智能电气阀门定位器的研制

王志刚 俞利明 胡孟杰 薛 斌 刘 军

（浙江中控自动化仪表有限公司）

在工业自动化过程控制领域中， 变送器、调节器和调节阀可以组成一个常见的控制回路，调节阀作为最终的控制执行元件，在很大程度上决定了过程控制性能的优劣。 阀门定位器与阀门、执行机构共同构成调节阀， 经由输入和反馈，形成闭环控制回路。 阀门定位器的优劣可影响阀门静态特性、动态特性、控制精度、速度和控制的灵活性。

1 智能电气阀门定位器

按输入信号，阀门定位器可分为气动阀门定位器和电气阀门定位器［1］。 电气阀门定位器以压缩空气为动力源，接收来自DCS 系统（或调节器）的电信号，与阀位反馈机构获得的位置反馈信号相比较， 判断与设定的流量特性关系是否相符，进行闭环控制， 调节进入气动执行机构的气压，从而调整阀门开度，其控制回路如图1 所示。

图1 调节阀控制回路

由浙江某公司研制的SPVP2000 型压电阀式智能电气阀门定位器，可根据控制系统提供的4～20mA 输入信号，经软件算法处理后，输出PWM信号，控制阀门开度，并依据反馈值调整阀门位置。 该定位器具有操作简单、功耗低及定位精度高等特点，实现了控制阀产品的智能化。

2 系统总体设计

智能电气阀门定位器主要包括压电驱动放大单元、气路模块、控制主板、传感模块及反馈机构等，其结构组成如图2 所示。

图2 智能电气阀门定位器结构组成

智能电气阀门定位器的工作原理为： 来自DCS 系统（或调节器）的4～20mA 控制量电信号作为调节阀位的设定值ω，与来自阀位反馈机构中角度传感器传来的阀位实测值χ，二者通过A/D 转换器输入至CPU 模块，在CPU 模块处理过后，比较求得二者偏差，若偏差值超过定位精度，再利用控制算法求得阀位控制量γ， 输出指令控制压电阀进气或排气，从而调节进入执行机构的压缩空气流量，推动阀杆做直线运动或转动改变阀位开度， 该位移再通过反馈机构和角度传感器将位移量实测值χ反馈回至CPU 模块， 从而进行闭环控制。当流量特性曲线偏差很大时，定位器输出连续信号；当偏差不大时，输出脉冲信号，偏差越小，脉宽越小；当偏差调节至阀门调节精度范围内，则不输出控制指令，使压电阀处于保持状态。

2.1 硬件电路设计

硬件系统为二线制系统，即电源线和信号线共用一对导线，系统总输入信号（4～20mA)既作为定位信号，又提供定位器所需电源消耗。 因此，低功耗也是该系统设计目标之一。 笔者主要对以下部分进行说明：

a. 电源模块。 由于4～20mA 电流是系统的唯一输入， 既作为阀门的定位信号又为整个定位器系统供电， 因而电源电路与电流采样电路在设计时需要综合考虑。

b. 电流采样电路。 该电路采集4～20mA 电流信号，并转换为模拟电压信号，经由A/D 采样获知阀位调节预设值，并传递给数据处理模块进行后续处理。

c. 阀位反馈电路。 该模块电路主要实现对磁阻式角度传感器的驱动， 并对传感器输出信号进行数据采集，将当前信号转换为数字量信号，传递给数据处理单元做后续处理。

d. MCU 数据处理单元。 该模块采用MSP430系列芯片作为主要的数据处理单元，比较采样电路输出的阀门预设位置和反馈电路的阀门当前位置，输出一定占空比的PWM 方波，经过I/P 转换来控制阀门运动。

e. I/P 转换单元。 该模块采用压电阀式结构，将电信号转换为气信号，通过信号放大，驱动气动调节阀动作。

在此硬件系统基础上搭建环境测试主要性能指标，并与定位器技术参数指标作比较，验证系统性能。

2.2 软件系统设计

智能电气阀门定位器在使用现场安装完成后，系统需进行参数组态，手动设定部分基本参数，随后进入系统自整定模式，实现大部分参数初始化校准， 完成定位器与阀门的自动匹配，实现自动化、智能化。

系统切换至自动运行工作模式后，由主控室信号对阀门实施自动控制。 自动控制模式下，系统定时采样来自DCS 系统的控制信号和阀门阀位反馈信号， 进行数据处理运算并输出信号，调整阀门开度。 当系统出现异常时，调用故障诊断报警输出子程序，对系统进行手动调整。 因此，系统需要手动操作和自动运行两种工作模式，实现系统工作方式的切换， 以满足不同工况下的需求。 此外，经由按键和显示屏实现与系统的人机交互，通信模块实现了基于HART 协议的通信功能。

基于以上分析，将智能电气阀门定位器的软件系统划分为控制、管理和通信三大模块，系统采用自上而下、模块化的设计思路，便于后续调试和功能扩展。

根据控制量设定信号与反馈机构反馈信号的偏差，将偏差范围划分为正（负）向快步区、正（负）向慢步区和死区五大区域。不同的偏差区域，采取相对应的控制信号控制压电阀，实现压电阀进气、排气和保持状态。 最终设计的控制程序流程如图3 所示，其中负区处理流程与正区类似。

图3 控制程序流程

2.3 机械系统设计

结构件作为阀门定位器的执行、 反馈机构，实现阀门定位器精确定位，是系统功能实现的基础，包括壳体、气路模块、反馈装置及调整机构等。

壳体为各硬件结构提供安装孔位，实现系统各模块合理布局。 气路模块和压电阀作为连接气源与气动执行机构的桥梁，有效而精确地驱动气动执行机构来调节阀位。 通过气路模块中气路的不同设计，以满足阀门定位器的不同需求，如单作用、双作用定位器。 反馈装置由角度传感器、一对传动比为3∶1 的齿轮、 传动轴及轴承座等其他配件构成，通过反馈装置将阀门开度转角实时放大传递至系统。 调整机构由弹片和调整连杆构成，用于传动齿轮间的离合，调整齿轮位置，简单易用。

3 定位精度实验对比

采用空气压缩机提供气源， 搭建实验平台，进行定位精度实验。 通过比较标称角度与实际反馈角度间的误差， 测试SPVP2000 智能电气阀门定位器的工作性能及其定位精度，结果如图4 所示。

图4 执行机构转角值随输入信号变化曲线

由实验结果可知， 随着输入电流的增加，执行机构转角值逐渐增大，且近似为线性变化。 由图4 可知，系统设定的标称角度与执行机构实际转角值偏差较小。 因此，可以认为该智能电气阀门定位器性能及其定位精度满足工作要求。

4 结束语

笔者研制了SPVP2000 型压电阀式智能阀门定位器， 设计并完成了阀门定位器定位精度实验。 通过对比系统设定的标称角度与实际反馈角度间的误差，验证了产品工作的可靠性。 通过实际应用表明，该智能电气阀门定位器具有操作简单、功耗低及定位精度高等特点，实现了控制阀产品的智能化。