氣動(dòng)閥門定位器創(chuàng)新應(yīng)用的探索與實(shí)施

王海東

（鶴壁煤電股份有限公司化工分公司 儀表公司，河南 鶴壁 458000）

0 引言

在鶴壁煤化工BDO 裝置，閥門PV3722，此閥門的作用是將4.0 Mpa 的中壓蒸汽減壓至次中壓1.9 Mpa，為后續(xù)裝置使用，閥門為單臺(tái)定位器。在正常生產(chǎn)中，出現(xiàn)過定位器故障導(dǎo)致閥門開度異常，最終導(dǎo)致后續(xù)裝置全部停車的事故，給公司造成巨大的損失。定位器為西門子SIPART PS2 智能型，出現(xiàn)故障后導(dǎo)致閥門開度異常，如何能夠改變這樣現(xiàn)狀，一種方案是重新設(shè)計(jì)管道，增加支路，在支路增加一臺(tái)調(diào)節(jié)閥，兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥一開一備。當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)故障后，切換到另外一路工作。但這種方案需要增加投入比較大，另外需要變更設(shè)計(jì)。另一種方案是從閥門附件的穩(wěn)定性入手，研究如何使定位器降低故障率以及定位器故障以后，如何將損失降低。

1 定位器的工作原理

西門子SIPART PS2 系列電氣閥門定位器屬于智能范疇，核心組成部分為微處理器，利用新型的壓電閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力的調(diào)節(jié)控制。針對(duì)壓電閥的控制，CPU 需要借助5 個(gè)流程，實(shí)現(xiàn)程序控制的目的，精準(zhǔn)度較高，速度較快，達(dá)到對(duì)輸出氣源壓力增減幅度的有效控制。對(duì)于其控制算法，引入了數(shù)字PID 調(diào)節(jié)手段，結(jié)合輸入信號(hào)的大小，綜合考慮閥門偏差，在明確方向的前提下，對(duì)PID 進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)PWM 脈寬調(diào)制脈沖信號(hào)的形成，達(dá)到對(duì)壓電閥開關(guān)的有效控制。由于脈沖的寬度與定位器輸出氣源壓力大小息息相關(guān)，因而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣源壓力輸出值的針對(duì)性改變，速度較快，準(zhǔn)確度較高。一旦偏差值較大，定位器會(huì)輸出連續(xù)性質(zhì)的信號(hào)，促使輸出氣路壓力值出現(xiàn)大幅度變化，呈現(xiàn)快速與連續(xù)狀態(tài)。如果偏差較小，定位器輸出的脈沖信號(hào)較小，呈現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài)，幅度有限，在此基礎(chǔ)上對(duì)氣路壓力進(jìn)行改變。此時(shí)，不存在脈沖輸出現(xiàn)象，維護(hù)了閥位工作的穩(wěn)定性。

依托壓電閥器件，能夠增強(qiáng)控制的精準(zhǔn)度。在壓電閥之中，核心元件為壓電柔韌開關(guān)閥，質(zhì)量不大，慣性較小，支持較高的開關(guān)頻率。因此，被定義為高頻率脈沖閥，達(dá)到對(duì)氣路壓力的有效控制，發(fā)揮對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)作用，在根本上提升了閥門定位的精準(zhǔn)性。

閥位反饋元件結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，精度超高，可靠性突出，是先進(jìn)的導(dǎo)電塑料電位器，促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位轉(zhuǎn)化為電阻信號(hào)，滿足閥位精準(zhǔn)定為的需求，在根本上適應(yīng)閥門流量特性曲線的定位要求。

2 定位器調(diào)試方法

2.1 自動(dòng)整定

合理進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，與中心位置分割，實(shí)現(xiàn)初始化發(fā)展。①對(duì)手型鍵進(jìn)行下按操作，時(shí)間為5s，而后構(gòu)建組態(tài)方式；②對(duì)方式鍵進(jìn)行短時(shí)間操作，隨后出現(xiàn)第二參數(shù)，同時(shí)參數(shù)需要保障與杠桿比率開關(guān)的設(shè)定值相統(tǒng)一；③對(duì)手型鍵進(jìn)行切換操作，此時(shí)顯示為OFF。在初始化結(jié)束之后，如果需要借用mm 表示沖程量，這步操作必不可少，需要保證顯示屏的參數(shù)與刻度桿上驅(qū)動(dòng)的設(shè)定值一致；④借助手型鍵完成切換操作，顯示INITA。此時(shí)，操作下按“＋”鍵，時(shí)間在5s 以上，進(jìn)入初始化階段。在這個(gè)過程中，“RUN1”至“RUN5”逐一顯示在顯示屏的下行位置。初始化需要以執(zhí)行機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，一般需要15min 左右。如果出現(xiàn)顯示“finish”字樣，代表初始化結(jié)束。此時(shí)，需要下按手型鍵超過5s，促使組態(tài)方式得以結(jié)束。在5s 之后，方式鍵松開，手動(dòng)方式運(yùn)行，然后根據(jù)情況使用自動(dòng)。

2.2 手動(dòng)整定

①借助手工驅(qū)動(dòng)，操作直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，促使全部沖程得以全面覆蓋。也就是說，將顯示電位設(shè)定在P5.0 和P95 的區(qū)間之內(nèi)；②按住手型鍵5s，組態(tài)方式運(yùn)行，顯示為WAY；③按下手型鍵，采取短時(shí)間操作的方式，切換到第二參數(shù)狀態(tài)，角度選擇為33°或90°，參數(shù)值需要匹配傳送速率選擇器設(shè)定值；④借助手型鍵，調(diào)整到OFF 狀態(tài)，如果需要借助mm 表示全沖程，在顯示器中選擇與驅(qū)動(dòng)銷釘在桿刻度上相同的設(shè)定值；⑤操作下按手型鍵兩次，此時(shí)，顯示為顯示INITM，按增加鍵5s 以上，初始化開始。下按增加鍵5s 以上，開始初始化；⑥持續(xù)5s 之后，顯示參數(shù)發(fā)生變化，為P32.9。此時(shí)，借助增加與減少鍵，促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生運(yùn)行，直到達(dá)到目標(biāo)終端的首個(gè)位置。而后，下按手型鍵。借助這種方式，終點(diǎn)位置1 取代了當(dāng)前位置，同時(shí)下一步開始執(zhí)行。一旦出現(xiàn)RANGE，同時(shí)處于下行，終點(diǎn)位置此時(shí)處于規(guī)定區(qū)間之外，需要借助幾種手段進(jìn)行修正：對(duì)摩擦夾緊單元進(jìn)行調(diào)整，直到出現(xiàn)OK顯示。隨后，再次按住手型鍵。借助增加與減少鍵調(diào)整到另一結(jié)束位置。下按手型鍵，初始化操作出現(xiàn)中斷，此時(shí)手動(dòng)方式形成，結(jié)合第1 步進(jìn)行行程的校正，界定測量位置；⑦在以上步驟結(jié)束之后，顯示數(shù)值為P22.4，再用增加（＋）和減少（－）鍵，驅(qū)動(dòng)程序得以執(zhí)行，抵達(dá)第二終點(diǎn)位置。隨后，下按手型鍵，終點(diǎn)位置2 取代當(dāng)前位置；⑧對(duì)于初始化的停止，其以自動(dòng)的方式呈現(xiàn)，同時(shí)，此時(shí)RUN1 到RUN5 順序呈現(xiàn)在顯示屏的下行。在初始化程序全部完成之后，會(huì)顯示FINISH。如果3YWAY 參數(shù)輸入設(shè)置了桿長，首行會(huì)出現(xiàn)以mm 表示的規(guī)定沖程。短按手型鍵，下行會(huì)再次出現(xiàn)5INITM，這就代表此時(shí)處于重來一次組態(tài)方式的狀態(tài)之下。下按方式鍵5s 以上，退出組態(tài)方式。在接近5s 的時(shí)候，軟鍵顯示將出現(xiàn)。松開之后，將處于Manual 方式。

3 定位器創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 在線更換定位器

當(dāng)單臺(tái)定位器在正常運(yùn)行時(shí)故障后，可以通過以下方法在不停車的時(shí)候更換定位器。定位器故障后，閥門不受定位器控制，此時(shí)需要機(jī)械限位卡子或者機(jī)械手輪將閥門固定在一個(gè)位置上，用Hart 475 手操器與有問題的定位器進(jìn)行通訊。連接好后，選擇“Online”右鍵進(jìn)入，寫允許，選擇“yes”，然后點(diǎn)擊“確認(rèn)”鍵。只有寫允許打開以后，后面的一些參數(shù)才可以讀取更改。選擇“configure項(xiàng)”右鍵進(jìn)入，第一項(xiàng)“initial setup”與第二項(xiàng)“setpoint value”有用（初始設(shè)置與設(shè)定點(diǎn)值），里面會(huì)涉及到直行程還是角行程，選擇33°還是90°，0mA～20mA 還是4mA～20mA，以及電流4mA 關(guān)，還是4mA 開，共4 項(xiàng)參數(shù)，需記錄好里面的數(shù)據(jù)。返回到主菜單，進(jìn)入第五項(xiàng)（診斷），再進(jìn)入“Initialization”，進(jìn)入“l(fā)oading init data”，開始加載初始化數(shù)據(jù)，加載完成后，返回上一級(jí)菜單，然后選擇第4 項(xiàng)（初始化參數(shù)清單），右鍵進(jìn)入。一共有17 項(xiàng)參數(shù)，分別進(jìn)入每一項(xiàng)參數(shù)，然后記錄里面的數(shù)據(jù)，加上之前的4 項(xiàng)參數(shù)，一共是21 項(xiàng)參數(shù)，記錄未拆定位器之前的閥門行程，將有問題的定位器拆下，然后更換新的定位器。定位器安裝好后，先不要開氣源，將比率選擇器按照拆卸的定位器選好，同時(shí)鎖緊裝置選擇正確。按照剛才讀取舊定位器的方法，將參數(shù)一項(xiàng)一項(xiàng)地寫進(jìn)新定位器。需注意：475 與安裝的新定位器連接后，第一步是更改讀寫允許，改為yes，然后才可以寫參數(shù)，否則參數(shù)無法寫入。把這21 項(xiàng)參數(shù)寫到新的定位器里面，定位器便可直接工作，誤差不會(huì)超過1%。除了初始化的17 項(xiàng)參數(shù)外，其余的4 項(xiàng)也可以用定位器按鍵手動(dòng)修改。初始化參數(shù)全部寫完后，定位器上的NOINI 將會(huì)消失，定位器選擇到自動(dòng)狀態(tài)，打開氣源后，通過手輪或者去掉限位，將閥門行程調(diào)到與拆定位器之前的一樣，定位器便可正常工作。

應(yīng)用價(jià)值：新安裝的定位器需要重新整定后才能正常工作，在正常生產(chǎn)時(shí)，對(duì)于關(guān)鍵的閥門，一般不允許閥位從0～100 反復(fù)調(diào)整，通過此方法可以將原定位器整定的參數(shù)復(fù)制到新的定位器上。這樣定位器在不整定的情況下便能夠正常工作，多了一種解決定位器故障的方法，降低了閥門對(duì)裝置造成的影響。

3.2 定位器與兩位三通電磁閥配合使用

兩臺(tái)單作用閥門定位器分別安裝在同一臺(tái)調(diào)節(jié)閥上，主進(jìn)氣分為兩路，分別進(jìn)入定位器1 與定位器2。兩臺(tái)定位器的出氣，分別進(jìn)入兩位三通電磁閥的進(jìn)氣口P 與排氣口R，電磁閥的出氣口進(jìn)入到閥門的氣缸，在DCS 側(cè)增加一分二安全柵，定位器同時(shí)接收4 mA～20 mA 信號(hào)，定位器反饋信號(hào)同時(shí)送至DCS。電磁閥選用直流24 V，當(dāng)電磁閥帶電時(shí)定位器1 排氣，通過兩位三通電磁閥進(jìn)氣口P 進(jìn)入，從A 出氣口排出進(jìn)入閥門氣缸，此時(shí)定位器1 起作用，定位器2 因氣路不通，屬于備用狀態(tài)。當(dāng)電磁閥失電時(shí)，定位器2 的排氣通過兩個(gè)三通電磁閥排氣口R 進(jìn)入，從A 出氣口排出進(jìn)入閥門氣缸，此時(shí)定位器2 起作用，定位器1 因氣路不通，屬于備用狀態(tài)，如圖1 定位器與兩位三通電磁閥氣路圖所示。

圖1 定位器與兩位三通電磁閥氣路圖Fig.1 Air circuit diagram of positioner and two-position three-way solenoid valve

應(yīng)用價(jià)值：對(duì)于重要的工況，重要的閥門可以配置雙定位器，目前化工裝置基本全部是單臺(tái)定位器，當(dāng)定位器故障時(shí)，無法及時(shí)處理，導(dǎo)致系統(tǒng)波動(dòng)或者停車?？梢赃x擇安裝兩臺(tái)定位器，將定位器1 與定位器2 分別校驗(yàn)。定位器選用帶閥位反饋，將閥位信號(hào)送至DCS 系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)做邏輯運(yùn)算。當(dāng)閥門給定的指令開度與閥位反饋的偏差過大時(shí)，或者系統(tǒng)能夠判斷閥門異常時(shí)，通過電磁閥的得電與失電，自動(dòng)將定位器切換到另外一臺(tái)，這樣便達(dá)到了冗余的目的，增加了化工生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性。

3.3 定位器與手動(dòng)閥門配合使用

兩臺(tái)單作用閥門定位器分別安裝在同一臺(tái)調(diào)節(jié)閥上，主進(jìn)氣分為兩路，分別進(jìn)入定位器1 與定位器2，兩臺(tái)定位器的出氣口分別增加手閥1 與手閥2，閥后兩路氣匯合后進(jìn)入閥門氣缸。在DCS 側(cè)增加一分二安全柵，定位器同時(shí)接收4 mA～20 mA 信號(hào)，如圖2 定位器與手動(dòng)閥門氣路圖所示。

圖2 定位器與手動(dòng)閥門氣路圖Fig.2 Pneumatic diagram of positioner and manual valve

圖3 定位器與止回閥氣路圖Fig.3 Air circuit diagram of positioner and check valve

應(yīng)用價(jià)值：在自動(dòng)化要求不高或閥門異常后不是十分緊急的場合，可以用增加手動(dòng)閥的方式，定位器可以配置不帶反饋。在正常使用時(shí)，手閥一個(gè)打開一個(gè)關(guān)閉，關(guān)閉的一路定位器備用。當(dāng)定位器故障后，將關(guān)閉的手閥打開，打開的手閥關(guān)閉；在切換定位器時(shí)，閥位會(huì)有小幅度的波動(dòng)。

3.4 定位器與止回閥配合使用

兩臺(tái)單作用閥門定位器分別安裝在同一臺(tái)調(diào)節(jié)閥上，主進(jìn)氣分為兩路，分別進(jìn)入定位器1 與定位器2。兩臺(tái)定位器的排氣分別增加止回閥1 與止回閥2，止回閥后氣路匯合后進(jìn)入到閥門氣缸，在DCS 側(cè)增加一分二安全柵，定位器同時(shí)接收4 mA～20 mA 信號(hào)，定位器反饋信號(hào)同時(shí)送至DCS，如圖3 定位器與止回閥氣路圖所示。

應(yīng)用價(jià)值：兩臺(tái)定位器同時(shí)進(jìn)氣到閥門氣缸，會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)定位器無法找到反饋位置的情況，導(dǎo)致定位器喘動(dòng)，將定位器的死區(qū)設(shè)置大一些能夠解決喘動(dòng)的問題，一般設(shè)置在5%以上，設(shè)置后兩臺(tái)定位器能夠同時(shí)工作，但是降低了閥門的控制精度。當(dāng)一臺(tái)定位器故障后，另外一臺(tái)定位器能夠立馬起作用工作，閥門會(huì)有微小的喘動(dòng)，對(duì)于要求調(diào)節(jié)品質(zhì)不是很高的可以考慮此種方式，總的來說此種應(yīng)用形式使用價(jià)值不大。

4 小結(jié)

本文通過實(shí)際的研究探索，摸索出了一些創(chuàng)新應(yīng)用。其中，兩臺(tái)西門子單作用定位器與一臺(tái)兩位三通電磁閥組合在一起，已經(jīng)在實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用效果，其它用戶可以直接借鑒應(yīng)用。本文選用的定位器是西門子壓電閥式，對(duì)于其它原理形式定位器的雙冗余用法起著拋磚引玉的作用，希望能夠激發(fā)更多的定位器應(yīng)用方式，同時(shí)能夠讓定位器廠商更清楚地知道用戶的痛點(diǎn)，激發(fā)研發(fā)者開發(fā)出更好的產(chǎn)品。