智能阀门定位器的应用和发展趋势

郭 宏

（宝钢集团新疆八一钢铁有限公司 能源中心设备室，新疆 乌鲁木齐830022）

0 引言

现场过程控制的往往由几十成百个控制回路组成，每一个控制回路都会接受现场过程量的变化或从内部产生干扰，对过程控制变量产生决定性的影响。不同回路之间的相互作用也会产生影响过程变量的扰动。各种一次检测仪表收集过程变量的信息，控制器接受这些信息并进行处理，使得过程变量在负载扰动发生后恢复到它的正常范围。控制回路中最常用的终端控制元件就是控制阀。而控制阀的可靠动作依靠阀门定位器进行驱动，因此最终过程变量的控制精度、稳定性很大程度上取决于定位器。

近年控制阀制造业随过程控制快速发展而发展，国际知名品牌大量进入国内市场，如 FISHER、DRESSER、FLOWSERVE、TYCO、KOSO、SAMSON、ABZIL、METSO等。这些国外品牌更带来了先进的控制阀技术和多样化的产品，以及技术比较、借鉴的机会，特别是使调阀的核心部件数字智能阀门定位器在国内应用以及开发得到了长足的发展。数字式阀门定位器是新一代高性能的电气阀门定位器，采用在线微处理器、应用软件和功能模块，可实现定位功能的自校准、自适应、阀位控制和控制阀的在线自诊断及离线测试、本机显示或附加更多功能以及数字通讯和集成到控制系统，还具有免维护运行特征。

1 智能阀门定位器的特点、组成、原理

1.1 特点

1.1.1 智能阀门定位器的控制精度较高

可以实现控制阀的精确控制，从而提高系统的控制水平。另外，智能阀门定位器可以方便设置阀门特性曲线，比如等百分比特性，西门子 PS2 系列就提供了 1：25、1：33、1：50 三种特性，ABB 公司提供了 1：25、1：50两种特性。另外，如果用户对定位器内置阀门特性不满意或有特殊要求，可以通过自定义特性曲线功能进行自定义阀门特性曲线的设置。各公司智能阀门定位器提供10～20段曲线的设置。

1.1.2 省气、节约能耗，保持气源压力的稳定

常规定位器的稳态耗气量在350升/小时，智能定位器稳态耗气量在30升/小时，一方面可节约运行成本，另一方面保持仪表风压力的稳定，保证装置的可靠运行。

1.1.3 调试过程简单

对智能定位器来说，调试过程非常简单，只需进行简单的初始化即可。以西门子PS2为例，只需按3个按纽并设置几个简单参数，就可以自动完成初始化过程。更方便的是，把设置好的参数上载到计算机中，可以再通过下载成批的复制到相同工况的定位器中，大大节约人力和时间。

1.1.4 智能化的通讯方式

对我们过程工业来说，最常用的是HART通讯，或是FF现场总线。在实际应用中，若采用HART通讯（最常用），通过相应的软件和硬件，可以把全厂的智能定位器的所有参数保存到计算机中。当需要对智能定位器进行维护或更换时，可以从信息库中方便的检索到仪表参数并快速下载到阀门定位器中，最大限度地减小生产损失。

1.1.5 方便快捷设置分程调节

根据需要，工程设计中需要用一个输入信号实现控制两台或多台控制阀，这就需要阀门定位器只对输入信号的某个范围有响应，智能定位器可以很方便的通过软件或手动设置分程调节的起点和终点。

1.1.6 丰富的故障诊断功能

智能定位器通过厂家提供的故障诊断软件，可以诊断阀门的泄露量、阀填料、阀芯磨损以及硬件运行故障等。

1.2 组成、原理

数字智能定位器采用模块式组件，主模件包括主控板、电/气转换器和气动组件等3个子模件。

图1 数字智能定位器工作原理图

数字智能定位器工作原理图输入信号通过双绞线传输给主控板上的微处理器，经运算后由I/P将数字信号转换成气动信号，驱动气动执行机构使调节阀行程达到给定的位置。

由于数字智能定位器采用了微处理器技术和新型的传感器技术及现场总线技术，使其不仅仅只是一只阀门定位器，而是智能数字控制器和阀门定位器集成的新型智能数字控制器。它大大提高了作为控制回路终端执行元件——调节阀的精度，使其达到0.5%，极大地改善了控制回路的调节品质。同时它使控制功能下移至现场仪表，实现了控制系统的风险彻底分散。

2 应用

2.1 安装调试

依据各智能阀门定位器的技术要求检查定位器连杆是否符合要求，接线正确，给定位器提供1.4～7bar的工作气源和18～35V电压源或4～20mA电流源。

调试：智能定位器的调试较简单,一般进行定位器的自动或手动初始化即可。初始化的过程,实际是定位器微处理器采集执行机构数据,从而与该执行机构相匹配的过程。定位器能自动测定执行机构的作用方向，行程时间，并配以手动设置其它少量的参数，多数参数默认即可。

一般设置的手动参数为：阀门的形式(角行程、直行程）、阀门的正反作用，反馈信号的正反等。

2.2 维护

在线更换智能定位器：

智能阀门定位器支持智能通信，通信的方式有HART通信，Profibus总线通信，Foundation Fieldbus总线通信。通过通信，可以把所有智能定位器初始化的参数数据（脉冲宽度、上下行程运行时间等）上传到系统中并加以保存。

通过HART通信，可以把智能阀门定位器中的数据上传到控制系统中，笔记本中，或HART手操器中，反之，也可以把这些数据下载到现场的智能阀门定位器中。

通过Profibus通信，可以把定位器中的数据上传到控制系统中，笔记本中；通过FF通信，可以把定位器中的数据上传到控制系统中或手操器中，反之，也可以把这些数据下载到现场的智能阀门定位器中。

以下是基于HART通信的西门子智能阀门定位器在线更换的步骤，Profibus和FF总线通信的智能阀门定位器的在线更换步骤可以参考进行。

1）获取要被更换的智能阀门定位器的数据参数。用PDM(Process Device Manager)软件，通过HART通信，把现场定位器的参数上传到系统中，或笔记本中；也可以用HART手操器直接读取。如果系统已经保存了这样的定位器数据，则不必重新上传。下一步，把这些参数数据下载到新的定位器中。

2）用机械或气动的方法把执行机构固定在当前位置(Keep in Place)。3）读取并纪录被更换的阀门定位器的显示值。如果已经失电，则记录当前实际阀位。

4）拆卸定位器。在新定位器上安装所有附件，然后把新定位器安装到调节阀上。

5）接通仪表信号，调节调整轮，使新定位器液晶显示的阀位置与记录数值相符。

6）取下机械锁定装置。新安装的智能阀门定位器可以投运了。建议：可把智能阀门电位器的参数预先备份在系统中或笔记本中。SIEMENS厂家在现场在线更换过阀门定位器，更换新的阀门定位器后，与原有阀位相比，误差不超过1%，所以这种方法是可行的。从西门子在世界范围的服务经验来说，也多次为用户提供这种服务。

2.3 预测性维修

控制阀典型维修方式:被动性维护、预防性维护（定修）、预测性维护。

预测性维护：故障预估、识别与诊断分析的维修方式，也称为预见性维修。预测性维修是使用计算机辅助故障识别和诊断技术（专家诊断系统）进行超前监测和诊断预警的维护方式。数字式阀门定位器的应用使阀门的预测性维修成为可能。

数字式阀门定位器安装配置到控制阀，其自带阀位（行程）、气输出、气源等参量传感器可以直接进行状态监测、内部集成的自诊断功能也日益强大，并具有通讯功能（HART、PROFIBUS、FF等）、支持FDT/DTM、DD/EDDL，使用专家诊断软件和开放架构，使控制阀通过数字式阀门定位器在线自诊断和预测性维护，提升并维持了性能，减少了运行故障和提高了使用寿命，有显著的经济效益。

1）FISHER：艾默生过程管理费希尔阀门推出AMS VALVELINK VL7.3可在线诊断I/P和气动放大器的一致性、行程偏差和摩擦力死区和趋势分析，可直观显示特性曲线、动态死区与阶跃响应及其数据。还有跟踪程序和批处理运行以及观察控制阀性能的趋势。在监控画面上有红/蓝/绿的故障、报警、正常状态显示，直接反映问题严重的程度。尤其是对控制阀摩擦力的测试和分析有确切的数据提供出来，是分析填料涵、密封填料工作状态和是否性能退化的依据。

2）SAMSON：萨姆森对控制阀预测性维护是以故障识别、逻辑思维推理、鲁棒性的专家系统为起点，以数字式阀门定位器本机为基础加装专家诊断软件，先后推出标准板EXPERT、增强板EXPERT+、全功能板EXPERT PLUS以及监控软件TROVIS–VIEW，可在线自诊断包括：运行时间计时、过程参数趋势图（行程X、输入控制信号即给定值W、偏差E、输出控制信号Y）、硬件和存储器的安全监视功能、行程传感器监视、初始化次数和零点校准次数、内部温度传感器的温度测量、最近30次的报警、行程累计、启动监视、行程方向改变次数统计和分析、终端阀位和摩擦力的监视。故障诊断：例如阀位输出检测故障诊断图表，图中黑色曲线是初始化存储的输出基准曲线。当输出Y高于基准并随阀位增加与基准偏离逐渐加大时（红色曲线），这种情况表明气路出现泄露；当输出Y到某一阀位突然到最大（兰色曲线），这种情况说明气源鼓障；同理，粉色曲线说明压茶（不平衡力）变化，绿色曲线说明执行机构的弹簧力减小等。

3）FOXBORO：英维思的SDR991数字式阀门定位器配用VALCARE控制阀诊断软件，支持FDT/DTM管理系统，支持HART通讯，可使用PACTWARE开放平台进行性能诊断。可用趋势图、柱状图分析运行状况、报警、摩擦力分析等。

4）YAMATAKE：日本 AZBIL（山武）提供控制阀诊断系统，支持HART通讯协议和FF现场总线，主要诊断项目有：咬卡动作现象诊断（依据阀位行程移动速度的均方值变化，对照数学模型确定是否发生咬卡现象）、动作速度比较诊断（比较阀位和阀杆移动速度）、移动距离累积诊断（依据行程累积摩擦移动距离，按预定的报警值，诊断密封填料、密封波纹管及执行机构的磨损程度）、动作频度诊断（用于诊断密封填料磨损）、零位开度比较诊断（诊断阀芯阀座）、小开度频度诊断（诊断阀芯阀座）、全关次数诊断（诊断阀芯阀座）、本机硬件诊断等。

3 结束语

数字式阀门定位器实现了硬件与软件优化组合形成多样监控功能，实现了自适应、自校准、自测试；本机状态显示、故障诊断；简单的一键操作组态；串口通讯和运行在PC机的监控软件。采用智能阀门定位器提升了控制阀功能，可有效实现预测性维护的状态监测和故障识别判断、辅助预防性维护计划的制定，有利于评估控制阀的性能状态、功能安全，是过程自动化正常运行和设备动态管理的有效措施。所以，智能阀门定位器被看作未来阀门定位器的发展方向。

［1］李保华.控制阀细节分析之数字阀门定位器控制阀信息[J]，2008（7）.