智能閥門(mén)定位器具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、可通訊等特點(diǎn),充分適應工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò )化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求,從根本上克服了傳統機械式閥門(mén)定位器功率損耗大、響應速度慢、易發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點(diǎn)。智能閥門(mén)定位器應用氣動(dòng)先導技術(shù)實(shí)現內部氣路控制,即以小閥控制壓縮空氣流量再用壓縮空氣推動(dòng)大閥門(mén),從而實(shí)現被控介質(zhì)的流量控制,這種分級控制的思想通過(guò)壓電閥應用得以實(shí)現。
工業(yè)過(guò)程控制不斷向網(wǎng)絡(luò )化、分布智能化發(fā)展,適應了設備管理數字化的要求,調節閥是過(guò)程控制系統重要的執行部件,控制調節閥運行的分布智能化方案應運而生。智能閥門(mén)定位器具有數據處理、狀態(tài)識別、故障診斷、在線(xiàn)和離線(xiàn)測試、雙向通信等功能。過(guò)程控制系統對調節閥通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)控制,使管理者實(shí)現了對調節閥的預測性維護和科學(xué)管理。計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能預估診斷技術(shù)的發(fā)展,要求智能閥門(mén)定位器必須適應網(wǎng)絡(luò )通訊與供電共線(xiàn),其核心部分氣動(dòng)控制部件必須實(shí)現超低能耗運行,保證網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)控制系統運行安全可靠。
傳統的氣動(dòng)閥中大量使用了電磁原理作為電能-機械能的轉換級,應用線(xiàn)圈和電磁鐵的電磁力效應將控制的電信號轉換位機械的動(dòng)作來(lái)推動(dòng)閥芯的動(dòng)作,從而實(shí)現氣路的切換或氣體壓力、流量的控制。盡管電磁鐵和線(xiàn)圈具有價(jià)格低廉,加工方便的優(yōu)點(diǎn),但其功率損耗大、響應速度慢、發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點(diǎn)同時(shí)存在,通過(guò)改變電磁鐵材料和閥的加工工藝來(lái)避免以上問(wèn)題的同時(shí),造成了成本的大幅增加和加工工藝的日趨復雜,并且無(wú)法從根本上問(wèn)題。實(shí)現低功耗、智能集成、高精度、快速響應和長(cháng)壽命的氣動(dòng)控制成為迫切需求。
1智能閥門(mén)定位器定義
根據國標GB/T22137.2-2008《工業(yè)過(guò)程控制系統用閥門(mén)定位器第2部分:氣動(dòng)輸出智能閥門(mén)定位器性能評定方法》,智能閥門(mén)定位器(IntelligentValvePositioner)是以微處理器技術(shù)為基礎,采用數字化技術(shù)進(jìn)行數據處理、決策生成和雙向通信的智能過(guò)程控制儀表。智能閥門(mén)定位器按供電方式可分為單獨供電和不用單獨供電;按隔爆級別可分為隔爆和不隔爆。
2傳統閥門(mén)定位器存在問(wèn)題
2.1采用采用噴嘴擋板技術(shù)即機械力平衡工作原理,可動(dòng)部件較多,易受溫度、振動(dòng)影響;
2.2因調節閥規格、填料的摩擦情況各異,調節閥硬件組合難以實(shí)現佳控制狀態(tài);
2.3信號的流向是控制儀表單向流入定位器的,當出現故障時(shí),不能自診斷故障位置或原因;
2.4噴嘴孔易被灰塵堵塞氣源,使定位器不能正常工作;
2.5噴嘴需連續供給壓縮空氣,能耗較大;
2.6行程和零點(diǎn)調整,需反復調整,調校麻煩;
2.7功能單一,可擴充性差。
3智能閥門(mén)定位器優(yōu)點(diǎn)
3.1定位精度和可靠性高。機械可動(dòng)部件少,輸入信號和閥位反饋信號直接進(jìn)行數字比較,不易受環(huán)境影響,穩定性好,不存在機械誤差造成的死區影響,具有更高的定位精度和可靠性;
3.2流量特性修改方便。智能閥門(mén)定位包括直線(xiàn)、等百分比、快開(kāi)特模塊,可以通過(guò)按鈕或上位機、手持式設定器進(jìn)行數據設定;
3.3零點(diǎn)、量程調整簡(jiǎn)單。零點(diǎn)調整與量程調整互不干涉,調整過(guò)程簡(jiǎn)單快捷;
3.4具有診斷和檢測功能。除一般的自己診斷功能之外,可輸出與調節閥實(shí)際動(dòng)作相對應的反饋信號,用于遠距離監控調節閥的工作狀態(tài)。接收數字信號的智能閥門(mén)定位器,具有雙向的通訊能力,可以就地或遠距離地利用上位機或手持式操作器進(jìn)行閥門(mén)定位器的組態(tài)、調試和診斷。
4智能閥門(mén)定位器工作原理
圖1智能閥門(mén)定位器工作原理圖
智能閥門(mén)定位器系統主要由控制單元、電氣轉換I/P單元、閥位檢測反饋單元組成。定位器和執行器構成一個(gè)反饋回路。輸入單元接受來(lái)自控制器的4-20mA電流信號。調節閥位置反饋信號作為被控變量與給定信號值在微處理器中進(jìn)行比較,其偏差通過(guò)主控制板的輸出口發(fā)出不同長(cháng)度的脈沖,調節充排氣速度和動(dòng)作,達到控制驅動(dòng)調節閥動(dòng)作和確定位置過(guò)程。
5氣動(dòng)先導技術(shù)
圖1中,控制閥A和B用來(lái)控制壓縮空氣進(jìn)出氣動(dòng)調節閥,閥A是進(jìn)氣閥,閥B是排氣閥,這兩個(gè)閥門(mén)都只有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)。這種控制思想實(shí)際上是用小閥來(lái)控制壓縮空氣流量,再用壓縮空氣推動(dòng)大的閥門(mén),控制被控介質(zhì)的流量,這種分級控制的思想即為氣動(dòng)先導技術(shù)的應用。
在任意時(shí)刻,閥A、B之中只能有一個(gè)開(kāi)通,另一個(gè)開(kāi)關(guān)。當A開(kāi)通時(shí),由于壓縮空氣壓力大于膜頭內壓力,壓縮空氣進(jìn)入調節閥,閥桿向下移動(dòng);反之,當B開(kāi)通時(shí),調節閥氣室內壓縮空氣經(jīng)B排入大氣,閥桿在彈簧作用下向上移動(dòng)。在智能閥門(mén)定位器中,為了能與控制電路接口,閥A和B的開(kāi)通與關(guān)閉必須能夠用電量來(lái)控制,實(shí)際使用中閥A和B有傳統電磁閥、壓電閥等多種類(lèi)型。因為壓電閥的電能-機械能轉換具有低功耗、超快響應、無(wú)電磁干擾、無(wú)自發(fā)熱現象、無(wú)機械磨損、長(cháng)壽命、結構簡(jiǎn)單、承受大震動(dòng)沖擊等優(yōu)點(diǎn),而取代了傳統電磁閥被廣泛應用。利用微型壓電閥作為先導級,將流量和壓力進(jìn)行進(jìn)一步放大,從而實(shí)現氣動(dòng)控制。
6壓電閥工作原理
6.1壓電效應
壓電晶體是一種陶瓷功能材料,晶體為圖2A壓電閥初始狀態(tài)非對稱(chēng)中心的構造,可逆轉換電能和機械能,外力可致該晶體形變產(chǎn)生正壓電效應,外加電場(chǎng)可致該晶體產(chǎn)生電極化和出現應變或應力的逆壓電效應。壓電閥正是基于壓電逆效應,具有節能低功耗(驅動(dòng)電流僅10微安)、精密微型化、高速響應和耐用性好的顯著(zhù)特點(diǎn),也易于閥門(mén)定位器全數字化。
圖2A壓電閥初始狀態(tài)
圖3B壓電閥通電狀態(tài)
6.2動(dòng)作原理
壓電閥的初始狀態(tài)如圖A,陶瓷片作用在噴嘴口上,噴嘴2和3先導腔連通,形成整體。當壓電閥通電時(shí),陶瓷片變形上翹,堵住噴嘴口3,噴嘴2和1聯(lián)通。
6.3結構原理
壓電閥在I/P轉換單元中起先導閥的作用,每一個(gè)I/P轉換單元同時(shí)應用兩個(gè)壓電閥,壓電閥I控制I/P轉換單元的輸出(進(jìn)氣閥),壓電閥II控制I/P轉換單元(排氣閥)。
由于壓電閥壓電陶瓷片彈力有限,所以先導腔室內氣壓必須小于1.2kg,要想控制調節閥動(dòng)力氣,必須實(shí)現壓力放大。在先導腔室一側是一個(gè)大面積膜片,在控制進(jìn)入和排除調節閥動(dòng)力氣一側連桿面積較小。當先導氣壓達到1.2kg時(shí),施加在先導腔室膜片上的力,大于作用在充氣和排氣腔室一側面上的壓力,這將使充氣閥芯或排氣閥芯移動(dòng),使動(dòng)力氣充入或排除調節閥氣囊中,使氣囊中氣體壓力提升和降低,與氣囊另一側彈簧達到新的位置平衡,達到控制閥門(mén)開(kāi)度的功能。
當控制電路聯(lián)通電源后,壓電閥I上無(wú)電壓,壓電閥II加電壓控制,氣源P2進(jìn)入壓電閥II的先導腔室中,形成120KPA氣壓力,導壓推動(dòng)排氣閥芯向下移動(dòng),排氣口關(guān)閉。這時(shí),如果控制電路發(fā)出輸出氣壓力的脈沖,壓電閥II則保持狀態(tài),壓電閥I加控制電壓,功能陶瓷片向上彎曲,陶瓷片堵住壓電閥噴嘴3,氣源P2通過(guò)噴嘴口1進(jìn)入壓電閥I導壓腔室,形成120KPA左右的氣壓力,推動(dòng)移動(dòng)閥芯向下移動(dòng),氣源P1通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入到氣動(dòng)調節閥的膜室中,驅動(dòng)氣動(dòng)調節閥位置調節,當達到設定位置,壓電閥I的電壓變?yōu)?,其導壓腔室氣壓變?yōu)?,復位彈簧推動(dòng)移動(dòng)閥芯關(guān)閉輸出口,氣動(dòng)調節閥膜室中的氣壓就會(huì )保持在相對恒定壓力下。當要減小氣動(dòng)調節閥膜室中的氣壓時(shí),壓電閥I控制電壓為0,壓電閥II控制電壓也為0,其導壓腔室的氣壓也變?yōu)?,排氣閥芯在排氣彈簧的作用下,打開(kāi)排氣口排氣,達到膜室減壓的目的。
這樣不斷地對壓電閥I,II的控制,I/P轉換單元不斷地輸出氣體壓力和排氣,從而驅動(dòng)氣體調節閥對流過(guò)閥體的介質(zhì)進(jìn)行流量調節。
7智能閥門(mén)定位器的應用
1過(guò)濾器;2可調節流器;3壓電閥I;4移動(dòng)閥芯;5復位彈簧
6壓電閥II;7排氣閥芯;8排氣彈簧;9氣動(dòng)調節閥
隨著(zhù)DCS和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)的推出和運用,智能閥門(mén)定位器及其它智能現場(chǎng)儀表由于其具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、具有通訊功能等特點(diǎn),完適應工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò )化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求,具有廣闊的應用前景。
7.1用于控制精度較高的石化生產(chǎn)過(guò)程,如乙烯裂解、催化裂化反應再生系統等生產(chǎn)過(guò)程,以提高產(chǎn)品質(zhì)量;
7.2石化系統有很多新建或改建生產(chǎn)裝置采用智能定位器,可集成智能控制系統,增加安全性和經(jīng)濟性;
7.3對于已使用常規調節器等儀表控制的生產(chǎn)裝置,可使用智能定位器,改善控制系統,以提高控制精度或克服工藝過(guò)程管線(xiàn)震動(dòng)大的影響;
7.4遇到安裝空間小且又要求調節閥帶有輔助功能時(shí),可使用智能閥門(mén)定位器的擴展功能模塊,如采用帶閥位變送模塊的智能定位器就能實(shí)現普通定位器加閥位變送器的功能;
7.5除石化系統外,智能閥門(mén)定位器還可用于石油、化工、冶金、電力、水處理、橡膠等工業(yè)過(guò)程中。
結語(yǔ)
氣動(dòng)先導技術(shù)和壓電技術(shù)的應用使智能閥門(mén)定位器的控制變成現實(shí)。隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)越來(lái)越多應用新技術(shù)新型號的智能設備,從用戶(hù)實(shí)際需求及現場(chǎng)工況出發(fā),幫助用戶(hù)使用好智能閥門(mén)定位器成為產(chǎn)品設計和改進(jìn)的重點(diǎn),不斷在結構和細節上提升,讓智能閥門(mén)定位器更好地發(fā)揮定位控制、數據處理、狀態(tài)識別、預測性維護、雙向通信的功能,實(shí)現安全、有效的長(cháng)周期運行。