基于阀门定位器的气动调节阀故障诊断与预测

范耀峰 刘小强 蒋 浩 钟盛辉

（重庆川仪自动化股份有限公司技术中心 重庆 400000）

一、阀门定位器工作原理

智能阀门定位器是广泛应用于石油化工等领域的现场控制仪表，是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，功能是接收来自中控的控制命令，精准控制阀门开度。

带诊断功能的智能阀门定位器除了控制阀门开度外，另一项基本功能是对调节阀进行故障诊断，其诊断原理是利用压力、行程、温度等各种传感器监控、采集调节阀系统中的重要数据，对数据进行分析比较，判断出调节阀的当前状态，智能阀门定位器系统框如图1所示，行程传感器测量调节阀的行程位移，压力传感器1测量输入到智能阀门定位器的气源压力，压力传感器2测量智能阀门定位器输出到执行机构气缸的压力。

图1 阀门定位器结构框图

二、调节阀故障诊断与预测

在一般工业现场，调节阀的使用量很大，对调节阀进行维护保养是一项非常重要的工作，如果对每台调节阀都进行维护，不仅工作量大，而且会过度保养，造成资源浪费，调节阀的故障诊断预测目的就是科学地给出维护保养建议，帮助用户有针对、有计划、有目的地对调节阀进行维护与保养。

调节阀的常见故障如表1所示：

表1 调节阀故障列表

智能阀门定位器作为调节阀的主要附件，控制阀门的开度，在进行阀门开度控制的同时，可以利用自身的各种传感器收集调节阀运行相关的参数，通过诊断算法对调节阀进行故障诊断与预测，一般来说，有些故障可以实时在线监控分析判断，而有些故障需要智能阀门定位器控制调节阀执行不同开度动作，在控制开度过程中分析调节阀状态，因此，我们将故障诊断分为在线诊断与离线诊断两种。

三、在线诊断与离线诊断

（一）在线诊断

在正常生产过程中，阀位跟随中控命令进行实时调节控制，不能影响正常生产工艺，在线诊断就是通过智能阀门定位器实时收集监控运行过程中的关键参数，通过综合分析比较，对异常情况进行报警提示，在线诊断可以诊断的故障类型如下文所述。

智能阀门定位器是调节阀的核心控制单元，如果智能阀门定位器自身有故障，调节阀将不能正常工作，智能阀门定位器在正常工作时，可以采集的数据包括AD采集系统电压、IP控制电压、位置传感器、压力传感器、温度传感器数据，通过这些数据，定位器软件可以分析出输入信号超范围、系统电压故障、传感器故障、温度过高或过低、电气转换单元故障等。除了这些以外，通过对运行数据的监控记录，智能阀门定位器可以实现更多数据统计分析，为更好地制定调节阀维护计划提供参考，在线诊断可以诊断的故障类型如表2所示。

表2 在线诊断数据列表

各百分比段运行时间将阀位百分比划分区间，记录阀位在每个百分比段的运行时间，如果阀位长期运行在比较小的开度（10%）左右或者比较大的开度（90%）左右，可能是调节阀口径选型不合理。各温度段运行时间 统计智能阀门定位器在每个温度段运行时间，如果长期工作在极限温度，可能会将低调节阀寿命。

（二）离线诊断

离线诊断是诊断软件控制定位器进行各种动作，生成并保存曲线数据，对历史诊断数据的对比，分析得出当前状态，提示用户对调节阀进行保养、维护或维修，一般在离线诊断过程中，智能阀门定位器会控制阀门进行阶跃响应测试、全行程测试和部分行程测试。

1.阶跃响应

阶跃响应测试是检验调节阀控制性能的重要方法，利用诊断软件与智能阀门定位器通讯，控制调节阀进行不同开度测试，诊断软件记录目标阀位与实际阀位的曲线，称为阶跃响应测试曲线。其中，目标阀位百分比和时间间隔都可以设定，利用曲线可以很直观地对调节阀的响应状况做出判断，例如阀门开度、上升时间、下降时间、滞后时间、超调情况等。

图2 阶跃响应测试曲线示意图

通过离线阶跃响应测试，可以发现目视检查不能发现的调节特性，目标阀位与实际阀位两条曲线的重合度越好，说明调节阀的控制性能越好。同时，阶跃响应测试也可以将本次测试与历史测试数据对比，以得到更准确的测试结果。

2.咬卡测试

咬卡测试的目的是分析调节阀咬卡故障发生的趋势，在测试过程中，诊断软件通过智能阀门定位器控制调节阀以一定速度进气或排气，使阀门完整地运行一个开关过程，横坐标为阀门开度，纵坐标为输出压力，根据这两个因素之间的关系，可以很清晰地判断出阀门在进气或排气过程中是否发生咬卡现象。

图3 咬卡测试曲线示意图

四、结束语

可以看出，利用智能阀门定位器和与之配套的诊断软件可以方便地对调节阀的部分故障状况做出诊断，帮助用户合理有计划地对调节阀制定维护保养计划，从而避免过度保养造成的资源浪费。