智能阀门定位器的气动部件

2010-05-29萨姆森控制设备中国有限公司北京100176李宝华

自动化博览 2010年9期

（萨姆森控制设备（中国）有限公司，北京 100176）李宝华

1 引言

在流程工业过程强化、功能安全和现场设备资产管理的强劲需求下，控制阀数字解决方案成为近年来控制阀制造厂商研发的重点，市场上数字式阀门定位器不断涌现，多数产品实际算不上智能阀门定位器，只有一部分产品是真正具有数据处理、状态识别和故障智能诊断的决策生成、在线和离线测试、双向通信等功能的智能阀门定位器，可以实现控制阀预测性维护和资产管理。同时也注意到，在计算机技术、电子技术、通信技术、智能预估诊断技术飞速发展的大环境下，智能阀门定位器的固件易于研发和技术提升。固件包含硬件和软件，且已经是固件依存功能、硬件依存软件的局面，在板微处理器、应用软件、专家软件及功能模块和接口，都有不俗的设计和组合，且紧随新技术发展而固件版本升级不断。但要看到，智能阀门定位器内部最终产生控制阀气动驱动压力的气动部件性能和表现也是影响高可用性和安全可靠性的重要因素。

2 阀门定位器市场

源自ARC咨询机构2007报告[1]，2006年全球用于控制阀的各类阀门定位器产品销售6.576亿美元，占有市场份额85%的公司排名前11位见图1，其余众多公司仅占有市场份额15%。发展到2009年，全球阀门定位器市场格局并没有发生大变化。同时，排名前11位的公司也是智能阀门定位器的领军厂商，中国市场上常见的智能阀门定位器也主要出自这11家公司。

图1 阀门定位器全球市场格局/份额

在中国市场上，用于控制阀的智能阀门定位器主要的国外品牌有：艾默生—费希尔（EMERSON-Fisher）的DVC6000/DVC2000、福斯（Flowserve）的Logix 3000/5000/1400、PMV-D3、美卓—耐莱斯（Metso-Neles）的ND9000、德莱赛—梅索尼兰（DRESSER-Masoneilan）的SVI II AP、西门子（Siemens）的SIPART PS2、萨姆森（SAMSON）的3730-2/-3/-4/-5和3731-3/-5、英维思—福克斯波罗—埃卡（IPS-Foxboro-Eckardt）的SRD960/991、ABB-H&B的TZIDC、阿自倍尔（azibil（山武Yamatake））的SVP 3000等。

3 智能阀门定位器

根据国标GB/T22137.2-2008（等同IEC 61514-2:2004）《工业过程控制系统用阀门定位器第2部分：气动输出智能阀门定位器性能评定方法》中3.1条的定义[2]：

智能阀门定位器（intelligent valve positioner），是以微处理器技术为基础，采用数字化技术进行数据处理、决策生成和双向通信；它可以通过配备附加的传感器和附加的功能来补充其主要功能。

在智能阀门定位器的常规模型中，气动部件属于“输出子系统”，用于将数字信息转换为控制执行机构的气动信号。GB/T22137.2-2008第4.1.7条“输出子系统”对气动部件基本设计做了描述。

4 智能阀门定位器的气动部件

智能阀门定位器的气动部件一般为先导部分和功放部分的组合，先导部分主要使用两类技术：一个是基于非对称构造晶体的压电逆效应材料的压电阀技术，通常是接受数字信号（电脉冲）两位动作气动输出；一个是基于电磁原理和气动喷嘴/挡板机构的I/P转换器技术，通常接受模拟电信号连续动作气动输出。在先导部分之后都有气动放大器或气动滑阀一类的功率放大输出部分。前一类的压电阀片或压电阀+气功放组合件多为外购件或OEM定制，而后一类的I/P转换器+气动放大器组合件多是自有技术生产的。

4.1 压电阀组件

压电晶体是一种陶瓷功能材料，晶体为非对称中心的构造，可逆转换电能和机械能，外力可致该晶体形变和正压电效应，外加电场可致该晶体产生电极化和出现应变或应力的逆压电效应。压电阀正是基于压电逆效应，具有节能低功耗（驱动电流仅10微安）、精密微型化、高速响应和耐用性好的显著特点，也易于阀门定位器全数字化。目前，智能阀门定位器气动部件中的压电阀组件大都来自德国贺尔碧格（hoerbiger）自动化技术公司，主要是P9系列压电阀片（先导部分）和OEM P20系列压电阀组件[3]，PS2使用的压电阀组件也是向贺尔碧格定制的。贺尔碧格压电阀工作原理参见图2。

图2（a）是先导用的P9系列压电阀片的工作原理。结构为极薄弹性金属片两面粘结压电晶体，在压电片的两个工作面上真空镀膜形成两个电极，利用压电片在电场作用下的变形，来实现微型气路两位式开关换向。不通电时压缩空气输入孔1被封闭，输出孔2和通大气孔3相通，输出气压为大气压，相当于阀关；通电时上层晶体收缩，下层晶体伸长，上翘机械变形可有几十微米，通大气孔3封闭，压缩空气由孔1流向孔2，输出气压信号，相当于阀开。压电片弯曲度与输入电压有关，响应时间小于2ms，两位开关动作的滞环约为电压4V。压电阀也可制成比例输出型，但因其上下行存在较大滞环（动作电压约相差2V左右），故很少有在智能阀门定位器气动部件使用比例型压电阀的。

图2（b）是P20系列压电阀组件的工作原理。P20由P9先导压电阀片、气功放（或称主阀）、微减压器和30μm过滤器组成，对外呈气路两位三通特征。工作电压24VDC、响应时间小于20ms、气源压力120～800kPa、最大气量7.8Nm3/h。左侧是断电状态，右侧是通电状态。当P9动作接通先导气路孔2时，作用在气功放的膜片上推动主阀打开并关闭排气口，形成大的气量输出。当P9动作封住气路孔1，孔3通大气，气功放膜片上作用力为0（大气压），主阀关闭主气路和输出连通排气口。

图2 压电阀工作原理

压电阀结构的智能阀门定位器通常是采用两个P20系列压电阀组件（PV1、PV2）和两个单向阀（RV1、RV2）组成气动部件，如图2（c）所示。气动组件可有三种气路逻辑状态：

PV1通电、PV2通电、RV1打开、RV2关闭：输出气压信号到控制阀气动执行机构，如图2c；

PV1断电、PV2通电、RV1关闭、RV2关闭：气路封闭状态，封住通到气动执行机构的气路气压；

PV1断电、PV2断电、RV1关闭、RV2打开：排气，气动执行机构膜室经压电阀气路通大气。

这类智能阀门定位器一般采用PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制方法驱动压电阀组件，PWM软件自适应调整，以满足气动输出需求。当定位偏差大时，CPU发出宽幅脉冲指令，当定位偏差小时，CPU发出脉宽窄的脉冲指令，当定位偏差在允许值内时，CPU没有脉冲指令，压电阀组件封住外气路。定位控制可达到1%基本偏差，压电阀组件功耗非常低，稳态耗气量也相当低，但对压缩空气质量要求高一些。另一方面，对气动执行机构以及外部气管路的气密性要求很高，当有膜室或气管路泄漏大时，压电阀组会频繁动作，有时PWM也难以适应，常导致阀位振荡或造成压电阀组件故障。

图3 I/P转换器工作原理

4.2 I/P转换器组件

I/P转换器基于传统的电磁技术和气动喷嘴挡板机构，技术成熟，灵敏度高，信号有一定功率且平滑线性好；机械零部件较多些，开放式喷嘴持续排气的耗气量也比压电阀片大一些，电磁线圈也要考虑电磁干扰问题。喷嘴挡板机构先导信号（喷嘴背压）送给气动放大器进行进一步功率（压力×气量）放大，以便长距离输送和驱动气动执行机构。气动放大器结构简单、稳定可靠，输出气量也大，对压缩空气质量要求也略低一些。智能阀门定位器通常是CPU模糊PID运算结果经D/A给I/P转换器模拟电信号进行转换并由气动放大器连续气动输出的；或者CPU之外的定位控制电路直接输出电信号给I/P转换器；也有CPU输出数字信号让I/P转换器两位动作带动多位多通滑阀进行气动输出的。

图3（a）是一种低功耗（小于5mW）微型I/P转换器（用于SAMSON 3730/3731系列）的工作原理图[4]。体积很小（22×22×12mm），没有磁钢单元。气源通过减压定值和恒节流孔经线圈中心的气管路从喷嘴与挡板间隙流出。电信号接到线圈产生电磁力，使衔铁（挡板）微位移，使喷嘴与挡板间隙改变，使喷嘴背压即I/P输出改变并与电信号成比例。由于对I/P转换器气源设计有微型减压定值器，所以不受定位器外部气源压力的影响，稳态耗气量基本为定值。对挡板有阻尼防抖动设计，稳定性好。

图3（b）是一种杠杆（挡板）力平衡结构的I/P转换器（用于ABB TZIDC）的工作原理图，靠近线圈一端带有磁铁的杠杆绕中心支点偏转，电信号接到线圈在轭架空气间隙处产生电磁场，施加给磁铁一个力使杠杆偏转即使挡板靠近或偏远喷嘴，使喷嘴背压改变，再经气功放输出。

图3（c）是一种比较传统的I/P转换器（用于azibil山武 SVP 3000（AVP 30x）），仍是磁单元结构，体积和功耗都比较大，线圈接通电信号后，在与磁钢磁场的共同作用下使可动挡板位移，靠近或远离喷嘴致使喷嘴背压变化，并影响到气动放大器输出。考虑到电气防爆，在线圈和磁单元之间加有隔板。

4.3 气动信号功率放大

压电阀或喷嘴挡板机构的I/P转换器都是将微小位移转换为气压信号，但由于气源流过气孔或恒节流孔，功率很小，需要进一步气动信号功率（压力×气量）放大，配置气功放或气动放大器以及气动多位多通滑阀等。气功放实质是一个有一定流通能力的开关阀，而气动放大器品种繁多，结构各异，基本原理都是采用继动式弹性元件力平衡、双阀控制进气和排气，一般不会采用耗气大的节流式气动放大器。继动式气动放大器在稳态时，弹性元件（单膜片或膜片组）上的力相互平衡，进气阀和排气阀基本处于关闭状态，耗气较小；力平衡发生变化时，动作反应快，动态形态性能好，输出气量也大。传统的气动放大器应用已久，简单可靠，本文不再赘述。