谈技术变革中的定位器

    1 概述

    随着我国化工工业的飞速发展，特别是煤化工行业对于阀门的使用有着较高的要求，这使得阀门定位器成为控制系统中的关键附件，其作用是把调节设备输出的信号变成驱动调节阀动作的气信号，提高阀门的位置控制精度，克服阀杆摩擦力和介质不平衡力的影响，从而保证调节阀按照调节器的信号实现正确定位。特别是智能阀门定位器得以广泛的应用。

    2 定位器的具体结构及原理

    阀门定位器可以分为气动、模拟、数字式三种，现场使用比较广泛的是后两种。

    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

    常规的电气阀门定位器的特点：是利用喷嘴、挡板、反馈凸轮、磁钢、弹簧利用杠杆原理的力平衡原理，再通过气动放大器完成实现对调节阀性能的改善。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，这样通过使挡板对于喷嘴产生微小的位移变化转换成为相应的气压信号。喷嘴挡板机构由喷嘴和挡板组成的变节流元件恒节流孔以及背压室所组成。

    气源进喷嘴挡板机构后，首先遇到的是恒节流孔。该恒节流孔对气流造成了很大的阻力，只能让一部分气流通过。通过的一部分气流进入背压室，然后从喷嘴排入大气。正对着喷嘴，垂直安装着一个挡板。当挡板靠近喷嘴时，使气阻增大，气流不易排出，最后使背压室内的压力上升；当挡板离开喷嘴时，使气阻减小，气流排出，最后使背压室内的压力下降。挡板对通过恒节流孔的气流造成了第二次阻力，这阻力是随着挡板位置的不同而变化的。喷嘴和挡板不同的间距产生不同的背压。由于喷嘴和挡板作用，通过气动放大器完成功率放大的作用。在气动放大器的作用下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的性能与传统阀门定位器相比有了一个大的飞跃

    智能电气阀门定位器的定位精度更高，适用范围更广，而且使用更加简便和可靠。但是在具体的应用中还要从符合安全要求、更好的控制效果、与调节回路的匹配、适应特殊环境要求、延长使用寿命等方面合理选择定位器的类型，并进行其功能参数设置和调校。

    随着电子技术的发展智能阀门定位器成为用于气动执行机构的阀门定位器的主流。它集自校正功能、自诊断功能、故障报警功能、阀位模拟信号反馈功能及多种特性修正功能于一身，菜单操作，便于现场安装、调试。

    智能阀门定位器采用了HART协议完成了数据通讯功能，同时利用脉宽调制（PWM）技术替代磁钢、弹簧的杠杆力平衡结构，使用压电阀取代了喷嘴、挡板，用导电塑料电位器替代反馈凸轮，这样就使定位器的精度得以提高。具体的做法是：

    首先增加了HART协议数据通讯功能，HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4－20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbp。2200Hz为1，1100Hz为0．由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。

    其次：使用压电阀取代了喷嘴、挡板用，导电塑料电位器替代反馈凸轮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，对输出气路压力进行控制，驱动执行机构，可以达到很高的阀门定位精度。压电阀利用功能压电陶瓷的陶瓷片在电压作用下产生弯曲变形原理制成的一种两位式（或比例式）控制阀。控制压电阀动作只需提供足够的电压，电功耗几乎为零。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，因而可以精确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。

    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。

    第三：脉宽调制（PWM）技术替代磁钢、弹簧的杠杆力平衡结构，而脉宽调制（PWM）技术是指：

    在不加电状态或两个压电阀加低电平下，压电陶瓷进气阀关闭，排气阀打开。（排气）①进气阀电开阀，开度随PWM占空比的增大而增大；②排气阀电关阀，开度随PWM占空比的增大而减小。

    在进气状态下，应使两个压电阀加高电平，使进气阀打开，排气阀关闭。

    在阀位保持状态下，应使进气压电阀加低电平，排气压电阀加高电平，使进气阀与排气阀均关闭。

    设定阀位与反馈阀位偏差较大时，进气压电阀加宽脉冲，进气阀开大进气量，排气压电阀加宽脉冲，排气阀基本关闭。

    偏差较小时，使进气压电阀加窄脉冲，进气阀开度减小，排气压电阀加宽脉冲，排气阀基本关闭。

    偏差基本为0时，进气压电阀低电平、排气压电阀高电平，进气和排气阀关闭。保持压力和阀位。

    微处理器输出变占空比的PWM脉冲信号，经过升压驱动电路控制进气和排气压电阀的开度，改变进气量和排气量。

    3 常规定位器存在的不足

    常规定位器多为机械力平衡原理，它采用喷嘴挡板机构，可动件较多，容易受温度波动、外界振动等干扰的影响，耐环境性差；弹簧的弹性系数在恶劣环境下能发生改变，会造成调节阀非线性，导致控制质量下降；外界振动传到力平衡机构，易造成部件磨损以及零点和行程漂移，使定位器精度受很大影响；

    由于喷嘴本身的特性，执行器在稳定状态时也要大量排气，若使用执行器数量较多，能耗较大；而且喷咀本身是一个潜在故障源；

    常规定位器手动调校时需要使用专用设备、不隔离控制回路是不可能的，且零点和行程的调整互相影响，须反复整定，非线性严重时，则更难调整。

    4 智能定位器在应用中要根据现场控制要求合理选型，正确安装，重点注意的要求

    虽然智能定位器使用简单，功能强大；安装简易，可以进行自动调校，组态简单、灵活；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；具有丰富的自诊断功能等优点。但在工程应用中还是应注意一些问题，以使其可靠的工作，发挥出更好的控制作用，延长其使用寿命。

    由于智能定位器的压电陶瓷阀的结构特点使定位器的排气量极小。传统定位器的喷嘴、挡板系统是连续排气。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，相对于传统定位器来说可以忽略不计，因此会对气源的质量要求比较高对于气源中的尘土、水分都要尽量的减少。

    定位器2/4线接线方式的选择由于智能阀门定位器的输入阻抗较高，而且随输入电流的增加而增大。在选用智能电气阀门定位器时一定要核对调节器输出控制信号的带负载能力，应大于500欧姆，才能保证大开度时定位器的正常工作。

    合理设置定位器的动作死区。死区设置越小，相应的压电阀及反馈连杆等运动部件的动作越频繁，有时会引起阀门振荡，增大机械磨损，影响定位器控制品质和调节阀寿命，故定位器的死区设置不宜过小。

    合理设置控制周期调节器输出改变周期设置在1.0s左右比较合适。

    智能定位器流量特性的选择。智能定位器均具有流量特性选择设定功能。但在实际使用中，要根据所配阀门的流量特性与工艺具体要求来合理确定。

    防爆环境中的应用现场安装方式则应符合隔爆电气设备的安装规范要求。

    恶劣现场条件下的应用在一些恶劣现场工况环境中，可以将阀位传感器与智能定位器进行分离式安装。电缆连接应采用屏蔽电缆，并在智能定位器中使用EMC滤波器来抑制恶劣环境产生的干扰因素。

    综上所述定位器在控制系统中的作用非常重要，随着技术的发展完善，智能定位器以其特有的优势，将是今后定位器的发展方向，也将更加广泛的应用到各行各业的控制领域中。我公司所使用智能定位器主要有梅索里兰、西门子山武智能定位器，经过5年来使用，凭着可靠性能，特别是阀门在小范围调节中尤其显现出定位器高精确度，保证阀门在工况使用中能及时反映控制信号变化，驱动阀门动作进行品质调节。