智能电气阀门定位器在实际中的应用

史可任

一、前言

电气阀门定位器是气动调节阀的关键附件之一，其作用是把调节装置输出的电信号变成驱动调节阀动作的气信号。它具有阀门定位功能，既克服阀杆摩擦力，又可以克服因介质压力变化而引起的不平衡力，从而能够使阀门快速的跟随，并对应于调节器输出的控制信号，实现调节阀快速定位，提升其调节品质。随着智能仪表技术的发展，微电子技术广泛应用在传统仪表中，大大提高了仪表的功能与性能。其在电气阀门定位器中的应用使智能定位器的性能和功能有了一个大的飞跃。

二、智能电气阀门定位器与传统定位器的对比

2.1传统电气阀门定位器的工作原理

电气阀门定位器经过几十年的发展，各公司产品虽不尽相同，但基本原理大致相似同反馈杆反馈阀门的开度位置发生变化，当输入信号产生的电磁力矩与定位器的反馈系统产生的力矩相等，定位器力平衡系统处于平衡状态，定位器处于稳定状态，此时输入信号与阀位成对应比例关系。当输入信号变化或介质流体作用力等发生变化时，力平衡系统的平衡状态被打破，磁电组件的作用力与因阀杆位置变化引起的反馈回路产生的作用力就处于不平衡状态，由于喷嘴和挡板作用，使定位器气源输出压力发生变化，执行机构气室压力的变化推动执行机构运动，使阀杆定位到新位置，重新与输入信号相对应，达到新的平衡状态。在使用中改变定位器的反馈杆的结构（如凸轮曲线），可以改变调节阀的正、反作用，流量特性等，实现对调节阀性能的提升。

2.2智能电气阀门定位器工作原理

虽然智能电气阀门定位器与传统定位器从控制规律上基本相同，都是将输入信号与位置反馈进行比较后对输出压力信号进行调节。但在执行元件上智能定位器和传统定位器完全不同，也就是工作方式上二者完全不同。智能定位器以微处理器为核心，利用了新型的压电阀代替传统定位器中的喷嘴、挡板调压系统来实现对输出压力的调节。目前有很多厂家生产智能型电气阀门定位器，西门子公司的SIPATTPS2系列智能电气阀门定位器比较典型。

2.3智能电气阀门定位器对输出气源压力调节的新颖之处

1）输出压力调节采用PID脉宽调制（PWM）技术，迅速准确。由于CPU对压电阀的控制采用一个五步开关程序来控制，可以精确、快速地控制输出气源压力增减。其控制算法一般采用数字PID调节方式，CPU根据输入信号与阀位产生偏差的大小和方向进行PID计算，输出一个PWM脉宽调制脉冲信号来控制压电阀开、闭动作。由于脉冲的宽度对应于定位器输出气源压力的增量，从而可以迅速、准确的改变气源压力输出P1。当偏差较大时，定位器输出一个连续信号，快速连续、大幅度的改变P1的大小，当偏差较小时，定位器输出一个较小脉宽的脉冲信号，断续、小幅改变P1的大小，当偏差很小（进入死区）时，则无脉冲输出，阀位稳定工作。

2）新型压电阀器件的采用，保证了控制的高精度。压电阀的主导元件是一个压电柔韧开关阀，也称作硅微控制阀，由于其质量小，开关惯性非常小，可以执行很高的开关频率，因而作为一个高频率的脉冲阀，对输出气路压力P1进行控制，驱动执行机构，可以达到很高的阀门定位精度。

3）阀位反馈元件定位精度高，寿命长。阀位反馈元件是一个结构简单、高精度、高可靠性的导电塑料电位器，将执行机构的直线或转角位移转换为电阻信号，因而可以精确的检测阀位并且可以方便的对阀门进行零位，满度及阀门流量特性曲线的定位。

2.4智能定位器的特点由于新型控制元件如导电塑料和压电阀的使用，可以使阀门定位达到很高精度，由于微处理的使用，可以使定位器的调校以及适用范围有大的改善。主要特点是：

1）安装简易;可以进行自动调校。组态简便、灵活，可以非常方便的设定阀门正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。

2）定位器的耗气量极小。传统定位器的喷嘴、挡板系统是连续耗气型元件。由于智能定位器采用脉冲压电阀替代了传统定位器的喷嘴、挡板系统，而且五步脉冲压电阀控制方式可实现阀门的快速、精确定位。智能定位器只有在减小输出压力时，才向外排气，因此在大部分时间内处于非耗气状态，其总耗气量为20L/h，相对于传统定位器来说可以忽略不计。

3）具有智能通讯和现场显示功能，便于维修人员对定位器工作情况进行检查维修。

4）定位器与阀门可以采用分离式安装方式。因为智能定位器的位置反馈元件是电位器，即阀位信息是用电信号传递的，并且可以在CPU中对阀门的特征进行现场整定。因此采用行程位置检测装置外置的方法，将阀位反馈组件与定位器本身分离安装。

三、实际使用中应注意的问题

虽然智能定位器使用简单，功能强大，但在工程应用中还是应注意一些问题，以使其可靠的工作，发挥出更好的控制作用，延长其使用寿命。

线制连接方式，减小智能定位器输入信号回路的输入阻抗，如由于增加了电源供电回路，因此智能定位器信号回路的输入阻抗会大大减小，约250欧姆左右，符合大多数调节器输出回路的负载要求。

3.2合理设置定位器的动作死区

一般智能定位器的动作死区设置范围为0.1～l0.0%之间。死区设置越小，定位精度越高，但相应的压电阀及反馈连杆等运动部件的动作越频繁，有时甚至会引起阀门震荡，增大机械磨损，影响定位器和阀门的寿命，故定位器的死区设置不宜过小，应结合具体工艺控制精度要求进行设置，一般不小于0.5%。

3.3合理设置控制周期应结合调节器和被调节对象的特性来合理设置控制系统的控制周期。一般的智能定位器本身的控制响应时间为1.5s，因此调节器输出改变周期设置在1.0s左右比较合适。

3.4智能定位器流量特性的选择

智能定位器均具有流量特性选择设定功能。但在实际使用中，要根据所配阀门的流量特性与工艺具体要求来合理确定。一般定位器所配用阀门的流量特性是由阀芯的加工特性决定的。阀芯有直线、等百分比、快开等流量特性，如果工艺要求与此相符，则智能定位器的输出特性应选择为线性输出，这样就能保证整体阀门流量特性与原设计要求相符。当实际使用中，阀芯如有流量特性不能适合工艺要求时，则可以通过阀门定位器输出特性的改变来改变阀门的整体流量特性。如：可以修改智能定位器为等百分比输出，将具有线性阀芯的阀门变为等百分比流量特性的阀门来使用;或修改智能定位器为反向等百分比输出，可将等百分比阀芯的阀门调整为线性流量特性的阀门来使用。

3.5防爆环境中的应用在防爆环境中应选用本安或隔爆型智能定位器。而且应在接线时注意智能定位器输入阻抗与安全关联设备的带负载能力的匹配问题。如构成本质安全回路，最好选用带附载能力大于500欧姆以上的输出型隔离栅，如果采用齐纳安全栅则应采用4线制连接方式，降低定位器信号回路的输入阻抗。如选用隔爆型智能定位器，其现场安装方式则应符合隔爆电气设备的安装规范要求。

3.6恶劣现场条件下的应用在一些恶劣现场工况环境中，如过高、过低的环境温度，阀门或管道存在强烈的震动，以及现场环境存在强烈辐射、强电磁干扰，智能阀门定位器安装在阀门上是不能很好工作的，寿命也会大大降低。此时可以将阀位传感器与智能定位器进行分离式安装。将阀位传感器（一般为线性电阻传感器等简单元件）安装在阀门上，智能定位器本身可单独安装在距阀门一定距离的，工况环境较好的地方，如图3中所示。阀位传感器与智能定位器通过电缆进行连接，智能定位器的气动输出通过气动连接管与执行机构连接，即可实现阀门的可靠定位控制。电缆连接应采用屏蔽电缆，并在智能定位器中使用EMC滤波器来抑制恶劣环境产生的干扰因素。

四、总结

由于CPU和新型器件的采用，智能电气阀门定位器的性能与传统阀门定位器相比有了一个大的飞跃。智能电气阀门定位器的定位精度更高，适用范围更广，而且使用更加簡便和可靠。但是在具体的应用中还要从符合安全要求、更好的控制效果、与调节回路的匹配、适应特殊环境要求、延长使用寿命等方面合理选择定位器的类型，并进行其功能参数设置和调校。

（身份证号码：320902198711241058）