淺析智能閥門定位器在化工裝置的應用
作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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摘要： 介紹智能閥門定位器的組成、工作原理、特點及其應用。闡述在化工控制過程中利用智能閥門定位器可實現高品質調節，增加過程控制的精確性和穩定性。 關鍵詞：智能閥門定位器壓電閥調校 調節閥是控制系
摘要：
介紹智能閥門定位器的組成、工作原理、特點及其應用。闡述在化工控制過程中利用智能閥門定位器可實現高品質調節，增加過程控制的精確性和穩定性。
關鍵詞：智能閥門定位器 壓電閥 調校
調節閥是控制系統的終端，一旦其發生故障，將直接影響裝置的安全運行，對生產過程影響非常大。運用智能閥門定位器，能夠改善調節閥的流量特性和性能，可以通過與DCS或總線設備進行數字信息通訊，提升企業生產控制能力，為裝置的安全穩定生產提供保障。下面以美國FLOWSERVE公司生產的Logix520智能閥門定位器在我廠的應用為例，介紹智能閥門定位器。
1． 常規定位器存在的不足
1) 常規定位器多為機械力平衡原理，它采用噴嘴擋板機構，可動件較多，容易受溫度波動、外界振動等干擾的影響，耐環境性差；彈簧的彈性系數在惡劣環境下能發生改變，會造成調節閥非線性，導致控制質量下降；外界振動傳到力平衡機構，易造成部件磨損以及零點和行程漂移，也使定位器難以工作；
2) 由于噴嘴本身的特性，執行器在穩定狀態時也要大量消耗壓縮空氣，若使用執行器數量較多，能耗較大；而且噴咀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；
3) 常規定位器手動調校時需要使用專用設備、不隔離控制回路是不可能的，且零點和行程的調整互相影響，須反復整定，費時費力，非線性嚴重時，則更難調整。
2．Logix520智能閥門定位器的組成和原理
2.1 Logix520智能閥門定位器的組成
Logix520智能閥門定位器是一種具有HART通信協議的智能閥門定位器，由三部分組成：微處理器電子控制的模件，包括HART通信模塊和就地用戶界面開關；電/氣動轉換器模件的壓電閥；閥位傳感器。
2.2 Logix520智能閥門定位器的工作原理
整個控制回路由兩線、4～20mA信號控制。HART模件送出和接收疊加在4～20mA信號上的數字信息，實現與微處理器的雙向數字通信。模擬量的4～20mA信號傳給微處理器，與閥位傳感器的反饋進行比較，微處理器根據偏差的大小和方向進行控制計算（一級控制），向壓電閥發出電控指令使其進行開、閉動作。壓電閥依據控制指令脈沖的寬度對應于氣動放大器輸出壓力的增量，同時氣動放大器的輸出又被反饋給內控制回路，再次與微處理器的運算結果進行比較運算（二級控制），通過兩級控制輸出信號到執行機構，執行機構內空氣壓力的變化控制著閥門行程。當控制偏差很大時，壓電閥發出寬幅脈沖信號，使定位器輸出一個連續信號，大幅度的改變至執行機構的信號壓力驅動閥門快速動作；隨著閥門接近要求的位置，命令要求的位置與測得位置的差值變小，壓電閥輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續、小幅度的改變至執行機構的信號壓力，使執行機構接近新命令位置的動作平緩。當閥門到達要求的位置（進入死區）時，壓電閥無脈沖輸出，定位器輸出保持為零，使閥門穩定在某一位置不動。
3．Logix520智能定位器的調校
通過就地用戶界面DIP設置開關，可完成定位器的增益、正反作用、定位器特性以及是否允許自動調校等基本設置；在不增加工具的條件下，能夠進行自動或手動校準定位器；并且可以通過就地用戶界面手動控制按鈕,實現手動控制調節閥。
3.1自動調校
將“Quick_cal”DIP開關置于“自動”，按住定位器就地界面板上的“Quick_cal”按鈕約三秒鐘，定位器會全關閥門并登記0％位置，然后，打開閥門到停并登記100％位置，反復進行兩遍，在這一過程中，定位器要測量兩個方向的定位速度，以確定最小的定位增量（第二遍過程中在50％略停檢測閥位中點偏移），其間面板上狀態指示燈會按“Y-R-G-G”的順序閃亮，表明校準正在進行中。當指示燈回到從綠燈開始的變化順序時，校準自動完成。
3.2手動調校
將“Quick_cal”DIP開關置于“慢進”，校準過程會在一開始時關閉閥門，零點位置自動定在閥座處，量程則需用戶手動設定；當面板上狀態指示燈按“Y-R-R-G”順序閃亮，使用“慢進↑”按鈕，手動把閥門調到約100％位置，然后同時按兩個“慢進”按鈕，閥門會進行開關行程，當面板上狀態指示燈再次按“Y-R-R-G”順序閃亮時，使用“慢進↑”按鈕，再次調節閥門到精確的100％，然后再次同時按兩個“慢進”按鈕，登記100％位置，在之后完成校準的過程中，再不需要操作。當指示燈回到從綠燈開始的順序時，完成校準。
這個功能使調校工作方便快捷，而且調校的線性好，精度高，響應速度和死區適中，穩定性好。
4． Logix520閥門定位器的其他特點
1) 就地面板裝有紅黃綠三個發光二極管，通過多種組合指示操作狀態或警告工況，具有診斷、監測功能；三個LCD閃亮順序組合所表示的基本含義：任何以綠色開始的閃亮順序，表明處于正常操作模式，沒有內部問題、錯誤和報警；任何以黃燈開始的閃亮順序，表明是在特殊校驗或測試狀態；任何以紅燈開始的閃亮順序，表明存在操作問題或故障。
2) 耗氣量非常小，在0.6 MPa穩定狀態下，僅為0.12NM3/h，不足常規定位器的8 ％；對氣源壓力的變化不敏感；
3) 采用同一型號既可用于直行程又可用于角行程；通過選配雙作用模件，可以實現控制雙作用活塞缸執行器；
4) “緊閉”功能默認設置起始風壓，確保執行機構對閥座適宜的定位壓力，使調節閥在不同工況下保證零位“緊密關閉”；
5) 使用HART通訊協議，與定位器進行雙向通信；
5．在實際使用中應該注意的問題
5.1 對調節信號的帶負載能力有較高的要求
在實際使用過程中，由于Logix520定位器的輸入阻抗較高，當輸入信號為20mA時，供電電壓的最小要求值為12VDC、帶負荷能力不小于600Ω，否則定位器不能正常工作；最小輸入電流不小于3.6mA時，才能確保其性能。
5.2 應合理設置定位器的動作死區
定位器死區設置越小，定位精度越高，這就給人們造成一個誤區，以為死區越小越好，但這樣會使壓電閥及反饋桿等運動部件的動作越頻繁，有時會引起閥門振蕩，影響定位器和閥門的使用壽命，故定位器的死區設置不易過小；定位器設置更改后，必須重新調校后才能生效；
5.3 Logix520定位器的安裝
定位器的安裝有一個重要原則就是，定位器、閥桿、反饋桿三部分要構成閉環負反饋。安裝時可以這樣檢驗：定位器安裝后，閥桿和反饋桿不連接，用手轉動反饋桿，若閥桿動作方向與反饋桿動作方向相反，則說明已構成閉環負反饋；此時要將調節閥閥位置于50％，并使反饋桿處于水平位置，然后將反饋桿和閥桿固定，這樣可以保證定位器工作在最佳線性段。定位器安裝不平正，也會增加其線性偏差。
5.4 Logix520定位器流量特性的選擇
調節閥的流量特性是由閥芯的加工特性所決定的，如果工藝要求與其相符，則定位器的輸出特性應選擇線性輸出；在實際使用中，若閥芯特性與工藝要求不符，則可以通過定位器輸出特性的設置來改變閥門的整體流量特性，如可以將閥芯為線性特性的調節閥，通過把定位器輸出特性設置為等百分比特性，即可將具有線性閥芯的閥門變為等百分比流量特性的閥門來使用。
5.5 Logix520定位器的維修
定位器不同的功能模塊損壞，造成定位器無法使用時，如果整體更換，費用高昂；這時可以利用無故障的模塊對定位器進行重新組裝，但組裝后要根據不同的調節閥進行重新設置，由于使用定位器的調節閥（行程等）變了，利用自動調校可能達不到使用要求，這時可以先手動調校確定其行程，然后再用自動調校校準。這樣可以使調節閥定位精準、具有合適的響應速度，從而滿足過程控制的要求，也節約了大量的資金。
6． Logix520閥門定位器在某廠的實際應用
1)某甲醇裝置C-203A/B/C氧壓機組震動劇烈，其回流管線上的PCV-2008A/B/C調節閥，使用常規定位器，噴嘴擋板不久即出現磨損，零點量程時有漂移，定位器頻繁損壞，過程控制質量極差、危及安全生產；采用Logix520定位器后，由于其全密封結構，可動部件很少，力轉換過程沒有機械傳動，消除了振動產生的干擾，使這個問題隨之化解，大大降低了維護量、節約了資金，保證了過程控制質量和裝置安全運行。
2)某裝置氣化爐廢鍋液位LCV-2003A/B調節閥，改造前使用常規定位器，安裝在氣化爐附近，工作環境溫度較高（80℃左右），介質狀態為高溫高壓（304℃、8MPa），為防止介質泄漏，將填料壓得較緊，導致閥桿動作遲滯緩慢，閥位產生階躍變化，穩定性較差，對過程控制影響較大。而且操作難度大，儀表維護量多；采用Logix520定位器后，定位器通過兩級控制，加之與主控氣路連在一起的壓電閥可以釋放很短的控制脈沖，使輸出至膜頭的信號更精確、更穩定，閥位的變化平穩精準；還可將定位器就地界面上的“valve stability”DIP開關撥到“Hi Friction”和“Lo Friction”選項中的“Hi Friction”端，用以消減閥桿承受的高摩擦力和不平衡力造成的影響，基本消除了上述問題。
3）2005年4月，儀表維護人員巡檢至某裝置加氫反應器液面調節閥LV-1501B時，發現Logix520閥門定位器的狀態指示燈顯示為“R-Y-Y-Y”，由此判斷并檢查出調節閥膜頭漏氣，及時進行了處理，避免了因調節閥動作失靈危及裝置安全生產；同樣還是維護人員巡檢時發現TV-0706B調節閥的Logix520閥門定位器狀態指示燈顯示“R-Y-Y-R”，由此檢查出減壓閥輸出變小，調節閥供氣壓力不足，無法滿足行程要求。維護人員檢查后發現減壓閥損壞，及時更換了減壓閥并按額定要求恢復氣源壓力，避免了操作過程中因調節不到位而影響過程控制和產品質量。
7．結束語
由于采用微處理器和新型元件，智能定位器的性能有了很大的提高，適用范圍更廣，使用更加簡便、可靠。還有很多廠家生產的智能閥門定位器，像SIEMENS的PS2、FISHER的DVC5000、YAMATAKE的AVP100等在功能上大同小異，性能上各有優劣，而且也都在進一步開發軟件功能，使其得到充分應用，提高過程控制品質，提升企業管理水平。
介紹智能閥門定位器的組成、工作原理、特點及其應用。闡述在化工控制過程中利用智能閥門定位器可實現高品質調節，增加過程控制的精確性和穩定性。
關鍵詞：智能閥門定位器 壓電閥 調校
調節閥是控制系統的終端，一旦其發生故障，將直接影響裝置的安全運行，對生產過程影響非常大。運用智能閥門定位器，能夠改善調節閥的流量特性和性能，可以通過與DCS或總線設備進行數字信息通訊，提升企業生產控制能力，為裝置的安全穩定生產提供保障。下面以美國FLOWSERVE公司生產的Logix520智能閥門定位器在我廠的應用為例，介紹智能閥門定位器。
1． 常規定位器存在的不足
1) 常規定位器多為機械力平衡原理，它采用噴嘴擋板機構，可動件較多，容易受溫度波動、外界振動等干擾的影響，耐環境性差；彈簧的彈性系數在惡劣環境下能發生改變，會造成調節閥非線性，導致控制質量下降；外界振動傳到力平衡機構，易造成部件磨損以及零點和行程漂移，也使定位器難以工作；
2) 由于噴嘴本身的特性，執行器在穩定狀態時也要大量消耗壓縮空氣，若使用執行器數量較多，能耗較大；而且噴咀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；
3) 常規定位器手動調校時需要使用專用設備、不隔離控制回路是不可能的，且零點和行程的調整互相影響，須反復整定，費時費力，非線性嚴重時，則更難調整。
2．Logix520智能閥門定位器的組成和原理
2.1 Logix520智能閥門定位器的組成
Logix520智能閥門定位器是一種具有HART通信協議的智能閥門定位器，由三部分組成：微處理器電子控制的模件，包括HART通信模塊和就地用戶界面開關；電/氣動轉換器模件的壓電閥；閥位傳感器。
2.2 Logix520智能閥門定位器的工作原理
整個控制回路由兩線、4～20mA信號控制。HART模件送出和接收疊加在4～20mA信號上的數字信息，實現與微處理器的雙向數字通信。模擬量的4～20mA信號傳給微處理器，與閥位傳感器的反饋進行比較，微處理器根據偏差的大小和方向進行控制計算（一級控制），向壓電閥發出電控指令使其進行開、閉動作。壓電閥依據控制指令脈沖的寬度對應于氣動放大器輸出壓力的增量，同時氣動放大器的輸出又被反饋給內控制回路，再次與微處理器的運算結果進行比較運算（二級控制），通過兩級控制輸出信號到執行機構，執行機構內空氣壓力的變化控制著閥門行程。當控制偏差很大時，壓電閥發出寬幅脈沖信號，使定位器輸出一個連續信號，大幅度的改變至執行機構的信號壓力驅動閥門快速動作；隨著閥門接近要求的位置，命令要求的位置與測得位置的差值變小，壓電閥輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續、小幅度的改變至執行機構的信號壓力，使執行機構接近新命令位置的動作平緩。當閥門到達要求的位置（進入死區）時，壓電閥無脈沖輸出，定位器輸出保持為零，使閥門穩定在某一位置不動。
3．Logix520智能定位器的調校
通過就地用戶界面DIP設置開關，可完成定位器的增益、正反作用、定位器特性以及是否允許自動調校等基本設置；在不增加工具的條件下，能夠進行自動或手動校準定位器；并且可以通過就地用戶界面手動控制按鈕,實現手動控制調節閥。
3.1自動調校
將“Quick_cal”DIP開關置于“自動”，按住定位器就地界面板上的“Quick_cal”按鈕約三秒鐘，定位器會全關閥門并登記0％位置，然后，打開閥門到停并登記100％位置，反復進行兩遍，在這一過程中，定位器要測量兩個方向的定位速度，以確定最小的定位增量（第二遍過程中在50％略停檢測閥位中點偏移），其間面板上狀態指示燈會按“Y-R-G-G”的順序閃亮，表明校準正在進行中。當指示燈回到從綠燈開始的變化順序時，校準自動完成。
3.2手動調校
將“Quick_cal”DIP開關置于“慢進”，校準過程會在一開始時關閉閥門，零點位置自動定在閥座處，量程則需用戶手動設定；當面板上狀態指示燈按“Y-R-R-G”順序閃亮，使用“慢進↑”按鈕，手動把閥門調到約100％位置，然后同時按兩個“慢進”按鈕，閥門會進行開關行程，當面板上狀態指示燈再次按“Y-R-R-G”順序閃亮時，使用“慢進↑”按鈕，再次調節閥門到精確的100％，然后再次同時按兩個“慢進”按鈕，登記100％位置，在之后完成校準的過程中，再不需要操作。當指示燈回到從綠燈開始的順序時，完成校準。
這個功能使調校工作方便快捷，而且調校的線性好，精度高，響應速度和死區適中，穩定性好。
4． Logix520閥門定位器的其他特點
1) 就地面板裝有紅黃綠三個發光二極管，通過多種組合指示操作狀態或警告工況，具有診斷、監測功能；三個LCD閃亮順序組合所表示的基本含義：任何以綠色開始的閃亮順序，表明處于正常操作模式，沒有內部問題、錯誤和報警；任何以黃燈開始的閃亮順序，表明是在特殊校驗或測試狀態；任何以紅燈開始的閃亮順序，表明存在操作問題或故障。
2) 耗氣量非常小，在0.6 MPa穩定狀態下，僅為0.12NM3/h，不足常規定位器的8 ％；對氣源壓力的變化不敏感；
3) 采用同一型號既可用于直行程又可用于角行程；通過選配雙作用模件，可以實現控制雙作用活塞缸執行器；
4) “緊閉”功能默認設置起始風壓，確保執行機構對閥座適宜的定位壓力，使調節閥在不同工況下保證零位“緊密關閉”；
5) 使用HART通訊協議，與定位器進行雙向通信；
5．在實際使用中應該注意的問題
5.1 對調節信號的帶負載能力有較高的要求
在實際使用過程中，由于Logix520定位器的輸入阻抗較高，當輸入信號為20mA時，供電電壓的最小要求值為12VDC、帶負荷能力不小于600Ω，否則定位器不能正常工作；最小輸入電流不小于3.6mA時，才能確保其性能。
5.2 應合理設置定位器的動作死區
定位器死區設置越小，定位精度越高，這就給人們造成一個誤區，以為死區越小越好，但這樣會使壓電閥及反饋桿等運動部件的動作越頻繁，有時會引起閥門振蕩，影響定位器和閥門的使用壽命，故定位器的死區設置不易過小；定位器設置更改后，必須重新調校后才能生效；
5.3 Logix520定位器的安裝
定位器的安裝有一個重要原則就是，定位器、閥桿、反饋桿三部分要構成閉環負反饋。安裝時可以這樣檢驗：定位器安裝后，閥桿和反饋桿不連接，用手轉動反饋桿，若閥桿動作方向與反饋桿動作方向相反，則說明已構成閉環負反饋；此時要將調節閥閥位置于50％，并使反饋桿處于水平位置，然后將反饋桿和閥桿固定，這樣可以保證定位器工作在最佳線性段。定位器安裝不平正，也會增加其線性偏差。
5.4 Logix520定位器流量特性的選擇
調節閥的流量特性是由閥芯的加工特性所決定的，如果工藝要求與其相符，則定位器的輸出特性應選擇線性輸出；在實際使用中，若閥芯特性與工藝要求不符，則可以通過定位器輸出特性的設置來改變閥門的整體流量特性，如可以將閥芯為線性特性的調節閥，通過把定位器輸出特性設置為等百分比特性，即可將具有線性閥芯的閥門變為等百分比流量特性的閥門來使用。
5.5 Logix520定位器的維修
定位器不同的功能模塊損壞，造成定位器無法使用時，如果整體更換，費用高昂；這時可以利用無故障的模塊對定位器進行重新組裝，但組裝后要根據不同的調節閥進行重新設置，由于使用定位器的調節閥（行程等）變了，利用自動調校可能達不到使用要求，這時可以先手動調校確定其行程，然后再用自動調校校準。這樣可以使調節閥定位精準、具有合適的響應速度，從而滿足過程控制的要求，也節約了大量的資金。
6． Logix520閥門定位器在某廠的實際應用
1)某甲醇裝置C-203A/B/C氧壓機組震動劇烈，其回流管線上的PCV-2008A/B/C調節閥，使用常規定位器，噴嘴擋板不久即出現磨損，零點量程時有漂移，定位器頻繁損壞，過程控制質量極差、危及安全生產；采用Logix520定位器后，由于其全密封結構，可動部件很少，力轉換過程沒有機械傳動，消除了振動產生的干擾，使這個問題隨之化解，大大降低了維護量、節約了資金，保證了過程控制質量和裝置安全運行。
2)某裝置氣化爐廢鍋液位LCV-2003A/B調節閥，改造前使用常規定位器，安裝在氣化爐附近，工作環境溫度較高（80℃左右），介質狀態為高溫高壓（304℃、8MPa），為防止介質泄漏，將填料壓得較緊，導致閥桿動作遲滯緩慢，閥位產生階躍變化，穩定性較差，對過程控制影響較大。而且操作難度大，儀表維護量多；采用Logix520定位器后，定位器通過兩級控制，加之與主控氣路連在一起的壓電閥可以釋放很短的控制脈沖，使輸出至膜頭的信號更精確、更穩定，閥位的變化平穩精準；還可將定位器就地界面上的“valve stability”DIP開關撥到“Hi Friction”和“Lo Friction”選項中的“Hi Friction”端，用以消減閥桿承受的高摩擦力和不平衡力造成的影響，基本消除了上述問題。
3）2005年4月，儀表維護人員巡檢至某裝置加氫反應器液面調節閥LV-1501B時，發現Logix520閥門定位器的狀態指示燈顯示為“R-Y-Y-Y”，由此判斷并檢查出調節閥膜頭漏氣，及時進行了處理，避免了因調節閥動作失靈危及裝置安全生產；同樣還是維護人員巡檢時發現TV-0706B調節閥的Logix520閥門定位器狀態指示燈顯示“R-Y-Y-R”，由此檢查出減壓閥輸出變小，調節閥供氣壓力不足，無法滿足行程要求。維護人員檢查后發現減壓閥損壞，及時更換了減壓閥并按額定要求恢復氣源壓力，避免了操作過程中因調節不到位而影響過程控制和產品質量。
7．結束語
由于采用微處理器和新型元件，智能定位器的性能有了很大的提高，適用范圍更廣，使用更加簡便、可靠。還有很多廠家生產的智能閥門定位器，像SIEMENS的PS2、FISHER的DVC5000、YAMATAKE的AVP100等在功能上大同小異，性能上各有優劣，而且也都在進一步開發軟件功能，使其得到充分應用，提高過程控制品質，提升企業管理水平。
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