智能閥門定位器在己內(nèi)酰胺裝置中的應(yīng)用

　　介紹了智能閥門定位器及常規(guī)電氣閥門定位器的工作原理。從使用、維護(hù)和經(jīng)濟(jì)三個方面對比分析了智能定位器和傳統(tǒng)定位器的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)智能閥門定位器具有性能穩(wěn)定、調(diào)校方便、維修簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。闡述了當(dāng)前化工企業(yè)中廣泛使用智能閥門定位器面臨的挑戰(zhàn)。

　　閥門定位器是普遍用于石油化工生產(chǎn)過程中的一種調(diào)節(jié)閥的附件，作為調(diào)節(jié)閥的輔助工具，對調(diào)節(jié)閥的性能起著決定性作用。閥門定位器具有使調(diào)節(jié)閥提高響應(yīng)速度、定位精度、增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力等的作用。閥門定位器質(zhì)量的好壞直接影響調(diào)節(jié)閥的使用，從而影響到工藝的生產(chǎn)操作。常見的閥門定位器根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和工作原理的不同分為氣動閥門定位器、電氣閥門定位器和智能電氣閥門定位器(簡稱智能定位器)。目前，閥門定位器技術(shù)逐漸向智能化、小型化發(fā)展，智能定位器具有高度自動化、安裝簡單、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于各種大型石油化工生產(chǎn)裝置的自動化控制中。

1、智能閥門定位器工作原理

　　智能閥門定位器的工作原理如圖1所示。模擬量4～20mA信號傳給微處理器，與閥位傳感器的反饋信號進(jìn)行比較，微處理器根據(jù)偏差的大小和方向進(jìn)行控制計算，向壓電閥發(fā)出電控指令使其進(jìn)行開、閉動作。壓電閥依據(jù)控制指令脈沖的寬度對應(yīng)于氣動放大器輸出壓力進(jìn)行增量控制，同時氣動放大器的輸出又被反饋給內(nèi)控制回路，再次與微處理器的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較運(yùn)算，通過兩級控制后輸出信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)儀表空氣壓力的變化控制著閥門行程。當(dāng)控制偏差很大時，壓電閥發(fā)出寬幅脈沖信號，使定位器輸出一個連續(xù)信號壓力，大幅度改變到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號壓力以驅(qū)動閥門快速動作;隨著閥門接近要求的位置與測得實際位置的差值變小，壓電閥輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續(xù)、小幅度的改變至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號壓力，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)接近命令位置的動作平緩。當(dāng)閥門到達(dá)要求的位置(進(jìn)入死區(qū))時，壓電閥無脈沖輸出，定位器輸出保持為零，使閥門穩(wěn)定在某一位置不動。

圖1 智能電-氣閥門定位器結(jié)構(gòu)示意圖

1-二線制輸入信號接線;2-控制板(有LCD顯示和功能按鍵);　3-壓電式閥組件(單作用定位器);4-附加壓電式閥組件(雙作用定位器);　5-功能模塊;6-單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)(彈簧返回);7—雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2、智能定位器的應(yīng)用優(yōu)勢

　　2.1、性能優(yōu)勢

　　從閥門定位器的工作原理可以看出，智能定位器可以實時進(jìn)行信息控制、提高安全性和減少硬件開支。智能定位器的控制是一個變量控制，在給定信號時，定位器輸出流量曲線如圖2所示。在變量大的時候，定位器的輸出是快速大流量，而在變量小的時候，定位器的輸出流量是逐漸減小直到為零，當(dāng)閥位穩(wěn)定在要求開度而沒有新的命令信號時，定位器的輸出流量幾乎為零。而常規(guī)定位器的控制是平衡比較控制，主要通過調(diào)節(jié)定位器的增益控制定位器、放大器的反應(yīng)速度。在反應(yīng)速度一定的條件下，定位器的輸出流量和輸出壓力是不斷變化的，如當(dāng)閥位高于給定值時，定位器輸出壓力增加，閥位向下動作，由于反應(yīng)速度固定，在定位器放大器的輸出流量是一定的。所以在閥位向下動作的時候，噴嘴擋板的動作時間延緩，致使閥位動作過多，此時閥位會低于給定值，定位器輸出壓力又會減小，如此反復(fù)。

圖2 定位器輸出曲線圖

　　因此，在給定一個閥位時，經(jīng)過一個調(diào)節(jié)過程后，智能定位器的輸出流量會保持為零;節(jié)省空氣消耗，減少能耗，其空氣消耗只是傳統(tǒng)定位器20%。智能定位器的定位快速、精確，常規(guī)定位器因其輸出流量是不斷變化的，故其定位速度、精度是不能和智能定位器相比的。

　　2.2、維護(hù)優(yōu)勢

　　1)定位器作為調(diào)節(jié)閥的附件，當(dāng)調(diào)節(jié)閥檢修后一般都需要通過定位器對其進(jìn)行調(diào)校。目前常規(guī)定位器的調(diào)校均采用手動調(diào)整零位、量程來滿足調(diào)節(jié)閥的性能要求。調(diào)校時需要使用專用設(shè)備、必須隔離控制回路，同時零點(diǎn)和行程的調(diào)整互相影響，須反復(fù)調(diào)整，線性偏離嚴(yán)重時，則更難調(diào)整。這種調(diào)校方法費(fèi)時、耗力，而且精度等級低，調(diào)校結(jié)果受檢修調(diào)校人員的水平影響較大。而對于智能定位器，由于它的調(diào)校不需要對定位器本身作太多的調(diào)整，可以在線更換，連續(xù)性生產(chǎn)裝置重要閥門一般沒有復(fù)線，一旦損壞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，但是智能定位器通過PC機(jī)保存組態(tài)數(shù)據(jù)和初試化數(shù)據(jù)，故障時更換智能定位器，只需將組態(tài)數(shù)據(jù)和初試化數(shù)據(jù)下載到定位器中就可以使用，精度達(dá)到1%。在線診斷，通過診斷信息分析可以縮短儀表維護(hù)人員的故障處理時間，特別是西門子SIPARTSP2系列智能定位器，它的調(diào)校完全不需要人為調(diào)整定位器內(nèi)部零件。因其內(nèi)部可調(diào)整的零件很少，其調(diào)校過程是定位器內(nèi)部運(yùn)算放大器運(yùn)算、整定的過程，在整定后出現(xiàn)偏差時，才需要通過人為的微量修定來矯正，在大多數(shù)的情況下是不需要維護(hù)人員去調(diào)整的。

　　2)常規(guī)定位器多為機(jī)械式力平衡原理，常采用噴嘴擋板機(jī)構(gòu)。由于噴嘴本身的特性，執(zhí)行器在穩(wěn)定狀態(tài)時也要大量消耗壓縮空氣，若使用執(zhí)行器數(shù)量較多，能耗較大，而且噴嘴本身是一個潛在故障源，易被灰塵或污物顆粒堵住，使定位器不能正常工作，特別在儀表空氣不夠干凈的情況下更容易出現(xiàn)故障，這種情況在定位器日常維護(hù)過程中經(jīng)常出現(xiàn)。另外定位器內(nèi)部可動件較多，容易受溫度波動、外界振動等干擾因素的影響，環(huán)境適應(yīng)性差。比如定位器力反饋彈簧在惡劣環(huán)境、長期受力等條件下，彈性系數(shù)會發(fā)生改變，造成調(diào)節(jié)閥線性偏離，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降;而外界振動傳遞到力平衡機(jī)構(gòu)，則容易造成可動部件磨損、零點(diǎn)和行程漂移，使定位器難以工作。智能定位器沒有太多的可動部件，其工作環(huán)境要求比常規(guī)定位器低，特別是抗振動性尤其突出。己內(nèi)酰胺裝置的空氣壓縮機(jī)入口閥和出口閥所用的定位器是西門子智能定位器，性能穩(wěn)定，在強(qiáng)振動環(huán)境工作運(yùn)行近一年時間沒有出現(xiàn)過任何問題。

　　3)就定位器的安裝而言，常規(guī)的定位器對于安裝位置要求較高，特別是在閥位反饋的安裝上，要將反饋安裝在規(guī)定的位置，可調(diào)整的量不大。而智能定位器的安裝就沒有那么嚴(yán)格，從目前使用的幾種智能定位器來看，安裝位置要求基本上都是有兩點(diǎn)：一是調(diào)節(jié)閥在50%開度時，定位器的反饋也基本在其有效轉(zhuǎn)角的中間位置;二是調(diào)節(jié)閥全開全關(guān)動作時，定位器反饋的轉(zhuǎn)角要在限制的范圍內(nèi)。只要滿足這兩個條件，定位器就可以達(dá)到性能要求。

　　在調(diào)校定位器的時，不可避免的會產(chǎn)生誤差。常規(guī)的定位器特別是氣動定位器，由于其整個控制回路中元件數(shù)量比電氣定位器和智能定位器都多了一個電氣轉(zhuǎn)換器，在回路聯(lián)調(diào)時，累積誤差要大一些，對比結(jié)果見表1。作為常規(guī)定位器，不論是氣動定位器還是電氣定位器，其調(diào)校都是以人為的調(diào)整零位、量程、增益來滿足性能要求的。在調(diào)校過程中，調(diào)校精度是不可控的或是不穩(wěn)定的，受調(diào)校人員的水平、定位器性能、裝配精度的限制比較明顯，誤差也比較大。而智能定位器不受調(diào)校人員的影響，定位器內(nèi)部可動部件少，本身精度高，因此它的誤差也就很小。

　　所以，無論是安裝、調(diào)試，還是維護(hù)，智能定位器都比常規(guī)定位器有優(yōu)勢。

　　2.3、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

　　目前，化工企業(yè)都在盡力降低生產(chǎn)成本，追求更高的利潤，而設(shè)備的檢修、更新所需要的資金在產(chǎn)品成本中占有較大的比例，減少設(shè)備的檢修、更新頻率可以在一定程度上降低產(chǎn)品成本。以電氣定位器和智能定位器比較，初期投資額基本相當(dāng)，但從上文的分析中發(fā)現(xiàn)：常規(guī)電氣定位器在穩(wěn)定狀態(tài)時仍然需要消耗大量的儀表空氣，智能定位器在穩(wěn)定后幾乎不消耗儀表空氣。而且常規(guī)定位器內(nèi)部可動件較多，易損件也多，而智能定位器內(nèi)部可動件少，相對的易損件少;智能定位器基本上不存在維護(hù)成本，常規(guī)定位器則需要經(jīng)常更換放大器、波紋管等部件，所以常規(guī)定位器的維護(hù)成本比智能定位器高。各種定位器的性能及維護(hù)成本對比見表1。

表1 智能定位器和常規(guī)定位器對比分析表

3、存在的問題

　　對于化工生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)穩(wěn)定連續(xù)是我們的期望值之一。從目前的智能定位器的性能看，有一個重要的制約因素———定位器的在線更換，這使我們在選用定位器時依然需要考慮常規(guī)定位器。由于智能定位器在初次使用時，需要進(jìn)行輸入、運(yùn)算、貯存數(shù)據(jù)，因而就必須要有一個初始化和自整定過程，這個自整定過程會導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生全開全關(guān)動作。而在某些場合，工藝運(yùn)行是不允許調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)開或關(guān)的動作的，例如裝置中的一些三通閥、工藝管線上沒有設(shè)計副線、不能旁路操作等時，就不允許在定位器調(diào)試過程中出現(xiàn)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥全開全關(guān)的動作。因此對于在線更換，常規(guī)定位器仍然有它不可比擬的優(yōu)勢，而智能定位器的這個問題，需要我們在今后的工作中去研究解決。

4、結(jié)束語

　　從近幾年己內(nèi)酰胺實際生產(chǎn)過程中定位器的使用效果來看，智能閥門定位器具有性能穩(wěn)定、調(diào)校方便、具備自診斷功能、維修簡單等優(yōu)點(diǎn)，且既能與DCS直接通訊，又可移植到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，在當(dāng)今儀表技術(shù)行業(yè)具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用空間。