数字式电气阀门定位器简介及技术比较

数字式电气阀门定位器简介及技术比较1阀门定位器阀门定位器是控制阀的重要附属装置，实质上是一个定值控制的闭合回路，它与气动执行器配套使用，可以改善控制阀的静态特性和动态特性、克服阀杆的摩擦力和消除不平衡力的影响，实现控制阀根据控制信号的准确定位，最终保证控制系统及工业过程有效运行。阀门定位器适用于：·摩擦力大，需要精确定位的场合；·缓慢过程需要提高控制阀响应速度的场合；·需要提高执行机构输出力和切断能力的场合；·分程控制和控制阀运行中有时需要改变正反作用形式的场合·需要改变控制阀流量特性的场合；·高压差的场合按照阀门定位器设计结构和工作原理可分类为：1.气动阀门定位器2.电气阀门定位器3.数字式电气阀门定位器（也称为智能电气阀门定位器smartpositioner）数字式电气阀门定位器是采用微处理技术和功能模块的新一代高性能电气阀门定位器，具有自校准自适应自诊断功能和免维护运行，也分带通信类型（HART、Profibus-PA、FF）和不带通信类型。阀门定位器的生产厂商很多，系列/型号繁杂，但能提供高性能数字式电气阀门定位器的还不多，目前主要有：samson的378x型373x系列、Fisher的DVC2000/DVC5000/DVC6000、Foxboro-Eckardt的SRD960/991、Siemens的SIPARTPS2、Masoneilan的SNIII、ABB（H&B）的TZID-C、MetsoNeles的ND9000、Yamatake的SVP3000、Yokogawa的FVP、Keystone的EPP100/200、Burkert的8635/1067、等等，部分厂商的数字式电气阀门定位器外观见图1。2SAMSON阀门定位器德国SAMSON公司是1907年成立的全球知名控制阀及控制设备专业制造商，设计生产有品种齐全的控制阀及控制仪表，同时生产高性能的全系列阀门定位器。1952年生产出欧洲第一台气动阀门定位器，1989年推出数字式电气阀门定位器，目前更是全球数字式电气阀门定位器的领军厂商。Samson设计生产的全系列阀门定位器有：（1）数字式电气阀门定位器·4~20mA不带通信3730-1型，微处理器、LCD显示和单键式操作，符合IEC65108/SIL4；3730-2型，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4。·4~20mA带HART通信3730-3型，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4；3731-3型，隔爆，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4；3780型，微处理器。·4~20mA带HART通信用于ESD紧急停车系统3730-3ESD型，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4。·Profibus-PA现场总线通信3730-4型，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4；3731-4型，隔爆，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4；3785型，微处理器。·FF基金会现场总线通信3730-5型，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4；3731-5型，隔爆，微处理器、LCD显示和单键式操作、本机自诊断，符合IEC65108/SIL4；3787型，微处理器。（2）电气阀门定位器（模拟式）·4~20mA3730-0型，DIP开关设定、电子控制电路；3760型，集成安装方式、低功耗I/P、机械力平衡；3767型，集成安装方式，集成低功耗电磁阀、阀位开关、低功耗I/P、机械力平衡；4763型，IEC60534-6-1/6-2安装方式、低功耗I/P、机械力平衡。（3）气动阀门定位器·20~100kPa（0.2～1.0bar）3760型、3766型、4765型，用于直行程气动执行器、机械力平衡3761型，用于角行程气动执行器、机械力平衡。其中最新的373x系列数字式电气阀门定位器集成了先进的微处理技术、信息技术、诊断软件和功能模块，独特的数字/模拟电路控制定位和气动放大器清扫功能，单键旋钮组态操作，LCD显示（含本机诊断），多种总线连接通信和SAMSONSSP串行接口，还可通过控制系统、PC机（DD、DTM工具、AMS、PDM、PRM系统和SAMSONTROVIS-VIEW）或手持式终端设备进行组态和诊断。配有软件阀位开关和故障输出接点，可内置集成低功耗电磁阀、接近开关式阀位开关、阀位变送器。符合ATEX、FM、CSA标准，有本安、隔爆类型；满足IEC65108/SIL1/2/4，防护等级为IP66。可集成安装或按IEC60534-6-1/6-2安装，尺寸小巧、重量轻，耗气量小。该系列能够满足所有工业过程控制要求和配用各种不同的控制阀，这在业内目前是极少有的。图2为373x系列数字式电气阀门定位器的功能原理图，图3是其显示和使用操作。从图2、图3中可看到，该系列数字式电气阀门定位器特点的是：－微处理器(5)主要进行信息处理和自诊断，因而LCD显示内容多信息量大、本机诊断功能强、多种通信可用。单键旋钮调用菜单组态操作，多种初始化方式，LCD读数方向可组态设置翻转180O。－阀门定位使用模拟电子控制电路(3)，直接引入阀位反馈电信号、PD算法、响应快而且平滑，减小微处理器扫描周期对控制的影响。－采用高精度低耗气的电气转换器(6)，并有气动定值器（8,微型自力式阀）保障电气转换器的气源不受阀门定位器不同气源压力的影响。也避免由于采用压电阀造成动作频次高、气动输出脉动等问题。－气动功率输出采用传统的气动放大器(7)，稳定可靠。输出气路上设有输出气量调整(10)，可适应不同尺寸的气动执行器。还设计有微流量定值器(9)，使气动放大器总保持一定的气量流动，排到阀门定位器壳内，即可使气动放大器响应快和气路清洁，还可使阀门定位器壳内有一点点正压有利于防护。图1（部分厂商的数字式电气阀门定位器外观图）－设计有一个故障报警输出接点和两个软件阀位开关数字输出。－可选配集成低功耗电磁阀(12)、接近开关型阀位开关(11)及二线制阀位变送器(13)。－除可选用于HART、Profibus-PA、FF的接口模块外，本机还配有SamsonSSP串行接口连接PC机。Samson373x系列数字式电气阀门定位器本机集成有标准版EXPERT自诊断软件（或选购增强版EXPERT+），除在本机用图形符号和代码进行自诊断显示外，可使用SamsonTROVIS-VIEW软件和DD、DTM工具或应用到AMS（资产管理系统）、PDM（过程设备管理）、PRM（工厂资源管理）系统中。标准版EXPERT在线自诊断：·运行时间计时·过程参数趋势图（行程x、输入控制信号即给定值w、偏差e、输出控制信号y）·硬件和存储器的安全监视功能·行程传感器监视·初始化次数和零点校准次数·内置温度传感器的温度测量·最近的30次报警·行程累积·启动监视·零点和控制回路监视报警增强版EXPERT+自诊断在标准版基础上增加在线过程参数记录日志（自动信息采集，在阀门定位器中存储100个x、w、e、y值）、行程x和偏差e的短期和长期柱形图、输出控制信号y的短期和长期信号图表、行程方向改变次数统计和分析、终端阀位和摩擦力的监视，等；并可在离线状态进行静特性测试、阶跃信号测试、全行程回差测试，等。强大的自诊断能力向用户提供了阀门定位器及控制阀的运行状态、详细信息、事件鉴别和维护指导。图4为在SamsonTROVIS-VIEW上的当前过程数据显示画面。图5为行程柱形图。表1是阀门定位器状态在本机和工程工具软件上的显示说明（本机还用代码来进行自诊断显示）。3数字式电气阀门定位器部分技术比较不同厂商的数字式电气阀门定位器设计上都基于自校准自适应自诊断功及免维护运行，并考虑适应各种通信类型（HART、Profibus-PA、FF）和集成各种工程工具软件。根据厂商部分型号样本手册上的技术性能数据汇总于表2，可从这些数据看出共性和差异。除此之外，以下就其几点做初步分析比较。（1）定位控制和气动部分数字式电气阀门定位器的定位控制是定值控制回路，输入控制信号为给定值，阀位（行程）信号为反馈值，最终输出气动信号给气动执行器。多数设计为数字PID控制，即由微处理器完成定位控制。输入需A/D转换或由通信模块接入，或直接数字输出或经D/A转换。Samson373x系列则是数字和模拟结合的定位控制电路，微处理器主要用于信息处理和自诊断，输入控制信号经A/D（或通信模块）、微处理器、D/A加到模拟PD控制电路，而阀位反馈信号直接采集，两个信号经PD控制电路比较后按一定运算规律输出一个电流控制信号给电气转换器。采用模拟控制电路实现定位控制，主要考虑控制的及时、平滑，以及减少微处理器的任务负荷而加强信息处理。数字式电气阀门定位器的气动部分主要有压电阀和I/P电气转换器加气动放大器类型。压电阀方式便于数字控制，且体积小结构简单，代表产品为SiemensSIPARTPS2。初期使用时，普遍感觉效果较好，运行一段时间或在控制信号急剧波动时，压电阀易出现控制不稳定、气动输出波动，甚至损坏失灵。这是因为压电阀使用数字信号、开关动作，一个压电阀控制气源进气口，一个压电阀控制输出气路排气口，虽然有PWM脉宽调制技术调整动作脉冲，但定位时交替动作还较频繁。再就是气源直接加到压电阀，开关动作瞬间对小阀芯冲击力较大，易造成关闭不严。气源质量不好时，对压电阀影响也很大。理论上压电阀在静态时不耗气，但在使用中压电阀关闭保持不动作的几率很小。表2.电气转换器＋气动放大器方式被多数厂家采用，设计、技术各有不同。Samson早期的378x型是采用压电阀技术，近年推出的373x系列则采用电气转换器（I/P）＋气动放大器。373x系列的电气转换器具有高精度低耗气，阀门定位器并设计有一个气动定值器辅助恒定电气转换器的供气压力，不受气源压力不同的影响，也使静态耗气量（110标升/小时）与气源压力无关，而其它厂商阀门定位器的静态耗气量都随气源压力不同而改变。电气转换器以毫安电流转换的气信号也较平滑，避免气压脉动。而传统的气动放大器技术成熟，稳定可靠。这样设计可以使阀门定位器气动输出性能好、提升了可靠性和延长其生命周期。（2）本机显示、组态和通信功能早期的数字式电气阀门定位器设计只考虑了通信功能，没有本机显示和组态功能，如FISHER的DVC6000、Yamatake的SVP3000，只能依靠PC或现场通信器来组态、查看和故障诊断。可通过图6比较看出，Samson373x系列本机显示的LCD较其它厂家的2行、4行LCD，信息量更大，可视性更好。在LCD上有醒目的行程显示，同时显示单位及棒图形式的定位偏差显示，还有图形的自动/手动状态、故障显示、维护信息、阀位开关状态、单位显示、代码显示、组态显示、安全动作显示，等。对于通信功能，各厂商产品都尽量满足不同通信协议的要求。Samson373x系列设计有配有不同模块分别用于HART（373x-3型）、Profibus-PA（3730-4型）、FF（373x-5型）通信的型号，还配有SamsonSSP串行接口连接PC机及应用SamsonTROVIS-VIEW软件。无论是现场本机还是远程系统，其自诊断、组态、监控都非常方便。373x系列本机组态使用单键旋钮，调用单层菜单组态，三种主要初始化模式（MAX、NOM、MAN）简单快捷。还有在线更换定位器的Sub替代初始化模式。相对来说，其它厂家使用的按键较多，SiemensSIPARTPS2和FoxboroEckardtSRD991用三个按键、metso-nelesND9000用四个按键，再加上多重菜单，使用起来略有不便。在显示语言方面，FisherDVC600、SiemensSIPARTPS2、FoxboroEckardtSRD991都是多语种并有中文显示，而Samson373x系列以图形符号和代码为主，也有部分英文缩写显示