郭 宏

（寶鋼集團(tuán)新疆八一鋼鐵有限公司 能源中心設(shè)備室，新疆 烏魯木齊830022）

0 引言

現(xiàn)場過程控制的往往由幾十成百個控制回路組成，每一個控制回路都會接受現(xiàn)場過程量的變化或從內(nèi)部產(chǎn)生干擾，對過程控制變量產(chǎn)生決定性的影響。不同回路之間的相互作用也會產(chǎn)生影響過程變量的擾動。各種一次檢測儀表收集過程變量的信息，控制器接受這些信息并進(jìn)行處理，使得過程變量在負(fù)載擾動發(fā)生后恢復(fù)到它的正常范圍。控制回路中最常用的終端控制元件就是控制閥。而控制閥的可靠動作依靠閥門定位器進(jìn)行驅(qū)動，因此最終過程變量的控制精度、穩(wěn)定性很大程度上取決于定位器。

近年控制閥制造業(yè)隨過程控制快速發(fā)展而發(fā)展，國際知名品牌大量進(jìn)入國內(nèi)市場，如 FISHER、DRESSER、FLOWSERVE、TYCO、KOSO、SAMSON、ABZIL、METSO等。這些國外品牌更帶來了先進(jìn)的控制閥技術(shù)和多樣化的產(chǎn)品，以及技術(shù)比較、借鑒的機(jī)會，特別是使調(diào)閥的核心部件數(shù)字智能閥門定位器在國內(nèi)應(yīng)用以及開發(fā)得到了長足的發(fā)展。數(shù)字式閥門定位器是新一代高性能的電氣閥門定位器，采用在線微處理器、應(yīng)用軟件和功能模塊，可實現(xiàn)定位功能的自校準(zhǔn)、自適應(yīng)、閥位控制和控制閥的在線自診斷及離線測試、本機(jī)顯示或附加更多功能以及數(shù)字通訊和集成到控制系統(tǒng)，還具有免維護(hù)運行特征。

1 智能閥門定位器的特點、組成、原理

1.1 特點

1.1.1 智能閥門定位器的控制精度較高

可以實現(xiàn)控制閥的精確控制，從而提高系統(tǒng)的控制水平。另外，智能閥門定位器可以方便設(shè)置閥門特性曲線，比如等百分比特性，西門子 PS2 系列就提供了 1：25、1：33、1：50 三種特性，ABB 公司提供了 1：25、1：50兩種特性。另外，如果用戶對定位器內(nèi)置閥門特性不滿意或有特殊要求，可以通過自定義特性曲線功能進(jìn)行自定義閥門特性曲線的設(shè)置。各公司智能閥門定位器提供10～20段曲線的設(shè)置。

1.1.2 省氣、節(jié)約能耗，保持氣源壓力的穩(wěn)定

常規(guī)定位器的穩(wěn)態(tài)耗氣量在350升/小時，智能定位器穩(wěn)態(tài)耗氣量在30升/小時，一方面可節(jié)約運行成本，另一方面保持儀表風(fēng)壓力的穩(wěn)定，保證裝置的可靠運行。

1.1.3 調(diào)試過程簡單

對智能定位器來說，調(diào)試過程非常簡單，只需進(jìn)行簡單的初始化即可。以西門子PS2為例，只需按3個按紐并設(shè)置幾個簡單參數(shù)，就可以自動完成初始化過程。更方便的是，把設(shè)置好的參數(shù)上載到計算機(jī)中，可以再通過下載成批的復(fù)制到相同工況的定位器中，大大節(jié)約人力和時間。

1.1.4 智能化的通訊方式

對我們過程工業(yè)來說，最常用的是HART通訊，或是FF現(xiàn)場總線。在實際應(yīng)用中，若采用HART通訊（最常用），通過相應(yīng)的軟件和硬件，可以把全廠的智能定位器的所有參數(shù)保存到計算機(jī)中。當(dāng)需要對智能定位器進(jìn)行維護(hù)或更換時，可以從信息庫中方便的檢索到儀表參數(shù)并快速下載到閥門定位器中，最大限度地減小生產(chǎn)損失。

1.1.5 方便快捷設(shè)置分程調(diào)節(jié)

根據(jù)需要，工程設(shè)計中需要用一個輸入信號實現(xiàn)控制兩臺或多臺控制閥，這就需要閥門定位器只對輸入信號的某個范圍有響應(yīng)，智能定位器可以很方便的通過軟件或手動設(shè)置分程調(diào)節(jié)的起點和終點。

1.1.6 豐富的故障診斷功能

智能定位器通過廠家提供的故障診斷軟件，可以診斷閥門的泄露量、閥填料、閥芯磨損以及硬件運行故障等。

1.2 組成、原理

數(shù)字智能定位器采用模塊式組件，主模件包括主控板、電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動組件等3個子模件。

圖1 數(shù)字智能定位器工作原理圖

數(shù)字智能定位器工作原理圖輸入信號通過雙絞線傳輸給主控板上的微處理器，經(jīng)運算后由I/P將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成氣動信號，驅(qū)動氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)閥行程達(dá)到給定的位置。

由于數(shù)字智能定位器采用了微處理器技術(shù)和新型的傳感器技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)，使其不僅僅只是一只閥門定位器，而是智能數(shù)字控制器和閥門定位器集成的新型智能數(shù)字控制器。它大大提高了作為控制回路終端執(zhí)行元件——調(diào)節(jié)閥的精度，使其達(dá)到0.5%，極大地改善了控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)。同時它使控制功能下移至現(xiàn)場儀表，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的風(fēng)險徹底分散。

2 應(yīng)用

2.1 安裝調(diào)試

依據(jù)各智能閥門定位器的技術(shù)要求檢查定位器連桿是否符合要求，接線正確，給定位器提供1.4～7bar的工作氣源和18～35V電壓源或4～20mA電流源。

調(diào)試：智能定位器的調(diào)試較簡單,一般進(jìn)行定位器的自動或手動初始化即可。初始化的過程,實際是定位器微處理器采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù),從而與該執(zhí)行機(jī)構(gòu)相匹配的過程。定位器能自動測定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用方向，行程時間，并配以手動設(shè)置其它少量的參數(shù)，多數(shù)參數(shù)默認(rèn)即可。

一般設(shè)置的手動參數(shù)為：閥門的形式(角行程、直行程）、閥門的正反作用，反饋信號的正反等。

2.2 維護(hù)

在線更換智能定位器：

智能閥門定位器支持智能通信，通信的方式有HART通信，Profibus總線通信，F(xiàn)oundation Fieldbus總線通信。通過通信，可以把所有智能定位器初始化的參數(shù)數(shù)據(jù)（脈沖寬度、上下行程運行時間等）上傳到系統(tǒng)中并加以保存。

通過HART通信，可以把智能閥門定位器中的數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)中，筆記本中，或HART手操器中，反之，也可以把這些數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場的智能閥門定位器中。

通過Profibus通信，可以把定位器中的數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)中，筆記本中；通過FF通信，可以把定位器中的數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)中或手操器中，反之，也可以把這些數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場的智能閥門定位器中。

以下是基于HART通信的西門子智能閥門定位器在線更換的步驟，Profibus和FF總線通信的智能閥門定位器的在線更換步驟可以參考進(jìn)行。

1）獲取要被更換的智能閥門定位器的數(shù)據(jù)參數(shù)。用PDM(Process Device Manager)軟件，通過HART通信，把現(xiàn)場定位器的參數(shù)上傳到系統(tǒng)中，或筆記本中；也可以用HART手操器直接讀取。如果系統(tǒng)已經(jīng)保存了這樣的定位器數(shù)據(jù)，則不必重新上傳。下一步，把這些參數(shù)數(shù)據(jù)下載到新的定位器中。

2）用機(jī)械或氣動的方法把執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在當(dāng)前位置(Keep in Place)。3）讀取并紀(jì)錄被更換的閥門定位器的顯示值。如果已經(jīng)失電，則記錄當(dāng)前實際閥位。

4）拆卸定位器。在新定位器上安裝所有附件，然后把新定位器安裝到調(diào)節(jié)閥上。

5）接通儀表信號，調(diào)節(jié)調(diào)整輪，使新定位器液晶顯示的閥位置與記錄數(shù)值相符。

6）取下機(jī)械鎖定裝置。新安裝的智能閥門定位器可以投運了。建議：可把智能閥門電位器的參數(shù)預(yù)先備份在系統(tǒng)中或筆記本中。SIEMENS廠家在現(xiàn)場在線更換過閥門定位器，更換新的閥門定位器后，與原有閥位相比，誤差不超過1%，所以這種方法是可行的。從西門子在世界范圍的服務(wù)經(jīng)驗來說，也多次為用戶提供這種服務(wù)。

2.3 預(yù)測性維修

控制閥典型維修方式:被動性維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)（定修）、預(yù)測性維護(hù)。

預(yù)測性維護(hù)：故障預(yù)估、識別與診斷分析的維修方式，也稱為預(yù)見性維修。預(yù)測性維修是使用計算機(jī)輔助故障識別和診斷技術(shù)（專家診斷系統(tǒng)）進(jìn)行超前監(jiān)測和診斷預(yù)警的維護(hù)方式。數(shù)字式閥門定位器的應(yīng)用使閥門的預(yù)測性維修成為可能。

數(shù)字式閥門定位器安裝配置到控制閥，其自帶閥位（行程）、氣輸出、氣源等參量傳感器可以直接進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、內(nèi)部集成的自診斷功能也日益強(qiáng)大，并具有通訊功能（HART、PROFIBUS、FF等）、支持FDT/DTM、DD/EDDL，使用專家診斷軟件和開放架構(gòu)，使控制閥通過數(shù)字式閥門定位器在線自診斷和預(yù)測性維護(hù)，提升并維持了性能，減少了運行故障和提高了使用壽命，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1）FISHER：艾默生過程管理費希爾閥門推出AMS VALVELINK VL7.3可在線診斷I/P和氣動放大器的一致性、行程偏差和摩擦力死區(qū)和趨勢分析，可直觀顯示特性曲線、動態(tài)死區(qū)與階躍響應(yīng)及其數(shù)據(jù)。還有跟蹤程序和批處理運行以及觀察控制閥性能的趨勢。在監(jiān)控畫面上有紅/藍(lán)/綠的故障、報警、正常狀態(tài)顯示，直接反映問題嚴(yán)重的程度。尤其是對控制閥摩擦力的測試和分析有確切的數(shù)據(jù)提供出來，是分析填料涵、密封填料工作狀態(tài)和是否性能退化的依據(jù)。

2）SAMSON：薩姆森對控制閥預(yù)測性維護(hù)是以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的專家系統(tǒng)為起點，以數(shù)字式閥門定位器本機(jī)為基礎(chǔ)加裝專家診斷軟件，先后推出標(biāo)準(zhǔn)板EXPERT、增強(qiáng)板EXPERT+、全功能板EXPERT PLUS以及監(jiān)控軟件TROVIS–VIEW，可在線自診斷包括：運行時間計時、過程參數(shù)趨勢圖（行程X、輸入控制信號即給定值W、偏差E、輸出控制信號Y）、硬件和存儲器的安全監(jiān)視功能、行程傳感器監(jiān)視、初始化次數(shù)和零點校準(zhǔn)次數(shù)、內(nèi)部溫度傳感器的溫度測量、最近30次的報警、行程累計、啟動監(jiān)視、行程方向改變次數(shù)統(tǒng)計和分析、終端閥位和摩擦力的監(jiān)視。故障診斷：例如閥位輸出檢測故障診斷圖表，圖中黑色曲線是初始化存儲的輸出基準(zhǔn)曲線。當(dāng)輸出Y高于基準(zhǔn)并隨閥位增加與基準(zhǔn)偏離逐漸加大時（紅色曲線），這種情況表明氣路出現(xiàn)泄露；當(dāng)輸出Y到某一閥位突然到最大（蘭色曲線），這種情況說明氣源鼓障；同理，粉色曲線說明壓茶（不平衡力）變化，綠色曲線說明執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧力減小等。

3）FOXBORO：英維思的SDR991數(shù)字式閥門定位器配用VALCARE控制閥診斷軟件，支持FDT/DTM管理系統(tǒng)，支持HART通訊，可使用PACTWARE開放平臺進(jìn)行性能診斷?？捎泌厔輬D、柱狀圖分析運行狀況、報警、摩擦力分析等。

4）YAMATAKE：日本 AZBIL（山武）提供控制閥診斷系統(tǒng)，支持HART通訊協(xié)議和FF現(xiàn)場總線，主要診斷項目有：咬卡動作現(xiàn)象診斷（依據(jù)閥位行程移動速度的均方值變化，對照數(shù)學(xué)模型確定是否發(fā)生咬卡現(xiàn)象）、動作速度比較診斷（比較閥位和閥桿移動速度）、移動距離累積診斷（依據(jù)行程累積摩擦移動距離，按預(yù)定的報警值，診斷密封填料、密封波紋管及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損程度）、動作頻度診斷（用于診斷密封填料磨損）、零位開度比較診斷（診斷閥芯閥座）、小開度頻度診斷（診斷閥芯閥座）、全關(guān)次數(shù)診斷（診斷閥芯閥座）、本機(jī)硬件診斷等。

3 結(jié)束語

數(shù)字式閥門定位器實現(xiàn)了硬件與軟件優(yōu)化組合形成多樣監(jiān)控功能，實現(xiàn)了自適應(yīng)、自校準(zhǔn)、自測試；本機(jī)狀態(tài)顯示、故障診斷；簡單的一鍵操作組態(tài)；串口通訊和運行在PC機(jī)的監(jiān)控軟件。采用智能閥門定位器提升了控制閥功能，可有效實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障識別判斷、輔助預(yù)防性維護(hù)計劃的制定，有利于評估控制閥的性能狀態(tài)、功能安全，是過程自動化正常運行和設(shè)備動態(tài)管理的有效措施。所以，智能閥門定位器被看作未來閥門定位器的發(fā)展方向。

［1］李保華.控制閥細(xì)節(jié)分析之?dāng)?shù)字閥門定位器控制閥信息[J]，2008（7）.