浅谈西门子阀门定位器在连铸冷却水调节中的应用

    随着现代钢铁、石油、化工等行业规模的逐渐扩大以及生产自动化程度的不断提高，传统的电气阀门定位器越来越难以满足我国工业化进程的要求。近几年智能阀门定位器的不断改进与完善，已经逐步成为自动化控制系统中重要的组成部分，其采用了先进的集成电路控制技术，凭借控制精度高、响应速度快、工作稳定性好、适用种类广等特点，被广泛应用于各行各业的过程控制领域，不断地提升着自动控制的整体水平。

    一、西门子阀门定位器在连铸冷却水系统中的意义

    在连铸生产过程中，液态金属凝固所释放出的热量绝大部分是由冷却水带走，因此，冷却水对于连铸正常生产具有重要的意义，其对生产效率、铸坯质量都会产生直接的影响。

    冷却水系统分为四个系统：（1）结晶器冷却水系统，水质为软水，进水压力约为1.0Mpa，温度为33℃～55℃。（2）设备间接冷却水系统，水质为净环水，进水压力为0.6MPa～0.8MPa，温度为40℃～55℃。（3）二次冷却水系统，水质未浊环水，进水压力恒压为1.0MPa，温度约为40℃。（4）设备直接冷却水系统，水质为浊环水，进水压力不小于0.4MPa，温度约为40℃。

    连铸循环水冷却系统分为净循环水系统和浊循环水系统，其中净循环水系统为半闭路系统，其主要用于冷却结晶器；而浊循环水系统主要用于铸机的二冷区用水，设备冷却、冲铁皮等。之前我厂使用的传统的机械阀门定位器，其采用机械力平衡式原理，受外部振动、温度、现场环境粉尘等多种因素的影响较大，零点和行程的调整分别用手动调整，需反复进行，很费时间。现在我厂在控制连铸冷却水流量大小方面主要采用德国的西门子阀门定位器，型号为SIPARTPS26DR6010-0NN00-0AA0，与PLC、气动阀、电磁流量计相互配合来完成的，由操作人员根据现场生产环境对冷却水流量大小在电脑操作画面上进行调整，通过操作界面给定的阀门开度百分比，由PLC转换成相应的4mA～20mA电流信号，通过模拟量输出模块传送给阀门定位器，来控制阀门的实际开度（图1）。系统主机采用WindowsXP操作系统，开发工具采用当代流行的S7和Wincc语言编程，根据生产的要求，将所有的参数表设为主画面，每一流的手、自动配水各占一个画面，并以柱状图表示，观察起来清晰、醒目、直观。

图1 西门子阀门定位器在水系统中控制图

    二、西门子阀门定位器的特点

    西门子SIPARTPS2智能阀门定位器在阀门定位器领域技术水平成熟度较高，广泛地用于直行程和角行程的阀门，用于改善调节阀的流量特性和性能。阀门定位器作为调节阀的大脑和灵魂，其采用数字式高集成度的微处理器和新型元件，综合性能有了很大的提高，通过与总线设备或DCS通讯，提高企业过程控制品质，为安全生产提供保障。

    1.西门子阀门定位器的工作原理。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（图2）。

图2 智能阀门定位器结构

    其具体工作原理如下：通过DCS系统（自动或手动）发出设定模拟量4mA～20mA信号，通过A/D转换变为数字编码信号，与阀位传感器提取阀门开度信号的数字编码在CPU中进行对比，通过对二者的偏差值的计算来控制电磁阀的开度。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-l打开，输出气源压力P增大，执行机构气室压力增加使阀门开度增加，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P，执行机构气室压力减小使阀门开度减小，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，逐步消除了传统的定位器在冷却水控制精度低和控制盲区较大的问题。

    2.西门子阀门定位器在应用中的优点。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。与常规定位器比较，智能阀门定位器具有模块化、控制精度高、免维护设计、耗气耗能少、使用成本低等优点。

    （1）精度高。西门子智能阀门定位器是基于微处理器的具有高精度的阀门位置信号传感器，能够检测到更加细微的偏差，控制精度可以达到0.5%～1%；而传统的电气类阀门定位器的精度仅为2%～5%，且具有远距离组态、调试、诊断、数据管理等操作。西门子阀门定位器采用微处理器对给定值和位置反馈作比较运算，如果微处理器检测到偏差，就会进行智能PID方式调节进入执行机构气室的气体流量，进一步提高了控制精度。

    （2）安全性能好。调节阀控制信号变化范围是0～100%，而且在极限状态下，一些微弱的干扰信号有可能导致阀门的误动作或关不死，直接产生泄露现象。西门子阀门定位器具有阀门紧闭功能，该功能可以使控制阀在控制信号范围以外保持关闭或稳定状态，可以保证当控制信号没有超过设定的紧闭范围时阀门保持关闭状态不变。同时操作人员可以从现场接线盒、端子板或在控制室这样的安全地区使用手操器、PC机或系统工作站选取信息，将面对危险环境的机会减到最小，并且不必亲临现场。

    （3）初始化简单。西门子阀门定位器的初始化过程基本上非常简单，通过调整执行器，使杆达到平衡位置，显示屏将显示一个介于P48.0到P52.0之间的值，并手动设置几个简单参数，大多数参数默认即可，就可以自动完成初始化过程。定位器能自动测定执行器的零点量程、作用方向、执行时间并且进行优化控制，从而大大地降低了人为因素和机械因素造成的较大误差，提高了工作效率。

    （4）丰富的自我诊断功能。西门子阀门定位器具有丰富的自诊断功能，并将故障代码显示在LCD屏上，根据故障代码工作人员可以方便地查找故障原因，从而及时地排除故障。智能阀门定位器安装在气动调节阀上，因环境温度变化、管道震动等原因都会影响阀门定位器的工作状态。综合考虑各种环境因素，智能阀门定位器在自我诊断能力技术方面有了很大的提高，如果因环境因素造成的部件失灵，智能阀门定位器将立即检测到非正常信号，并发出报警信号，供工作人员做出判断和处理。

    三、西门子阀门定位器的维护工作

    我厂于2008年在连铸冷却水系统中引进西门子阀门定位器64台，在日常维护工作中不断对西门子阀门定位器进行摸索，使其工作性能达到最优化状态。经过几年的使用，其零点和量程可以控制在精度要求的范围之内，控制十分稳定且抗干扰能力特别强，完全满足了工艺生产的要求。

    西门子阀门定位器的特性和对工作环境较强的适应能力使得其维护工作量很小，但是为了在连铸冷却水系统中长期、稳定地运行，作为仪表维护人员在日常工作中还应该认真做好阀门定位器的保养工作。（1）应定期检查阀门定位器周围的工作环境，防止意外损坏，做好防水工作，同时保证其工作气源的洁净和稳定。（2）仪表维护人员在巡检时应检查阀门以及定位器的泄露情况，若发现及时消除隐患。在检修或停产期间对定位器的零点、量程、设定参数和线性度等进行检查，对其优化和调整，保证在今后生产中的工作质量。

    四、结束语

    西门子SIPARTPS2智能阀门定位器在炼钢连铸冷却水成功地投入和使用，给连铸过程控制带来了一次大变革。西门子阀门定位器操作简单，容易上手，性能可靠，提高了阀门的特性，使用效果好，提高了控制的精度和速度，代表了当今仪器仪表技术发展的一种方向，也为我们改造其他设备积累了宝贵的经验。