智能閥門定位器的應用和發展趨勢

郭 宏

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

0 引言

現場過程控制的往往由幾十成百個控制回路組成，每一個控制回路都會接受現場過程量的變化或從內部產生干擾，對過程控制變量產生決定性的影響。不同回路之間的相互作用也會產生影響過程變量的擾動。各種一次檢測儀表收集過程變量的信息，控制器接受這些信息并進行處理，使得過程變量在負載擾動發生后恢復到它的正常范圍。控制回路中最常用的終端控制元件就是控制閥。而控制閥的可靠動作依靠閥門定位器進行驅動，因此最終過程變量的控制精度、穩定性很大程度上取決于定位器。

近年控制閥制造業隨過程控制快速發展而發展，國際知名品牌大量進入國內市場，如 FISHER、DRESSER、FLOWSERVE、TYCO、KOSO、SAMSON、ABZIL、METSO等。這些國外品牌更帶來了先進的控制閥技術和多樣化的產品，以及技術比較、借鑒的機會，特別是使調閥的核心部件數字智能閥門定位器在國內應用以及開發得到了長足的發展。數字式閥門定位器是新一代高性能的電氣閥門定位器，采用在線微處理器、應用軟件和功能模塊，可實現定位功能的自校準、自適應、閥位控制和控制閥的在線自診斷及離線測試、本機顯示或附加更多功能以及數字通訊和集成到控制系統，還具有免維護運行特征。

1 智能閥門定位器的特點、組成、原理

1.1 特點

1.1.1 智能閥門定位器的控制精度較高

可以實現控制閥的精確控制，從而提高系統的控制水平。另外，智能閥門定位器可以方便設置閥門特性曲線，比如等百分比特性，西門子 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，如果用戶對定位器內置閥門特性不滿意或有特殊要求，可以通過自定義特性曲線功能進行自定義閥門特性曲線的設置。各公司智能閥門定位器提供10～20段曲線的設置。

1.1.2 省氣、節約能耗，保持氣源壓力的穩定

常規定位器的穩態耗氣量在350升/小時，智能定位器穩態耗氣量在30升/小時，一方面可節約運行成本，另一方面保持儀表風壓力的穩定，保證裝置的可靠運行。

1.1.3 調試過程簡單

對智能定位器來說，調試過程非常簡單，只需進行簡單的初始化即可。以西門子PS2為例，只需按3個按紐并設置幾個簡單參數，就可以自動完成初始化過程。更方便的是，把設置好的參數上載到計算機中，可以再通過下載成批的復制到相同工況的定位器中，大大節約人力和時間。

1.1.4 智能化的通訊方式

對我們過程工業來說，最常用的是HART通訊，或是FF現場總線。在實際應用中，若采用HART通訊（最常用），通過相應的軟件和硬件，可以把全廠的智能定位器的所有參數保存到計算機中。當需要對智能定位器進行維護或更換時，可以從信息庫中方便的檢索到儀表參數并快速下載到閥門定位器中，最大限度地減小生產損失。

1.1.5 方便快捷設置分程調節

根據需要，工程設計中需要用一個輸入信號實現控制兩臺或多臺控制閥，這就需要閥門定位器只對輸入信號的某個范圍有響應，智能定位器可以很方便的通過軟件或手動設置分程調節的起點和終點。

1.1.6 豐富的故障診斷功能

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

1.2 組成、原理

數字智能定位器采用模塊式組件，主模件包括主控板、電/氣轉換器和氣動組件等3個子模件。

圖1 數字智能定位器工作原理圖

數字智能定位器工作原理圖輸入信號通過雙絞線傳輸給主控板上的微處理器，經運算后由I/P將數字信號轉換成氣動信號，驅動氣動執行機構使調節閥行程達到給定的位置。

由于數字智能定位器采用了微處理器技術和新型的傳感器技術及現場總線技術，使其不僅僅只是一只閥門定位器，而是智能數字控制器和閥門定位器集成的新型智能數字控制器。它大大提高了作為控制回路終端執行元件——調節閥的精度，使其達到0.5%，極大地改善了控制回路的調節品質。同時它使控制功能下移至現場儀表，實現了控制系統的風險徹底分散。

2 應用

2.1 安裝調試

依據各智能閥門定位器的技術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。

調試：智能定位器的調試較簡單,一般進行定位器的自動或手動初始化即可。初始化的過程,實際是定位器微處理器采集執行機構數據,從而與該執行機構相匹配的過程。定位器能自動測定執行機構的作用方向，行程時間，并配以手動設置其它少量的參數，多數參數默認即可。

一般設置的手動參數為：閥門的形式(角行程、直行程）、閥門的正反作用，反饋信號的正反等。

2.2 維護

在線更換智能定位器：

智能閥門定位器支持智能通信，通信的方式有HART通信，Profibus總線通信，Foundation Fieldbus總線通信。通過通信，可以把所有智能定位器初始化的參數數據（脈沖寬度、上下行程運行時間等）上傳到系統中并加以保存。

通過HART通信，可以把智能閥門定位器中的數據上傳到控制系統中，筆記本中，或HART手操器中，反之，也可以把這些數據下載到現場的智能閥門定位器中。

通過Profibus通信，可以把定位器中的數據上傳到控制系統中，筆記本中；通過FF通信，可以把定位器中的數據上傳到控制系統中或手操器中，反之，也可以把這些數據下載到現場的智能閥門定位器中。

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

1）獲取要被更換的智能閥門定位器的數據參數。用PDM(Process Device Manager)軟件，通過HART通信，把現場定位器的參數上傳到系統中，或筆記本中；也可以用HART手操器直接讀取。如果系統已經保存了這樣的定位器數據，則不必重新上傳。下一步，把這些參數數據下載到新的定位器中。

2）用機械或氣動的方法把執行機構固定在當前位置(Keep in Place)。3）讀取并紀錄被更換的閥門定位器的顯示值。如果已經失電，則記錄當前實際閥位。

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節閥上。

5）接通儀表信號，調節調整輪，使新定位器液晶顯示的閥位置與記錄數值相符。

6）取下機械鎖定裝置。新安裝的智能閥門定位器可以投運了。建議：可把智能閥門電位器的參數預先備份在系統中或筆記本中。SIEMENS廠家在現場在線更換過閥門定位器，更換新的閥門定位器后，與原有閥位相比，誤差不超過1%，所以這種方法是可行的。從西門子在世界范圍的服務經驗來說，也多次為用戶提供這種服務。

2.3 預測性維修

控制閥典型維修方式:被動性維護、預防性維護（定修）、預測性維護。

預測性維護：故障預估、識別與診斷分析的維修方式，也稱為預見性維修。預測性維修是使用計算機輔助故障識別和診斷技術（專家診斷系統）進行超前監測和診斷預警的維護方式。數字式閥門定位器的應用使閥門的預測性維修成為可能。

數字式閥門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行狀態監測、內部集成的自診斷功能也日益強大，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放架構，使控制閥通過數字式閥門定位器在線自診斷和預測性維護，提升并維持了性能，減少了運行故障和提高了使用壽命，有顯著的經濟效益。

1）FISHER：艾默生過程管理費希爾閥門推出AMS VALVELINK VL7.3可在線診斷I/P和氣動放大器的一致性、行程偏差和摩擦力死區和趨勢分析，可直觀顯示特性曲線、動態死區與階躍響應及其數據。還有跟蹤程序和批處理運行以及觀察控制閥性能的趨勢。在監控畫面上有紅/藍/綠的故障、報警、正常狀態顯示，直接反映問題嚴重的程度。尤其是對控制閥摩擦力的測試和分析有確切的數據提供出來，是分析填料涵、密封填料工作狀態和是否性能退化的依據。

2）SAMSON：薩姆森對控制閥預測性維護是以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的專家系統為起點，以數字式閥門定位器本機為基礎加裝專家診斷軟件，先后推出標準板EXPERT、增強板EXPERT+、全功能板EXPERT PLUS以及監控軟件TROVIS–VIEW，可在線自診斷包括：運行時間計時、過程參數趨勢圖（行程X、輸入控制信號即給定值W、偏差E、輸出控制信號Y）、硬件和存儲器的安全監視功能、行程傳感器監視、初始化次數和零點校準次數、內部溫度傳感器的溫度測量、最近30次的報警、行程累計、啟動監視、行程方向改變次數統計和分析、終端閥位和摩擦力的監視。故障診斷：例如閥位輸出檢測故障診斷圖表，圖中黑色曲線是初始化存儲的輸出基準曲線。當輸出Y高于基準并隨閥位增加與基準偏離逐漸加大時（紅色曲線），這種情況表明氣路出現泄露；當輸出Y到某一閥位突然到最大（蘭色曲線），這種情況說明氣源鼓障；同理，粉色曲線說明壓茶（不平衡力）變化，綠色曲線說明執行機構的彈簧力減小等。

3）FOXBORO：英維思的SDR991數字式閥門定位器配用VALCARE控制閥診斷軟件，支持FDT/DTM管理系統，支持HART通訊，可使用PACTWARE開放平臺進行性能診斷。可用趨勢圖、柱狀圖分析運行狀況、報警、摩擦力分析等。

4）YAMATAKE：日本 AZBIL（山武）提供控制閥診斷系統，支持HART通訊協議和FF現場總線，主要診斷項目有：咬卡動作現象診斷（依據閥位行程移動速度的均方值變化，對照數學模型確定是否發生咬卡現象）、動作速度比較診斷（比較閥位和閥桿移動速度）、移動距離累積診斷（依據行程累積摩擦移動距離，按預定的報警值，診斷密封填料、密封波紋管及執行機構的磨損程度）、動作頻度診斷（用于診斷密封填料磨損）、零位開度比較診斷（診斷閥芯閥座）、小開度頻度診斷（診斷閥芯閥座）、全關次數診斷（診斷閥芯閥座）、本機硬件診斷等。

3 結束語

數字式閥門定位器實現了硬件與軟件優化組合形成多樣監控功能，實現了自適應、自校準、自測試；本機狀態顯示、故障診斷；簡單的一鍵操作組態；串口通訊和運行在PC機的監控軟件。采用智能閥門定位器提升了控制閥功能，可有效實現預測性維護的狀態監測和故障識別判斷、輔助預防性維護計劃的制定，有利于評估控制閥的性能狀態、功能安全，是過程自動化正常運行和設備動態管理的有效措施。所以，智能閥門定位器被看作未來閥門定位器的發展方向。

［1］李保華.控制閥細節分析之數字閥門定位器控制閥信息[J]，2008（7）.