǒng)，再次與微處理器處理的信息進(jìn)行比較，這是二級控制。通過兩級控制的輸出信號會傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)空氣壓力的變化會指引閥門運(yùn)動的行程。

二 智能閥門器的特點(diǎn)

調(diào)節(jié)閥作為控制裝置的關(guān)鍵附件。要求改善和提高機(jī)器執(zhí)行的性能。整個(gè)儀表裝置的發(fā)展使最能夠提高控制水平的地方。所以把人工智能運(yùn)用到閥門控制當(dāng)中，是必然要求。智能閥門定位器能夠集通訊能力、電氣轉(zhuǎn)換于一體。通訊協(xié)議能夠方便的獲取操作需要操作的處理信息。通訊協(xié)議的另外一個(gè)好處即為可以隨時(shí)隨地進(jìn)行信號與數(shù)據(jù)庫的對比，用來診斷發(fā)生故障的原因。與傳統(tǒng)的閥門定位器來比較，智能閥門定位器有較高的敏感度，能夠比較快速有效的捕捉到閥門位置移動的變化，有比較穩(wěn)定的可靠性。計(jì)算機(jī)設(shè)定的科學(xué)性參數(shù)比之傳統(tǒng)人工設(shè)定的參數(shù)值同樣具有比較代表性的可選擇性。閥門控制最容易出現(xiàn)的死區(qū)的問題，也能夠合理的處置死區(qū)狀態(tài)下閥門控制狀態(tài)[2]。與常規(guī)的定位器相比，通過比較精確的位置檢測裝置和定位器內(nèi)部的人工智能計(jì)算機(jī)軟件，對于儀表本身和隨之相關(guān)調(diào)節(jié)閥動作有一定的診斷功能。

由于在智能閥門定位器中引入了微處理器的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人工智能。得益于電腦軟件的強(qiáng)烈支持，可以實(shí)現(xiàn)以下功能。第一，人工智能能夠支持自動調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)意味著可以實(shí)現(xiàn)儀表本身、機(jī)器本身、通訊處理器和電腦登一系列相關(guān)裝置的零點(diǎn)和控制進(jìn)程的自我矯正。第二，智能數(shù)字閥門定位器具有與現(xiàn)場總線系統(tǒng)配置的功能，可以通過設(shè)定地址的參數(shù)來達(dá)到對地址的數(shù)字化控制。第三，智能閥門控制器由于實(shí)現(xiàn)了智能控制，所以可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的兼容模擬量、基于HART協(xié)議的信號、FF信號和其他通訊規(guī)程。同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了基于這些協(xié)議的信號出利空，能夠根據(jù)HART通訊方式和電腦查到所需檢測儀表的出廠信息和參數(shù)。第四，由于利用的是電信號而不是力平衡的原理來實(shí)現(xiàn)控制，大大提高了信號的可靠性和穩(wěn)定性。能夠?qū)刂茣r(shí)間的滯后性有迅速有效的處理。

三 智能閥門控制器的運(yùn)用

與傳統(tǒng)的利用力平衡原理的機(jī)械式定位器不同，它是電子科學(xué)、信息軟件、機(jī)械物理、科學(xué)計(jì)算法、流體力學(xué)、現(xiàn)代通訊等多門高端現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。中國自動化行業(yè)一直在追求引進(jìn)和模仿國外先進(jìn)的自動化技術(shù)，但是同時(shí)也一直強(qiáng)調(diào)自主創(chuàng)新能力。但是國內(nèi)的工藝水平并不高，因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)的門檻，國內(nèi)的自動化行業(yè)機(jī)械式國產(chǎn)閥門定位器有一定的行業(yè)規(guī)模。但是對于科學(xué)技術(shù)要求較高的智能閥門定位器的市場來說，少數(shù)比較優(yōu)秀的國際品牌所占據(jù)。比如電子技術(shù)發(fā)達(dá)的西門子公司生產(chǎn)的電氣智能閥門定位器一直被視為行業(yè)的頂尖水平。在不同的場合和環(huán)境運(yùn)用不同的智能閥門定位器。智能閥門定位器可以分為單獨(dú)供電的和不單獨(dú)供電的兩種，因?yàn)槎ㄎ黄髯詭б粋€(gè)24VDC和一個(gè)4—20mA的電流信號，以便實(shí)現(xiàn)自檢。但是有的電位器就不需要提供供電即前者，只需要后者電流信號即可。在爆炸性氣體的使用環(huán)境下，以便精確度的確認(rèn)和安全，比較適合用電氣智能閥門定位器。

智能閥門定位器的發(fā)展方向是，儀表生產(chǎn)水平快速發(fā)展，各個(gè)廠家之間生產(chǎn)的各自的配套儀表出現(xiàn)一定的可以替代性。或者是出現(xiàn)類似于HART協(xié)議的新的通訊協(xié)議。多種協(xié)議的出現(xiàn)和并存，或者是出現(xiàn)一種公用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。智能閥門定位器并不能完完全全消除調(diào)節(jié)閥偏離度中的死區(qū)，從某種意義上來說，死區(qū)并不可能完完全全的消除，因?yàn)槔碚摵蛯?shí)踐總是有差距的。更何況實(shí)踐和理論都存在死角，所以作為衡量調(diào)節(jié)閥偏離度的主要指標(biāo)需要進(jìn)一步的消除。利用電氣測量閥位的方法可以消除反饋桿自身存在的死區(qū)。系統(tǒng)一體化在定位器中是另一一個(gè)智能閥門定位器發(fā)展的方向，在定位器之中加入各種控制功能，不需要經(jīng)過CPU的處理就可以達(dá)到直接接受信號就可以達(dá)到系統(tǒng)控制的目的。在智能閥門定位器中加入遙感技術(shù)，特別是在儀表之中安裝中運(yùn)用，可以減少儀表中電線裸露的時(shí)間，減少安全隱患，提高可以應(yīng)用的范圍。

智能閥門定位器性能比之傳統(tǒng)閥門定位器比較穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件檢測，調(diào)整方便。并且基于HART協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)總線裝置的通訊功能。對于維修的安全性能考慮，可以降低人工維修的費(fèi)用和保障維修的安全性，維護(hù)量相當(dāng)于零。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，市場對于此類的智能閥門定位器的需求量是巨大的，在工業(yè)生產(chǎn)中使用智能定位器是一種趨勢。加強(qiáng)智能定位器的技術(shù)研究和設(shè)計(jì)，更有甚至，出現(xiàn)一種統(tǒng)一的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各種閥門配套設(shè)置的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)的綜合作用。完善診斷功能和診斷功能，在石油、化工、機(jī)械、鋼鐵等基礎(chǔ)性工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用在裝置上，必定會創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]江李麗;智能電器閥門的設(shè)計(jì)[D];南昌大學(xué);2011