气动阀门定位器创新应用的探索与实施

王海东

（鹤壁煤电股份有限公司化工分公司 仪表公司，河南 鹤壁 458000）

0 引言

在鹤壁煤化工BDO 装置，阀门PV3722，此阀门的作用是将4.0 Mpa 的中压蒸汽减压至次中压1.9 Mpa，为后续装置使用，阀门为单台定位器。在正常生产中，出现过定位器故障导致阀门开度异常，最终导致后续装置全部停车的事故，给公司造成巨大的损失。定位器为西门子SIPART PS2 智能型，出现故障后导致阀门开度异常，如何能够改变这样现状，一种方案是重新设计管道，增加支路，在支路增加一台调节阀，两台调节阀一开一备。当一台出现故障后，切换到另外一路工作。但这种方案需要增加投入比较大，另外需要变更设计。另一种方案是从阀门附件的稳定性入手，研究如何使定位器降低故障率以及定位器故障以后，如何将损失降低。

1 定位器的工作原理

西门子SIPART PS2 系列电气阀门定位器属于智能范畴，核心组成部分为微处理器，利用新型的压电阀来实现对输出压力的调节控制。针对压电阀的控制，CPU 需要借助5 个流程，实现程序控制的目的，精准度较高，速度较快，达到对输出气源压力增减幅度的有效控制。对于其控制算法，引入了数字PID 调节手段，结合输入信号的大小，综合考虑阀门偏差，在明确方向的前提下，对PID 进行计算，实现PWM 脉宽调制脉冲信号的形成，达到对压电阀开关的有效控制。由于脉冲的宽度与定位器输出气源压力大小息息相关，因而实现对气源压力输出值的针对性改变，速度较快，准确度较高。一旦偏差值较大，定位器会输出连续性质的信号，促使输出气路压力值出现大幅度变化，呈现快速与连续状态。如果偏差较小，定位器输出的脉冲信号较小，呈现断续状态，幅度有限，在此基础上对气路压力进行改变。此时，不存在脉冲输出现象，维护了阀位工作的稳定性。

依托压电阀器件，能够增强控制的精准度。在压电阀之中，核心元件为压电柔韧开关阀，质量不大，惯性较小，支持较高的开关频率。因此，被定义为高频率脉冲阀，达到对气路压力的有效控制，发挥对执行机构的驱动作用，在根本上提升了阀门定位的精准性。

阀位反馈元件结构并不复杂，精度超高，可靠性突出，是先进的导电塑料电位器，促使执行机构的直线或转角位转化为电阻信号，满足阀位精准定为的需求，在根本上适应阀门流量特性曲线的定位要求。

2 定位器调试方法

2.1 自动整定

合理进行执行机构的移动，与中心位置分割，实现初始化发展。①对手型键进行下按操作，时间为5s，而后构建组态方式；②对方式键进行短时间操作，随后出现第二参数，同时参数需要保障与杠杆比率开关的设定值相统一；③对手型键进行切换操作，此时显示为OFF。在初始化结束之后，如果需要借用mm 表示冲程量，这步操作必不可少，需要保证显示屏的参数与刻度杆上驱动的设定值一致；④借助手型键完成切换操作，显示INITA。此时，操作下按“＋”键，时间在5s 以上，进入初始化阶段。在这个过程中，“RUN1”至“RUN5”逐一显示在显示屏的下行位置。初始化需要以执行机构为基础，一般需要15min 左右。如果出现显示“finish”字样，代表初始化结束。此时，需要下按手型键超过5s，促使组态方式得以结束。在5s 之后，方式键松开，手动方式运行，然后根据情况使用自动。

2.2 手动整定

①借助手工驱动，操作直行程执行机构，促使全部冲程得以全面覆盖。也就是说，将显示电位设定在P5.0 和P95 的区间之内；②按住手型键5s，组态方式运行，显示为WAY；③按下手型键，采取短时间操作的方式，切换到第二参数状态，角度选择为33°或90°，参数值需要匹配传送速率选择器设定值；④借助手型键，调整到OFF 状态，如果需要借助mm 表示全冲程，在显示器中选择与驱动销钉在杆刻度上相同的设定值；⑤操作下按手型键两次，此时，显示为显示INITM，按增加键5s 以上，初始化开始。下按增加键5s 以上，开始初始化；⑥持续5s 之后，显示参数发生变化，为P32.9。此时，借助增加与减少键，促使执行机构发生运行，直到达到目标终端的首个位置。而后，下按手型键。借助这种方式，终点位置1 取代了当前位置，同时下一步开始执行。一旦出现RANGE，同时处于下行，终点位置此时处于规定区间之外，需要借助几种手段进行修正：对摩擦夹紧单元进行调整，直到出现OK显示。随后，再次按住手型键。借助增加与减少键调整到另一结束位置。下按手型键，初始化操作出现中断，此时手动方式形成，结合第1 步进行行程的校正，界定测量位置；⑦在以上步骤结束之后，显示数值为P22.4，再用增加（＋）和减少（－）键，驱动程序得以执行，抵达第二终点位置。随后，下按手型键，终点位置2 取代当前位置；⑧对于初始化的停止，其以自动的方式呈现，同时，此时RUN1 到RUN5 顺序呈现在显示屏的下行。在初始化程序全部完成之后，会显示FINISH。如果3YWAY 参数输入设置了杆长，首行会出现以mm 表示的规定冲程。短按手型键，下行会再次出现5INITM，这就代表此时处于重来一次组态方式的状态之下。下按方式键5s 以上，退出组态方式。在接近5s 的时候，软键显示将出现。松开之后，将处于Manual 方式。

3 定位器创新应用

3.1 在线更换定位器

当单台定位器在正常运行时故障后，可以通过以下方法在不停车的时候更换定位器。定位器故障后，阀门不受定位器控制，此时需要机械限位卡子或者机械手轮将阀门固定在一个位置上，用Hart 475 手操器与有问题的定位器进行通讯。连接好后，选择“Online”右键进入，写允许，选择“yes”，然后点击“确认”键。只有写允许打开以后，后面的一些参数才可以读取更改。选择“configure项”右键进入，第一项“initial setup”与第二项“setpoint value”有用（初始设置与设定点值），里面会涉及到直行程还是角行程，选择33°还是90°，0mA～20mA 还是4mA～20mA，以及电流4mA 关，还是4mA 开，共4 项参数，需记录好里面的数据。返回到主菜单，进入第五项（诊断），再进入“Initialization”，进入“loading init data”，开始加载初始化数据，加载完成后，返回上一级菜单，然后选择第4 项（初始化参数清单），右键进入。一共有17 项参数，分别进入每一项参数，然后记录里面的数据，加上之前的4 项参数，一共是21 项参数，记录未拆定位器之前的阀门行程，将有问题的定位器拆下，然后更换新的定位器。定位器安装好后，先不要开气源，将比率选择器按照拆卸的定位器选好，同时锁紧装置选择正确。按照刚才读取旧定位器的方法，将参数一项一项地写进新定位器。需注意：475 与安装的新定位器连接后，第一步是更改读写允许，改为yes，然后才可以写参数，否则参数无法写入。把这21 项参数写到新的定位器里面，定位器便可直接工作，误差不会超过1%。除了初始化的17 项参数外，其余的4 项也可以用定位器按键手动修改。初始化参数全部写完后，定位器上的NOINI 将会消失，定位器选择到自动状态，打开气源后，通过手轮或者去掉限位，将阀门行程调到与拆定位器之前的一样，定位器便可正常工作。

应用价值：新安装的定位器需要重新整定后才能正常工作，在正常生产时，对于关键的阀门，一般不允许阀位从0～100 反复调整，通过此方法可以将原定位器整定的参数复制到新的定位器上。这样定位器在不整定的情况下便能够正常工作，多了一种解决定位器故障的方法，降低了阀门对装置造成的影响。

3.2 定位器与两位三通电磁阀配合使用

两台单作用阀门定位器分别安装在同一台调节阀上，主进气分为两路，分别进入定位器1 与定位器2。两台定位器的出气，分别进入两位三通电磁阀的进气口P 与排气口R，电磁阀的出气口进入到阀门的气缸，在DCS 侧增加一分二安全栅，定位器同时接收4 mA～20 mA 信号，定位器反馈信号同时送至DCS。电磁阀选用直流24 V，当电磁阀带电时定位器1 排气，通过两位三通电磁阀进气口P 进入，从A 出气口排出进入阀门气缸，此时定位器1 起作用，定位器2 因气路不通，属于备用状态。当电磁阀失电时，定位器2 的排气通过两个三通电磁阀排气口R 进入，从A 出气口排出进入阀门气缸，此时定位器2 起作用，定位器1 因气路不通，属于备用状态，如图1 定位器与两位三通电磁阀气路图所示。

图1 定位器与两位三通电磁阀气路图Fig.1 Air circuit diagram of positioner and two-position three-way solenoid valve

应用价值：对于重要的工况，重要的阀门可以配置双定位器，目前化工装置基本全部是单台定位器，当定位器故障时，无法及时处理，导致系统波动或者停车。可以选择安装两台定位器，将定位器1 与定位器2 分别校验。定位器选用带阀位反馈，将阀位信号送至DCS 系统，在DCS系统做逻辑运算。当阀门给定的指令开度与阀位反馈的偏差过大时，或者系统能够判断阀门异常时，通过电磁阀的得电与失电，自动将定位器切换到另外一台，这样便达到了冗余的目的，增加了化工生产的稳定性、安全性。

3.3 定位器与手动阀门配合使用

两台单作用阀门定位器分别安装在同一台调节阀上，主进气分为两路，分别进入定位器1 与定位器2，两台定位器的出气口分别增加手阀1 与手阀2，阀后两路气汇合后进入阀门气缸。在DCS 侧增加一分二安全栅，定位器同时接收4 mA～20 mA 信号，如图2 定位器与手动阀门气路图所示。

图2 定位器与手动阀门气路图Fig.2 Pneumatic diagram of positioner and manual valve

图3 定位器与止回阀气路图Fig.3 Air circuit diagram of positioner and check valve

应用价值：在自动化要求不高或阀门异常后不是十分紧急的场合，可以用增加手动阀的方式，定位器可以配置不带反馈。在正常使用时，手阀一个打开一个关闭，关闭的一路定位器备用。当定位器故障后，将关闭的手阀打开，打开的手阀关闭；在切换定位器时，阀位会有小幅度的波动。

3.4 定位器与止回阀配合使用

两台单作用阀门定位器分别安装在同一台调节阀上，主进气分为两路，分别进入定位器1 与定位器2。两台定位器的排气分别增加止回阀1 与止回阀2，止回阀后气路汇合后进入到阀门气缸，在DCS 侧增加一分二安全栅，定位器同时接收4 mA～20 mA 信号，定位器反馈信号同时送至DCS，如图3 定位器与止回阀气路图所示。

应用价值：两台定位器同时进气到阀门气缸，会出现两台定位器无法找到反馈位置的情况，导致定位器喘动，将定位器的死区设置大一些能够解决喘动的问题，一般设置在5%以上，设置后两台定位器能够同时工作，但是降低了阀门的控制精度。当一台定位器故障后，另外一台定位器能够立马起作用工作，阀门会有微小的喘动，对于要求调节品质不是很高的可以考虑此种方式，总的来说此种应用形式使用价值不大。

4 小结

本文通过实际的研究探索，摸索出了一些创新应用。其中，两台西门子单作用定位器与一台两位三通电磁阀组合在一起，已经在实践中得到了很好的应用效果，其它用户可以直接借鉴应用。本文选用的定位器是西门子压电阀式，对于其它原理形式定位器的双冗余用法起着抛砖引玉的作用，希望能够激发更多的定位器应用方式，同时能够让定位器厂商更清楚地知道用户的痛点，激发研发者开发出更好的产品。