智能閥門(mén)定位器的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)

郭 宏

（寶鋼集團(tuán)新疆八一鋼鐵有限公司 能源中心設(shè)備室，新疆 烏魯木齊830022）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的往往由幾十成百個(gè)控制回路組成，每一個(gè)控制回路都會(huì)接受現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程量的變化或從內(nèi)部產(chǎn)生干擾，對(duì)過(guò)程控制變量產(chǎn)生決定性的影響。不同回路之間的相互作用也會(huì)產(chǎn)生影響過(guò)程變量的擾動(dòng)。各種一次檢測(cè)儀表收集過(guò)程變量的信息，控制器接受這些信息并進(jìn)行處理，使得過(guò)程變量在負(fù)載擾動(dòng)發(fā)生后恢復(fù)到它的正常范圍?？刂苹芈分凶畛Ｓ玫慕K端控制元件就是控制閥。而控制閥的可靠動(dòng)作依靠閥門(mén)定位器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此最終過(guò)程變量的控制精度、穩(wěn)定性很大程度上取決于定位器。

近年控制閥制造業(yè)隨過(guò)程控制快速發(fā)展而發(fā)展，國(guó)際知名品牌大量進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，如 FISHER、DRESSER、FLOWSERVE、TYCO、KOSO、SAMSON、ABZIL、METSO等。這些國(guó)外品牌更帶來(lái)了先進(jìn)的控制閥技術(shù)和多樣化的產(chǎn)品，以及技術(shù)比較、借鑒的機(jī)會(huì)，特別是使調(diào)閥的核心部件數(shù)字智能閥門(mén)定位器在國(guó)內(nèi)應(yīng)用以及開(kāi)發(fā)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。數(shù)字式閥門(mén)定位器是新一代高性能的電氣閥門(mén)定位器，采用在線微處理器、應(yīng)用軟件和功能模塊，可實(shí)現(xiàn)定位功能的自校準(zhǔn)、自適應(yīng)、閥位控制和控制閥的在線自診斷及離線測(cè)試、本機(jī)顯示或附加更多功能以及數(shù)字通訊和集成到控制系統(tǒng)，還具有免維護(hù)運(yùn)行特征。

1 智能閥門(mén)定位器的特點(diǎn)、組成、原理

1.1 特點(diǎn)

1.1.1 智能閥門(mén)定位器的控制精度較高

可以實(shí)現(xiàn)控制閥的精確控制，從而提高系統(tǒng)的控制水平。另外，智能閥門(mén)定位器可以方便設(shè)置閥門(mén)特性曲線，比如等百分比特性，西門(mén)子 PS2 系列就提供了 1：25、1：33、1：50 三種特性，ABB 公司提供了 1：25、1：50兩種特性。另外，如果用戶對(duì)定位器內(nèi)置閥門(mén)特性不滿意或有特殊要求，可以通過(guò)自定義特性曲線功能進(jìn)行自定義閥門(mén)特性曲線的設(shè)置。各公司智能閥門(mén)定位器提供10～20段曲線的設(shè)置。

1.1.2 省氣、節(jié)約能耗，保持氣源壓力的穩(wěn)定

常規(guī)定位器的穩(wěn)態(tài)耗氣量在350升/小時(shí)，智能定位器穩(wěn)態(tài)耗氣量在30升/小時(shí)，一方面可節(jié)約運(yùn)行成本，另一方面保持儀表風(fēng)壓力的穩(wěn)定，保證裝置的可靠運(yùn)行。

1.1.3 調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單

對(duì)智能定位器來(lái)說(shuō)，調(diào)試過(guò)程非常簡(jiǎn)單，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的初始化即可。以西門(mén)子PS2為例，只需按3個(gè)按紐并設(shè)置幾個(gè)簡(jiǎn)單參數(shù)，就可以自動(dòng)完成初始化過(guò)程。更方便的是，把設(shè)置好的參數(shù)上載到計(jì)算機(jī)中，可以再通過(guò)下載成批的復(fù)制到相同工況的定位器中，大大節(jié)約人力和時(shí)間。

1.1.4 智能化的通訊方式

對(duì)我們過(guò)程工業(yè)來(lái)說(shuō)，最常用的是HART通訊，或是FF現(xiàn)場(chǎng)總線。在實(shí)際應(yīng)用中，若采用HART通訊（最常用），通過(guò)相應(yīng)的軟件和硬件，可以把全廠的智能定位器的所有參數(shù)保存到計(jì)算機(jī)中。當(dāng)需要對(duì)智能定位器進(jìn)行維護(hù)或更換時(shí)，可以從信息庫(kù)中方便的檢索到儀表參數(shù)并快速下載到閥門(mén)定位器中，最大限度地減小生產(chǎn)損失。

1.1.5 方便快捷設(shè)置分程調(diào)節(jié)

根據(jù)需要，工程設(shè)計(jì)中需要用一個(gè)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制兩臺(tái)或多臺(tái)控制閥，這就需要閥門(mén)定位器只對(duì)輸入信號(hào)的某個(gè)范圍有響應(yīng)，智能定位器可以很方便的通過(guò)軟件或手動(dòng)設(shè)置分程調(diào)節(jié)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

1.1.6 豐富的故障診斷功能

智能定位器通過(guò)廠家提供的故障診斷軟件，可以診斷閥門(mén)的泄露量、閥填料、閥芯磨損以及硬件運(yùn)行故障等。

1.2 組成、原理

數(shù)字智能定位器采用模塊式組件，主模件包括主控板、電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)組件等3個(gè)子模件。

圖1 數(shù)字智能定位器工作原理圖

數(shù)字智能定位器工作原理圖輸入信號(hào)通過(guò)雙絞線傳輸給主控板上的微處理器，經(jīng)運(yùn)算后由I/P將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)閥行程達(dá)到給定的位置。

由于數(shù)字智能定位器采用了微處理器技術(shù)和新型的傳感器技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使其不僅僅只是一只閥門(mén)定位器，而是智能數(shù)字控制器和閥門(mén)定位器集成的新型智能數(shù)字控制器。它大大提高了作為控制回路終端執(zhí)行元件——調(diào)節(jié)閥的精度，使其達(dá)到0.5%，極大地改善了控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)。同時(shí)它使控制功能下移至現(xiàn)場(chǎng)儀表，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)徹底分散。

2 應(yīng)用

2.1 安裝調(diào)試

依據(jù)各智能閥門(mén)定位器的技術(shù)要求檢查定位器連桿是否符合要求，接線正確，給定位器提供1.4～7bar的工作氣源和18～35V電壓源或4～20mA電流源。

調(diào)試：智能定位器的調(diào)試較簡(jiǎn)單,一般進(jìn)行定位器的自動(dòng)或手動(dòng)初始化即可。初始化的過(guò)程,實(shí)際是定位器微處理器采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù),從而與該執(zhí)行機(jī)構(gòu)相匹配的過(guò)程。定位器能自動(dòng)測(cè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用方向，行程時(shí)間，并配以手動(dòng)設(shè)置其它少量的參數(shù)，多數(shù)參數(shù)默認(rèn)即可。

一般設(shè)置的手動(dòng)參數(shù)為：閥門(mén)的形式(角行程、直行程）、閥門(mén)的正反作用，反饋信號(hào)的正反等。

2.2 維護(hù)

在線更換智能定位器：

智能閥門(mén)定位器支持智能通信，通信的方式有HART通信，Profibus總線通信，F(xiàn)oundation Fieldbus總線通信。通過(guò)通信，可以把所有智能定位器初始化的參數(shù)數(shù)據(jù)（脈沖寬度、上下行程運(yùn)行時(shí)間等）上傳到系統(tǒng)中并加以保存。

通過(guò)HART通信，可以把智能閥門(mén)定位器中的數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)中，筆記本中，或HART手操器中，反之，也可以把這些數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場(chǎng)的智能閥門(mén)定位器中。

通過(guò)Profibus通信，可以把定位器中的數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)中，筆記本中；通過(guò)FF通信，可以把定位器中的數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)中或手操器中，反之，也可以把這些數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場(chǎng)的智能閥門(mén)定位器中。

以下是基于HART通信的西門(mén)子智能閥門(mén)定位器在線更換的步驟，Profibus和FF總線通信的智能閥門(mén)定位器的在線更換步驟可以參考進(jìn)行。

1）獲取要被更換的智能閥門(mén)定位器的數(shù)據(jù)參數(shù)。用PDM(Process Device Manager)軟件，通過(guò)HART通信，把現(xiàn)場(chǎng)定位器的參數(shù)上傳到系統(tǒng)中，或筆記本中；也可以用HART手操器直接讀取。如果系統(tǒng)已經(jīng)保存了這樣的定位器數(shù)據(jù)，則不必重新上傳。下一步，把這些參數(shù)數(shù)據(jù)下載到新的定位器中。

2）用機(jī)械或氣動(dòng)的方法把執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在當(dāng)前位置(Keep in Place)。3）讀取并紀(jì)錄被更換的閥門(mén)定位器的顯示值。如果已經(jīng)失電，則記錄當(dāng)前實(shí)際閥位。

4）拆卸定位器。在新定位器上安裝所有附件，然后把新定位器安裝到調(diào)節(jié)閥上。

5）接通儀表信號(hào)，調(diào)節(jié)調(diào)整輪，使新定位器液晶顯示的閥位置與記錄數(shù)值相符。

6）取下機(jī)械鎖定裝置。新安裝的智能閥門(mén)定位器可以投運(yùn)了。建議：可把智能閥門(mén)電位器的參數(shù)預(yù)先備份在系統(tǒng)中或筆記本中。SIEMENS廠家在現(xiàn)場(chǎng)在線更換過(guò)閥門(mén)定位器，更換新的閥門(mén)定位器后，與原有閥位相比，誤差不超過(guò)1%，所以這種方法是可行的。從西門(mén)子在世界范圍的服務(wù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，也多次為用戶提供這種服務(wù)。

2.3 預(yù)測(cè)性維修

控制閥典型維修方式:被動(dòng)性維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)（定修）、預(yù)測(cè)性維護(hù)。

預(yù)測(cè)性維護(hù)：故障預(yù)估、識(shí)別與診斷分析的維修方式，也稱為預(yù)見(jiàn)性維修。預(yù)測(cè)性維修是使用計(jì)算機(jī)輔助故障識(shí)別和診斷技術(shù)（專家診斷系統(tǒng)）進(jìn)行超前監(jiān)測(cè)和診斷預(yù)警的維護(hù)方式。數(shù)字式閥門(mén)定位器的應(yīng)用使閥門(mén)的預(yù)測(cè)性維修成為可能。

數(shù)字式閥門(mén)定位器安裝配置到控制閥，其自帶閥位（行程）、氣輸出、氣源等參量傳感器可以直接進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、內(nèi)部集成的自診斷功能也日益強(qiáng)大，并具有通訊功能（HART、PROFIBUS、FF等）、支持FDT/DTM、DD/EDDL，使用專家診斷軟件和開(kāi)放架構(gòu)，使控制閥通過(guò)數(shù)字式閥門(mén)定位器在線自診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)，提升并維持了性能，減少了運(yùn)行故障和提高了使用壽命，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1）FISHER：艾默生過(guò)程管理費(fèi)希爾閥門(mén)推出AMS VALVELINK VL7.3可在線診斷I/P和氣動(dòng)放大器的一致性、行程偏差和摩擦力死區(qū)和趨勢(shì)分析，可直觀顯示特性曲線、動(dòng)態(tài)死區(qū)與階躍響應(yīng)及其數(shù)據(jù)。還有跟蹤程序和批處理運(yùn)行以及觀察控制閥性能的趨勢(shì)。在監(jiān)控畫(huà)面上有紅/藍(lán)/綠的故障、報(bào)警、正常狀態(tài)顯示，直接反映問(wèn)題嚴(yán)重的程度。尤其是對(duì)控制閥摩擦力的測(cè)試和分析有確切的數(shù)據(jù)提供出來(lái)，是分析填料涵、密封填料工作狀態(tài)和是否性能退化的依據(jù)。

2）SAMSON：薩姆森對(duì)控制閥預(yù)測(cè)性維護(hù)是以故障識(shí)別、邏輯思維推理、魯棒性的專家系統(tǒng)為起點(diǎn)，以數(shù)字式閥門(mén)定位器本機(jī)為基礎(chǔ)加裝專家診斷軟件，先后推出標(biāo)準(zhǔn)板EXPERT、增強(qiáng)板EXPERT+、全功能板EXPERT PLUS以及監(jiān)控軟件TROVIS–VIEW，可在線自診斷包括：運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)、過(guò)程參數(shù)趨勢(shì)圖（行程X、輸入控制信號(hào)即給定值W、偏差E、輸出控制信號(hào)Y）、硬件和存儲(chǔ)器的安全監(jiān)視功能、行程傳感器監(jiān)視、初始化次數(shù)和零點(diǎn)校準(zhǔn)次數(shù)、內(nèi)部溫度傳感器的溫度測(cè)量、最近30次的報(bào)警、行程累計(jì)、啟動(dòng)監(jiān)視、行程方向改變次數(shù)統(tǒng)計(jì)和分析、終端閥位和摩擦力的監(jiān)視。故障診斷：例如閥位輸出檢測(cè)故障診斷圖表，圖中黑色曲線是初始化存儲(chǔ)的輸出基準(zhǔn)曲線。當(dāng)輸出Y高于基準(zhǔn)并隨閥位增加與基準(zhǔn)偏離逐漸加大時(shí)（紅色曲線），這種情況表明氣路出現(xiàn)泄露；當(dāng)輸出Y到某一閥位突然到最大（蘭色曲線），這種情況說(shuō)明氣源鼓障；同理，粉色曲線說(shuō)明壓茶（不平衡力）變化，綠色曲線說(shuō)明執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧力減小等。

3）FOXBORO：英維思的SDR991數(shù)字式閥門(mén)定位器配用VALCARE控制閥診斷軟件，支持FDT/DTM管理系統(tǒng)，支持HART通訊，可使用PACTWARE開(kāi)放平臺(tái)進(jìn)行性能診斷?？捎泌厔?shì)圖、柱狀圖分析運(yùn)行狀況、報(bào)警、摩擦力分析等。

4）YAMATAKE：日本 AZBIL（山武）提供控制閥診斷系統(tǒng)，支持HART通訊協(xié)議和FF現(xiàn)場(chǎng)總線，主要診斷項(xiàng)目有：咬卡動(dòng)作現(xiàn)象診斷（依據(jù)閥位行程移動(dòng)速度的均方值變化，對(duì)照數(shù)學(xué)模型確定是否發(fā)生咬卡現(xiàn)象）、動(dòng)作速度比較診斷（比較閥位和閥桿移動(dòng)速度）、移動(dòng)距離累積診斷（依據(jù)行程累積摩擦移動(dòng)距離，按預(yù)定的報(bào)警值，診斷密封填料、密封波紋管及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損程度）、動(dòng)作頻度診斷（用于診斷密封填料磨損）、零位開(kāi)度比較診斷（診斷閥芯閥座）、小開(kāi)度頻度診斷（診斷閥芯閥座）、全關(guān)次數(shù)診斷（診斷閥芯閥座）、本機(jī)硬件診斷等。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字式閥門(mén)定位器實(shí)現(xiàn)了硬件與軟件優(yōu)化組合形成多樣監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)、自校準(zhǔn)、自測(cè)試；本機(jī)狀態(tài)顯示、故障診斷；簡(jiǎn)單的一鍵操作組態(tài)；串口通訊和運(yùn)行在PC機(jī)的監(jiān)控軟件。采用智能閥門(mén)定位器提升了控制閥功能，可有效實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障識(shí)別判斷、輔助預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃的制定，有利于評(píng)估控制閥的性能狀態(tài)、功能安全，是過(guò)程自動(dòng)化正常運(yùn)行和設(shè)備動(dòng)態(tài)管理的有效措施。所以，智能閥門(mén)定位器被看作未來(lái)閥門(mén)定位器的發(fā)展方向。

［1］李保華.控制閥細(xì)節(jié)分析之?dāng)?shù)字閥門(mén)定位器控制閥信息[J]，2008（7）.