基于閥門定位器的氣動調(diào)節(jié)閥故障診斷與預(yù)測

范耀峰 劉小強 蔣 浩 鐘盛輝

（重慶川儀自動化股份有限公司技術(shù)中心 重慶 400000）

一、閥門定位器工作原理

智能閥門定位器是廣泛應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域的現(xiàn)場控制儀表，是調(diào)節(jié)閥的主要附件，通常與氣動調(diào)節(jié)閥配套使用，功能是接收來自中控的控制命令，精準控制閥門開度。

帶診斷功能的智能閥門定位器除了控制閥門開度外，另一項基本功能是對調(diào)節(jié)閥進行故障診斷，其診斷原理是利用壓力、行程、溫度等各種傳感器監(jiān)控、采集調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析比較，判斷出調(diào)節(jié)閥的當前狀態(tài)，智能閥門定位器系統(tǒng)框如圖1所示，行程傳感器測量調(diào)節(jié)閥的行程位移，壓力傳感器1測量輸入到智能閥門定位器的氣源壓力，壓力傳感器2測量智能閥門定位器輸出到執(zhí)行機構(gòu)氣缸的壓力。

圖1 閥門定位器結(jié)構(gòu)框圖

二、調(diào)節(jié)閥故障診斷與預(yù)測

在一般工業(yè)現(xiàn)場，調(diào)節(jié)閥的使用量很大，對調(diào)節(jié)閥進行維護保養(yǎng)是一項非常重要的工作，如果對每臺調(diào)節(jié)閥都進行維護，不僅工作量大，而且會過度保養(yǎng)，造成資源浪費，調(diào)節(jié)閥的故障診斷預(yù)測目的就是科學(xué)地給出維護保養(yǎng)建議，幫助用戶有針對、有計劃、有目的地對調(diào)節(jié)閥進行維護與保養(yǎng)。

調(diào)節(jié)閥的常見故障如表1所示：

表1 調(diào)節(jié)閥故障列表

智能閥門定位器作為調(diào)節(jié)閥的主要附件，控制閥門的開度，在進行閥門開度控制的同時，可以利用自身的各種傳感器收集調(diào)節(jié)閥運行相關(guān)的參數(shù)，通過診斷算法對調(diào)節(jié)閥進行故障診斷與預(yù)測，一般來說，有些故障可以實時在線監(jiān)控分析判斷，而有些故障需要智能閥門定位器控制調(diào)節(jié)閥執(zhí)行不同開度動作，在控制開度過程中分析調(diào)節(jié)閥狀態(tài)，因此，我們將故障診斷分為在線診斷與離線診斷兩種。

三、在線診斷與離線診斷

（一）在線診斷

在正常生產(chǎn)過程中，閥位跟隨中控命令進行實時調(diào)節(jié)控制，不能影響正常生產(chǎn)工藝，在線診斷就是通過智能閥門定位器實時收集監(jiān)控運行過程中的關(guān)鍵參數(shù)，通過綜合分析比較，對異常情況進行報警提示，在線診斷可以診斷的故障類型如下文所述。

智能閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的核心控制單元，如果智能閥門定位器自身有故障，調(diào)節(jié)閥將不能正常工作，智能閥門定位器在正常工作時，可以采集的數(shù)據(jù)包括AD采集系統(tǒng)電壓、IP控制電壓、位置傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)，定位器軟件可以分析出輸入信號超范圍、系統(tǒng)電壓故障、傳感器故障、溫度過高或過低、電氣轉(zhuǎn)換單元故障等。除了這些以外，通過對運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控記錄，智能閥門定位器可以實現(xiàn)更多數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，為更好地制定調(diào)節(jié)閥維護計劃提供參考，在線診斷可以診斷的故障類型如表2所示。

表2 在線診斷數(shù)據(jù)列表

各百分比段運行時間將閥位百分比劃分區(qū)間，記錄閥位在每個百分比段的運行時間，如果閥位長期運行在比較小的開度（10%）左右或者比較大的開度（90%）左右，可能是調(diào)節(jié)閥口徑選型不合理。各溫度段運行時間 統(tǒng)計智能閥門定位器在每個溫度段運行時間，如果長期工作在極限溫度，可能會將低調(diào)節(jié)閥壽命。

（二）離線診斷

離線診斷是診斷軟件控制定位器進行各種動作，生成并保存曲線數(shù)據(jù)，對歷史診斷數(shù)據(jù)的對比，分析得出當前狀態(tài)，提示用戶對調(diào)節(jié)閥進行保養(yǎng)、維護或維修，一般在離線診斷過程中，智能閥門定位器會控制閥門進行階躍響應(yīng)測試、全行程測試和部分行程測試。

1.階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)測試是檢驗調(diào)節(jié)閥控制性能的重要方法，利用診斷軟件與智能閥門定位器通訊，控制調(diào)節(jié)閥進行不同開度測試，診斷軟件記錄目標閥位與實際閥位的曲線，稱為階躍響應(yīng)測試曲線。其中，目標閥位百分比和時間間隔都可以設(shè)定，利用曲線可以很直觀地對調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)狀況做出判斷，例如閥門開度、上升時間、下降時間、滯后時間、超調(diào)情況等。

圖2 階躍響應(yīng)測試曲線示意圖

通過離線階躍響應(yīng)測試，可以發(fā)現(xiàn)目視檢查不能發(fā)現(xiàn)的調(diào)節(jié)特性，目標閥位與實際閥位兩條曲線的重合度越好，說明調(diào)節(jié)閥的控制性能越好。同時，階躍響應(yīng)測試也可以將本次測試與歷史測試數(shù)據(jù)對比，以得到更準確的測試結(jié)果。

2.咬卡測試

咬卡測試的目的是分析調(diào)節(jié)閥咬卡故障發(fā)生的趨勢，在測試過程中，診斷軟件通過智能閥門定位器控制調(diào)節(jié)閥以一定速度進氣或排氣，使閥門完整地運行一個開關(guān)過程，橫坐標為閥門開度，縱坐標為輸出壓力，根據(jù)這兩個因素之間的關(guān)系，可以很清晰地判斷出閥門在進氣或排氣過程中是否發(fā)生咬卡現(xiàn)象。

圖3 咬卡測試曲線示意圖

四、結(jié)束語

可以看出，利用智能閥門定位器和與之配套的診斷軟件可以方便地對調(diào)節(jié)閥的部分故障狀況做出診斷，幫助用戶合理有計劃地對調(diào)節(jié)閥制定維護保養(yǎng)計劃，從而避免過度保養(yǎng)造成的資源浪費。