浅析AD系列智能阀门定位器的性能特点及应用前景

2020-10-12孙文浩牟传镇张志红

仪器仪表用户 2020年10期

孙文浩，牟传镇，张志红

（山东省技术改造工程公司，济南 250100）

0 引言

近年来，智能化热潮席卷全球，智能化理念渗透进各个领域，工业方面表现为：智能工厂、工业4.0 等。石油化工领域的智能工厂，其重要实践表现为智能仪表的传感器检测及自动控制。而自动调节阀对生产控制过程直接发生作用，调节阀的智能化主要由智能阀门定位器来体现。执行单元是智能化中最为关键环节，智能阀门定位器是整个执行单元的大脑与核心。

自2010 年起，正式在国内市场推出AD 系列智能阀门定位器，截止2019 年底，销售总量2 万余台。

2020 年初，研发成功调节阀管理软件SmartLink，通过AD 智能阀门定位器的上传信息，借助阶跃响应曲线，全面实时在线对装置中的每台调节阀完成组态、分析、校准、检验、诊断和故障排查。

1 产品概述

1）AD 智能阀门定位器采用喷嘴挡板结构形式，配置经典的气动放大器，构成高性能的二级放大模式，降低了反应死区，加快了响应时间，提高了动态性能。

2）AD 智能阀门定位器的MCU 采用开源的RISC-V 芯片，主控板成品均做老化试验，芯片采用工业级品质。

3）AD 智能阀门定位器的位置传感器采用强磁性合金材料构成惠斯通电桥形式，物理特性和化学特性均十分稳定，没有机械摩擦，抗震性极强，在严酷苛刻的工业环境中，保持了定位器的高度可靠性。

4）采样检测芯片选用高分辨率 24 位 Σ- ∆ 模数转换器，不受噪声环境影响，适用于宽动态范围，低频信号的测量，无误码模拟信号调制。非线性度为 0.0015%，具有自校准、系统校准和背景校准功能，可以清除零点误差、满量程误差及温度漂浮的影响。

AD 智能阀门定位器凭借以上4 点优势，在国内市场中占有独特位置。

2 AD智能阀门定位器的结构形式

AD 智能阀门定位器在硬件上采用了模块化产品结构形式，由5 个功能模块组成：主控线路板、电气转换器、气动放大器、位置反馈器以及配置气路通道的壳体。模块化结构的优点是使定位器的现场维护保养更加简捷便利。在判断出故障问题后，仅需直接更换模块即可，单个模块更换在10min 以内就可以完成。

依定位器的I/P 电气转换器形式分类，主要有压电阀和喷嘴挡板形式，以西门子为代表的产品采用压电阀形式。喷嘴挡板结构是从机械式定位器演化而来，高度可靠性是其主要优势，但加工制作繁琐，对导磁材料及弹性材料的质量有较高标准要求。轻型化、小型化是工业智能仪表的主流方向，涉及的电气转换器由于采用工程塑料压铸成型，外形体积很小。

经过市场考核发现，今后相当一段时间内，喷嘴挡板形式在技术上仍是主流。本公司研发的AD 系列阀门定位器就采用这种结构形式，经过权威机构鉴定，各项技术性能指标达到国际先进水平，位居国内同类产品的领先位置。

图1 为AD 智能阀门定位器主控线路板结构原理框图。

定位器采用两线制供电方式，要求电路的功耗尽可能地降低，来自调节器（或DCS）的4mA ～20mA 信号，同时也是定位器主控线路板的供电电源，主板上的“输入输出处理单元”即完成信号的处理及电源供电。

图1 AD智能阀门定位器主控板原理框图Fig.1 Block diagram of the main control board of AD intelligent valve positioner

图2 整定操作行程计算软件流程框图Fig.2 Flow chart of the software for setting operation stroke calculation

为实现操作简单快捷，设计有“一键整定”方式，无需借助外部仪器，也无需依循多个步骤方能进入整定状态，即开机第一步即可完成，整个自整定调试过程仅需2min。自整定的内容包括确定控制阀的零点、开度、摩擦系数、执行机构气容量、正反作用、气开或气关以及线性度等参数。“一键整定”方式，充分发挥了智能仪表的优势，极大提高了工作效率。

“一键整定”方式是软件上借助于多种模型算法来实现的。图2 是计算阀位开度的软件流程框图。

图3 位置传感器角度检测原理图Fig.3 Schematic diagram of position sensor angle detection

依据位置反馈工作原理来区分，AD 系列智能阀门定位器选用非接触式强磁合金材料组成惠斯通电桥形式的磁传感器。位置反馈若选用电位器形式，其缺点是不抗震、不耐磨，可靠性低，寿命短。

3 反馈型定位器的结构特点

对于调节阀的阀位反馈回讯功能的要求，AD 智能阀门定位器采用了新颖的外置反馈模块加通讯结构，是双MCU及双HART 模式，对外销售型号是AD1101，在现场实际应用中取得了较好的成效。

在重要的关键控制点上，设计中会增加阀位反馈输出要求。设置阀位反馈输出的设计初衷就是验证定位器驱动调节阀是否正确工作，以此提高整个控制系统的可靠性。

阀位反馈输出分定位器内置式及定位器外置式二种。内置式的优点是结构简单、操作便捷，目前多数品牌定位器采用内置式结构。但反馈模块与定位器合为一体，并且共用一个微控制器（MCU）及通讯通道，其可靠性是建立在定位器基础之上的，如果定位器内部尤其是主控板出现故障，或者内部通讯通道出现故障，则反馈输出必然处于错误指示中，这有悖设置反馈输出的设计初衷。

外置式阀位输出与定位器各自独立，可以相互印证工作状态，这正符合加装阀位反馈输出的设计初衷。但一般的外置式阀位反馈变送器较少有智能型，多是采用凸轮机械结构或电位器结构，检测精度较低，可靠性及稳定性较差。

根据现场调节阀及其阀杆实际尺寸来看，若使完全独立的阀位变送器在调节阀上完成装配，因阀杆机械空间有限，智能定位器、阀位开关和阀位变送器三者均采取阀位机械变化位置的话，其机械装配机构将必然在狭小空间中形成相互干涉。AD1101 系列智能定位器的阀位反馈输出，则能很好地解决机械机构装配繁琐问题，将内置式和外置式二者优点结合在一起。

图4 位置传感器等效电路图Fig.4 Equivalent circuit diagram of position sensor

4 反馈功能的实现

AD1000 系列定位器的位置传感器采用的是非接触型的电磁感应传感器，抗振动，不受温度变化影响，可长期应用于恶劣工况环境中，AD 系列定位器的位置传感器等效电路如图4 所示。

AD1101 智能定位器阀位反馈取采样点a、b 间电压Vab，利用AD 定位器的同一个调节阀阀杆运行点进行机械变化。Vab 电压一路供定位器采样，一路外引至外部阀位转换模块，这样就省却了一套调节阀机械结构，因阀位反馈转换模块供电及输出均独立于定位器，因此其可靠性极大提高。AD1101 型智能阀门定位器的阀位反馈虽应归类于外置式，但与主定位器选用同一套调节阀阀杆运行检测转换机构。

实际电路应用中，为更好地提高系统稳定性，按图5所示完成采样电路。该定位器的阀位反馈输出形式较好地融合了“外置式”反馈输出的独立可靠的优点，又避免了冗余的调节阀阀杆机械转换机构。在简化机械装配工作的同时，又提高了系统的可靠性。

阀位转换模块也是智能型，如图6 所示。配带HART协议，可以随意调整量程及故障检测功能。

这样一来，就构成了“双MCU”及“双HART”形式。在自动控制调节阀中，应有较好的应用前景。

可以肯定地说，在定位器反馈输出中提出“外置式”理念，以及“双MCU”及“双HART”结构形式，是由本公司第一次向外界提出并在实践中应用的。

表1 产品的各项技术指标Table 1 Various technical indicators of the product

5 总体性能指标与同类先进产品技术指标比较

表1 是产品的各项技术指标的具体描述。

6 结束语

智能阀门定位器产品的延伸研发，将围绕软件故障诊断及嵌入手操器的调节阀预维护诊断软件方面进行。本公司于近期研发成功的调节阀管理软件SmartLink，实现了对调节阀的组态、分析、校准、检验、诊断和故障排查。另一方面，健全完善智能阀门定位器的应用生态环境，像手机的APP 一样，允许用户自行开发的应用小程序下载嵌入系统中，形成用户个性化系统，也是智能工厂的一个发展方向。