淺談氣動先導技術在智能閥門定位器中的應用

　　智能閥門定位器具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、可通訊等特點，充分適應工業(yè)控制體系間網絡化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求，從根本上克服了傳統(tǒng)機械式閥門定位器功率損耗大、響應速度慢、易發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點。智能閥門定位器應用氣動先導技術實現(xiàn)內部氣路控制，即以小閥控制壓縮空氣流量再用壓縮空氣推動大閥門，從而實現(xiàn)被控介質的流量控制，這種分級控制的思想通過壓電閥應用得以實現(xiàn)。

　　工業(yè)過程控制不斷向網絡化、分布智能化發(fā)展，適應了設備管理數字化的要求，調節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)重要的執(zhí)行部件，控制調節(jié)閥運行的分布智能化解決方案應運而生。智能閥門定位器具有數據處理、狀態(tài)識別、故障診斷、在線和離線測試、雙向通信等功能。過程控制系統(tǒng)對調節(jié)閥通過現(xiàn)場總線控制，使管理者實現(xiàn)了對調節(jié)閥的預測性維護和科學管理。計算機技術、電子技術、通信技術、智能預估診斷技術的發(fā)展，要求智能閥門定位器必須適應網絡通訊與供電共線，其核心部分氣動控制部件必須實現(xiàn)超低能耗運行，保證網絡總線控制系統(tǒng)運行安全可靠。

　　傳統(tǒng)的氣動閥中大量使用了電磁原理作為電能-機械能的轉換級，應用線圈和電磁鐵的電磁力效應將控制的電信號轉換位機械的動作來推動閥芯的動作，從而實現(xiàn)氣路的切換或氣體壓力、流量的控制。盡管電磁鐵和線圈具有價格低廉，加工方便的優(yōu)點，但其功率損耗大、響應速度慢、發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點同時存在，通過改變電磁鐵材料和閥的加工工藝來避免以上問題的同時，造成了成本的大幅增加和加工工藝的日趨復雜，并且無法從根本上解決問題。實現(xiàn)低功耗、智能集成、高精度、快速響應和長壽命的氣動控制成為迫切需求。

1、智能閥門定位器定義

　　根據國標GB/T22137.2-2008《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用閥門定位器第2部分：氣動輸出智能閥門定位器性能評定方法》，智能閥門定位器(IntelligentValvePositioner)是以微處理器技術為基礎，采用數字化技術進行數據處理、決策生成和雙向通信的智能過程控制儀表。智能閥門定位器按供電方式可分為單獨供電和不用單獨供電；按隔爆級別可分為隔爆和不隔爆。

2、傳統(tǒng)閥門定位器存在問題

　　2.1、采用采用噴嘴擋板技術即機械力平衡工作原理，可動部件較多，易受溫度、振動影響；

　　2.2、因調節(jié)閥規(guī)格、填料的摩擦情況各異，調節(jié)閥硬件組合難以實現(xiàn)最佳控制狀態(tài)；

　　2.3、信號的流向是控制儀表單向流入定位器的，當出現(xiàn)故障時，不能自診斷故障位置或原因；

　　2.4、噴嘴孔易被灰塵堵塞氣源，使定位器不能正常工作；

　　2.5、噴嘴需連續(xù)供給壓縮空氣，能耗較大；

　　2.6、行程和零點調整，需反復調整，調校麻煩；

　　2.7、功能單一，可擴充性差。

3、智能閥門定位器優(yōu)點

　　3.1、定位精度和可靠性高。機械可動部件少，輸入信號和閥位反饋信號直接進行數字比較，不易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性好，不存在機械誤差造成的死區(qū)影響，具有更高的定位精度和可靠性；

　　3.2、流量特性修改方便。智能閥門定位包括直線、等百分比、快開特性功能模塊，可以通過按鈕或上位機、手持式設定器進行數據設定；

　　3.3、零點、量程調整簡單。零點調整與量程調整互不干涉，調整過程簡單快捷；

　　3.4、具有診斷和檢測功能。除一般的自己診斷功能之外，可輸出與調節(jié)閥實際動作相對應的反饋信號，用于遠距離監(jiān)控調節(jié)閥的工作狀態(tài)。接收數字信號的智能閥門定位器，具有雙向的通訊能力，可以就地或遠距離地利用上位機或手持式操作器進行閥門定位器的組態(tài)、調試和診斷。

4、智能閥門定位器工作原理

圖1 智能閥門定位器工作原理圖

　　智能閥門定位器系統(tǒng)主要由控制單元、電氣轉換I/P單元、閥位檢測反饋單元組成。定位器和執(zhí)行器構成一個反饋回路。輸入單元接受來自控制器的4-20mA電流信號。調節(jié)閥位置反饋信號作為被控變量與給定信號值在微處理器中進行比較，其偏差通過主控制板的輸出口發(fā)出不同長度的脈沖，調節(jié)充排氣速度和動作，達到控制驅動調節(jié)閥動作和確定位置過程。

5、氣動先導技術

　　圖1中，控制閥A和B用來控制壓縮空氣進出氣動調節(jié)閥，閥A是進氣閥，閥B是排氣閥，這兩個閥門都只有開關兩種狀態(tài)。這種控制思想實際上是用小閥來控制壓縮空氣流量，再用壓縮空氣推動大的閥門，控制被控介質的流量，這種分級控制的思想即為氣動先導技術的應用。

　　在任意時刻，閥A、B之中只能有一個開通，另一個開關。當A開通時，由于壓縮空氣壓力大于膜頭內壓力，壓縮空氣進入調節(jié)閥，閥桿向下移動；反之，當B開通時，調節(jié)閥氣室內壓縮空氣經B排入大氣，閥桿在彈簧作用下向上移動。在智能閥門定位器中，為了能與控制電路接口，閥A和B的開通與關閉必須能夠用電量來控制，實際使用中閥A和B有傳統(tǒng)電磁閥、壓電閥等多種類型。因為壓電閥的電能-機械能轉換具有低功耗、超快響應、無電磁干擾、無自發(fā)熱現(xiàn)象、無機械磨損、長壽命、結構簡單、承受大震動沖擊等優(yōu)點，而取代了傳統(tǒng)電磁閥被廣泛應用。利用微型壓電閥作為先導級，將流量和壓力進行進一步放大，從而實現(xiàn)氣動控制。

6、壓電閥工作原理

　　6.1、壓電效應

　　壓電晶體是一種陶瓷功能材料，晶體為圖2A壓電閥初始狀態(tài)非對稱中心的構造，可逆轉換電能和機械能，外力可致該晶體形變產生正壓電效應，外加電場可致該晶體產生電極化和出現(xiàn)應變或應力的逆壓電效應。壓電閥正是基于壓電逆效應，具有節(jié)能低功耗(驅動電流僅10微安)、精密微型化、高速響應和耐用性好的顯著特點，也易于閥門定位器全數字化。

圖2 A壓電閥初始狀態(tài)

圖3 B壓電閥通電狀態(tài)

　　6.2、動作原理

　　壓電閥的初始狀態(tài)如圖A，陶瓷片作用在噴嘴口上，噴嘴2和3先導腔連通，形成整體。當壓電閥通電時，陶瓷片變形上翹，堵住噴嘴口3，噴嘴2和1聯(lián)通。

　　6.3、結構原理

　　壓電閥在I/P轉換單元中起先導閥的作用，每一個I/P轉換單元同時應用兩個壓電閥，壓電閥I控制I/P轉換單元的輸出(進氣閥)，壓電閥II控制I/P轉換單元(排氣閥)。

　　由于壓電閥壓電陶瓷片彈力有限，所以先導腔室內氣壓必須小于1.2kg，要想控制調節(jié)閥動力氣，必須實現(xiàn)壓力放大。在先導腔室一側是一個大面積膜片，在控制進入和排除調節(jié)閥動力氣一側連桿面積較小。當先導氣壓達到1.2kg時，施加在先導腔室膜片上的力，大于作用在充氣和排氣腔室一側面上的壓力，這將使充氣閥芯或排氣閥芯移動，使動力氣充入或排除調節(jié)閥氣囊中，使氣囊中氣體壓力提升和降低，與氣囊另一側彈簧達到新的位置平衡，達到控制閥門開度的功能。

　　當控制電路聯(lián)通電源后，壓電閥I上無電壓，壓電閥II加電壓控制，氣源P2進入壓電閥II的先導腔室中，形成120KPA氣壓力，導壓推動排氣閥芯向下移動，排氣口關閉。這時，如果控制電路發(fā)出輸出氣壓力的脈沖，壓電閥II則保持狀態(tài)，壓電閥I加控制電壓，功能陶瓷片向上彎曲，陶瓷片堵住壓電閥噴嘴3，氣源P2通過噴嘴口1進入壓電閥I導壓腔室，形成120KPA左右的氣壓力，推動移動閥芯向下移動，氣源P1通過進氣口進入到氣動調節(jié)閥的膜室中，驅動氣動調節(jié)閥位置調節(jié)，當達到設定位置，壓電閥I的電壓變?yōu)?，其導壓腔室氣壓變?yōu)?，復位彈簧推動移動閥芯關閉輸出口，氣動調節(jié)閥膜室中的氣壓就會保持在相對恒定壓力下。當要減小氣動調節(jié)閥膜室中的氣壓時，壓電閥I控制電壓為0，壓電閥II控制電壓也為0，其導壓腔室的氣壓也變?yōu)?，排氣閥芯在排氣彈簧的作用下，打開排氣口排氣，達到膜室減壓的目的。

　　這樣不斷地對壓電閥I，II的控制，I/P轉換單元不斷地輸出氣體壓力和排氣，從而驅動氣體調節(jié)閥對流過閥體的介質進行流量調節(jié)。

7、智能閥門定位器的應用

1過濾器；2可調節(jié)流器；3壓電閥I；4移動閥芯；5復位彈簧6壓電閥II；7排氣閥芯；8排氣彈簧；9氣動調節(jié)閥

圖4 智能閥門定位器結構原理圖

　　隨著 DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的推出和運用，智能閥門定位器及其它智能現(xiàn)場儀表由于其具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、具有通訊功能等特點，完全能適應工業(yè)控制體系間網絡化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求，具有廣闊的應用前景。

　　7.1、用于控制精度較高的石化生產過程，如乙烯裂解、催化裂化反應再生系統(tǒng)等生產過程，以提高產品質量；

　　7.2、石化系統(tǒng)有很多新建或改建生產裝置采用智能定位器，可集成智能控制系統(tǒng)，增加安全性和經濟性；

　　7.3、對于已使用常規(guī)調節(jié)器等儀表控制的生產裝置，可使用智能定位器，改善控制系統(tǒng)，以提高控制精度或克服工藝過程管線震動大的影響；

　　7.4、遇到安裝空間小且又要求調節(jié)閥帶有輔助功能時，可使用智能閥門定位器的擴展功能模塊，如采用帶閥位變送模塊的智能定位器就能實現(xiàn)普通定位器加閥位變送器的功能；

　　7.5、除石化系統(tǒng)外，智能閥門定位器還可用于石油、化工、冶金、電力、水處理、橡膠等工業(yè)過程中。

結語

　　氣動先導技術和壓電技術的應用使智能閥門定位器的控制變成現(xiàn)實。隨著工業(yè)現(xiàn)場越來越多應用新技術新型號的智能設備，從用戶實際需求及現(xiàn)場工況出發(fā)，幫助用戶使用好智能閥門定位器成為產品設計和改進的重點，不斷在結構和細節(jié)上提升，讓智能閥門定位器更好地發(fā)揮定位控制、數據處理、狀態(tài)識別、預測性維護、雙向通信的功能，實現(xiàn)安全、有效的長周期運行。