智能電氣閥門定位器在實際中的應用

史可任

一、前言

電氣閥門定位器是氣動調節閥的關鍵附件之一，其作用是把調節裝置輸出的電信號變成驅動調節閥動作的氣信號。它具有閥門定位功能，既克服閥桿摩擦力，又可以克服因介質壓力變化而引起的不平衡力，從而能夠使閥門快速的跟隨，并對應于調節器輸出的控制信號，實現調節閥快速定位，提升其調節品質。隨著智能儀表技術的發展，微電子技術廣泛應用在傳統儀表中，大大提高了儀表的功能與性能。其在電氣閥門定位器中的應用使智能定位器的性能和功能有了一個大的飛躍。

二、智能電氣閥門定位器與傳統定位器的對比

2.1傳統電氣閥門定位器的工作原理

電氣閥門定位器經過幾十年的發展，各公司產品雖不盡相同，但基本原理大致相似同反饋桿反饋閥門的開度位置發生變化，當輸入信號產生的電磁力矩與定位器的反饋系統產生的力矩相等，定位器力平衡系統處于平衡狀態，定位器處于穩定狀態，此時輸入信號與閥位成對應比例關系。當輸入信號變化或介質流體作用力等發生變化時，力平衡系統的平衡狀態被打破，磁電組件的作用力與因閥桿位置變化引起的反饋回路產生的作用力就處于不平衡狀態，由于噴嘴和擋板作用，使定位器氣源輸出壓力發生變化，執行機構氣室壓力的變化推動執行機構運動，使閥桿定位到新位置，重新與輸入信號相對應，達到新的平衡狀態。在使用中改變定位器的反饋桿的結構（如凸輪曲線），可以改變調節閥的正、反作用，流量特性等，實現對調節閥性能的提升。

2.2智能電氣閥門定位器工作原理

雖然智能電氣閥門定位器與傳統定位器從控制規律上基本相同，都是將輸入信號與位置反饋進行比較后對輸出壓力信號進行調節。但在執行元件上智能定位器和傳統定位器完全不同，也就是工作方式上二者完全不同。智能定位器以微處理器為核心，利用了新型的壓電閥代替傳統定位器中的噴嘴、擋板調壓系統來實現對輸出壓力的調節。目前有很多廠家生產智能型電氣閥門定位器，西門子公司的SIPATTPS2系列智能電氣閥門定位器比較典型。

2.3智能電氣閥門定位器對輸出氣源壓力調節的新穎之處

1）輸出壓力調節采用PID脈寬調制（PWM）技術，迅速準確。由于CPU對壓電閥的控制采用一個五步開關程序來控制，可以精確、快速地控制輸出氣源壓力增減。其控制算法一般采用數字PID調節方式，CPU根據輸入信號與閥位產生偏差的大小和方向進行PID計算，輸出一個PWM脈寬調制脈沖信號來控制壓電閥開、閉動作。由于脈沖的寬度對應于定位器輸出氣源壓力的增量，從而可以迅速、準確的改變氣源壓力輸出P1。當偏差較大時，定位器輸出一個連續信號，快速連續、大幅度的改變P1的大小，當偏差較小時，定位器輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續、小幅改變P1的大小，當偏差很?。ㄟM入死區）時，則無脈沖輸出，閥位穩定工作。

2）新型壓電閥器件的采用，保證了控制的高精度。壓電閥的主導元件是一個壓電柔韌開關閥，也稱作硅微控制閥，由于其質量小，開關慣性非常小，可以執行很高的開關頻率，因而作為一個高頻率的脈沖閥，對輸出氣路壓力P1進行控制，驅動執行機構，可以達到很高的閥門定位精度。

3）閥位反饋元件定位精度高，壽命長。閥位反饋元件是一個結構簡單、高精度、高可靠性的導電塑料電位器，將執行機構的直線或轉角位移轉換為電阻信號，因而可以精確的檢測閥位并且可以方便的對閥門進行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。

2.4智能定位器的特點由于新型控制元件如導電塑料和壓電閥的使用，可以使閥門定位達到很高精度，由于微處理的使用，可以使定位器的調校以及適用范圍有大的改善。主要特點是：

1）安裝簡易;可以進行自動調校。組態簡便、靈活，可以非常方便的設定閥門正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。

2）定位器的耗氣量極小。傳統定位器的噴嘴、擋板系統是連續耗氣型元件。由于智能定位器采用脈沖壓電閥替代了傳統定位器的噴嘴、擋板系統，而且五步脈沖壓電閥控制方式可實現閥門的快速、精確定位。智能定位器只有在減小輸出壓力時，才向外排氣，因此在大部分時間內處于非耗氣狀態，其總耗氣量為20L/h，相對于傳統定位器來說可以忽略不計。

3）具有智能通訊和現場顯示功能，便于維修人員對定位器工作情況進行檢查維修。

4）定位器與閥門可以采用分離式安裝方式。因為智能定位器的位置反饋元件是電位器，即閥位信息是用電信號傳遞的，并且可以在CPU中對閥門的特征進行現場整定。因此采用行程位置檢測裝置外置的方法，將閥位反饋組件與定位器本身分離安裝。

三、實際使用中應注意的問題

雖然智能定位器使用簡單，功能強大，但在工程應用中還是應注意一些問題，以使其可靠的工作，發揮出更好的控制作用，延長其使用壽命。

線制連接方式，減小智能定位器輸入信號回路的輸入阻抗，如由于增加了電源供電回路，因此智能定位器信號回路的輸入阻抗會大大減小，約250歐姆左右，符合大多數調節器輸出回路的負載要求。

3.2合理設置定位器的動作死區

一般智能定位器的動作死區設置范圍為0.1～l0.0%之間。死區設置越小，定位精度越高，但相應的壓電閥及反饋連桿等運動部件的動作越頻繁，有時甚至會引起閥門震蕩，增大機械磨損，影響定位器和閥門的壽命，故定位器的死區設置不宜過小，應結合具體工藝控制精度要求進行設置，一般不小于0.5%。

3.3合理設置控制周期應結合調節器和被調節對象的特性來合理設置控制系統的控制周期。一般的智能定位器本身的控制響應時間為1.5s，因此調節器輸出改變周期設置在1.0s左右比較合適。

3.4智能定位器流量特性的選擇

智能定位器均具有流量特性選擇設定功能。但在實際使用中，要根據所配閥門的流量特性與工藝具體要求來合理確定。一般定位器所配用閥門的流量特性是由閥芯的加工特性決定的。閥芯有直線、等百分比、快開等流量特性，如果工藝要求與此相符，則智能定位器的輸出特性應選擇為線性輸出，這樣就能保證整體閥門流量特性與原設計要求相符。當實際使用中，閥芯如有流量特性不能適合工藝要求時，則可以通過閥門定位器輸出特性的改變來改變閥門的整體流量特性。如：可以修改智能定位器為等百分比輸出，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;或修改智能定位器為反向等百分比輸出，可將等百分比閥芯的閥門調整為線性流量特性的閥門來使用。

3.5防爆環境中的應用在防爆環境中應選用本安或隔爆型智能定位器。而且應在接線時注意智能定位器輸入阻抗與安全關聯設備的帶負載能力的匹配問題。如構成本質安全回路，最好選用帶附載能力大于500歐姆以上的輸出型隔離柵，如果采用齊納安全柵則應采用4線制連接方式，降低定位器信號回路的輸入阻抗。如選用隔爆型智能定位器，其現場安裝方式則應符合隔爆電氣設備的安裝規范要求。

3.6惡劣現場條件下的應用在一些惡劣現場工況環境中，如過高、過低的環境溫度，閥門或管道存在強烈的震動，以及現場環境存在強烈輻射、強電磁干擾，智能閥門定位器安裝在閥門上是不能很好工作的，壽命也會大大降低。此時可以將閥位傳感器與智能定位器進行分離式安裝。將閥位傳感器（一般為線性電阻傳感器等簡單元件）安裝在閥門上，智能定位器本身可單獨安裝在距閥門一定距離的，工況環境較好的地方，如圖3中所示。閥位傳感器與智能定位器通過電纜進行連接，智能定位器的氣動輸出通過氣動連接管與執行機構連接，即可實現閥門的可靠定位控制。電纜連接應采用屏蔽電纜，并在智能定位器中使用EMC濾波器來抑制惡劣環境產生的干擾因素。

四、總結

由于CPU和新型器件的采用，智能電氣閥門定位器的性能與傳統閥門定位器相比有了一個大的飛躍。智能電氣閥門定位器的定位精度更高，適用范圍更廣，而且使用更加簡便和可靠。但是在具體的應用中還要從符合安全要求、更好的控制效果、與調節回路的匹配、適應特殊環境要求、延長使用壽命等方面合理選擇定位器的類型，并進行其功能參數設置和調校。

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