气动调节阀门诊断系统平台设计

陶长兴，刘玉秋，曾泽嵘

（中科华核电技术研究院 北京分院，北京 100086）

0 引言

气动调节阀（又称气动调节器）是以压缩空气为动力源的一种自动执行器[1]。一般分为直行程气动调节阀和角行程气动调节阀。气动调节阀典型地由阀体、阀内件零件、提供阀门操作驱动力的执行机构、以及各种各样的阀门附件组成。气动调节阀门的附件根据不同类型的调节阀包括定位器、转换器、供气压力调节器、手动操纵器、阻尼器或限位开关等。气动阀门诊断系统以CRO为主体，辅以不同类型的传感器及接口搭建阀门诊断系统硬件平台。同时将采集到的数据根据自身的特点进行自动分区，使用最小二乘法拟合的方式[2]求出不同区域的转折点，并通过残差法进行拟合分析[3]、相应力学参数计算等。在无需拆解阀门的条件下实现现场十几类气动阀门的性能诊断。

1 系统总体描述

1.1 系统硬件设计

气动调节阀门诊断系统总体框架结构如图1所示，主要由测控系统、接口单元、传感器（测压元件/压力传感器、行程传感器）三部分组成。测控系统主要实现发送指令、接受采集数据、分析处理显示等功能。测控采集单元主要实现为电器转换器等阀门附件提供激励、采集现场信号等功能。接口单元主要实现测控采集单元与现场以及传感器的物理连接。

1.2 系统软件设计

气动调节阀诊断系统软件设计采用易于扩展到状态机结构，以Data Service为核心调用各部分功能引擎，实现数据采集、实时显示、数据分析、数据通信、存储和回放等多个任务。

软件内部架构如图2所示，数据采集模块由CRIO构成的数据采集终端，主要用于物理信号同步采集。设置采样参数和读取采集数据，将数据通过网络传输发给网络存储引擎进行本地存储和网络存储。调试引擎将RT软件运行过程中的状态或错误信息存储至本地文件中，同时通过UDP的方式发送出去。上位机可以接受UDP数据，查看设备信息。网络通信引擎主要负责RT控制器和上位机的通信，它收到数据采集引擎发来的采集数据，发给上位机，同时也从上位机接受到控制指令，比如开始/停止采集、重新启动控制器等。

图1 系统硬件组成Fig.1 The hardware composition of the system

图2 软件内部结构Fig.2 The internal structure of software

图3 气动调节阀典型气路分析Fig.3 Pneumatic control valve of typical gas path analysis

图4 阀门输入输出和执行机构输入输出原始曲线Fig.4 The original curve of valve and actuator input output inputoutput

2 气动阀门结构及气路分析

气动调节阀是以压缩空气为动力源，以气缸为执行器，借助E/P电气转换器、定位器、电磁阀、气动加速器等附件驱动阀芯阀座的相对运动，来实现开关量或比例式调节[4]。如图3所示，以失气状态下阀门关闭的气路为例简述阀门各部分作用及气体过程。

气动放大器——附属于定位器或E/P，主要用于压力信号放大。

过滤减压阀——提供E/P电气转换器、定位器适当压力的气源。减压阀输出压力过低，可能导致阀门开关不到位，压力过大可能冲坏阀门膜片。

电气转换器——接受一个4-20mA的直流输入信号，通过控制喷嘴挡板和气动放大器把输入的电信号转换成气动输出信号。

电磁阀——用于气体排空及阀门关断，带电时3和2通气流正常通过，失电时1和2通，将气体排空。

气动加速器——位于阀门控制最后一级，用于保存定位器输出压力大小不变，放大流量，使阀门控制速度加快，一般用于大阀或系统要求响应速度快的阀门。

典型气动调节阀门气路如图3所示，箭头方向指示了阀门在执行过程压缩空气流通的过程。当气源正常提供时，切换阀控制口压力小于设定值，A与B通，D与E通，当失气时，切换阀控制口压力小于设定值，C与B口通，F与E口通，阀门在气罐的作用下关闭。当电磁阀带电时气路正常流通，当阀门失电时，将阀门内其他排空，阀门关闭。

3 气动阀门故障诊断

气动调节阀门诊断系统可对阀门提供在线和离线测试两种模式，并将校验结果以图形化的方式显示。根据阀门输入的基本信息，可自动计算气动调节阀门的摩擦力、阀门行程、落座力以及BenchSet等参数。可全面检查气动调节阀的性能并对预防性维护[5]提出合理的建议。

3.1 阀门数据采集

气动调节阀门诊断系统将电缆和行程传感器安装完成后，通过向控制电气转换器输入激励电流，控制阀门执行机构气压的大小进而控制阀芯的上下运行。实现气动调节阀的控制。气动调节阀系统诊断系统可实现供气压力调节器输入输出测试，电/气转换器驱动及校验，阀门定位器校验，阀位行程测量，气动加速器输出测试等工作。同时可对气动阀门输入输出特性，气动调节阀执行机构输入输出特性以及时间特性进行分析。从多个角度判断阀门性能。下面就阀门输入输出特性及执行机构输入输出特性进行分析。

如图4所示，为某次测试过程中阀门输入输出特性和执行机构输入输出特性的原始数据曲线。具体包括激励电流、阀门行程和执行机构压力曲线。

3.2 阀门输入输出动态特性

死区是指当输入信号发生信号改变方向时，不能使被测过程变量发生变化的控制器输出值的范围或宽度[6]。摩擦力是气动调节阀死区的主要原因，角行程气动调节阀的死区主要由阀座负载引起的摩擦力引起的，高的摩擦力和低的驱动应变刚度会造成阀轴旋转，无法将运动传递给控制元件。直行程气动调节阀的死区主要是由填料摩擦力引起的，填料摩擦力的大小由阀杆尺寸、填料形式以及由介质或螺栓作用在填料上的压缩负荷决定的。如图5示横轴为不断变化的小阶跃电流信号，纵轴为阀位输出，该阀门输入输出动态特性可表征曲线的非线性度和死区特性。

每次采集到的数据采样点会根据设置进行采集。此次试验采集点数为8000，阀门打开过程4000点，阀门关闭过程4000点。自动将采样点均分为四部分，保证每个区域包含一个转折点。再将每个区域进行如下迭代计算。具体实现流程如图6所示。

求出转折点后，可分别对上升过程和下降过程，使用最小绝对残差法分别对上升过程和下降过程在各自的转折点内曲线进行拟合，求其上升过程和下降过程的非线性度及平均动态误差判断阀门的输入输出特性。如果阀门平均动态误差小于3%并且其线性度小于1%，则阀门处于较好的状态。

图5 阀门输入输出动态特性Fig.5 The dynamic characteristics of the valve input output

图6 转折点求取流程图Fig.6 Turning points seeking fl ow chart

图7 执行机构输入输出特性曲线Fig.7 Perform input/output characteristic curve of mechanism

3.3 执行机构/定位器输入输出特性

在阀体未工作的情况下（或不连阀体），对电/气转换器输入4-20mA电流驱动信号，测量执行机构内气压和阀位输出。通过执行机构定位器的输入输出判断阀门弹簧BenchSet，落座力，阀门关断力等力学参数。

气动阀门诊断系统自动计算执行机构输入输出特性曲线的转折点。使用最小二乘法对阀位上升过程和下降过程内的点进行拟合出一条中心直线。根据转折点和中心直线等计算弹簧BenchSet、阀门落座力、阀门摩擦力等参数。

在执行机构不连接阀门的时候，执行机构从开始动作到达到额定行程的过程中去执行机构膜头的压力范围来代表弹簧预紧力的参数。如图7所示中间的红线，以两个X端点对应的纵坐标对应的气压值来表示。通过求取上升过程曲线与中心直线之间的距离，两平行线之间的部分气压值乘以膜片面积计算出的摩擦力。在介质排空的情况下，阀门落座过程压差乘以隔膜面积得到的力称为落座力。在阀门正常运行的情况下，落座力可通过阀门落座过程压差乘以隔膜面积得到的力减去介质压力乘以阀门的不平衡面积计算得出。

气动调节阀门诊断系统自动比较配置输入的弹簧BenchSet、摩擦力、落座力范围，来判断阀门性能好坏以及是否满足阀门关闭性能要求。

4 结论

气动调节阀门诊断系统实现了对气动调节阀门的测试诊断，并根据其参数的计算及曲线分析对阀门性能做了性能分析。满足大修现场对测控系统的要求。同时满足通道间隔离，通道与现场隔离的特性需求，可以实现非侵入式在线诊断和功能评估。气动阀门诊断系统集成体积小，易扩展，搭配不同类型传感器理论上可以支持所有类型气动调节阀门的校验；适用于恶劣环境，采集精度高，可长期稳定运行，为可预防性维护提供很好的数据和理论支持。

[1]洪勉成,陆培文,高风琴.阀门设计计算手册[M].北京:中国标准出版社,1994.

[2]杨曙光.关于最小二乘问题的多点定向扰动分析[J].高等学校计算数学学报,1982,3.

[3]杨传森.基于总体最小二乘法的RAIM算法模型改进[J].合肥工业大学学报,2011,9.

[4]陈新亚.阀门系统健康状态诊断技术的研究及应用[D].河北保定:华北电力大学,2010,3.

[5]熊君星,刘建胜.基于FMEA的设备故障管理研究[J].机床与液压,2012,7.

[6]周小伟.基于DAMADICS平台的阀门故障分类及典型粘滞故障的建模与补偿[D].上海:华东理工大学,2013,1.