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　　一、前言
　　
　　電氣閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵附件之一，其作用是把調(diào)節(jié)裝置輸出的電信號變成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作的氣信號，而且具有閥門定位功能，既克服閥桿摩擦力，又可以克服因介質(zhì)壓力變化而引起的不平衡力，從而能夠使閥門快速地跟隨、對應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥快速定位，提升其調(diào)節(jié)品質(zhì)。隨著智能儀表技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)定位器的對比
　　
　　1．傳統(tǒng)電氣閥門定位器的工作原理
　　
　　電氣閥門定位器的經(jīng)過幾十年的發(fā)展。各公司產(chǎn)品雖不盡相同，但基本原理大致相同，下面畫簡圖進(jìn)行說明。其基本結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其工作原理是基于力平衡原理。定位器內(nèi)反饋桿反饋閥門的開度位置變化，當(dāng)輸入信號產(chǎn)生的電磁力矩與定位器的反饋系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩相等，定位器力平衡系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，定位器處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時輸入信號與閥位成對應(yīng)比例關(guān)系。當(dāng)輸入信號變化或介質(zhì)流體作用力等發(fā)生變化時，力平衡系統(tǒng)的平衡狀態(tài)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(chǎn)生的作用力就處于不平衡狀態(tài)，由于噴嘴和擋板的作用，使定位器氣源輸出壓力發(fā)生變化，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力的變化推動執(zhí)行機構(gòu)運動，使閥桿定位到新位置，重新與輸入信號相對應(yīng)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。　　
　　1一磁電組件2-零點調(diào)節(jié)手輪3-量程調(diào)節(jié)手輪4-閥位反饋板5-擋板6-噴嘴7-節(jié)流口8-供氣氣源9-通氣孔10-輸出壓力11-執(zhí)行機構(gòu)12-閥位反饋杠桿
　　　　
　　在使用中改變定位器的反饋桿的結(jié)構(gòu)(如凸輪曲線)，可以改變調(diào)節(jié)閥的正、反作用，流量特忙等，實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥性能的提升。
　　
　　2．智能電氣閥門定位器工作原理
　　
　　智能電氣閥門定位器與傳統(tǒng)定位器從本質(zhì)控制規(guī)律上基本相同，均是將輸入信號與位置反饋進(jìn)行比較后對輸出壓力信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在執(zhí)行元件上智能定位器和傳統(tǒng)定位器*不同，也就是工作方式上二者*不同。首先采用微處理器為核心，再一個就是采用新型器件。西門子SIPARTPS2系列智能電氣閥門定位器就是以微處理器為核心，利用新型的壓電閥代替了傳統(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調(diào)壓系統(tǒng)來實現(xiàn)對輸出壓力的調(diào)節(jié)控制，從而實現(xiàn)閥門位置的定位。
　　
　　目前有很多公司生產(chǎn)智能型電氣閥門定位器，西門子公司的SIPARTPS2系列智能電氣閥門定位器非常典型，具有代表性，下面以SIPARTPS2系列定位器為例，對智能定位器的工作原理進(jìn)行說明，其基本結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。　　
　　SIPARTPS2的具體工作原理如下：
　　
　　由閥桿位置傳感器拾取閥門的實際開度信號，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字編碼信號，與定位器的輸入(設(shè)定)信號的數(shù)字編碼在CPU中進(jìn)行對比，計算二者偏差值，如偏差值超出定位精度，則CPL輸出指令使相應(yīng)的開／關(guān)壓電閥動作，即當(dāng)設(shè)定信號大于閥位反饋時，升壓壓電閥V-l打開，輸址氣源壓力P1增大，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力增加是閥門開度增加，減小二者偏差；如設(shè)定信號小于閥位反饋則排氣壓電閥V-2打開，通過消音器排氣減小輸出氣源壓力P1，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力減小是閥門開度減小，二者偏差減小。正是通過CPU控制壓電閥來調(diào)節(jié)輸出氣源壓力的大小使輸入信號與閥位達(dá)到新的平衡。
　　
　　
　　3．SIPARTPS2智能電氣閥門定位器對輸出氣源壓力調(diào)節(jié)的新穎之處
　　
　　1)輸出壓力調(diào)節(jié)采用PID脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，迅速準(zhǔn)確。由于CPU對壓電閥的控制采用一個五步開關(guān)程序來控制，可以、快速地控制輸出氣源壓力增減。其控制算法一般采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)方式，CPU根據(jù)輸入信號與閥位產(chǎn)生偏差的大小和方向進(jìn)行PID計算，輸出一個PWM脈寬調(diào)制脈沖信號來控制壓電閥開、閉動作。由于脈沖的寬度對應(yīng)于定位器輸出氣源壓力的增量，從而可以迅速、準(zhǔn)確地改變氣源壓力輸出Pl。當(dāng)偏差較大時，定位器輸出一個連續(xù)信號，快速連續(xù)、大幅度地改變P1的大小，當(dāng)偏差較小時，定位器輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續(xù)、小幅改變Pl的大小，當(dāng)偏差很小(進(jìn)入死區(qū))時，則無脈沖輸出，閥位穩(wěn)定工作。
　　
　　2)新型壓電閥器件的采用，保證了控制高精度。因為壓電閥的主導(dǎo)元件是一個壓電柔韌開關(guān)閥，也稱作硅微控制閥，因為其質(zhì)量小，開關(guān)慣性非常小，可以執(zhí)行很高的開關(guān)頻率，因而作為一個高頻率的脈沖閥，對輸出氣路壓力P1進(jìn)行控制，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，可以達(dá)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(jié)構(gòu)簡單、高精度、高可靠性的導(dǎo)電塑料電位器，將執(zhí)行機構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號，因而可以地檢測閥位，并且可以方便地對閥門進(jìn)行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。
　　
　　4．SIPARTPS2智能定位器的特點
　　
　　由于新型控制元件，如導(dǎo)電塑料和壓電閥的使用，可以使閥門定位達(dá)到很高的精度，同時由于微處理的使用，可以使定位器的調(diào)校以及適用范圍有較大地改善。其具有以下主要特點：
　　
　　1)安裝簡易，可以進(jìn)行自動調(diào)校。并且組態(tài)簡便、靈活，可以非常方便地設(shè)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(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)耗氣型元件，由于智能定位采用脈沖壓電閥替代了傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)，而且五步脈沖壓電閥控制方式可實現(xiàn)閥門快速、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(nèi)處于非耗氣狀態(tài)，其總耗氣量為20L/h，相對于傳統(tǒng)定位器來說可以忽略不計。
　　
　　3)具有智能通訊或方便的現(xiàn)場顯示功能，便于維修人員對定位器工作情況進(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場整定。因此采用行程位置利測裝置外置的方法，將閥位反饋組件與定位器本身分離安裝。將行程位置檢測裝置在執(zhí)行機構(gòu)上，定位器安裝在離執(zhí)行器一定距離的地方，如圖5所示。這樣就大大地擴展了定位器的使用范圍，例如可以適用于大型風(fēng)門，閘門等非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)以及超大行程結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)中(已經(jīng)有大量此類應(yīng)用)。正是與智能電氣閥門定位器的結(jié)合，大大地提高了此類裝置的控制定位精度。
　　
　　5)行程檢測裝置還可以采用非接觸式位置傳感器，用于惡劣現(xiàn)場，如應(yīng)用在強振動，高低溫及核輻射區(qū)環(huán)境中的閥門上，避免了不良環(huán)境對定位器的影響，保證定位器的可靠使用和壽命。此類應(yīng)用可參見有關(guān)文獻(xiàn)。
　　
　　6)有豐富的自診斷功能。不僅可以對定位器本身的工作情況進(jìn)行故障自診斷，還可以對調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機構(gòu)的性能進(jìn)行定量測量和診斷，如閥門行程的變化檢測，對閥門極限位置變化的測量，可診斷閥門的磨損情況；對閥門定位時間的測量可以診斷定位周期是否合適，是否會引起震蕩：還可以對氣動執(zhí)行機構(gòu)的密封情況等進(jìn)行診斷，從而為閥門的維修提供科學(xué)依據(jù)。
　　
　　7)可以非常方便地進(jìn)行安全檢測測試與試動作，尤其在對閥門的可靠動作要求非常高的安全儀表系統(tǒng)中，可以在線驗證SIS安全儀表系統(tǒng)的閥門執(zhí)行的安全有效性，見文獻(xiàn)2。
　　
　　三、SIPARTPS2在實際使用中應(yīng)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(yīng)用中還是應(yīng)注意一些問題，以使其可靠工作發(fā)揮出更好的控制作用，延長其使用壽命。
　　
　　1．智能定位器2線/4線接線方式的選擇
　　
　　由于智能閥門定位器的輸入阻抗較高，而且隨輸入電流的增加而增大，例如西門子SPRARTPS2系列定位器作為2線制儀表使用時，其輸入阻抗為415Q，如帶HART協(xié)議型則輸入阻抗更大，為440Q左右，因此對調(diào)節(jié)信號的帶負(fù)載能力有較高的要求。而通常情況下，數(shù)字調(diào)節(jié)儀表的輸出帶負(fù)荷能力<300Q，因此在選用智能電氣閥門定位器時一定要核對調(diào)節(jié)器輸出控制信號的帶負(fù)載能力，應(yīng)>500Q，才能保證大開度時定位器的正常工作。筆者曾在某DCS系統(tǒng)的輸出回路中，直接驅(qū)動SPRARTPS2型智能電氣閥門定位器，zui大只能驅(qū)動18mA的電流，即只能滿足87.5%以內(nèi)的行程開度。并且在通訊情況下，其zui大電流會進(jìn)一步降低，嚴(yán)重影響大開度時的定位要求。有鑒于此，對于調(diào)節(jié)器輸出控制信號帶負(fù)載能力不夠的情況，應(yīng)考慮以下解決方案：
　　
　　1)在輸入信號回路中設(shè)置信號隔離器件，增加控制信號的帶負(fù)載能力。即選用帶負(fù)載能力高的中間隔離驅(qū)動器件，器件帶載能力應(yīng)>500Q。如果現(xiàn)場是防爆場所則可選用帶負(fù)載能力高的隔離式安全柵，如MTL3000系列隔離安全柵，如圖3所示。　　　　
　　2)采用4線制連接方式，減小智能定位器輸入信號回路的輸入阻抗，如圖4所示的接線方式。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250Q左右，能符合大多數(shù)調(diào)節(jié)器輸出回路的負(fù)載要求。　　　　　　
　　2．合理設(shè)置智能閥門定位器的動作死區(qū)
　　
　　一般智能定位器的動作死區(qū)設(shè)置范圍為0.1%N10.0%之間。死區(qū)設(shè)置越小，定位精度越高，但相應(yīng)的壓電閥及反饋連桿等運動部件的動作越頻繁，有時甚至?xí)痖y門震蕩，增大機械磨損，會影響定位器和閥門的壽命，故定位器的死區(qū)設(shè)置不宜過小，應(yīng)結(jié)合具體工藝控制精度要求進(jìn)行設(shè)置，一般不小于0.5%。
　　
　　3．合理設(shè)置控制周期
　　
　　應(yīng)結(jié)合調(diào)節(jié)器和被調(diào)節(jié)對象的特性來合理設(shè)置控制系統(tǒng)的控制周期。一般的智能定位器本身的控制響應(yīng)時間為1.5s，因此調(diào)節(jié)器輸出改變周期設(shè)置在1.Os左右比較合適。
　　
　　4．SIPARTPS2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(shè)定功能。但在實際使用中，要根據(jù)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(yīng)選擇為線性輸出，這樣就能保證整體閥門流量特性與原設(shè)計要求相符。
　　
　　當(dāng)實際閥門使用中，閥芯固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?yōu)榈劝俜直攘髁刻匦缘拈y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(diào)整為線性流量特性的閥門來使用。
　　
　　5．SIPARTPS2在防爆環(huán)境中的應(yīng)用
　　
　　在防爆環(huán)境中應(yīng)選用本安或隔爆型智能定位器。而且應(yīng)在接線時注意智能定位器輸入阻抗與安全關(guān)聯(lián)設(shè)備的帶負(fù)載能力的匹配問題。
　　
　　如構(gòu)成本質(zhì)安全回路，選用帶附載能力>500Q以上的輸出型隔離柵，如果采用齊納安全柵則應(yīng)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(xiàn)場安裝方式則應(yīng)符合隔爆電氣設(shè)備的安裝規(guī)范要求。
　　
　　6．SIPARTPS2在惡劣現(xiàn)場條件下的應(yīng)用
　　
　　在一些惡劣現(xiàn)場工況環(huán)境中，如過高、過低的環(huán)境溫度，閥門或管道存在強烈的震動，以及現(xiàn)場環(huán)境存在強烈輻射、強電磁干擾等環(huán)境，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(jìn)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，工況環(huán)境較好的地方，如圖5所示。
　　
　　閥位傳感器與智能定位器通過電纜進(jìn)行連接，智能定位器的氣動輸出通過氣動連接管與執(zhí)行機構(gòu)連接，即可實現(xiàn)閥門的可靠定位控制。電纜連接應(yīng)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(huán)境產(chǎn)生的干擾因素。
　　
　　四、結(jié)論
　　
　　西門子SIPARTPS2系列定位器是非常具有代表性的新型智能電氣閥門定位器，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(tǒng)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(yīng)用中還要從符合安全要求，更好地控制效果，與調(diào)節(jié)回路的匹配，適應(yīng)特殊環(huán)境要求，延長使用壽命等方面合理選擇定位器的類型，并進(jìn)行其功能參數(shù)設(shè)置和調(diào)校。