現(xiàn)場總線技術(shù)在閥門定位器中的應(yīng)用趨勢簡述

高峰

智能電氣調(diào)節(jié)閥在工業(yè)自動化的控制系統(tǒng)中作為一種重要的自動化儀表的執(zhí)行器被廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)的石化、冶金和造紙等工業(yè)的行業(yè)尤其發(fā)揮著無法被代替的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，在流量方面提出的要求很嚴格，一方面在精度方面的要求比較高；另一方面在控制的方式上也多種多樣，實現(xiàn)工業(yè)過程中不同的閥門控制器的控制對調(diào)節(jié)工業(yè)中閥門的靜態(tài)和動態(tài)的特性，以此來保證在工業(yè)生產(chǎn)中的不同的介質(zhì)的平衡力得到有效的控制，同時可有效控制因蒸汽的壓力帶來的摩擦力增多的問題，以此提高制造的精度，增大相關(guān)的控制的靈活性。而通過這種智能的電氣調(diào)節(jié)閥不需要對任何的參數(shù)進行人為的重新設(shè)置，即可使得很多的流量的特性得到改變。我國工業(yè)起步較晚，在這方面智能電氣閥門的研究要比國外相對較晚，因此選擇合適的調(diào)節(jié)閥對加強我國工業(yè)的生產(chǎn)具有重要意義，同時現(xiàn)階段在我國市場上比較流行的調(diào)節(jié)閥大都屬于國外的產(chǎn)品，如西門子等國外大型的品牌，他們在中國關(guān)于調(diào)節(jié)閥的市場份額可占到我國的70%以上。而我國現(xiàn)階段未有屬于自主知識產(chǎn)權(quán)的調(diào)節(jié)閥，并且現(xiàn)有的調(diào)節(jié)閥在工業(yè)的過程中的功耗大。因此，研究具有屬于自己知識產(chǎn)權(quán)的和低功耗的調(diào)節(jié)閥，對促進我國工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，不僅可以使得我國的電氣調(diào)節(jié)閥的趕上世界的設(shè)計水平，還可有效的降低我國工業(yè)自動化的企業(yè)成本。

一、閥門定位器工作原理

閥門定位器作為控制閥的主要的部件之一，其主要起到控制和調(diào)節(jié)閥門的重要作用。其調(diào)節(jié)機制是通過將閥桿的位置的移動量反饋給閥門定位器的控制單元，實現(xiàn)了一個控制的閉環(huán)，使閥位控制更為精確，其主要的原理為如圖1所示：

二、國內(nèi)外閥門發(fā)展歷程

閥門定位器的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)到普通，再到現(xiàn)代的區(qū)域總線閥門定位器的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的閥門定位器主要以氣動的閥門定位器為主，而隨著科技的發(fā)展，微控處理器的出現(xiàn)，使得將微控處理器應(yīng)用大閥門控制器中，形成后來的初步的智能閥門定位器，在隨著科技的發(fā)展和工業(yè)控制的進步，現(xiàn)代化的閥門定位器和更先進的智能算法結(jié)合起來，可以自己對安裝過程中的參數(shù)進行設(shè)定，這讓安裝工作變得簡單，閥門定位器的投運和維護也更容易，從而形成根據(jù)先進和更加靈敏的控制器。

而由于國外的工業(yè)革命比較早，經(jīng)過一段時間的發(fā)展和進步，形成了以日本的西門子公司，德國的費希爾一羅斯蒙特在內(nèi)的先進閥門定位器生產(chǎn)企業(yè)，他們的研究成果，代表了未來閥門科技發(fā)展的方向，同時他們研制的閥門定位器在我國的市場份額占到我國的半壁江山，并且他們的多個品種系列廣泛的被國際社會接受和應(yīng)用。如Zhong SHH.《Research and Development of HVP SeriesSmart Valve Positioner.》發(fā)表的一文中提出，現(xiàn)在的國外已經(jīng)開始在研究一種仿照人工智能的的智能控制系統(tǒng)，這主要是利用其時變性和非線性的特點。國外已經(jīng)從智能化走向人工的智力的方向在研究；Shang QL，Jiang P《Research on Intelligent Elec-troPneumaticValvePositioner》文中指出，智能電子在閥門定位器中的應(yīng)用。通過這種技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的便捷和更加迅捷的智能化，通過對參數(shù)的自動調(diào)整和設(shè)置，減少很多的人工的操作。

我國在閥門的生產(chǎn)方面比較晚，導(dǎo)致我國在閥門生產(chǎn)方面比較落后。隨著我國加入WTO后，我國的企業(yè)開始大規(guī)模的通過引進先進的生產(chǎn)工藝來彌補技術(shù)上的差距，同時吸引國外優(yōu)秀的技術(shù)人才來到中國，對閥門定位器的設(shè)計進行研發(fā)，給我國的閥門定位器的發(fā)展的差距大大縮小。我國的研究學(xué)者對閥門定位器進行了深刻的研究和分析，并形成了研究理論成果。聶紹忠在其于2009年發(fā)表的論文中對智能化的閥門定位器的設(shè)計進行了介紹，其采用能夠?qū)Ψ蔷€性的和具有時變性的對象進行很好的處理的仿人智能控制方法使用在了閥門執(zhí)行機構(gòu)的主要的控制單元智能閥門定位器上，在其應(yīng)用的過程中，仿人智能控制器能夠通過自我檢測對控制參數(shù)進行調(diào)整，并能夠辨識出閥門的特征，并通過一定的補償手段來實現(xiàn)對氣體泄漏現(xiàn)象的阻斷，論文中體現(xiàn)了仿真結(jié)果，這說明了仿人智能算法的可應(yīng)用性。楊偉清，王化祥在2010年發(fā)表的《智能電氣閥門定位器的參數(shù)自整定》問中介紹了基于HART協(xié)議的二線制智能電氣閥門定位器的硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計，重點介紹了系統(tǒng)的參數(shù)自整定。通過采用分段線性化的方法對參數(shù)自整定過程進行了改進，使系統(tǒng)能夠自動辨識優(yōu)化控制所需的參數(shù)，例如對其中的狀態(tài)參數(shù)如氣體泄漏量的測量和辨識優(yōu)化，可以對控制閥的精度和速度起到提高的作用。付健在2013年8月發(fā)表的《HVP型智能閥門定位器設(shè)計》文中指出，未來低功耗、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)化智能閥門定位器已經(jīng)成為氣動執(zhí)行器控制調(diào)節(jié)閥的重要部件。提出一種運用多項自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計方案，并據(jù)此開發(fā)智能閥門定位器。

三、閥門定位器控制算法研究現(xiàn)狀

閥門可以根據(jù)驅(qū)動方式的不同進行分類，其主要分為三種，其分別是氣動、電動和液動閥門。其中在工業(yè)中氣動閥門的應(yīng)用范圍較大，這是因為其具有較多的優(yōu)點，例如氣動閥門的結(jié)構(gòu)較為簡單，同時能夠防爆炸和防火，使用起來不需要較高的技術(shù)性，操作非常便捷和可靠。本文主要是對氣動智能電閥門定位器進行了討論，其控制算法如下：

（1）常規(guī)PID控制。PID控制算法的原理是：控制量的確定是由系統(tǒng)誤差及其積分與微分而后再成一個系數(shù)得到的結(jié)果而確定的，這是當前普遍使用的一種控制算法，但是存在一定的缺陷，例如針對啟動執(zhí)行器的控制，由于其非線性與時變性的特點，控制的精度較低，同時不具備較好的動態(tài)性能以及魯棒性。

（2）基于狀態(tài)觀測的補償控制。氣動執(zhí)行器存在非線性、時變性、滯后性等缺點，此外，氣動執(zhí)行器執(zhí)行時會存在一定的間隙和摩擦，這都會對控制的效果產(chǎn)生一定的影響，而通過對氣動執(zhí)行器的狀態(tài)量進行觀測并通過一定的手段對其進行補償，例如使用摩擦力補償法來補償氣動執(zhí)行器的滯后特性，可以實現(xiàn)良好的控制效果。

（3）預(yù)測控制。有一些工業(yè)生產(chǎn)過程較為復(fù)雜，且較難使用精準的數(shù)學(xué)模型對其進行描述，這種情況下可以使用預(yù)測控制算法對其進行控制。現(xiàn)在很多領(lǐng)域例如電力、石油、機械等工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的控制系統(tǒng)都應(yīng)用了預(yù)測控制算法。預(yù)測算法的模型較多，其中有基于模糊推斷的氣動執(zhí)行器的預(yù)測模型。預(yù)測算法也存在一些缺陷，主要體現(xiàn)在其具有較低的控制精度，控制反饋中的反調(diào)整方法較為單一等。

（4）滑模控制。滑模控制算法使一種非連續(xù)、非線性的控制算法，具有一定的魯棒特性，其控制的過程是不同控制邏輯的不斷的轉(zhuǎn)換的過程，但是使用該控制算法在控制氣動執(zhí)行器時，具有一定的慣性和時間滯后性，這會導(dǎo)致抖振的抑制。（見表1）

四、現(xiàn)場總線技術(shù)在閥門定位器中的應(yīng)用趨勢

現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展對推動了智能閥門定位器的不斷的進步，其引發(fā)了智能閥門定位器控制系統(tǒng)的變革，與傳統(tǒng)的控制形式不同的是，其將控制模塊、IO模塊等功能模塊集成到了智能現(xiàn)場設(shè)備中，并通過一條通信電纜將智能現(xiàn)場設(shè)備、定位器、執(zhí)行器、測量儀表等連接到了一起，形成了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，這樣大大增強了智能控制系統(tǒng)的控制時效性，同時也可以實現(xiàn)對不同設(shè)備的較為分散的控制。實用了現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備以及一起需要符合規(guī)定的總線標準，以實現(xiàn)信號傳遞的匹配性。現(xiàn)場總線的發(fā)展基礎(chǔ)是智能儀器的迅速的發(fā)展，現(xiàn)在現(xiàn)場總線的類型較多，有HART、PROTIBUS、基金會現(xiàn)場總線等。

HART是一種具有兼容性的現(xiàn)場總線技術(shù)方案，其可以實現(xiàn)總線服務(wù)的優(yōu)勢，同時能夠兼容現(xiàn)在還存在的4-20mA系統(tǒng)，其遵循的協(xié)議是HART協(xié)議，該協(xié)議是一種過渡協(xié)議，是將模擬的系統(tǒng)向數(shù)字化、信息化進行轉(zhuǎn)換的過程，也因此而具有兼容性。基于HART協(xié)議生產(chǎn)的智能儀器的特點是成本低、精度高，同時較容易維護，因此其在市場上應(yīng)用較為廣泛，所占的市場份額也比較大。據(jù)推測，在未來的15到20年間，HART協(xié)議會一直使用，因此，其應(yīng)用空間較為廣闊。基于HART協(xié)議的現(xiàn)場總線與智能數(shù)字閥門定位器的結(jié)合是未來發(fā)展的趨勢，但是我國由于工業(yè)化進程起步較晚，關(guān)于智能閥門定位器的研究也不夠多，比之西方國家有一定的落后性，因此，我國應(yīng)該積極推動相關(guān)智能化的產(chǎn)品的研究與生產(chǎn)。