陶長興，劉玉秋，曾澤嶸

（中科華核電技術(shù)研究院 北京分院，北京 100086）

0 引言

氣動調(diào)節(jié)閥（又稱氣動調(diào)節(jié)器）是以壓縮空氣為動力源的一種自動執(zhí)行器[1]。一般分為直行程氣動調(diào)節(jié)閥和角行程氣動調(diào)節(jié)閥。氣動調(diào)節(jié)閥典型地由閥體、閥內(nèi)件零件、提供閥門操作驅(qū)動力的執(zhí)行機構(gòu)、以及各種各樣的閥門附件組成。氣動調(diào)節(jié)閥門的附件根據(jù)不同類型的調(diào)節(jié)閥包括定位器、轉(zhuǎn)換器、供氣壓力調(diào)節(jié)器、手動操縱器、阻尼器或限位開關(guān)等。氣動閥門診斷系統(tǒng)以CRO為主體，輔以不同類型的傳感器及接口搭建閥門診斷系統(tǒng)硬件平臺。同時將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)自身的特點進行自動分區(qū)，使用最小二乘法擬合的方式[2]求出不同區(qū)域的轉(zhuǎn)折點，并通過殘差法進行擬合分析[3]、相應(yīng)力學(xué)參數(shù)計算等。在無需拆解閥門的條件下實現(xiàn)現(xiàn)場十幾類氣動閥門的性能診斷。

1 系統(tǒng)總體描述

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

氣動調(diào)節(jié)閥門診斷系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由測控系統(tǒng)、接口單元、傳感器（測壓元件/壓力傳感器、行程傳感器）三部分組成。測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)發(fā)送指令、接受采集數(shù)據(jù)、分析處理顯示等功能。測控采集單元主要實現(xiàn)為電器轉(zhuǎn)換器等閥門附件提供激勵、采集現(xiàn)場信號等功能。接口單元主要實現(xiàn)測控采集單元與現(xiàn)場以及傳感器的物理連接。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

氣動調(diào)節(jié)閥診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計采用易于擴展到狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，以Data Service為核心調(diào)用各部分功能引擎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)通信、存儲和回放等多個任務(wù)。

軟件內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示，數(shù)據(jù)采集模塊由CRIO構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集終端，主要用于物理信號同步采集。設(shè)置采樣參數(shù)和讀取采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)給網(wǎng)絡(luò)存儲引擎進行本地存儲和網(wǎng)絡(luò)存儲。調(diào)試引擎將RT軟件運行過程中的狀態(tài)或錯誤信息存儲至本地文件中，同時通過UDP的方式發(fā)送出去。上位機可以接受UDP數(shù)據(jù)，查看設(shè)備信息。網(wǎng)絡(luò)通信引擎主要負責(zé)RT控制器和上位機的通信，它收到數(shù)據(jù)采集引擎發(fā)來的采集數(shù)據(jù)，發(fā)給上位機，同時也從上位機接受到控制指令，比如開始/停止采集、重新啟動控制器等。

圖1 系統(tǒng)硬件組成Fig.1 The hardware composition of the system

圖2 軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 The internal structure of software

圖3 氣動調(diào)節(jié)閥典型氣路分析Fig.3 Pneumatic control valve of typical gas path analysis

圖4 閥門輸入輸出和執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出原始曲線Fig.4 The original curve of valve and actuator input output inputoutput

2 氣動閥門結(jié)構(gòu)及氣路分析

氣動調(diào)節(jié)閥是以壓縮空氣為動力源，以氣缸為執(zhí)行器，借助E/P電氣轉(zhuǎn)換器、定位器、電磁閥、氣動加速器等附件驅(qū)動閥芯閥座的相對運動，來實現(xiàn)開關(guān)量或比例式調(diào)節(jié)[4]。如圖3所示，以失氣狀態(tài)下閥門關(guān)閉的氣路為例簡述閥門各部分作用及氣體過程。

氣動放大器——附屬于定位器或E/P，主要用于壓力信號放大。

過濾減壓閥——提供E/P電氣轉(zhuǎn)換器、定位器適當(dāng)壓力的氣源。減壓閥輸出壓力過低，可能導(dǎo)致閥門開關(guān)不到位，壓力過大可能沖壞閥門膜片。

電氣轉(zhuǎn)換器——接受一個4-20mA的直流輸入信號，通過控制噴嘴擋板和氣動放大器把輸入的電信號轉(zhuǎn)換成氣動輸出信號。

電磁閥——用于氣體排空及閥門關(guān)斷，帶電時3和2通氣流正常通過，失電時1和2通，將氣體排空。

氣動加速器——位于閥門控制最后一級，用于保存定位器輸出壓力大小不變，放大流量，使閥門控制速度加快，一般用于大閥或系統(tǒng)要求響應(yīng)速度快的閥門。

典型氣動調(diào)節(jié)閥門氣路如圖3所示，箭頭方向指示了閥門在執(zhí)行過程壓縮空氣流通的過程。當(dāng)氣源正常提供時，切換閥控制口壓力小于設(shè)定值，A與B通，D與E通，當(dāng)失氣時，切換閥控制口壓力小于設(shè)定值，C與B口通，F(xiàn)與E口通，閥門在氣罐的作用下關(guān)閉。當(dāng)電磁閥帶電時氣路正常流通，當(dāng)閥門失電時，將閥門內(nèi)其他排空，閥門關(guān)閉。

3 氣動閥門故障診斷

氣動調(diào)節(jié)閥門診斷系統(tǒng)可對閥門提供在線和離線測試兩種模式，并將校驗結(jié)果以圖形化的方式顯示。根據(jù)閥門輸入的基本信息，可自動計算氣動調(diào)節(jié)閥門的摩擦力、閥門行程、落座力以及BenchSet等參數(shù)?？扇鏅z查氣動調(diào)節(jié)閥的性能并對預(yù)防性維護[5]提出合理的建議。

3.1 閥門數(shù)據(jù)采集

氣動調(diào)節(jié)閥門診斷系統(tǒng)將電纜和行程傳感器安裝完成后，通過向控制電氣轉(zhuǎn)換器輸入激勵電流，控制閥門執(zhí)行機構(gòu)氣壓的大小進而控制閥芯的上下運行。實現(xiàn)氣動調(diào)節(jié)閥的控制。氣動調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)診斷系統(tǒng)可實現(xiàn)供氣壓力調(diào)節(jié)器輸入輸出測試，電/氣轉(zhuǎn)換器驅(qū)動及校驗，閥門定位器校驗，閥位行程測量，氣動加速器輸出測試等工作。同時可對氣動閥門輸入輸出特性，氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出特性以及時間特性進行分析。從多個角度判斷閥門性能。下面就閥門輸入輸出特性及執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出特性進行分析。

如圖4所示，為某次測試過程中閥門輸入輸出特性和執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出特性的原始數(shù)據(jù)曲線。具體包括激勵電流、閥門行程和執(zhí)行機構(gòu)壓力曲線。

3.2 閥門輸入輸出動態(tài)特性

死區(qū)是指當(dāng)輸入信號發(fā)生信號改變方向時，不能使被測過程變量發(fā)生變化的控制器輸出值的范圍或?qū)挾萚6]。摩擦力是氣動調(diào)節(jié)閥死區(qū)的主要原因，角行程氣動調(diào)節(jié)閥的死區(qū)主要由閥座負載引起的摩擦力引起的，高的摩擦力和低的驅(qū)動應(yīng)變剛度會造成閥軸旋轉(zhuǎn)，無法將運動傳遞給控制元件。直行程氣動調(diào)節(jié)閥的死區(qū)主要是由填料摩擦力引起的，填料摩擦力的大小由閥桿尺寸、填料形式以及由介質(zhì)或螺栓作用在填料上的壓縮負荷決定的。如圖5示橫軸為不斷變化的小階躍電流信號，縱軸為閥位輸出，該閥門輸入輸出動態(tài)特性可表征曲線的非線性度和死區(qū)特性。

每次采集到的數(shù)據(jù)采樣點會根據(jù)設(shè)置進行采集。此次試驗采集點數(shù)為8000，閥門打開過程4000點，閥門關(guān)閉過程4000點。自動將采樣點均分為四部分，保證每個區(qū)域包含一個轉(zhuǎn)折點。再將每個區(qū)域進行如下迭代計算。具體實現(xiàn)流程如圖6所示。

求出轉(zhuǎn)折點后，可分別對上升過程和下降過程，使用最小絕對殘差法分別對上升過程和下降過程在各自的轉(zhuǎn)折點內(nèi)曲線進行擬合，求其上升過程和下降過程的非線性度及平均動態(tài)誤差判斷閥門的輸入輸出特性。如果閥門平均動態(tài)誤差小于3%并且其線性度小于1%，則閥門處于較好的狀態(tài)。

圖5 閥門輸入輸出動態(tài)特性Fig.5 The dynamic characteristics of the valve input output

圖6 轉(zhuǎn)折點求取流程圖Fig.6 Turning points seeking fl ow chart

圖7 執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出特性曲線Fig.7 Perform input/output characteristic curve of mechanism

3.3 執(zhí)行機構(gòu)/定位器輸入輸出特性

在閥體未工作的情況下（或不連閥體），對電/氣轉(zhuǎn)換器輸入4-20mA電流驅(qū)動信號，測量執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)氣壓和閥位輸出。通過執(zhí)行機構(gòu)定位器的輸入輸出判斷閥門彈簧BenchSet，落座力，閥門關(guān)斷力等力學(xué)參數(shù)。

氣動閥門診斷系統(tǒng)自動計算執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出特性曲線的轉(zhuǎn)折點。使用最小二乘法對閥位上升過程和下降過程內(nèi)的點進行擬合出一條中心直線。根據(jù)轉(zhuǎn)折點和中心直線等計算彈簧BenchSet、閥門落座力、閥門摩擦力等參數(shù)。

在執(zhí)行機構(gòu)不連接閥門的時候，執(zhí)行機構(gòu)從開始動作到達到額定行程的過程中去執(zhí)行機構(gòu)膜頭的壓力范圍來代表彈簧預(yù)緊力的參數(shù)。如圖7所示中間的紅線，以兩個X端點對應(yīng)的縱坐標對應(yīng)的氣壓值來表示。通過求取上升過程曲線與中心直線之間的距離，兩平行線之間的部分氣壓值乘以膜片面積計算出的摩擦力。在介質(zhì)排空的情況下，閥門落座過程壓差乘以隔膜面積得到的力稱為落座力。在閥門正常運行的情況下，落座力可通過閥門落座過程壓差乘以隔膜面積得到的力減去介質(zhì)壓力乘以閥門的不平衡面積計算得出。

氣動調(diào)節(jié)閥門診斷系統(tǒng)自動比較配置輸入的彈簧BenchSet、摩擦力、落座力范圍，來判斷閥門性能好壞以及是否滿足閥門關(guān)閉性能要求。

4 結(jié)論

氣動調(diào)節(jié)閥門診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了對氣動調(diào)節(jié)閥門的測試診斷，并根據(jù)其參數(shù)的計算及曲線分析對閥門性能做了性能分析。滿足大修現(xiàn)場對測控系統(tǒng)的要求。同時滿足通道間隔離，通道與現(xiàn)場隔離的特性需求，可以實現(xiàn)非侵入式在線診斷和功能評估。氣動閥門診斷系統(tǒng)集成體積小，易擴展，搭配不同類型傳感器理論上可以支持所有類型氣動調(diào)節(jié)閥門的校驗；適用于惡劣環(huán)境，采集精度高，可長期穩(wěn)定運行，為可預(yù)防性維護提供很好的數(shù)據(jù)和理論支持。

[1]洪勉成,陸培文,高風(fēng)琴.閥門設(shè)計計算手冊[M].北京:中國標準出版社,1994.

[2]楊曙光.關(guān)于最小二乘問題的多點定向擾動分析[J].高等學(xué)校計算數(shù)學(xué)學(xué)報,1982,3.

[3]楊傳森.基于總體最小二乘法的RAIM算法模型改進[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,9.

[4]陳新亞.閥門系統(tǒng)健康狀態(tài)診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用[D].河北保定:華北電力大學(xué),2010,3.

[5]熊君星,劉建勝.基于FMEA的設(shè)備故障管理研究[J].機床與液壓,2012,7.

[6]周小偉.基于DAMADICS平臺的閥門故障分類及典型粘滯故障的建模與補償[D].上海:華東理工大學(xué),2013,1.