解析常见智能阀门定位器的基本原理-1

解析常见智能阀门定位器的基本原理阀门定位器作为气动控制阀的主要附件，在提高控制阀的运行品质等方面发挥着重要的作用。阀门定位器按输入信号的不同可分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能阀门定位器。目前，在化工企业生产过程中，气动阀门定位器和电气阀门定位器使用较少，95%以上的控制阀都采用智能阀门定位器调节阀门开度。智能阀门定位器又分为模拟式和数字式两类。其中模拟式智能阀门定位器接收标准模拟电流或电压信号，将模拟信号转换为数字信号后作为微处理器的输入，这类定位器不具有数字通信功能。数字式智能阀门定位器接收数字信号，可细分为两种类型：第1类与模拟式智能阀门定位器类似，除了模拟信号转换为数字信号作为微处理器的输入信号外，还可将数字信号叠加在模拟信号上(如HART信号)，其传输信号的电缆与模拟式智能阀门定位器相同，但具有数字通信功能；第2类数字式智能阀门定位器直接接收现场总线的数字信号，经微处理器处理后转换为执行机构可工作的信号。什么是定位器？根据国家标准GB/T22137．1-2008(等同IEC61514-2000)《工业过程控制系统用阀门定位器第1部分：气动输出阀门定位器性能评定方法》中3．1条定义：定位器(positioner)是连接到最终控制元件或者执行机构的移动部件的定位控制器，能自动调节供给执行机构的输出信号Y，以维持与输入信号W相关的预先期望的行程信号X。输入信号W可以是气压信号(气动定位器)，或者是电流、电压信号(电气定位器)，或者是脉冲信号，或者是数字信号。智能阀门定位器的气动部件作为关键部件，其可靠性、抗振性及功耗等指标都将直接影响整机性能。智能阀门定位器的气动部件一般由I/P转换器和功率放大器两部分组成。I/P转换器是将电流信号转换为气压信号的一个小型装置，一般采用两种技术：一种是基于逆压电效应原理的技术；另一种是基于电磁原理和喷嘴挡板机构的技术。由于I/P转换器所输出的流量很小，所以需同时配备功率放大器对气动信号的功率进行放大，一般采用气动放大器或气动滑阀。01ABBTZIDC的I/P转换器0.2~1.0bar(3~15psi)(1bar=100kPa)压力信号。当线圈接收到4~20mA标准电流信号时，磁铁带动杠杆臂进而使挡板产生微位移，挡板和空气喷嘴之间的出0.2~1.0bar(3~15psi)的气压信号。I/P转换器的输出信号与电信号成比例关系。02FisherDVC6200的I/P转换器定位器的I/P转换器模块接收来自控制装置的标准直流电流输入信号，并且干净无油的仪表空气经恒节流孔(恒定气阻)到喷嘴，电流信号通过线圈和磁铁相互作用产生作用力，带动平衡梁旋转，平衡梁连接的挡板与喷嘴间的缝隙为可变气阻。当增加驱动信号流经电磁线圈时，吸引平衡梁动作，平衡梁带动挡板使之靠近喷嘴(改变挡板和喷嘴之间的距离)，引起喷嘴背压增加即送到气动放大器的气压信号增加，最终阀门定位器输出气压增加；反之亦然，当减小驱动信号时，通过电磁线圈使平衡梁/挡板远离喷嘴，使背压减小，气动放大器输出03Samson3730的I/P转换器Samson3730的电气转换器由基于力平衡工作原理的I/P转换器模块和下游的增压器组成。当给位于永磁体磁场中的柱塞线圈通入直流电流信号时，平衡梁所受的力与输入的电流信号成正比，产生的反作用力使挡板远离喷嘴。当气源通过固定限流孔后，挡板和喷嘴之间的距离发生了改变，使得喷嘴背压发生了相应的变化，此时喷嘴背压作用于放大器隔膜上的控制信号气压发生改变，从而放大器输出不同流量和压力信号。herDVCSamsonFlowservrlogixMDDresserMasoneilanSVI-Ⅱ-AP、SiemensSIPARTPS2、Metso-NelesND9000、IPS-FoxboroSDR960和SDR991、azibil(山武)SVP700。下面分别论述这九大品牌(相应型号)智能阀门定位器的工作原理。此定位器主要由电子模块、带3位三通阀的I/P模块及位置传感器等组件组成。微处理器CPU是电子模块的核心部件，带3位三通阀的I/P模块是电流与气压转换的核心部件，位置传感器能够提供可靠的阀门位置，进而让定位器进行智能控制。当给阀门定位器提供电源后，定位器根据输入信号和位置传感器信号经过A/D转换器进行处理后供CPU调用，EEPROM存储的自动检测和调校程序通过设定值和位置反馈信号的偏差进行自动调整。I/P模块接收来自电子模块的电信号，将定位器的电信号转换为气信号来驱动气动执行机构。此款数字式阀门控制器壳体包含行程传感器、接线盒、气动输入和输出连接以及一个主模块，该主模块可以方便地在现场进行更换而不用断开现场导线或管线。主模块包含I/P转换器、气动放大器、气动放大器位置反馈组件、印刷电路板(PWB)组件及3个压力传感器等组件。通过用印刷电路板上的探测器探测放大器梁上的磁铁可以探测出放大器的位置。行程传感器用于小回路反馈读数。DVC6200数字式阀门控制器是回路供电仪表，提供与来自控制室的输入信号成比例的阀位控制。输入信号经一根双绞线接入接线盒，进入印刷电路板组件子模块，并被微处理器读取、计算后转换成模拟I/P驱动信号驱动I/P转换器。当输入信号增大时，进入I/P转换器的驱动信号会增大，I/P转换器的输出气压也会增大。I/P转换器的输出气压被送到气动放大器子模块，该放大器也与气源压力相连接，可将从I/P转换器输出的气动信号放大。气动放大器接收放大的气动信号，并提供两路气压输出。随着输入气压的增加(4~20mA信号)，输出口A的气压将一直增大，而输出口B的气压将一直减小。输出口A的气压被用于双作用和单作用的正作用场合，输出口B的气压可用于反向、双作用和单作用的场合。输出口A的气压增加会驱动执行机构推杆向下运动。推杆位置通过非接触式行程反馈传感器进行检测。推杆继续向下移动，直至到达正确的推杆位置。在这一位置点上，印刷电路板组件将使I/P驱动信号稳定下来。这样会定位挡板，以防止喷嘴压力进一步增加。当输入信号减小时，进入I/P转换器的驱动信号会减小，I/P转换器的输出气压会减小。气动放大器会减小输出口A的气压而增大输出口B的气压。推杆继续向上运动，直至到达正确的推杆位置。在这一位置点上，印刷电路板组件将使I/P驱动信号稳定下来。这样会定位挡板，以防止喷嘴压力进一步增加。03Samson3730该定位器主要由带微处理器的电子单元、模拟电气转换器、定位器安装在气动控制阀上，输入控制信号将阀门准确定位。定位器将控制系统或控制器来的直流输入控制信号(如4~20mA)作为给定值w，控制阀阀杆位置通过反馈杆传递到阀位传感器，转换成电信号加在模拟PD控制器上作为被调参数或反馈量x，定位器将两者进行比较，并按一定规律输出信号y给气动执行器调节阀位。当有控制偏差时，PD控制器输出改变，使电气转换器输出改变，通过气动放大器对控制阀的气动执行器加压或泄压。这个输出信号的改变使阀位移动到与输入控制信号相一致的位置。带有固定设定值的流量定值器可使恒定气量排空，用于阀门定位器壳内正压吹扫，并确保气动放大器响应快、无故障。气动放大器和压力定值器接收气源，压力定值器向I/P转换器模块提供恒定的上游压力，使之与气源压力无关。04Flowservrlogix520MD它是集成了HART通信协议的数字智能定位器，该定位器主要由3部分组成：基于微处理器的电子控制模块、基于压电阀的电气转换器模块和阀位传感器。logix520MD定位器的整个控制回路可接收4~20mA信号(可叠加HART)或数字信号。logix520MD采用两种算法完成信号的处理，分别是内部回路(先导放大器控制)和外部回路(阀杆位置控制)。阀杆位置传感器提供了对阀杆实际位置的测量，如果存在任何偏差，定位器的控制算法根据偏差向内部回路控制发送信号，内部回路快速调整滑阀位置。执行器压力变化，阀杆开始移动。阀杆运动减小了最终指令和阀杆位置之间的偏差，这个过程一直持续到偏差变为零。内部回路通过驱动器模块控制滑阀的位置。驱动模块由带有温度补偿的霍尔效应传感器和压电阀压力调节器组成。压电阀压力调节器通过压电梁弯曲控制隔膜下的气压。压电梁随着内环电子器件施加的电压而偏转。当压电阀的电压增加时，压电梁弯曲，靠着喷嘴关闭，导致隔膜下的压力增加。当隔膜下的压力增加或减小时，滑阀或提升阀分别向上或向下移动。霍尔效应传感器将滑阀或提升阀的位置传回内部电子设备进行控制。05Dresser-MasoneilanSVI-Ⅱ-AP当SVI-Ⅱ-AP智能阀门定位器正确安装到控制阀、输入控制信号(回路电源)且气源接通后，定位器接收来自控制器或其他设备的电气控制信号(4~20mA信号或数字信号)，电子模块中的微处理器读取输入控制信号(阀位设定值)，和阀位传感器的行程/转角信号进行比较运算，对两者的偏差按非线性PID算法进行处理，输出给I/P电气转换器(喷嘴挡板结构)的电磁线圈，引起喷嘴挡板间气隙改变，进而变为相对应的前置气信号p1，再经气动放大器放大气量，使气动输出p1变化，输出至气动执行机构驱动推杆/阀杆移到设定位置。当实际阀位与设定阀位一致时，系统趋于稳定，执行机构将不再移动。若是双作用气动输出，气动部件还可配置反向输出放大器(输出p2)，形成双作用输出给气缸式气动执行机构。06SiemensSIPARTPS2当定位器接通电源和控制信号后，阀杆反馈信号x转换为电压信号，并经A/D转换后送微处理器。控制器输出信号x0也经A/D转换后送至微处理器。微处理器计算两者的偏差信号，并输出+Δy或－Δy，控制压电阀的开闭。副控制回路的运算在微处理器内部实现，副控制器输出采用数字信号，输出信号直接作为压电式开关阀的输入，采用脉宽调制(时间比例控制)方式实现对控制阀的控制。当控制偏差很大时，定位器输出连续信号；当偏差不大时，输出脉冲信号；当偏差很小时，输出更小的脉冲信号；当偏差达到阀门控制精度范围后，没有控制指令输出，保持定位。Metso-Metso-NelesND9000当定位器接通电源和气源后，微控制器(μC)读取输入信号以及阀位传感器信号(α)、压力传感器信号(ps、p1、p2)和滑阀位置传感器信号(SPS)。当微控制器检测到输入信号与阀位传感器信号之间有差异时，微控制器会根据内置算法进行计算，进而改变前置阀(PR)的线圈电流来改变滑阀SV)的导向压力。当滑阀的导向压力降低时，滑阀移动并使气缸两端的压力也随之发生相应变化。滑阀打开使压缩空气进入气缸的驱动端并使另一端的气体排出，气压增大使薄膜活塞移动，执行机构和反馈杆顺时针旋转。阀位传感器检测到反馈杆的旋转角度后，微控制器内的控制算法计算出新的导向电流继续调整，直至执行机构的新位置与输入信号之间没有差异。08IPS-FoxboroSDR960和SDR991它是带有4~20mA信号或HART信号的智能阀门定位器，通过电压转换器给电子设备内部供电。模拟量输入信号通过A/D转换器和开关连接至数字控制器。带有ProfibusPA或FoundationFieldbus的智能阀门定位器通过总线连接，数字信号通过接口组件连接至数字控制器。数字控制器的输出信号驱动电气转换器(I/P模块)，之后依次控制前置放大器和单作用(或双作用)气动功率1.4~6.0bar(20~90psi)的气源。执行器的位置反馈信号(x)通过位置传感器发送至控制单元。此款智能阀门定位器可根据需求选用以下配件：压力表、压力开关、4~20mA反馈输出、报警模块和机械限位开关。09azibil(