浅析智能型阀门定位器的调节阀诊断应用

作者： 2014年01月15日来源：浏览量：

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在过程控制系统中，气动薄膜调节阀（以下简称调节阀）作为控制系统中的最终控制单元起到了极其关键的作用。传统概念上的阀门定位器作为调节阀的一个主要附件，主要用于提高调节阀的控制精度。

在过程控制系统中，气动薄膜调节阀（以下简称调节阀）作为控制系统中的最终控制单元起到了极其关键的作用。传统概念上的阀门定位器作为调节阀的一个主要附件，主要用于提高调节阀的控制精度。随着现场总线技术的发展，与之相匹配的现场智能化仪表也得到了加速发展，对于调节阀要实现智能化就必备智能化阀门定位器，也就是说智能型阀门定位器是实现调节阀智能化的重要组成部分；另外从功能上来讲智能型阀门定位器与模拟阀门定位器也有本质区别，智能型阀门定位器除了实现对调节阀控制功能外，还一个更重要的方面是对调节阀实现的诊断功能。并通过诊断软件分析和判别调节阀的“健康”状况，从而改变了传统观念上调节阀的维护，减少了调节阀在运行期间的事故发生，延长了调节阀的使用寿命。
一、调节阀的维护
典型的调节阀的维护方有以下三种方法：预防性维护（Preventive Maintenance）；被动性的维护（ReactiveMaintenance）；预测性维护（PredictiveMaintenance）。
预防性维护――按照过去的生产过程经验，有计划地安排某些调节阀进行维护或检修，以防止调节阀的事故发生。它对前者来说是一个有计划安排，虽然能避免一些调节阀产生的事故，由于没有现场使用的调节阀的许多信息，在安排上不能不造成某些调节阀工作正常也被安排在检修行列，而某些不适用的调节阀仍被使用在过程控制系统中。
被动性的维护――当调节阀产出故障后，对调节阀进行检修。调节阀在使用过程中，调节阀自身或者某些附件出现故障，造成调节阀不能正常工作，更严重的情况导致整个系统不能正常工作，造成很大的事故产生。
预测性维护――通过智能仪表或其它诊断设备获取调节阀的信息。气动调节阀不能存贮自身任何信息，而智能型阀门定位器开发使用，它们除了提高调节阀的调节品质外，对调节阀的诊断功能也逐步加强。下面对智能型阀门定位器的自身诊断及对调节阀诊断功能作一些分析。
二、智能型阀门定位器的自身诊断
由于智能型阀门定位器是安装在气动调节阀上，其工作环境相对恶劣，如环境温度、管道振动等因素都会对智能型阀门定位器正常工作带来不利影响，智能型阀门定位器在设计过程中，考虑到这些不利因素，设计了一些自身的诊断功能。
另一方面，大多数智能型阀门定位器都具有通讯功能，如：HART、FF、PROFIBUS等通信协议，控制系统通过这些通信协议可以获得所需的现场仪表管理信息、以及故障报警信息。
1.输入信号超量程
当规定智能型阀门定位器输入信号设定后，如果控制信号超出设定值，智能型阀门定位器发出超量程报警信号。
2、智能型阀门定位器的自诊断
智能型阀门定位器的自诊断是它的基本功能之一，自诊断在不影响正常工作情况下进行，常见的诊断有开机诊断、周期性诊断。
3.传感器故障
由于智能型阀门定位器直接安装在调节阀上，受到调节阀振动的影响造成智能型阀门定位器反馈部件失灵，如反馈杆松脱、线路故障、位置传感器自身故障等，智能型阀门定位器检测不到正常的反馈信号，它会发出一个报警信号。
以上1、2两种情况智能型阀门定位器仍然可以正常工作，但它会发出报警信号；但对于3种情况，定位器将出现不正常工作，并发出报警信号，仪表工程师根据报警内容，做出相应判断并及时加以处理，减小不必要停产。
三、智能型阀门定位器对调节阀的诊断
智能型阀门定位器对调节阀的故障诊断是通过附加传感器来完成的。定位器内部的微处器通过定时采集各种传感器的数据，并对各种数据进行运算、比较、分析、组态，将出现异常的信息，通过组态软件输出报警信号。智能型阀门定位器对调节阀的诊断分为在线诊断、离线诊断。在线诊断包括：调节阀的动作次数、行程累加、填料函泄漏诊断、噪声诊断、环境温度诊断等，离线诊断包括：执行机构及气路的密封性、静特性、阶跃过渡及频率响应特性。
1.在线诊断
a. 动作次数、行程累加
在同一系统中，由于调节阀处于不同的工作位置，它的动作频率、行程位移大小都是不一样，通过检测位置传感器，很方便获得调节阀的动作次数及行程累加值，采集这些数据我们可以判断调节阀的“健康”状况，并通过组态软件对采集的数据分析调节阀的工作点，画出柱状形图可以清楚看出阀门正常工作区域。从图一可以清楚地看出阀门处于正常工作区域内，而图二阀门长期处于小开度工作，不利于正常工作。另外根据采集的数据可进行动态应力分析。

图一

图二
b.填料函泄漏诊断
通过安装在调节阀的填料处泄漏检测器，实时检测填料函在工作中是否存在外泄漏情况。因此特别适用于对剧毒、贵重的易挥发和有放射性的介质等场合使用，可以防止资源浪费或引起环境污染。
c.噪声诊断
噪声对人类的危害是极其严重的，它能使人的听觉减弱，甚至损伤，对人类带来心理和生理性的不良影响，它是继大气污染和水质污染之后，成为威胁人类的第三种公害。在现代工业生产中，控制阀已成为最主要的噪声源。智能阀门定位器可外接声音传感器，可以检测调节阀噪声大小。通过检测的数据可以作一些分析：如噪声频率小于1500HZ为机械振动、噪声频率高达10000HZ时，调节阀产生空化。因此通噪声的频率可以判别调节阀不正常工作的原因；另外如在阀门关闭情况下噪声比正常工况要大，还可以判断阀门有内漏。
d.环境温度诊断
通过温度传感器，随时测量定位器的外壳表面温度，在防爆场合如外壳的表面温度超出防爆要求的设定值，定位器发出报警信号。另外定位器还记录在线过程中最大/最小的温度值、每个温度段的工作时间，如果调节阀长期处于高温下工作，我们必须考虑定位器及调节阀内的塑料件、橡胶件的老化情况。
2.离线诊断
a.执行机构及管路的气密性
执行机构诊断通过接入一个压力传感器，实时检测输入执行机构的压力，与阀位传感器检测到的调节阀行程形成一个相对应的关系曲线如图三

图三
每一台智能型阀门定位器安装在任何一台调节阀上后，先进行定位器的自整定工作，以保证智能型阀门定位器的正常工作，通过定位器的自整定，得到正、反行程特性曲线如图三，当调节阀工作一些时间后，智能型阀门定位器再一次对调节阀进行测试。出现一些不正常的情况如图四。

图四
曲线的下移说明存在执行机构的膜片老化、密封气室外泄漏、连接气管由于振动等原因出现漏气问题；另外在调节阀关位出现行程值偏大，可以判断阀芯或阀座产生磨损，调节阀泄漏量变大，严重情况下智能阀门定位器发出报警信号。
b.静特性测试
静特性是调节阀的行程与输入信号之间的静态关系，它包括：基本误差、始终点偏差、额定行程偏差、回差、死区、重复性、再现性、线性度误差。
c.阶跃过渡的测试
阶跃过渡过程是在调节阀没有负荷的情况下，当输入信号从一个定值突然改变成另一个定值时，输出跟随变化的过程。一般包括时间常数、时滞、上升时间、稳定时和过冲。
d.频率响应特性的测试
频率响应特性是在调节阀在没有负荷的情况下，输入到定位器的输入信号是一个无畸变的正弦波，输出值稳定后，系统的输出也是一个频率相同的正弦，但输出的振幅、相位与输入不一定相同，而是随输入信号频率的变化而变化。频率响应特牲是反应调节阀灵敏度的标志之一，动态特牲好就意味着调节阀反响灵敏、快速，而且稳定性好。
四、结论
通常离线诊断被安排在调节阀预防性维护过程中，对预防性维护计划中的调节阀的诊断记录与调节阀第一投用的全性能原始数据相比较，可以发现调节阀什么地方出现了问题，问题的严重性怎么样解决问题，提出专家性的建议，以帮助仪表工程师做出正确的选择。
由此可见智能型阀门定位器的故障诊断是通过安装在执行机构和阀体上的附加传感器来完成的。定位器获得了现场的许多原始数据，微处理机通过对这些数据的分析、运算、判断等处理，分成若干逻辑组，宜于快速辨识所有的变量，发现异常情况立即采取应急措施并报警。
目前，有些智能型阀门定位器的生产厂家设法将离线诊断逐步移值到在线诊断过程中，通过先进的诊断软件完成阀门/执行机构的摩擦力、执行机构的信号范围、弹簧刚度及阀座的关闭力，以及阶跃诊断测试包括：阶跃过渡过程测试、静特性测试、频率响应特性测试。使调节阀的预防性维护转向预见性维护，不但减少了停车时间、降低生产运行成本，同时也提高了生产力。

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