智能閥門定位器工作原理

智能閥門定位器具有高可靠性、高控製精度、功能易擴展、可通訊等特點，充分適應工業控製體係間網絡化、集成化、智能化發展方向的要求，從根本上克服了傳統機械式閥門定位器功率損耗大、響應速度慢、易發熱、機械磨損、電磁幹擾等缺點。智能閥門定位器應用氣動先導技術實現內部氣路控製，即以小閥控製壓縮空氣流量再用壓縮空氣推動大閥門，從而實現被控介質的流量控製，這種分級控製的思想通過壓電閥應用得以實現。  
工業過程控製不斷向網絡化、分布智能化發展，適應了設備管理數字化的要求，調節閥是過程控製係統重要的執行部件，控製調節閥運行的分布智能化解決方案應運而生。智能閥門定位器具有數據處理、狀態識別、故障診斷、在線和離線測試、雙向通信等功能。過程控製係統對調節閥通過現場總線控製，使管理者實現了對調節閥的預測性維護和科學管理。計算機技術、電子技術、通信技術、智能預估診斷技術的發展，要求智能閥門定位器必須適應網絡通訊與供電共線，其核心部分氣動控製部件必須實現超低能耗運行，保證網絡總線控製係統運行安全可靠。  
傳統的氣動閥中大量使用了電磁原理作為電能-機械能的轉換級，應用線圈和電磁鐵的電磁力效應將控製的電信號轉換位機械的動作來推動閥芯的動作，從而實現氣路的切換或氣體壓力、流量的控製。盡管電磁鐵和線圈具有價格低廉，加工方便的優點，但其功率損耗大、響應速度慢、發熱、機械磨損、電磁幹擾等缺點同時存在，通過改變電磁鐵材料和閥的加工工藝來避免以上問題的同時，造成了成本的大幅增加和加工工藝的日趨複雜，並且無法從根本上解決問題。實現低功耗、智能集成、高精度、快速響應和長壽命的氣動控製成為迫切需求。  
1智能閥門定位器定義  
根據國標GB/T22137.2-2008《工業過程控製係統用閥門定位器第2部分：氣動輸出智能閥門定位器性能評定方法》，智能閥門定位器(IntelligentValvePositioner)是以微處理器技術為基礎，采用數字化技術進行數據處理、決策生成和雙向通信的智能過程控製儀表。智能閥門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傳統閥門定位器存在問題  
2.1采用采用噴嘴擋板技術即機械力平衡工作原理，可動部件較多，易受溫度、振動影響；  
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現最佳控製狀態；  
2.3信號的流向是控製儀表單向流入定位器的，當出現故障時，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行程和零點調整，需反複調整，調校麻煩；  
2.7功能單一，可擴充性差。  
3智能閥門定位器優點  
3.1定位精度和可靠性高。機械可動部件少，輸入信號和閥位反饋信號直接進行數字比較，不易受環境影響，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。智能閥門定位包括直線、等百分比、快開特性功能模塊，可以通過按鈕或上位機、手持式設定器進行數據設定；  
3.3零點、量程調整簡單。零點調整與量程調整互不幹涉，調整過程簡單快捷；  
3.4具有診斷和檢測功能。除一般的自己診斷功能之外，可輸出與調節閥實際動作相對應的反饋信號，用於遠距離監控調節閥的工作狀態。接收數字信號的智能閥門定位器，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行閥門定位器的組態、調試和診斷。  
4智能閥門定位器工作原理  
圖1智能閥門定位器工作原理圖  
智能閥門定位器係統主要由控製單元、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反饋回路。輸入單元接受來自控製器的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行比較，其偏差通過主控製板的輸出口發出不同長度的脈衝，調節充排氣速度和動作，達到控製驅動調節閥動作和確定位置過程。  
5氣動先導技術  
圖1中，控製閥A和B用來控製壓縮空氣進出氣動調節閥，閥A是進氣閥，閥B是排氣閥，這兩個閥門都隻有開關兩種狀態。這種控製思想實際上是用小閥來控製壓縮空氣流量，再用壓縮空氣推動大的閥門，控製被控介質的流量，這種分級控製的思想即為氣動先導技術的應用。  
在任意時刻，閥A、B之中隻能有一個開通，另一個開關。當A開通時，由於壓縮空氣壓力大於膜頭內壓力，壓縮空氣進入調節閥，閥杆向下移動；反之，當B開通時，調節閥氣室內壓縮空氣經B排入大氣，閥杆在彈簧作用下向上移動。在智能閥門定位器中，為了能與控製電路接口，閥A和B的開通與關閉必須能夠用電量來控製，實際使用中閥A和B有傳統電磁閥、壓電閥等多種類型。因為壓電閥的電能-機械能轉換具有低功耗、超快響應、無電磁幹擾、無自發熱現象、無機械磨損、長壽命、結構簡單、承受大震動衝擊等優點，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，將流量和壓力進行進一步放大，從而實現氣動控製。  
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壓電閥初始狀態非對稱中心的構造，可逆轉換電能和機械能，外力可致該晶體形變產生正壓電效應，外加電場可致該晶體產生電極化和出現應變或應力的逆壓電效應。壓電閥正是基於壓電逆效應，具有節能低功耗(驅動電流僅10微安)、精密微型化、高速響應和耐用性好的顯著特點，也易於閥門定位器全數字化。  
圖2A壓電閥初始狀態  
圖3B壓電閥通電狀態  
6.2動作原理  
壓電閥的初始狀態如圖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，陶瓷片變形上翹，堵住噴嘴口3，噴嘴2和1聯通。  
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I/P轉換單元同時應用兩個壓電閥，壓電閥I控製I/P轉換單元的輸出（進氣閥），壓電閥II控製I/P轉換單元（排氣閥）。  
由於壓電閥壓電陶瓷片彈力有限，所以先導腔室內氣壓必須小於1.2kg，要想控製調節閥動力氣，必須實現壓力放大。在先導腔室一側是一個大麵積膜片，在控製進入和排除調節閥動力氣一側連杆麵積較小。當先導氣壓達到1.2kg時，施加在先導腔室膜片上的力，大於作用在充氣和排氣腔室一側麵上的壓力，這將使充氣閥芯或排氣閥芯移動，使動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，達到控製閥門開度的功能。  
當控製電路聯通電源後，壓電閥I上無電壓，壓電閥II加電壓控製，氣源P2進入壓電閥II的先導腔室中，形成120KPA氣壓力，導壓推動排氣閥芯向下移動，排氣口關閉。這時，如果控製電路發出輸出氣壓力的脈衝，壓電閥II則保持狀態，壓電閥I加控製電壓，功能陶瓷片向上彎曲，陶瓷片堵住壓電閥噴嘴3，氣源P2通過噴嘴口1進入壓電閥I導壓腔室，形成120KPA左右的氣壓力，推動移動閥芯向下移動，氣源P1通過進氣口進入到氣動調節閥的膜室中，驅動氣動調節閥位置調節，當達到設定位置，壓電閥I的電壓變為0，其導壓腔室氣壓變為0，複位彈簧推動移動閥芯關閉輸出口，氣動調節閥膜室中的氣壓就會保持在相對恒定壓力下。當要減小氣動調節閥膜室中的氣壓時，壓電閥I控製電壓為0，壓電閥II控製電壓也為0，其導壓腔室的氣壓也變為0，排氣閥芯在排氣彈簧的作用下，打開排氣口排氣，達到膜室減壓的目的。  
這樣不斷地對壓電閥I，II的控製，I/P轉換單元不斷地輸出氣體壓力和排氣，從而驅動氣體調節閥對流過閥體的介質進行流量調節。  
7智能閥門定位器的應用  
1過濾器；2可調節流器；3壓電閥I；4移動閥芯；5複位彈簧  
6壓電閥II；7排氣閥芯；8排氣彈簧；9氣動調節閥  
圖4結構原理圖  
隨著DCS和現場總線控製係統（FCS）的推出和運用，智能閥門定位器及其它智能現場儀表由於其具有高可靠性、高控製精度、功能易擴展、具有通訊功能等特點，完全能適應工業控製體係間網絡化、集成化、智能化發展方向的要求，具有廣闊的應用前景。  
7.1用於控製精度較高的石化生產過程，如乙烯裂解、催化裂化反應再生係統等生產過程，以提高產品質量；  
7.2石化係統有很多新建或改建生產裝置采用智能定位器，可集成智能控製係統，增加安全性和經濟性；  
7.3對於已使用常規調節器等儀表控製的生產裝置，可使用智能定位器，改善控製係統，以提高控製精度或克服工藝過程管線震動大的影響；  
7.4遇到安裝空間小且又要求調節閥帶有輔助功能時，可使用智能閥門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現普通定位器加閥位變送器的功能；  
7.5除石化係統外，智能閥門定位器還可用於石油、化工、冶金、電力、水處理、橡膠等工業過程中。  
結語  
氣動先導技術和壓電技術的應用使智能閥門定位器的控製變成現實。隨著工業現場越來越多應用新技術新型號的智能設備，從用戶實際需求及現場工況出發，幫助用戶使用好智能閥門定位器成為產品設計和改進的重點，不斷在結構和細節上提升，讓智能閥門定位器更好地發揮定位控製、數據處理、狀態識別、預測性維護、雙向通信的功能，實現安全、有效的長周期運行。