談技術(shù)變革中的氣動調(diào)節(jié)閥定位器

　　閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵附件之一，其作用是把調(diào)節(jié)設(shè)備輸出的信號變成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作的氣信號，提高閥門的位置控制精度。本文主要從定位器結(jié)構(gòu)原理及安裝方面闡述閥門定位器智能化發(fā)展方向，HART協(xié)議兼容模擬信號和數(shù)字信號，使得基于HART協(xié)議的智能閥門定位器具有更大的開發(fā)前景。

1、概述

　　隨著我國化工工業(yè)的飛速發(fā)展，特別是煤化工行業(yè)對于閥門的使用有著較高的要求，這使得閥門定位器成為控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵附件，其作用是把調(diào)節(jié)設(shè)備輸出的信號變成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作的氣信號，提高閥門的位置控制精度，克服閥桿摩擦力和介質(zhì)不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥按照調(diào)節(jié)器的信號實現(xiàn)正確定位。特別是智能閥門定位器得以廣泛的應(yīng)用。

2、定位器的具體結(jié)構(gòu)及原理

　　閥門定位器可以分為氣動、模擬、數(shù)字式三種，現(xiàn)場使用比較廣泛的是后兩種。

　　2.1、傳統(tǒng)電氣閥門定位器的工作原理電氣閥門定位器經(jīng)過幾十年的發(fā)展

　　常規(guī)的電氣閥門定位器的特點：是利用噴嘴、擋板、反饋凸輪、磁鋼、彈簧利用杠桿原理的力平衡原理，再通過氣動放大器完成實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥性能的改善。反饋桿反饋閥門的開度位置發(fā)生變化，當(dāng)輸入信號產(chǎn)生的電磁力矩與定位器的反饋系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩相等，定位器力平衡系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，定位器處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時輸入信號與閥位成對應(yīng)比例關(guān)系。當(dāng)輸入信號變化時，力平衡系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破，磁電組件的作用力與因閥桿位置變化引起的反饋回路產(chǎn)生的作用力就處于不平衡狀態(tài)，這樣通過使擋板對于噴嘴產(chǎn)生微小的位移變化轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的氣壓信號。噴嘴擋板機構(gòu)由噴嘴和擋板組成的變節(jié)流元件恒節(jié)流孔以及背壓室所組成。

　　氣源進噴嘴擋板機構(gòu)后，首先遇到的是恒節(jié)流孔。該恒節(jié)流孔對氣流造成了很大的阻力，只能讓一部分氣流通過。通過的一部分氣流進入背壓室，然后從噴嘴排入大氣。正對著噴嘴，垂直安裝著一個擋板。當(dāng)擋板靠近噴嘴時，使氣阻增大，氣流不易排出，最后使背壓室內(nèi)的壓力上升;當(dāng)擋板離開噴嘴時，使氣阻減小，氣流排出，最后使背壓室內(nèi)的壓力下降。擋板對通過恒節(jié)流孔的氣流造成了第二次阻力，這阻力是隨著擋板位置的不同而變化的。噴嘴和擋板不同的間距產(chǎn)生不同的背壓。由于噴嘴和擋板作用，通過氣動放大器完成功率放大的作用。在氣動放大器的作用下使定位器氣源輸出壓力發(fā)生變化，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力的變化推動執(zhí)行機構(gòu)運動，使閥桿定位到新位置，重新與輸入信號相對應(yīng)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在使用中改變定位器的反饋桿的結(jié)構(gòu)(如凸輪曲線)，可以改變調(diào)節(jié)閥的正、反作用，流量特性等，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為可以實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥性能的提升。

　　2.2、智能電氣閥門定位器的性能與傳統(tǒng)閥門定位器相比有了一個大的飛躍

　　智能電氣閥門定位器的定位精度更高，適用范圍更廣，而且使用更加簡便和可靠。但是在具體的應(yīng)用中還要從符合安全要求、更好的控制效果、與調(diào)節(jié)回路的匹配、適應(yīng)特殊環(huán)境要求、延長使用壽命等方面合理選擇定位器的類型，并進行其功能參數(shù)設(shè)置和調(diào)校。

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展智能閥門定位器成為用于氣動執(zhí)行機構(gòu)的閥門定位器的主流。它集自校正功能、自診斷功能、故障報警功能、閥位模擬信號反饋功能及多種特性修正功能于一身，菜單操作，便于現(xiàn)場安裝、調(diào)試。

　　智能閥門定位器采用了HART協(xié)議完成了數(shù)據(jù)通訊功能，同時利用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)替代磁鋼、彈簧的杠桿力平衡結(jié)構(gòu)，使用壓電閥取代了噴嘴、擋板，用導(dǎo)電塑料電位器替代反饋凸輪，這樣就使定位器的精度得以提高。具體的做法是：

　　首先增加了HART協(xié)議數(shù)據(jù)通訊功能，HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbp。2200Hz為1，1100Hz為0.由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。

　　其次：使用壓電閥取代了噴嘴、擋板用，導(dǎo)電塑料電位器替代反饋凸輪壓電閥的主導(dǎo)元件是一個壓電柔韌開關(guān)閥，也稱作硅微控制閥，由于其質(zhì)量小，開關(guān)慣性非常小，可以執(zhí)行很高的開關(guān)頻率，因而作為一個高頻率的脈沖閥，對輸出氣路壓力進行控制，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，可以達(dá)到很高的閥門定位精度。壓電閥利用功能壓電陶瓷的陶瓷片在電壓作用下產(chǎn)生彎曲變形原理制成的一種兩位式(或比例式)控制閥�？刂茐弘婇y動作只需提供足夠的電壓，電功耗幾乎為零。閥位反饋元件是一個結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高可靠性的導(dǎo)電塑料電位器，將執(zhí)行機構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號，因而可以精確的檢測閥位并且可以方便的對閥門進行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。

　　由于新型控制元件如導(dǎo)電塑料和壓電閥的使用，可以使閥門定位達(dá)到很高精度，由于微處理的使用，可以使定位器的調(diào)校以及適用范圍有大的改善。

　　第三：脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)替代磁鋼、彈簧的杠桿力平衡結(jié)構(gòu)，而脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是指：

　　在不加電狀態(tài)或兩個壓電閥加低電平下，壓電陶瓷進氣閥關(guān)閉，排氣閥打開。(排氣)①進氣閥電開閥，開度隨PWM占空比的增大而增大;②排氣閥電關(guān)閥，開度隨PWM占空比的增大而減小。

　　在進氣狀態(tài)下，應(yīng)使兩個壓電閥加高電平，使進氣閥打開，排氣閥關(guān)閉。

　　在閥位保持狀態(tài)下，應(yīng)使進氣壓電閥加低電平，排氣壓電閥加高電平，使進氣閥與排氣閥均關(guān)閉。

　　設(shè)定閥位與反饋閥位偏差較大時，進氣壓電閥加寬脈沖，進氣閥開大進氣量，排氣壓電閥加寬脈沖，排氣閥基本關(guān)閉。

　　偏差較小時，使進氣壓電閥加窄脈沖，進氣閥開度減小，排氣壓電閥加寬脈沖，排氣閥基本關(guān)閉。

　　偏差基本為0時，進氣壓電閥低電平、排氣壓電閥高電平，進氣和排氣閥關(guān)閉。保持壓力和閥位。

　　微處理器輸出變占空比的PWM脈沖信號，經(jīng)過升壓驅(qū)動電路控制進氣和排氣壓電閥的開度，改變進氣量和排氣量。

3、常規(guī)定位器存在的不足

　　常規(guī)定位器多為機械力平衡原理，它采用噴嘴擋板機構(gòu)，可動件較多，容易受溫度波動、外界振動等干擾的影響，耐環(huán)境性差;彈簧的彈性系數(shù)在惡劣環(huán)境下能發(fā)生改變，會造成調(diào)節(jié)閥非線性，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降;外界振動傳到力平衡機構(gòu)，易造成部件磨損以及零點和行程漂移，使定位器精度受很大影響;

　　由于噴嘴本身的特性，執(zhí)行器在穩(wěn)定狀態(tài)時也要大量排氣，若使用執(zhí)行器數(shù)量較多，能耗較大;而且噴咀本身是一個潛在故障源;

　　常規(guī)定位器手動調(diào)校時需要使用專用設(shè)備、不隔離控制回路是不可能的，且零點和行程的調(diào)整互相影響，須反復(fù)整定，非線性嚴(yán)重時，則更難調(diào)整。

4、智能定位器在應(yīng)用

　　要根據(jù)現(xiàn)場控制要求合理選型，正確安裝，重點注意的要求

　　雖然智能定位器使用簡單，功能強大;安裝簡易，可以進行自動調(diào)校，組態(tài)簡單、靈活;具有智能通訊和現(xiàn)場顯示功能，便于維修人員對定位器工作情況進行檢查維修;具有豐富的自診斷功能等優(yōu)點。但在工程應(yīng)用中還是應(yīng)注意一些問題，以使其可靠的工作，發(fā)揮出更好的控制作用，延長其使用壽命。

　　由于智能定位器的壓電陶瓷閥的結(jié)構(gòu)特點使定位器的排氣量極小。傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)排氣。智能定位器只有在減小輸出壓力時，才向外排氣，因此在大部分時間內(nèi)處于非耗氣狀態(tài)，相對于傳統(tǒng)定位器來說可以忽略不計，因此會對氣源的質(zhì)量要求比較高對于氣源中的塵土、水分都要盡量的減少。

　　定位器2/4線接線方式的選擇由于智能閥門定位器的輸入阻抗較高，而且隨輸入電流的增加而增大。在選用智能電氣閥門定位器時一定要核對調(diào)節(jié)器輸出控制信號的帶負(fù)載能力，應(yīng)大于500歐姆，才能保證大開度時定位器的正常工作。

　　合理設(shè)置定位器的動作死區(qū)。死區(qū)設(shè)置越小，相應(yīng)的壓電閥及反饋連桿等運動部件的動作越頻繁，有時會引起閥門振蕩，增大機械磨損，影響定位器控制品質(zhì)和調(diào)節(jié)閥壽命，故定位器的死區(qū)設(shè)置不宜過小。

　　合理設(shè)置控制周期調(diào)節(jié)器輸出改變周期設(shè)置在1.0s左右比較合適。

　　智能定位器流量特性的選擇。智能定位器均具有流量特性選擇設(shè)定功能。但在實際使用中，要根據(jù)所配閥門的流量特性與工藝具體要求來合理確定。

　　防爆環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)場安裝方式則應(yīng)符合隔爆電氣設(shè)備的安裝規(guī)范要求。

　　惡劣現(xiàn)場條件下的應(yīng)用在一些惡劣現(xiàn)場工況環(huán)境中，可以將閥位傳感器與智能定位器進行分離式安裝。電纜連接應(yīng)采用屏蔽電纜，并在智能定位器中使用EMC濾波器來抑制惡劣環(huán)境產(chǎn)生的干擾因素。

　　綜上所述定位器在控制系統(tǒng)中的作用非常重要，隨著技術(shù)的發(fā)展完善，智能定位器以其特有的優(yōu)勢，將是今后定位器的發(fā)展方向，也將更加廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)的控制領(lǐng)域中。我公司所使用智能定位器主要有梅索里蘭、西門子山武智能定位器，經(jīng)過5年來使用，憑著可靠性能，特別是閥門在小范圍調(diào)節(jié)中尤其顯現(xiàn)出定位器高精確度，保證閥門在工況使用中能及時反映控制信號變化，驅(qū)動閥門動作進行品質(zhì)調(diào)節(jié)。