一、前言

      電氣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)裝置輸出的電信號變成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作的氣信號。它具有閥門定位功能，既克服閥桿摩擦力，又可以克服因介質(zhì)壓力變化而引起的不平衡力，從而能夠使閥門快速的跟隨，并對應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥快速定位，提升其調(diào)節(jié)品質(zhì)。隨著智能儀表技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)儀表中，大大提高了儀表的功能與性能。其在電氣閥門定位器中的應(yīng)用使智能定位器的性能和功能有了一個大的飛躍。

      二、智能電氣閥門定位器與傳統(tǒng)定位器的對比

      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，各公司產(chǎn)品雖不盡相同，但基本原理大致相似，下面畫簡圖進(jìn)行說明。其基本結(jié)構(gòu)見圖1:

      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)輸入信號變化或介質(zhì)流體作用力等發(fā)生變化時，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)，由于噴嘴和擋板作用，使定位器氣源輸出壓力發(fā)生變化，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力的變化推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)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，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工作原理

      雖然智能電氣閥門定位器與傳統(tǒng)定位器從控制規(guī)律上基本相同，都是將輸入信號與位置反饋進(jìn)行比較后對輸出壓力信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。但在執(zhí)行元件上智能定位器和傳統(tǒng)定位器完全不同，也就是工作方式上二者完全不同。智能定位器以微處理器為核心，利用了新型的壓電閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調(diào)壓系統(tǒng)來實現(xiàn)對輸出壓力的調(diào)節(jié)。

      目前有很多廠家生產(chǎn)智能型電氣閥門定位器，西門子公司的SIPATT PS2系列智能電氣閥門定位器比較典型，具有一定代表性，下面以就以SIPART PS2系列定位器為例，對智能定位器的工作原理進(jìn)行說明，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示:

      其具體工作原理如下:

      由閥桿位置傳感器拾取閥門的實際開度信號，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字編碼信號，與定位器的輸入（設(shè)定）信號的數(shù)字編碼在CPU中進(jìn)行對比，計算二者偏差值。如偏差值超出定位精度，則CPU輸出指令使相應(yīng)的開/關(guān)壓電閥動作，即:當(dāng)設(shè)定信號大于閥位反饋時，升壓壓電閥V一l打開，輸出氣源壓力P1增大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力增加是閥門開度增加，減小二者偏差；如設(shè)定信號小于閥位反饋則排氣壓電閥V-2打開，通過消音器排氣減小輸出氣源壓力P1，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力減小是閥門開度減小，二者偏差減小。正是通過CPU控制壓電閥來調(diào)節(jié)輸出氣源壓力的大小使輸入信號與閥位達(dá)到新的平衡。

      2.3 智能電氣閥門定位器對輸出氣源壓力調(diào)節(jié)的新穎之處

      1） 輸出壓力調(diào)節(jié)采用PID脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，迅速準(zhǔn)確。由于CPU對壓電閥的控制采用一個五步開關(guān)程序來控制，可以、快速地控制輸出氣源壓力增減。其控制算法一般采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)方式，CPU根據(jù)輸入信號與閥位產(chǎn)生偏差的大小和方向進(jìn)行PID計算，輸出一個PWM脈寬調(diào)制脈沖信號來控制壓電閥開、閉動作。由于脈沖的寬度對應(yīng)于定位器輸出氣源壓力的增量，從而可以迅速、準(zhǔn)確的改變氣源壓力輸出P1。當(dāng)偏差較大時，定位器輸出一個連續(xù)信號，快速連續(xù)、大幅度的改變P1的大小，當(dāng)偏差較小時，定位器輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續(xù)、小幅改變P1的大小，當(dāng)偏差很?。ㄟM(jìn)入死區(qū)）時，則無脈沖輸出，閥位穩(wěn)定工作。

      2） 新型壓電閥器件的采用，保證了控制的高精度。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P1進(jìn)行控制，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以達(dá)到很高的閥門定位精度。

      3） 閥位反饋元件定位精度高，壽命長。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(jī)構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號，因而可以的檢測閥位并且可以方便的對閥門進(jìn)行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。

      2.4 智能定位器的特點(diǎn)

      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。主要特點(diǎn)是:

      1） 安裝簡易；可以進(jìn)行自動調(diào)校。組態(tài)簡便、靈活，可以非常方便的設(shè)定閥門正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。

      2） 定位器的耗氣量極小。傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)耗氣型元件。由于智能定位器采用脈沖壓電閥替代了傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)，而且五步脈沖壓電閥控制方式可實現(xiàn)閥門的快速、定位。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)，其總耗氣量為20L/h，相對于傳統(tǒng)定位器來說可以忽略不計。

      3） 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(jìn)行檢查維修。

      4） 定位器與閥門可以采用分離式安裝方式。因為智能定位器的位置反饋元件是電位器，即閥位信息是用電信號傳遞的，并且可以在CPU中對閥門的特征進(jìn)行現(xiàn)場整定。因此采用行程位置檢測裝置外置的方法，將閥位反饋組件與定位器本身分離安裝。將行程位置檢測裝置在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，定位器安裝在離執(zhí)行器一定距離的地方，如圖3所示:      

      這樣就大大擴(kuò)展了定位器的使用范圍，例如可以適用于大型風(fēng)門、閘門等非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及超大行程結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中（已經(jīng)有大量此類應(yīng)用）。正是與智能電氣閥門定位器的結(jié)合，大大提高了此類裝置的控制定位精度。

      5） 行程檢測裝置還可以采用非接觸式位置傳感器，用于惡劣現(xiàn)場。如應(yīng)用在強(qiáng)振動、高低溫及核輻射區(qū)環(huán)境中的閥門上，避免了不良環(huán)境對定位器的影響，保證定位器的可靠使用和壽命。

      6） 具有豐富的自診斷功能。不僅可以對定位器本身的工作情況進(jìn)行故障自診斷，還可對調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行定量測量和診斷。如閥門行程的變化檢測，對閥門極限位置變化的測量，可診斷閥門的磨損情況；對閥門定位時間的測量可以診斷定位周期是否合適，是否會引起震蕩；還可以對氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的密封情況等進(jìn)行診斷，從而為閥門的維修提供科學(xué)依據(jù)。

      7） 可以非常方便的進(jìn)行安全檢測測試與試動作，尤其在對閥門的可靠動作要求非常高的安全儀表系統(tǒng)中，可以在線驗證SIS安全儀表系統(tǒng)的閥門執(zhí)行的安全有效性，見參考文獻(xiàn)2。

      三、實際使用中應(yīng)注意的問題

      雖然智能定位器使用簡單，功能強(qiáng)大，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。

      3.1 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。例如西門子SPRART PS2系列定位器作為2線制儀表使用時其輸入阻抗為415歐姆，如帶HART協(xié)議型則輸入阻抗更大，為440歐姆左右，因此對調(diào)節(jié)信號的帶負(fù)載能力有較高的要求。而通常情況下，數(shù)字調(diào)節(jié)儀表的輸出帶負(fù)荷能力小于300歐姆，因此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。筆者曾在某DCS系統(tǒng)的輸出回路中直接驅(qū)動SPRART PS2型智能電氣閥門定位器，zui大只能驅(qū)動18mA的電流，即只能滿足87.5%以內(nèi)的行程開度。并且在通訊情況下，其zui大電流會進(jìn)一步降低，嚴(yán)重影響大開度時的定位要求。鑒于此，對于調(diào)節(jié)器輸出控制信號帶負(fù)載能力不夠的情況，應(yīng)考慮以下解決方案:

      1） 在輸入信號回路中設(shè)置信號隔離器件，增加控制信號的帶負(fù)載能力。即選用帶負(fù)載能力高的中間隔離驅(qū)動器件，器件帶載能力應(yīng)大于500歐姆。如果現(xiàn)場是防爆場所則可選用帶負(fù)載能力高的隔離式安全柵，如MTL3000系列隔離安全柵，見圖4所示:

      2） 采用4線制連接方式，減小智能定位器輸入信號回路的輸入阻抗，如圖5所示的接線方式，由于增加了電源供電回路，因此智能定位器信號回路的輸入阻抗會大大減小，約250歐姆左右，符合大多數(shù)調(diào)節(jié)器輸出回路的負(fù)載要求。

      3.2 合理設(shè)置定位器的動作死區(qū)

      一般智能定位器的動作死區(qū)設(shè)置范圍為0.1～l0.0%之間。死區(qū)設(shè)置越小，定位精度越高，但相應(yīng)的壓電閥及反饋連桿等運(yùn)動部件的動作越頻繁，有時甚至?xí)痖y門震蕩，增大機(jī)械磨損，影響定位器和閥門的壽命，故定位器的死區(qū)設(shè)置不宜過小，應(yīng)結(jié)合具體工藝控制精度要求進(jìn)行設(shè)置，一般不小于0.5%。

      3.3 合理設(shè)置控制周期

      應(yīng)結(jié)合調(diào)節(jié)器和被調(diào)節(jié)對象的特性來合理設(shè)置控制系統(tǒng)的控制周期。一般的智能定位器本身的控制響應(yīng)時間為1.5s，因此調(diào)節(jié)器輸出改變周期設(shè)置在1.0s左右比較合適。

      3.4 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。一般定位器所配用閥門的流量特性是由閥芯的加工特性決定的。閥芯有直線、等百分比、快開等流量特性，如果工藝要求與此相符，則智能定位器的輸出特性應(yīng)選擇為線性輸出，這樣就能保證整體閥門流量特性與原設(shè)計要求相符。

      當(dāng)實際使用中，閥芯如有流量特性不能適合工藝要求時，則可以通過閥門定位器輸出特性的改變來改變閥門的整體流量特性。如:可以修改智能定位器為等百分比輸出，將具有線性閥芯的閥門變?yōu)榈劝俜直攘髁刻匦缘拈y門來使用；或修改智能定位器為反向等百分比輸出，可將等百分比閥芯的閥門調(diào)整為線性流量特性的閥門來使用。

      3.5 防爆環(huán)境中的應(yīng)用

      在防爆環(huán)境中應(yīng)選用本安或隔爆型智能定位器。而且應(yīng)在接線時注意智能定位器輸入阻抗與安全關(guān)聯(lián)設(shè)備的帶負(fù)載能力的匹配問題。如構(gòu)成本質(zhì)安全回路，選用帶附載能力大于500歐姆以上的輸出型隔離柵，如果采用齊納安全柵則應(yīng)采用4線制連接方式，降低定位器信號回路的輸入阻抗。如選用隔爆型智能定位器，其現(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。

      3.6 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，如過高、過低的環(huán)境溫度，閥門或管道存在強(qiáng)烈的震動，以及現(xiàn)場環(huán)境存在強(qiáng)烈輻射、強(qiáng)電磁干擾，智能閥門定位器安裝在閥門上是不能很好工作的，壽命也會大大降低。此時可以將閥位傳感器與智能定位器進(jìn)行分離式安裝。將閥位傳感器（一般為線性電阻傳感器等簡單元件）安裝在閥門上，智能定位器本身可單獨(dú)安裝在距閥門一定距離的，工況環(huán)境較好的地方，如圖3中所示。閥位傳感器與智能定位器通過電纜進(jìn)行連接，智能定位器的氣動輸出通過氣動連接管與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，即可實現(xiàn)閥門的可靠定位控制。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。

      四、總結(jié)

      由于CPU和新型器件的采用，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(jìn)行其功能參數(shù)設(shè)置和調(diào)校。