SIEMENSSIPARTPS2智能閥門定位器的特點與應用

　　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，而且具有閥門定位功能，既克服閥桿摩擦力，又可以克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地跟隨、對應于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。隨著智能儀表技術的發展，微電子技術廣泛應用在傳統儀表中，大大提高了儀表的功能與性能。其在電氣閥門定位器中的應用使智能定位器的性能和功能有了一個大的飛躍。
　　
　　二、智能電氣閥門定位器與傳統定位器的對比
　　
　　1．傳統電氣閥門定位器的工作原理
　　
　　電氣閥門定位器的經過幾十年的發展。各公司產品雖不盡相同，但基本原理大致相同，下面畫簡圖進行說明。其基本結構組成如圖1所示。其工作原理是基于力平衡原理。定位器內反饋桿反饋閥門的開度位置變化，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于平衡狀態，定位器處于穩定狀態，此時輸入信號與閥位成對應比例關系。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回路產生的作用力就處于不平衡狀態，由于噴嘴和擋板的作用，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。　　
　　1一磁電組件2-零點調節手輪3-量程調節手輪4-閥位反饋板5-擋板6-噴嘴7-節流口8-供氣氣源9-通氣孔10-輸出壓力11-執行機構12-閥位反饋杠桿
　　　　
　　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，流量特忙等，實現對調節閥性能的提升。
　　
　　2．智能電氣閥門定位器工作原理
　　
　　智能電氣閥門定位器與傳統定位器從本質控制規律上基本相同，均是將輸入信號與位置反饋進行比較后對輸出壓力信號進行調節，但在執行元件上智能定位器和傳統定位器*不同，也就是工作方式上二者*不同。首先采用微處理器為核心，再一個就是采用新型器件。西門子SIPARTPS2系列智能電氣閥門定位器就是以微處理器為核心，利用新型的壓電閥代替了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控制，從而實現閥門位置的定位。
　　
　　目前有很多公司生產智能型電氣閥門定位器，西門子公司的SIPARTPS2系列智能電氣閥門定位器非常典型，具有代表性，下面以SIPARTPS2系列定位器為例，對智能定位器的工作原理進行說明，其基本結構組成如圖2所示。　　
　　SIPARTPS2的具體工作原理如下：
　　
　　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CPL輸出指令使相應的開／關壓電閥動作，即當設定信號大于閥位反饋時，升壓壓電閥V-l打開，輸址氣源壓力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；如設定信號小于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。
　　
　　
　　3．SIPARTPS2智能電氣閥門定位器對輸出氣源壓力調節的新穎之處
　　
　　1)輸出壓力調節采用PID脈寬調制(PWM)技術，迅速準確。由于CPU對壓電閥的控制采用一個五步開關程序來控制，可以、快速地控制輸出氣源壓力增減。其控制算法一般采用數字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脈寬調制脈沖信號來控制壓電閥開、閉動作。由于脈沖的寬度對應于定位器輸出氣源壓力的增量，從而可以迅速、準確地改變氣源壓力輸出Pl。當偏差較大時，定位器輸出一個連續信號，快速連續、大幅度地改變P1的大小，當偏差較小時，定位器輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續、小幅改變Pl的大小，當偏差很小(進入死區)時，則無脈沖輸出，閥位穩定工作。
　　
　　2)新型壓電閥器件的采用，保證了控制高精度。因為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，因為其質量小，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沖閥，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，因而可以地檢測閥位，并且可以方便地對閥門進行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。
　　
　　4．SIPARTPS2智能定位器的特點
　　
　　由于新型控制元件，如導電塑料和壓電閥的使用，可以使閥門定位達到很高的精度，同時由于微處理的使用，可以使定位器的調校以及適用范圍有較大地改善。其具有以下主要特點：
　　
　　1)安裝簡易，可以進行自動調校。并且組態簡便、靈活，可以非常方便地設定閥門正反作用，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，由于智能定位采用脈沖壓電閥替代了傳統定位器的噴嘴、擋板系統，而且五步脈沖壓電閥控制方式可實現閥門快速、定位，智能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于非耗氣狀態，其總耗氣量為20L/h，相對于傳統定位器來說可以忽略不計。
　　
　　3)具有智能通訊或方便的現場顯示功能，便于維修人員對定位器工作情況進行檢查維修。
　　
　　4)定位器與閥門可以采用分離式安裝方式。因為智能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，并且可以在CPU中對閥門的特征進行現場整定。因此采用行程位置利測裝置外置的方法，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5所示。這樣就大大地擴展了定位器的使用范圍，例如可以適用于大型風門，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)。正是與智能電氣閥門定位器的結合，大大地提高了此類裝置的控制定位精度。
　　
　　5)行程檢測裝置還可以采用非接觸式位置傳感器，用于惡劣現場，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。此類應用可參見有關文獻。
　　
　　6)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，還可以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)可以非常方便地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表系統中，可以在線驗證SIS安全儀表系統的閥門執行的安全有效性，見文獻2。
　　
　　三、SIPARTPS2在實際使用中應注意的問題
　　
　　雖然智能定位器使用簡單，功能強大，但在工程應用中還是應注意一些問題，以使其可靠工作發揮出更好的控制作用，延長其使用壽命。
　　
　　1．智能定位器2線/4線接線方式的選擇
　　
　　由于智能閥門定位器的輸入阻抗較高，而且隨輸入電流的增加而增大，例如西門子SPRARTPS2系列定位器作為2線制儀表使用時，其輸入阻抗為415Q，如帶HART協議型則輸入阻抗更大，為440Q左右，因此對調節信號的帶負載能力有較高的要求。而通常情況下，數字調節儀表的輸出帶負荷能力<300Q，因此在選用智能電氣閥門定位器時一定要核對調節器輸出控制信號的帶負載能力，應>500Q，才能保證大開度時定位器的正常工作。筆者曾在某DCS系統的輸出回路中，直接驅動SPRARTPS2型智能電氣閥門定位器，zui大只能驅動18mA的電流，即只能滿足87.5%以內的行程開度。并且在通訊情況下，其zui大電流會進一步降低，嚴重影響大開度時的定位要求。有鑒于此，對于調節器輸出控制信號帶負載能力不夠的情況，應考慮以下解決方案：
　　
　　1)在輸入信號回路中設置信號隔離器件，增加控制信號的帶負載能力。即選用帶負載能力高的中間隔離驅動器件，器件帶載能力應>500Q。如果現場是防爆場所則可選用帶負載能力高的隔離式安全柵，如MTL3000系列隔離安全柵，如圖3所示。　　　　
　　2)采用4線制連接方式，減小智能定位器輸入信號回路的輸入阻抗，如圖4所示的接線方式。由于增加了電源供電回路，因此智能定位器信號回路的輸入阻抗會大大減小，約250Q左右，能符合大多數調節器輸出回路的負載要求。　　　　　　
　　2．合理設置智能閥門定位器的動作死區
　　
　　一般智能定位器的動作死區設置范圍為0.1%N10.0%之間。死區設置越小，定位精度越高，但相應的壓電閥及反饋連桿等運動部件的動作越頻繁，有時甚至會引起閥門震蕩，增大機械磨損，會影響定位器和閥門的壽命，故定位器的死區設置不宜過小，應結合具體工藝控制精度要求進行設置，一般不小于0.5%。
　　
　　3．合理設置控制周期
　　
　　應結合調節器和被調節對象的特性來合理設置控制系統的控制周期。一般的智能定位器本身的控制響應時間為1.5s，因此調節器輸出改變周期設置在1.Os左右比較合適。
　　
　　4．SIPARTPS2智能定位器流量特性的選擇
　　
　　智能定位器均具有流量特性選擇設定功能。但在實際使用中，要根據所配閥門的流量特性與工藝具體要求來合理確定。
　　
　　一般定位器所配用閥門的流量特性是由閥芯的加工特性決定的。閥芯有直線、等百分比、快開等流量特性，如果工藝要求與此相符，則智能定位器的輸出特性應選擇為線性輸出，這樣就能保證整體閥門流量特性與原設計要求相符。
　　
　　當實際閥門使用中，閥芯固有流量特性不能適合工藝要求時，則可以通過閥門定位器輸出特性的改變來改變閥門的整體流量特性。如可以修改智能定位器為等百分比輸出，將具有線性閥芯的閥門變為等百分比流量特性的閥門來使用；或修改智能定位器為反向等百分比輸出，可將等百分比閥芯的閥門調整為線性流量特性的閥門來使用。
　　
　　5．SIPARTPS2在防爆環境中的應用
　　
　　在防爆環境中應選用本安或隔爆型智能定位器。而且應在接線時注意智能定位器輸入阻抗與安全關聯設備的帶負載能力的匹配問題。
　　
　　如構成本質安全回路，選用帶附載能力>500Q以上的輸出型隔離柵，如果采用齊納安全柵則應采用4線制連接方式，降低定位器信號回路的輸入阻抗。如選用隔爆型智能定位器，其現場安裝方式則應符合隔爆電氣設備的安裝規范要求。
　　
　　6．SIPARTPS2在惡劣現場條件下的應用
　　
　　在一些惡劣現場工況環境中，如過高、過低的環境溫度，閥門或管道存在強烈的震動，以及現場環境存在強烈輻射、強電磁干擾等環境，智能閥門定位器安裝在閥門上是不能很好工作的，壽命也會大大降低。此時可以將閥位傳感器與智能定位器進行分離式安裝。將閥位傳感器(一般為線性電阻傳感器等簡單元件)安裝在閥門上，智能定位器本身可單獨安裝在距閥門一定距離，工況環境較好的地方，如圖5所示。
　　
　　閥位傳感器與智能定位器通過電纜進行連接，智能定位器的氣動輸出通過氣動連接管與執行機構連接，即可實現閥門的可靠定位控制。電纜連接應采用屏蔽電纜，并在智能定位器中使用EMC濾波器來抑制惡劣環境產生的干擾因素。
　　
　　四、結論
　　
　　西門子SIPARTPS2系列定位器是非常具有代表性的新型智能電氣閥門定位器，由于CPU和新型器件的采用，智能電氣閥門定位器的性能與傳統閥門定位器相比有了一個大的飛躍。智能電氣閥門定位器的定位精度更高，適用范圍更廣，而且使用更加簡便和可靠。但是在具體的應用中還要從符合安全要求，更好地控制效果，與調節回路的匹配，適應特殊環境要求，延長使用壽命等方面合理選擇定位器的類型，并進行其功能參數設置和調校。