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智慧電氣閥門定位器的工作原理及應用


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一、前言
電氣閥門定位器是氣動調節閥的關鍵附件之一,其作用是把調節裝置輸出的電信號變成驅動調節閥動作的氣信號。它具有閥門定位功能,既剋服閥桿摩擦力,又可以剋服因介質壓力變化而引起的不平衡力,從而能夠使閥門快速的跟隨,並對應於調節器輸出的控制信號,實現調節閥快速定位,提升其調節品質。隨著智慧儀錶技術的發展,微電子技術廣泛應用在傳統儀錶中,大大提高了儀錶的功能與性能。其在電氣閥門定位器中的應用使智慧定位器的性能和功能有了一個大的飛躍。

二、智慧電氣閥門定位器與傳統定位器的對比
2.1 傳統電氣閥門定位器的工作原理
電氣閥門定位器經過幾十年的發展,各公司產品雖不盡相同,但基本原理大致相似,下麵畫簡圖進行說明。其基本結構見圖1:

反饋桿反饋閥門的開度位置發生變化,當輸入信號產生的電磁力矩與定位器的反饋系統產生的力矩相等,定位器力平衡系統處於平衡狀態,定位器處於穩定狀態,此時輸入信號與閥位成對應比例關係。當輸入信號變化或介質流體作用力等發生變化時,力平衡系統的平衡狀態被打破,磁電組件的作用力與因閥桿位置變化引起的反饋迴路產生的作用力就處於不平衡狀態,由於噴嘴和擋板作用,使定位器氣源輸出壓力發生變化,執行機構氣室壓力的變化推動執行機構運動,使閥桿定位到新位置,重新與輸入信號相對應,達到新的平衡狀態。
在使用中改變定位器的反饋桿的結構(如凸輪曲線),可以改變調節閥的正、反作用,流量特性等,實現對調節閥性能的提升。

2.2智慧電氣閥門定位器工作原理

雖然智慧電氣閥門定位器與傳統定位器從控制規律上基本相同,都是將輸入信號與位置反饋進行比較後對輸出壓力信號進行調節。但在執行元件上智慧定位器和傳統定位器完全不同,也就是工作方式上二者完全不同。智慧定位器以微處理器為核心,利用了新型的壓電閥代替傳統定位器中的噴嘴、擋板調壓系統來實現對輸出壓力的調節。
目前有很多廠家生產智慧型電氣閥門定位器,西門子公司的SIPATT PS2系列智慧電氣閥門定位器比較典型,具有一定代表性,下麵以就以SIPART PS2系列定位器為例,對智慧定位器的工作原理進行說明,其基本結構如圖2所示:

其具體工作原理如下:

由閥桿位置傳感器拾取閥門的實際開度信號,通過A/D轉換變為數字編碼信號,與定位器的輸入(設定)信號的數字編碼在CPU中進行對比,計算二者偏差值。如偏差值超出定位精度,則CPU輸出指令使相應的開/關壓電閥動作,即:當設定信號大於閥位反饋時,升壓壓電閥Vl打開,輸出氣源壓力P1增大,執行機構氣室壓力增加是閥門開度增加,減小二者偏差;如設定信號小於閥位反饋則排氣壓電閥V-2打開,通過消音器排氣減小輸出氣源壓力P1,執行機構氣室壓力減小是閥門開度減小,二者偏差減小。正是通過CPU控制壓電閥來調節輸出氣源壓力的大小使輸入信號與閥位達到新的平衡。

2.3 智慧電氣閥門定位器對輸出氣源壓力調節的新穎之處
1)
輸出壓力調節採用PID脈寬調製(PWM)技術,迅速準確。

由於CPU對壓電閥的控制採用一個五步開關程式來控制,可以精確、快速地控制輸出氣源壓力增減。其控制演算法一般採用數字PID調節方式,CPU根據輸入信號與閥位產生偏差的大小和方向進行PID計算,輸出一個PWM脈寬調製脈衝信號來控制壓電閥開、閉動作。由於脈衝的寬度對應於定位器輸出氣源壓力的增量,從而可以迅速、準確的改變氣源壓力輸出P1。當偏差較大時,定位器輸出一個連續信號,快速連續、大幅度的改變P1的大小,當偏差較小時,定位器輸出一個較小脈寬的脈衝信號,斷續、小幅改變P1的大小,當偏差很小(進入死區)時,則無脈衝輸出,閥位穩定工作。

2) 新型壓電閥器件的採用,保證了控制的高精度。

壓電閥的主導元件是一個壓電柔韌開關閥,也稱作硅微控制閥,由於其質量小,開關慣性非常小,可以執行很高的開關頻率,因而作為一個高頻率的脈衝閥,對輸出氣路壓力P1進行控制,驅動執行機構,可以達到很高的閥門定位精度。

3) 閥位反饋元件定位精度高,壽命長。

閥位反饋元件是一個結構簡單、高精度、高可靠性的導電塑料電位器,將執行機構的直線或轉角位移轉換為電阻信號,因而可以精確的檢測閥位並且可以方便的對閥門進行零位,滿度及閥門流量特性曲線的定位。
2.4 智慧定位器的特點

由於新型控制元件如導電塑料和壓電閥的使用,可以使閥門定位達到很高精度,由於微處理的使用,可以使定位器的調校以及適用範圍有大的改善。主要特點是:

1) 安裝簡易;可以進行自動調校。組態簡便、靈活,可以非常方便的設定閥門正反作用,流量特性,行程限定或分程操作等功能。

2) 定位器的耗氣量極小。傳統定位器的噴嘴、擋板系統是連續耗氣型元件。由於智慧定位器採用脈衝壓電閥替代了傳統定位器的噴嘴、擋板系統,而且五步脈衝壓電閥控制方式可實現閥門的快速、精確定位。智慧定位器只有在減小輸出壓力時,才向外排氣,因此在大部分時間內處於非耗氣狀態,其總耗氣量為20L/h,相對於傳統定位器來說可以忽略不計。

3) 具有智慧通訊和現場顯示功能,便於維修人員對定位器工作情況進行檢查維修。

4) 定位器與閥門可以採用分離式安裝方式。因為智慧定位器的位置反饋元件是電位器,即閥位信息是用電信號傳遞的,並且可以在CPU中對閥門的特征進行現場整定。因此採用行程位置檢測裝置外置的方法,將閥位反饋組件與定位器本身分離安裝。將行程位置檢測裝置在執行機構上,定位器安裝在離執行器一定距離的地方,如圖3所示:

這樣就大大擴展了定位器的使用範圍,例如可以適用於大型風門、閘門等非標準結構的執行機構以及超大行程結構的執行機構中(已經有大量此類應用)。正是與智慧電氣閥門定位器的結合,大大提高了此類裝置的控制定位精度。

5) 行程檢測裝置還可以採用非接觸式位置傳感器,用於惡劣現場。如應用在強振動、高低溫及核輻射區環境中的閥門上,避免了不良環境對定位器的影響,保證定位器的可靠使用和壽命。

6) 具有豐富的自診斷功能。不僅可以對定位器本身的工作情況進行故障自診斷,還可對調節閥和執行機構的性能進行定量測量和診斷。如閥門行程的變化檢測,對閥門極限位置變化的測量,可診斷閥門的磨損情況;對閥門定位時間的測量可以診斷定位周期是否合適,是否會引起震蕩;還可以對氣動執行機構的密封情況等進行診斷,從而為閥門的維修提供科學依據。

7) 可以非常方便的進行安全檢測測試與試動作,尤其在對閥門的可靠動作要求非常高的安全儀錶系統中,可以在線驗證SIS安全儀錶系統的閥門執行的安全有效性

 


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