張文萍,王 彬,張青松,張魯蘭

(中原大化集團儀表維修公司,河南濮陽 457004)

0 引 言

隨著工業(yè)控制智能化的發(fā)展,數(shù)字式、智能型的閥門定位器在化工過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。它已成為取代常規(guī)機械式模擬量閥門定位器和減少氣動執(zhí)行機構(gòu)行程偏差的最有效工具。為此,該公司為提高整體裝置運行的穩(wěn)定性,在2套15 kt/a和1套30 kt/a三聚氰胺裝置中的氣動執(zhí)行調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計選型上,考慮到普通定位器的功能缺陷,全部安裝了數(shù)字式智能閥門定位器,該定位器的投用使有死區(qū)的閥門動態(tài)響應(yīng)得到很大改善,同時它對調(diào)節(jié)閥的強大診斷功能,做到了預(yù)防式減少因閥門引起的突發(fā)性停車事故,使用后也克服了過去維護時盲目對閥門進行檢修的慣例。

該文結(jié)合公司三聚氰胺裝置中Fisher智能閥門定位器的成功應(yīng)用和維護經(jīng)驗,討論了智能閥門定位器的工作原理和在使用中存在的問題及處理方法。

1 數(shù)字式智能閥門定位器的工作原理

數(shù)字式智能閥門定位器一般有I/P轉(zhuǎn)換器、PWB組件、氣動中繼器、閥行程傳感器組成。它的輸入信號和反饋信號比較后進入印刷電路板組件子模塊,在那里被微處理器讀取,經(jīng)數(shù)字算法處理并轉(zhuǎn)換成模擬量I/P驅(qū)動信號?？朔藗鹘y(tǒng)定位器處理信號時受溫度、振動的影響,同時它具有模擬與數(shù)字混合或純數(shù)字化雙向通信能力,可實現(xiàn)自動/手動的定位器校準,噴嘴孔自動清障等功能[1]。智能閥門定位器的使用可有效消除力轉(zhuǎn)換和傳動時形成的偏差,其操作原理如圖1所示[2]。

圖1 DVC5000型智能閥門定位器工作原理

該定位器和執(zhí)行機構(gòu)組成一個反饋回路,當輸入信號增大時,去I/P轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動信號增大,這使得I/P轉(zhuǎn)換器的線圈和銜鐵之間的磁吸引力增加,于是擋板使噴嘴節(jié)流,即增大了噴嘴壓力,噴嘴壓力送入氣動中繼器子模塊的輸入膜片。當噴嘴壓力增大時,氣動中繼器的膜片組件移動,使得閥芯去打開供氣口和關(guān)閉排氣口,以增加送去執(zhí)行機構(gòu)的輸出壓力,增大的輸出壓力使得執(zhí)行機構(gòu)閥桿向下移動。閥行程傳感器通過反饋連桿感受閥桿的位置變化,閥行程傳感器與印刷電路板組件子模塊電信號相連。閥桿繼續(xù)向下移動直至達到正確的閥桿位置,在這一點位置上,印刷電路板組件使I/P驅(qū)動信號穩(wěn)定下來,這使擋板定位,阻止噴嘴壓力進一步增加。當輸入信號減少時,去I/P轉(zhuǎn)換器子模塊的驅(qū)動信號減小,于是減小了噴嘴壓力,氣動中繼器的膜片組件移動,使得閥芯去關(guān)閉供氣口和打開排氣口,向大氣釋放執(zhí)行機構(gòu)膜頭壓力,閥桿向上移動直至達到正確的位置,在這一點位置上,印刷電路板組件使I/P驅(qū)動信號穩(wěn)定下來。這使擋板定位,阻止噴嘴壓力進一步減少[3]。

2 常規(guī)閥門定位器的功能缺陷及與智能閥門定位器的比較

2.1 常規(guī)閥門定位器的功能缺陷

普通閥門定位器是采用機械式力平衡原理工作的,即噴嘴擋板技術(shù),該型定位器在化工生產(chǎn)中已使用多年,它存在的主要功能缺陷如下:

a)因采用機械力平衡式原理工作,其定位器中的機械可動部件較多,易受工作環(huán)境的溫度、振動等影響。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,也使定位器難以正常工作。

b)工作過程是單純的單回路控制過程,不具備雙向的通信能力,無法通過其自診斷功能來識別故障信息。

c)常規(guī)定位器的零點和量程需反復調(diào)整,精度難以保證。投用后工作線性常常變化。

d)常規(guī)定位器噴嘴孔很小,易被灰塵或污物顆粒堵住,使定位器不能正常地工作,而處理過程費時費力[4]。

因其功能缺陷大都是機械、設(shè)計等方面的因素造成,為避免缺陷的存在只能選用智能型閥門定位器。

2.2 智能閥門定位器的特性

a)改善控制:雙向數(shù)字通信把閥門當前情況的信息顯示出來,據(jù)此信息對過程控制進行管理,確保及時控制。

b)提高安全性:可以從現(xiàn)場接線盒、端子板或在控制室等安全地區(qū)使用手操器、PC機或系統(tǒng)工作站選取信息,將面對危險環(huán)境的機會減到最小,并且不必親臨現(xiàn)場。

c)保護環(huán)境:可以把閥門泄漏檢測儀或限位開關(guān)接到智能數(shù)字式閥門控制器的輔助端子,避免額外增加現(xiàn)場布線,若發(fā)生超限該儀表將會報警。

d)節(jié)省硬件開支:FIELDVUE系列數(shù)字式閥門定位器使布線投資、端子和I/O需求投資節(jié)省50%。同時FIELDVUE儀表采用二線制供電,不要求單獨而價高的供電導線。它們替換掉現(xiàn)有的配裝于閥門的模擬儀表,節(jié)省了單獨敷設(shè)電源線和信號線的高額費用[5]。

由于智能閥門定位器,是基于微處理器的新一代產(chǎn)品,具有高精度的閥門位置信號傳感器輸出壓力傳感器等,因而具有較高的控制精度(0.5%～1%,常規(guī)電氣閥門定位器精度僅為2%～5%),并具有遠距離組態(tài)、調(diào)試、診斷、數(shù)據(jù)管理等功能[6]。經(jīng)過6年多的運行,智能閥門定位器與普通閥門定位器的性能、使用情況、性價比等方面的比較見表1所列。

表1 兩種閥門定位器的比較

3 使用中存在的問題和處理方法

a)控制系統(tǒng)的卡件不能驅(qū)動智能閥門定位器,造成儀表間通信故障。常規(guī)模擬閥門定位器一般輸入阻抗為250Ω,而智能閥門定位器的輸入阻抗均大于250Ω,只是各種定位器的品牌差異使其阻抗不同。阻抗的增加,整個系統(tǒng)運行受到的影響也增大,如果不能很好處理,就會造成整個控制回路的不匹配。如在2002年中原大化集團儀表維修公司第二套15 kt/a三聚氰胺裝置安裝調(diào)試中,曾出現(xiàn)控制系統(tǒng)卡件不能驅(qū)動智能閥門定位器、HART手操器也不能正常通信的情況。經(jīng)過檢查Fisher公司DVC5000系列閥門定位器的電氣輸入為12 V DC/20 mA,這樣它的輸入阻抗相當于600Ω,而整套裝置選用的控制系統(tǒng) Honeywell TDC 3000和定位器不匹配。為了能有效地解決這個問題,在靠近控制系統(tǒng)I/O現(xiàn)場接線端子的地方安裝了HART專用濾波器。該濾波器是一個有源設(shè)備接在HART回路的現(xiàn)場接線中,它的用途是有效地把控制系統(tǒng)的輸出和調(diào)制HART通信信號隔離并提升控制系統(tǒng)的阻抗以利HART通信和定位器的正常使用。濾波器從控制系統(tǒng)接收4～20 mA電流信號,并作為高阻抗電流驅(qū)動回路。其輸出電流是輸入電流濾波后的復制品,濾波器的電流驅(qū)動阻止了HART回路里的電壓調(diào)制信號混入控制器的輸出信號中,并對控制器的輸出產(chǎn)生影響。該問題解決也為處理裝置中使用的Neles公司的ND800系列智能閥門定位器(電氣輸入: 12.8V DC/mA)類似故障提供了借鑒意義。HART濾波器的應(yīng)用接線如圖2所示[7]。

圖2 HART濾波器的應(yīng)用接線

b)閥位行程傳感器失調(diào)是造成智能閥門定位器故障的另一重要原因。閥行程傳感器的作用是輸出閥位反饋信號,當閥行程傳感器故障而反饋中斷時,整個調(diào)節(jié)閥將不受DCS調(diào)節(jié),閥位自動運行到全開/全關(guān)位置,這將嚴重威脅裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。例如:2007年8月14日,該公司三聚氰胺工藝人員反映FT-31181閥位處于全開位置,要求儀表人員及時處理。當儀表人員對FT-31181用手操器進行校準時,手操器卻無法完成手/自動校準程序,調(diào)節(jié)閥閥位嚴重失靈。用萬用表測量閥行程零位時閥位傳感器的精密多線圈電阻值為1 650Ω。經(jīng)過對發(fā)生故障的定位器分析發(fā)現(xiàn),性能良好的閥位傳感器的精密多圈電阻在閥行程零位時應(yīng)為1 950～2 050Ω。最后把發(fā)生故障的定位器拆下后,把反饋臂定位在零位,用萬用表測量閥位傳感器的精密多圈電阻值,調(diào)整閥位傳感器的連接軸,使得萬用表指示在1 950～2 050Ω之間,然后鎖定連接軸,安裝閥行程傳感器緊固件和閥桿相連,問題得以解決。

4 智能閥門定位器的應(yīng)用和維護

DVC5000和DVC6000系列智能閥門定位器于2002年和2005年在該公司三聚氰胺裝置安裝使用200多臺。投用后使用手操器對其進行了組態(tài)和校驗,其線性度可達99%,零點和量程及回差均可以控制在精度要求的范圍之內(nèi),控制極其穩(wěn)定且抗干擾的能力也很強,完全滿足工藝控制的要求。FIELDVUE定位器維護量極少,基本上無需維護,其現(xiàn)場適應(yīng)性也很強。但為了保證其長期、穩(wěn)定地運行,儀表人員應(yīng)做好以下幾個方面的工作。

a)為保證其良好的工作環(huán)境,防止意外損壞,應(yīng)定期檢查定位器周圍的工作環(huán)境,同時保證其工作氣源的穩(wěn)定、干燥和潔凈,減少外界因素造成的儀表波動和故障。

b)儀表人員應(yīng)每周檢查閥門和定位器的泄露和工作情況,及時消除隱患。每月使用手操器對定位器進行特性曲線檢查,檢查零點、量程、線性和回差等參數(shù),并對其優(yōu)化和調(diào)整,保證其工作質(zhì)量。

c)定期對調(diào)節(jié)閥進行檢修和維護,確保閥門工作質(zhì)量。同時對DCS調(diào)節(jié)控制回路參數(shù)進行優(yōu)化,以確保與定位器互相工作的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。

d)由于DCS方面和其他原因,其現(xiàn)場總線和軟件功能沒有完全得到開發(fā)和利用,對智能維護和診斷功能無法完全使用,但還是大大減輕了日常維護量。

5 結(jié)束語

通過近幾年在三聚氰胺裝置的使用效果來看,智能型閥門控制器性能穩(wěn)定、調(diào)校方便。隨著智能閥門定位器的廣泛應(yīng)用,其方便性和強大的軟件功能,必將替代傳統(tǒng)模擬量閥門定位器,是閥門定位器的發(fā)展趨勢。該文希望通過對智能閥門定位器在三聚氰胺裝置中的應(yīng)用和分析,能夠為讀者提供在定位器設(shè)計選型和使用時能有一定借鑒意義。

[1] 施引萱,王丹均.儀表維修工[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2001:365-366.

[2] 吳國熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2001:213.

[3] 王 森.儀表工試題集[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2002:223.

[4] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004: 383-384.

[5] 蔣志良.智能閥門定位器在化工裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2000,(4):72-74.

[6] 秦起佑.工業(yè)自動化儀表[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1988:867.

[7] 調(diào)節(jié)閥與閥門定位器,石化儀表自動化培訓教材[M].中國石化出版社,2009,154.