智能電氣閥門定位器工作原理

1、2. 2電-氣閥門定位器的作用是把調(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，而r具有閥門定位功能，即克服閥桿摩控力，抵消被調(diào)價質(zhì)壓力變化而 引起的不平衡力，從而使閥門開度對應(yīng)于調(diào)節(jié)裝置輸出的控制信號，實現(xiàn)正確定 位。由于木定位器具有防爆結(jié)構(gòu)，故能使用于爆炸危險場所。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 信號與位置反饋進行比較后對輸出壓力信號進行調(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)定位器屮的噴嘴、扌當(dāng)板調(diào)壓系統(tǒng)來 實現(xiàn)對輸出壓力

2、的調(diào)節(jié)。廿前有很多廠家生產(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，貝有一定代表性，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行說明，其基 本結(jié)構(gòu)如圖2所示：智能電氣閥門定位器結(jié)構(gòu)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 行對比，計算二者偏差值。如偏差值超出定位精度，則cpu輸岀指令使相應(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v1打開，輸 出氣源壓力p1增大，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力增加是閥門開度增加，

3、減小二者偏茅； 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z處1）輸岀壓力調(diào)節(jié)采用p1d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，可以精確、快速地控制輸出氣源壓力增 減。其控制算法-般采用數(shù)字ptd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

4、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岀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)偏并較小時，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，對輸岀氣 路壓力p1進行控制，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，可以達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

5、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。2.4智能定位器的特點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。主要特點是：1）安裝簡易；可以進行自動調(diào)校。組態(tài)簡便、靈 活，可以非常方便的設(shè)定閥門止反作用，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)，

6、而且五步脈 沖壓電閥控制方式可實現(xiàn)閥門的快速、精確定位。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，便丁維修人員對定位器工作情況進行檢查維修。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屮對閥門的特征進行現(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：圖3智能電氣閥門

7、定位器的分離式安裝這樣就大大擴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)行機構(gòu)以及超大行程結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)屮（已經(jīng)冇大量此類應(yīng)用）o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 程檢測裝置述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）具有豐富的口診斷功能。不僅可以對定位器本身的 工作情況進行故障自診斷，述可對調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機構(gòu)的性能進行定量測量和診 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

8、位吋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)行機構(gòu)的密封情況等進行診斷，從而為閥門的維修提供科學(xué)依據(jù)。7） 可以非常方便的進行安全檢測測試與試動作，尤其在對閥門的可靠動作耍求非常 高的安全儀表系統(tǒng)屮，可以在線驗證s1s安全儀表系統(tǒng)的閥門執(zhí)行的安全冇效 性，見參考文獻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， 而口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

9、表使用吋其輸入阻抗為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)信號的帶負載能力冇較高的要求。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)的輸出冋路中直接駆動sprart ps2 型智能電氣閥門定位器，最大只能驅(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，其最大電流會進一步降低，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載能力不夠的情況，應(yīng)考慮 以

10、下解決方案：1）在輸入信號回路屮設(shè)置信號隔離器件，增加控制信號的帶負 載能力。即選用帶負載能力高的中間隔離駆動器件，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：r.隠貞安余魚佚ix1i2線;廉定位圖4選用帶負載能力高的中間隔離驅(qū)動器件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冋路，因此智能定位器信號冋路的輸入 阻抗會大大減小，約250歐姆左右，符合大多數(shù)調(diào)節(jié)器輸出回路的負載要求。電源注如是本安回路應(yīng)便用安全的itt mtvft ill圖5智能電氣

11、閥門定位器4線制連接方式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. 110. 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動部件的動作越頻繁，有吋甚至 會引起閥門震蕩，壇人機械磨損，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)合貝體工藝控制精度要求進行設(shè)置，一般不小于0. 5%o3.3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。一般的智能定位器木身的控制響應(yīng)時間為1.5s,因此調(diào)節(jié)器 輸出改變周期設(shè)置在1. os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

12、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，閥芯如冇流量特性不能適 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，將具冇線性閥芯的閥門變?yōu)榈劝?分比流量特性的閥門來使用；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

13、爆環(huán)境中應(yīng)選用本安或隔爆型智能定位器。而 月應(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)備的帶負載能力的匹配問 題。如構(gòu)成本質(zhì)安全冋路，最好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，降低定位器信號冋路的輸 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，閥門或管道存在強烈的震動，以及現(xiàn)場環(huán)境存在強烈輻射、強電磁干 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 時叮以將閥位傳感器與智能定位器進行分離式安裝。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安裝在距閥門一 定距離的，工況環(huán)境較好的地方，如圖3屮所示。閥位傳感器與智能定位器通過 電纜進行連接，智能定位器的氣動輸出通過氣動連 接管與執(zhí)行機構(gòu)連接，即可 實現(xiàn)閥門的可靠定位控制。