柳 曦,夏 鵬,夏 陽

(武漢拓優(yōu)智能股份有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

數(shù)字閥門定位器是連接閥門和分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)的智能終端設(shè)備。從閥門產(chǎn)業(yè)鏈來看，數(shù)字閥門定位器類似于汽車的發(fā)動機(jī)、電腦的中央處理器(central processing unit,CPU)，處于產(chǎn)業(yè)鏈的高端。由于多種原因和因素的交織，閥門產(chǎn)業(yè)鏈的高端市場一直以來被進(jìn)口產(chǎn)品所壟斷，如 Fisher、SAMSON、MASONEILAN、METSO、ABB、FLOESERVE、Foxboro、Azbil、SIEMENS、TYC、TISSIN 等美、歐、日、韓品牌，國內(nèi)品牌普遍缺失。作為代表工業(yè) 4.0 和閥門數(shù)字化的關(guān)鍵設(shè)備，數(shù)字閥門定位器不僅關(guān)乎流程過程控制的產(chǎn)品品質(zhì)和能源效率，還關(guān)乎我國閥門數(shù)據(jù)的安全。

本文通過總結(jié)、分析國內(nèi)外品牌數(shù)字閥門定位器的技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)廠家的技術(shù)儲備、技術(shù)進(jìn)步、行業(yè)規(guī)劃和市場機(jī)遇，對數(shù)字閥門定位器實(shí)現(xiàn)中國制造的技術(shù)路徑提出了有建設(shè)意義的觀點(diǎn)。

1 國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)路線分析

數(shù)字閥門定位器內(nèi)置微處理器，采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、決策生成、雙向通信，實(shí)現(xiàn)閥門定位功能的自校準(zhǔn)、自適應(yīng)及精準(zhǔn)控制，改善閥體兩端的流量特性。數(shù)字閥門定位器更高級的功能是結(jié)合附加的傳感器和專家算法，實(shí)現(xiàn)閥門在線或離線故障診斷，提供維修預(yù)報(bào)。因此，不同于其他儀器儀表產(chǎn)品，數(shù)字閥門定位器是復(fù)雜的小系統(tǒng)，技術(shù)門檻非常高，需要先進(jìn)的傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)、電-磁-氣轉(zhuǎn)換技術(shù)、特殊材料制造和加工技術(shù)、精密制造技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、參數(shù)自診斷技術(shù)、總線通信技術(shù)以及閥門故障診斷技術(shù)。本文將從數(shù)字閥門定位器的低功耗設(shè)計(jì)、自適應(yīng)控制、故障診斷、噴嘴擋板放大器制造技術(shù)等方面展開討論。

1.1 線路低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)字閥門定位器的關(guān)鍵技術(shù)之一是低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。數(shù)字閥門定位器主流產(chǎn)品的供電能量取自DCS或者可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制信號線，沒有外接電源。對于工業(yè)三型標(biāo)準(zhǔn) 4～20 mA 的信號線控制系統(tǒng)，需要解決在3.8 mA以下實(shí)現(xiàn)定位器的驅(qū)動、顯示、采集、運(yùn)算、輸入、輸出以及可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer，HART)通信等全部功能?；陔姶呸D(zhuǎn)化的噴嘴擋板技術(shù)需要消耗大約1.5 mA的驅(qū)動電流，留給主控板的電流只有2.3 mA。因此，其電路的低功耗設(shè)計(jì)是富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。國內(nèi)眾多廠家采用驅(qū)動電流只有10 μA的壓電閥技術(shù)來研發(fā)數(shù)字閥門定位器也是試圖繞開這一技術(shù)屏障。隨著數(shù)字閥門定位器的功能越來越強(qiáng)大，尤其是高級功能的閥門在線故障診斷的提出，需要增加一路氣路輸入、四路輸出壓力檢測和放大器位置檢測這些傳感器信號的采集。這需要多消耗大約四分之一的能量。因此，數(shù)字閥門定位器的低功耗設(shè)計(jì)將面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

數(shù)字閥門定位器的低功耗設(shè)計(jì)可以從以下幾個方面入手。

①提高輸入回路阻抗。

②采用更低功耗的電路設(shè)計(jì)技術(shù)。

③進(jìn)一步提高電源的轉(zhuǎn)換效率。

④分時供電、分時采集、合理睡眠。

⑤優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低能源消耗。

1.2 自適應(yīng)控制技術(shù)

氣動調(diào)節(jié)閥的種類繁多，具有大小不同、生產(chǎn)廠家工藝不同、裝填料不同(如聚四氟乙烯填料、石墨填料等)的特點(diǎn)。因此，閥門的氣阻、靜摩擦力、動摩擦力、死區(qū)、行程、流量特性、故障狀態(tài)等都千差萬別。滿足這些差異化控制，需要數(shù)字閥門定位器的控制策略和算法具有非常高的魯捧特性和強(qiáng)大的自適應(yīng)能力。業(yè)界典型的控制算法有積分分離的比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法[1]、五點(diǎn)區(qū)間法、七點(diǎn)區(qū)間法[2]、斜率法[3]、模糊控制+PID[4]、灰色預(yù)測控制等。這些算法熟優(yōu)孰劣，需要結(jié)合自身電/汽(current intensity/pneumatic,I/P)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)作創(chuàng)新設(shè)計(jì)。典型的數(shù)字閥門定位器先進(jìn)控制策略如圖1所示。

圖1 數(shù)字閥門定位器先進(jìn)控制策略

典型的數(shù)字閥門定位器先進(jìn)控制策略是將I/P放大器的位置以及閥位變化速率作負(fù)反饋納入控制的內(nèi)循環(huán)中，通過提高正向增益快速響應(yīng)閥位的變化，減少死區(qū)和延遲時間。小回路反饋增益以閥位相應(yīng)速度的反饋來調(diào)節(jié)超調(diào)量，從而提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)/控制閥的動態(tài)響應(yīng)和控制精度。

1.3 在線故障診斷技術(shù)

數(shù)字閥門定位器除了實(shí)現(xiàn)閥門的調(diào)節(jié)與控制以外，更重要的是對閥門提供在線故障診斷，實(shí)現(xiàn)閥門預(yù)測性維修管理[5-7]。這也是閥門數(shù)字化的發(fā)展趨勢。以下結(jié)合 Fisher、SAMSON、Foxboro 控制閥診斷軟件的技術(shù)原理和特點(diǎn)展開討論，歸納數(shù)字閥門定位器中國制造的技術(shù)途徑。

1.3.1 Fisher AMS ValveLink控制閥診斷軟件

Fisher AMS VaIveLink早期版本是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，識別和診斷不集成在數(shù)字閥門定位器內(nèi)。這與當(dāng)時的研發(fā)技術(shù)條件有關(guān)。幾經(jīng)迭代升級，后來的定位器軟件版本PD、ODV 版具有在線性能診斷功能，通過定位器存儲30 M/d的數(shù)據(jù)在線進(jìn)行閥門的故障診斷。閥門故障分析是用平臺軟件來完成的。

AMS VaIveLink可以讓用戶隨意訪問由DVC系列數(shù)字閥門定位器得到的信息。尤其是 DVC6000 以上系列數(shù)字閥門定位器，可由用戶監(jiān)視控制閥狀態(tài)和使用性能。AMS VaIveLink可在線診斷 I/P 和氣動放大器的一致性、行程偏差、摩擦力死區(qū)以及趨勢分析，從而直觀顯示特性曲線、動態(tài)死區(qū)與階躍響應(yīng)。AMS ValveLink還可記錄跟蹤程序和批處理運(yùn)行以及觀察控制閥性能的趨勢。在AMS ValveLink 畫面上有紅、黃、綠的故障、報(bào)警、正常狀態(tài)指示，直接反映問題的嚴(yán)重程度，可組態(tài)分類，非常實(shí)用。

1.3.2 SAMSON EXPERT/EXPERT+控制閥診斷軟件

SAMSON對控制閥的預(yù)測性維護(hù)以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的專家系統(tǒng)為起點(diǎn)，以數(shù)字閥門定位器本機(jī)為基礎(chǔ)。其 3730/3731 系列出廠時集成有標(biāo)準(zhǔn)版專家診斷軟件 EXPERT 和需另外購買激活碼的增強(qiáng)版專家診斷軟件 EXPERT+。

標(biāo)準(zhǔn)版EXPERT 在線自診斷包括運(yùn)行時間計(jì)時、過程參數(shù)趨勢圖(行程x、給定值w、偏差e、輸出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(diǎn)校準(zhǔn)次數(shù)、內(nèi)置溫度傳感器的溫度測量、最近的30次報(bào)警、行程累積、啟動監(jiān)視、零點(diǎn)和控制回路監(jiān)視報(bào)警。

增強(qiáng)版EXPERT+自診斷在標(biāo)準(zhǔn)版的基礎(chǔ)上增加了在線過程參數(shù)記錄日志 、行程x和偏差e的短期和長期柱形圖、輸出控制信號y的短期和長期信號圖表、行程方向改變次數(shù)統(tǒng)計(jì)和分析、終端閥位和摩擦力的監(jiān)視等功能。增強(qiáng)版EXPERT+自診斷可在離線狀態(tài)進(jìn)行靜特性測試、階躍信號測試、全行程回差測試等。

由于3730/3731系列只設(shè)計(jì)一個閥位傳感器，沒有氣源、輸出壓力傳感器，定量分析不足，只能依靠殘差理論和專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和推理。以初始化測試的輸出基準(zhǔn)曲線和運(yùn)行閥位(行程)為對比，利用初始化基準(zhǔn)、歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行識別預(yù)測。由于輸出y信號取自 I/P前，該設(shè)計(jì)有一定局限性。

1.3.3 INVENSYS Foxboro VALcare控制閥診斷軟件

INVENSYS Foxboro-Eckardt 是歐洲較大的閥門定位器制造商之一。其 SRD960/991型數(shù)字閥門定位器配用VALcare 控制閥診斷軟件，支持現(xiàn)場設(shè)備工具(field device tool,FDT)/設(shè)備類型管理器(device type manager,DTM)集成到控制/管理系統(tǒng)，支持HART開放通信協(xié)議和過程現(xiàn)場總線-過程自動化(process field bus-process automation，Profibus-PA)、基金會現(xiàn)場(foundation field，F(xiàn)F)總線以及Foxboro 自有的FoxCom,通過HART通信，可使用 PACTware 開放平臺進(jìn)行性能診斷。診斷數(shù)據(jù)存儲在數(shù)字閥門定位器中，數(shù)據(jù)收集可達(dá) 60 d，自檢測和診斷監(jiān)測符合 NAMUR 標(biāo)準(zhǔn) NE107，閥位響應(yīng)和摩擦力都采用柱形圖進(jìn)行分析。VALcare狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷畫面豐富、友好，調(diào)用方便。

1.3.4 數(shù)字閥門定位器中國制造的技術(shù)途徑

實(shí)現(xiàn)數(shù)字閥門定位器中國制造，可以借鑒Foxboro的研發(fā)路線，即：在解決閥門調(diào)節(jié)和控制的前提下，硬件和軟件一步到位規(guī)劃出閥門在線故障診斷功能。

①在滿足低功耗設(shè)計(jì)要求的前提下，數(shù)字閥門定位器除閥門位移傳感器外，需要內(nèi)置氣路壓力傳感器、放大器位置傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器，為閥門故障診斷提供技術(shù)支撐。

②數(shù)字閥門定位器需要結(jié)合硬件能力、低功耗設(shè)計(jì)要求以及診斷算法的先進(jìn)性，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)存儲容量、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)時效。

③數(shù)字閥門定位器內(nèi)置先進(jìn)的故障診斷軟件，在線進(jìn)行運(yùn)算、比較、分析、組態(tài)，完成調(diào)節(jié)閥的動作次數(shù)、行程累加、填料函泄漏診斷、噪聲診斷、環(huán)境溫度診斷、閥門/執(zhí)行機(jī)構(gòu)的摩擦力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號范圍、彈簧鋼度及閥座關(guān)閉力、靜態(tài)測試、階躍過渡過程測試、頻率響應(yīng)特性測試等階躍測試，并將閥門的狀態(tài)用狀態(tài)標(biāo)志符進(jìn)行提示和報(bào)警輸出。

基于數(shù)字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯(lián)云平臺如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯(lián)網(wǎng)云平臺

基于數(shù)字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯(lián)網(wǎng)云平臺是閥門工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的雛形。該平臺將數(shù)字閥門定位器作為智能節(jié)點(diǎn)，協(xié)同DCS完成閥門的調(diào)節(jié)、控制。數(shù)字運(yùn)營基礎(chǔ)設(shè)施(digtal operation infrastructure，DOI)利用同一線路，借助“第二通道”來實(shí)現(xiàn)閥門在線故障診斷[8]。若閥門的控制信號線是4～20 mA輸入方式，則利用HART或Wireless第二通道來實(shí)現(xiàn)閥門故障診斷的數(shù)據(jù)采集。若閥門控制信號采用FF/Profibus-PA 現(xiàn)場總線，則可分時完成閥門控制和故障診斷數(shù)據(jù)采集。DOI端是基于Web只讀客戶端規(guī)劃設(shè)計(jì)的，可以確保不更改設(shè)備配置。這既能有效避免和原有DCS的沖突，又能盡可能降低用戶工藝數(shù)據(jù)泄密的安全擔(dān)憂，從而為建立區(qū)域性或全國性的閥門狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造了技術(shù)條件。

圖2所示的物聯(lián)網(wǎng)云平臺可以為用戶提供以下功能[8-9]：移動通知、數(shù)字化報(bào)告、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)、閥門在線故障診斷、射頻識別(radio frequency identification，RFID)、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程專家服務(wù)、NAMUR組織的開放架構(gòu)(network open agility，NOA)、支持企業(yè)資源計(jì)劃(enterprise resource planning，ERP)、計(jì)算機(jī)化維護(hù)管理系統(tǒng)(computerized maintenance management，CMMS)的集成。

1.4 I/P 放大器技術(shù)綜述

數(shù)字閥門定位器的基礎(chǔ)功能是實(shí)現(xiàn)閥門的精準(zhǔn)定位控制。因此，可靠性是前提，快速響應(yīng)性是保障。可靠性保障的重要部件是I/P放大器。從原理分析，國內(nèi)外數(shù)字閥門定位器I/P放大器大致可以分四種類型。國內(nèi)外數(shù)字閥門定位器I/P放大器技術(shù)路線如表1所示。

表1 國內(nèi)外數(shù)字閥門定位器I/P放大器技術(shù)路線

對于表1需作以下說明。

①靜態(tài)線圈的噴嘴擋板有Fisher、SAMSON、ABB、Azbil、YTC、拓優(yōu)、鷹創(chuàng)，屬于國際主流。

②動態(tài)線圈噴嘴擋板有METSO、萬訊。

③容積式放大器代表產(chǎn)品為Masoneilan的SVI II AP。其優(yōu)點(diǎn)是易更換、耐用;不足是部件太多。

④緩沖閥式放大器代表產(chǎn)品為Fisher DVC62000。其優(yōu)點(diǎn)是單雙作用易實(shí)現(xiàn);不足是可動部件不耐用。

⑤提升閥式放大器代表產(chǎn)品為MasoneilanFVP。其優(yōu)點(diǎn)是氣耗低、電耗低;不足是調(diào)節(jié)性能不好，不易檢修。

由表1可知，噴嘴擋板結(jié)構(gòu)I/P各廠家各具特色、技術(shù)不對外公開，如：噴嘴擋板結(jié)構(gòu)有靜態(tài)線圈和動態(tài)線圈之分；膜閥結(jié)構(gòu)放大器有容積式、緩沖閥式和提升閥式三種。

1.4.1 壓電閥技術(shù)

壓電閥技術(shù)就是利用材料的壓電特性，施加到材料一定的電壓對應(yīng)一定的材料形變。利用這個特性制做先導(dǎo)閥來調(diào)節(jié)膜閥或滑閥的氣體流量是可行的方案。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：幾乎不耗電，驅(qū)動電流只有10 μA，大大降低線路板的低功耗設(shè)計(jì)要求；抗振性好，振動大的現(xiàn)場，應(yīng)用有優(yōu)勢；I/P部件，德國賀爾碧格全球可以訂制，降低了基于該技術(shù)研發(fā)數(shù)字閥門定位器的技術(shù)門檻。國外的代表產(chǎn)品有SIEMENS、FLOESERVE 等。以SIEMENS 產(chǎn)品為技術(shù)藍(lán)本，國內(nèi)眾多廠家紛紛推出了基于壓電閥技術(shù)的定位器產(chǎn)品，如萬訊、川儀、易捷、鷹創(chuàng)、博流、摩控等廠商。

壓電閥技術(shù)缺點(diǎn)表現(xiàn)在：壓縮空氣含水、含油，尤其是含油，會導(dǎo)致壓電材料的位移形變量發(fā)生變化，影響先導(dǎo)孔的大小，使定位器發(fā)生喘振，造成控制失效；驅(qū)動壓電閥采用占空比可變的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)來實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣密性不好或氣路管道的微泄漏也會引起喘振，導(dǎo)致控制效果變差。

SAMSON、YTC 停產(chǎn)了業(yè)已開發(fā)的壓電閥技術(shù)的定位器，就是順應(yīng)市場的需要。目前有一個趨勢：國內(nèi)大型主流用戶特別是高危石化行業(yè)，在多年對比使用定位器經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步傾向于噴嘴擋板技術(shù)的數(shù)字閥門定位器，開始排斥壓電閥技術(shù)的定位器在大型項(xiàng)目上的應(yīng)用。這一現(xiàn)象事關(guān)數(shù)字閥門定位器中國制造的技術(shù)路線問題，值得國內(nèi)行業(yè)管理者、從事數(shù)字閥門定位器生產(chǎn)廠家的高度重視。

基于壓電閥技術(shù)作先導(dǎo)閥，結(jié)合膜閥和滑閥結(jié)構(gòu)，又派生出I/P放大器設(shè)計(jì)兩大技術(shù)流派。

①壓電閥+膜閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器。

典型的壓電閥+膜閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理如圖3所示。該放大器的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是利用安裝在“隨轉(zhuǎn)閥”的磁芯，采用霍爾傳感器來檢測“隨轉(zhuǎn)閥”的位移，既可以參與 PID 內(nèi)循環(huán)控制、改善閥門的控制效果，又可以為閥門在線故障診斷提供數(shù)據(jù)孿生。公開技術(shù)資料表明，目前 SIEMENS 市面的主流產(chǎn)品和國內(nèi)壓電閥定位器都還沒有采用這個技術(shù)方案。如走高端技術(shù)路線，這個技術(shù)是必須的。

圖3 典型的壓電閥+膜閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理示意圖

②壓電閥+滑閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器。

典型的壓電閥+滑閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理如圖4所示。

圖4 典型的壓電閥+滑閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理示意圖

對于滑閥結(jié)構(gòu)的放大器，其優(yōu)點(diǎn)是單或雙作用在一個結(jié)構(gòu)里實(shí)現(xiàn)；可以實(shí)現(xiàn)Cv大流量的輸出；易于維護(hù)和清潔；滑閥的運(yùn)動行程相比于膜閥結(jié)構(gòu)的放大器更容易提取，穩(wěn)定性好；配合三路氣壓監(jiān)測，易于實(shí)現(xiàn)閥門的故障診斷。該放大器的缺點(diǎn)是氣耗量大，以及氣源質(zhì)量不好時容易發(fā)生堵塞。

1.4.2 噴嘴擋板技術(shù)

噴嘴擋板技術(shù)是典型的電-磁-氣轉(zhuǎn)換技術(shù)。一定的線圈驅(qū)動電流，對應(yīng)一定的噴嘴和擋板距離。要調(diào)整這個距離，就必須改變先導(dǎo)氣室里背壓的大小，從而調(diào)節(jié)膜閥或滑閥的氣體流量，驅(qū)動氣缸執(zhí)行器動作，實(shí)現(xiàn)閥門開度控制和調(diào)節(jié)。該技術(shù)的優(yōu)勢是輸出平滑，并且抗粉塵、油污的能力強(qiáng)，已經(jīng)成為業(yè)界開發(fā)智能閥門定位器的主流技術(shù)。Fisher、SAMSON、METSO、ABB、Azbil、YTC、拓優(yōu)等品牌定位器都采用噴嘴擋板技術(shù)方案。

(1)兩種結(jié)構(gòu)的I/P放大器。

噴嘴擋板技術(shù)結(jié)合膜閥或滑閥，派生出兩種結(jié)構(gòu)的I/P放大器。

①噴嘴擋板+膜閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器。

典型的噴嘴擋板+膜閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理如圖5所示。

圖5 典型的噴嘴擋板+膜閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理圖

圖5所示為業(yè)界的主流設(shè)計(jì)。國外的典型代表有Fisher DCV6200、SAMSON 3730/3731、Masoneilan SVI II AP、ABB TZID-C、 Azbil AVP300/AVP700、Foxboro SRD960/991、YTC YT3300。國內(nèi)的典型代表有拓優(yōu)、北方光電、鷹創(chuàng)等。目前，國內(nèi)廠商各自從三種不同的結(jié)構(gòu)作技術(shù)儲備和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，大大縮短了和進(jìn)口品牌的技術(shù)差距。噴嘴擋板I/P關(guān)鍵的設(shè)計(jì)技術(shù)是如何提高噴嘴的電磁轉(zhuǎn)化效率、如何提高噴嘴零件的靈敏度和可靠性、如何設(shè)計(jì)耐壓高的放大器、如何保持隨轉(zhuǎn)閥的靈敏度以及如何做故障保位設(shè)計(jì)。這些都事關(guān)產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品性能，也是極富挑戰(zhàn)性的技術(shù)。

②噴嘴擋板+滑閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器。

典型的噴嘴擋板+滑閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理如圖6所示。線圈設(shè)計(jì)有靜態(tài)和動態(tài)之分。 圖6(a)結(jié)構(gòu)的放大器線圈是靜態(tài)的，擋板是活動的。這個結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出靈敏度非常高的噴嘴，利用噴嘴工作點(diǎn)的遷移，容易實(shí)現(xiàn)故障保位。ABB EDP300 、拓優(yōu)TOP-5879F1-D51就是靜態(tài)線圈設(shè)計(jì)的成功案例。圖6(b)結(jié)構(gòu)的放大器線圈是動態(tài)的。線圈通電后，在電磁作用下線圈上下運(yùn)動，從而帶動固定在線圈的擋板上下移動，實(shí)現(xiàn)噴嘴背壓的調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)緊湊型的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。METSO的ND9000、萬訊的MVP5300 就是動態(tài)線圈設(shè)計(jì)的代表。

圖6 典型的噴嘴擋板+滑閥結(jié)構(gòu)的I/P放大器原理示意圖

(2)國內(nèi)噴嘴擋板技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀分析。

噴嘴擋板技術(shù)的短板主要體現(xiàn)在技術(shù)設(shè)計(jì)層面上的高要求，具體表現(xiàn)在以下方面。

①驅(qū)動電流大，如進(jìn)行保位控制需要預(yù)留最大1.5 mA的驅(qū)動電流，是壓電閥驅(qū)動電流的150倍，大大提高了產(chǎn)品低功耗設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻。

②噴嘴擋板技術(shù)利用噴嘴和擋板之間不到1 mm的位移來調(diào)節(jié)噴嘴背壓，實(shí)現(xiàn)放大器大流量的氣路調(diào)節(jié)，需要噴嘴擋板具有非常高的靈敏度、高效的電磁轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定的機(jī)械特性。

TORLEO系列智能閥門定位器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 TORLEO系列智能閥門定位器結(jié)構(gòu)圖

近年來，國內(nèi)有些廠家運(yùn)用電磁學(xué)、材料學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)和精密加工技術(shù)，充分消化吸收進(jìn)口產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，從模仿到創(chuàng)新，走出了一條自具特色的道路。

①以日本山武 SVP3000 Alphaplus 為藍(lán)本，從技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外形都堅(jiān)持走模仿研發(fā)路線。當(dāng)然，單純模仿，一旦關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)入瓶頸就鮮有突破。

②以美卓METSO為藍(lán)本，采用噴嘴+滑閥結(jié)構(gòu)。其中，噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，線圈設(shè)計(jì)成動態(tài)部件來帶動擋板移動。該技術(shù)國內(nèi)已經(jīng)取得了突破。

③以 Fisher 為藍(lán)本，推出的噴嘴+膜閥結(jié)構(gòu)的智能閥門定位器。公開資料表明，該定位器創(chuàng)新了藍(lán)牙操作設(shè)計(jì)，而其是否攻克了關(guān)鍵材料應(yīng)用的所有問題仍有待市場應(yīng)用觀察。

④自主知識產(chǎn)權(quán)的TOP-5879F1系列產(chǎn)品智能閥門定位器。該產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計(jì)，反饋和HART功能方便用戶選擇；故障閉鎖和故障安全功能方便用戶定制；軟件可以實(shí)現(xiàn)分程控制及短行程測試；獨(dú)特的噴嘴擋板+膜閥結(jié)構(gòu)，提高了氣源抗粉塵和油污的能力；快速一鍵自整定讓智能閥門定位器易于安裝及調(diào)試；數(shù)據(jù)備份解決了故障定位器在線置換的應(yīng)用難題；內(nèi)置閥門上下限觸點(diǎn)輸出，方便和系統(tǒng)進(jìn)行連鎖控制。

2 數(shù)字閥門定位器實(shí)現(xiàn)中國制造的思考

根據(jù)盛智中研的報(bào)告，到2020年，我國智能閥門定位器市場容量達(dá)到 100 億元的規(guī)模，85%依賴進(jìn)口?；跀?shù)字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成熟后，市場可以再貢獻(xiàn)2 000 億元以上規(guī)模，占2萬億元中國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的10%。閥門數(shù)據(jù)安全是行業(yè)痛點(diǎn)，事關(guān)國家安全。為此，中國儀器儀表行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃將智能閥門定位器納入發(fā)展重點(diǎn)，并就發(fā)展途徑指明了方向，即注重創(chuàng)新、精準(zhǔn)定位、聚焦發(fā)展，培育具備獨(dú)特核心優(yōu)勢的頭部企業(yè)和隱行冠軍企業(yè)[10]。

2.1 加大國家政策引導(dǎo)和產(chǎn)業(yè)政策扶持

①以市場做推手，出臺相關(guān)政策(如稅收優(yōu)惠、國貨補(bǔ)貼等)鼓勵電力、冶金、化工、石油、煤化工、造紙等大行業(yè)用戶在非重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大量使用國產(chǎn)品牌數(shù)字閥門定位器，培育國產(chǎn)數(shù)字閥門定位器的成長環(huán)境。

②鼓勵閥門行業(yè)換思維、變模式，參與并加持?jǐn)?shù)字閥門定位器的中性品牌的運(yùn)營和建設(shè)，做強(qiáng)閥門產(chǎn)業(yè)鏈。

③設(shè)立智能閥門定位器“中國制造”國家專項(xiàng)產(chǎn)業(yè)扶持資金，選擇有初心、能創(chuàng)新、有技術(shù)基礎(chǔ)的企業(yè)牽頭，聯(lián)合數(shù)家有專長的企業(yè)和高校參與，用兩年時間攻克制約行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)高端智能閥門定位器中國造；再用三年時間，解決數(shù)字閥門定位器中國制造的“卡脖子”難題。

④鼓勵國產(chǎn)DCS廠家、大型閥門企業(yè)參與閥門故障診斷系統(tǒng)的融合研發(fā)和設(shè)計(jì)。

⑤積極引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)資本加持培育數(shù)字閥門定位器頭部企業(yè)和隱性冠軍企業(yè)，在資本市場上市運(yùn)作，給政策、開綠燈。

2.2 模仿中注重持續(xù)創(chuàng)新

模仿是一種創(chuàng)新，尤其是對中小企業(yè)。但要注意，不能簡單模仿，更不能抄襲，一定要充分消化產(chǎn)品的技術(shù)原理，站在巨人的肩膀上創(chuàng)新。這樣才能彎道超車，盡快實(shí)現(xiàn)中國制造。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)，專業(yè)化進(jìn)行生產(chǎn)和制造

結(jié)合我國產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，從技術(shù)路線、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品測試到產(chǎn)品應(yīng)用，形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，從而指導(dǎo)數(shù)字閥門定位器產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。專業(yè)化才能品質(zhì)化、大規(guī)模才能成本化。這是工業(yè)制造的必由之路。

3 結(jié)論

流程工業(yè)過程控制，由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制模式轉(zhuǎn)變，建立智能工廠是行業(yè)發(fā)展趨勢，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，配置智能傳感、智能控制儀表、智能檢測和智能分析裝備實(shí)現(xiàn)中國制造是大勢所趨。近年來，國產(chǎn)智能閥門定位器的研發(fā)已經(jīng)取得了長足的技術(shù)進(jìn)步，尤其是對技術(shù)含量非常高的噴嘴擋板式智能閥門定位器的研發(fā)與世界頂尖技術(shù)產(chǎn)品的差距正不斷縮小。國產(chǎn)智能閥門定位器企業(yè)需以國際視野關(guān)注行業(yè)技術(shù)進(jìn)步；以包容開放的胸懷，加強(qiáng)合作，共同進(jìn)步；以匠心和情懷，做精產(chǎn)品、做優(yōu)服務(wù)。只要行業(yè)政策精準(zhǔn)到位，國內(nèi)行業(yè)重點(diǎn)用戶企業(yè)、行業(yè)設(shè)計(jì)院、閥門制造企業(yè)敢樹標(biāo)桿，堅(jiān)持國貨，數(shù)字閥門定位器全面實(shí)現(xiàn)中國制造一定為期不遠(yuǎn)。