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智能电气阀门定位器在实际中的应用
点击次数:769 发布时间:2009-10-28
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,下面画简图进行说明。其基本结构见图1:

    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SIPATT PS2系列智能电气阀门定位器比较典型,具有一定代表性,下面以就以SIPART PS2系列定位器为例,对智能定位器的工作原理进行说明,其基本结构如图2所示:



    其具体工作原理如下: 由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号,通过A/D转换变为数字编码信号,与定位器的输入(设定)信号的数字编码在CPU中进行对比,计算二者偏差值。如偏差值超出定位精度,则CPU输出指令使相应的开/关压电阀动作,即:当设定信号大于阀位反馈时,升压压电阀V一l打开,输出气源压力P1增大,执行机构气室压力增加是阀门开度增加,减小二者偏差;如设定信号小于阀位反馈则排气压电阀V-2打开,通过消音器排气减小输出气源压力P1,执行机构气室压力减小是阀门开度减小,二者偏差减小。正是通过CPU控制压电阀来调节输出气源压力的大小使输入信号与阀位达到新的平衡。

    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、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、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。将行程位置检测装置在执行机构上,定位器安装在离执行器一定距离的地方,如图3所示:

    这样就大大扩展了定位器的使用范围,例如可以适用于大型风门、闸门等非标准结构的执行机构以及超大行程结构的执行机构中(已经有大量此类应用)。正是与智能电气阀门定位器的结合,大大提高了此类装置的控制定位精度。 5) 行程检测装置还可以采用非接触式位置传感器,用于恶劣现场。如应用在强振动、高低温及核辐射区环境中的阀门上,避免了不良环境对定位器的影响,保证定位器的可靠使用和寿命。 6) 具有丰富的自诊断功能。不仅可以对定位器本身的工作情况进行故障自诊断,还可对调节阀和执行机构的性能进行定量测量和诊断。如阀门行程的变化检测,对阀门极限位置变化的测量,可诊断阀门的磨损情况;对阀门定位时间的测量可以诊断定位周期是否合适,是否会引起震荡;还可以对气动执行机构的密封情况等进行诊断,从而为阀门的维修提供科学依据。 7) 可以非常方便的进行安全检测测试与试动作,尤其在对阀门的可靠动作要求非常高的安全仪表系统中,可以在线验证SIS安全仪表系统的阀门执行的安全有效性,见参考文献2。

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