智能定位器选型优化_杨建锋.pdf

第 卷第期精细与专用化学品 年月 智能定位器选型优化杨建锋（河北新启元能源技术开发股份有限公司，河北 沧州 ）摘要：在现在的石油化工装置中，自动化阀门无疑是自动控制环节中比较重要的一环，自动化阀门的性能好坏决定着装置的自控性能品质，而定位器又是自动化阀门的重中之重。企业能否根据自身条件选择质优价廉的定位器，成为石油化工装置的关键。介绍了阀门定位器的发展阶段、工作原理以及目前市场中应用比较广泛的两型智能定位器的调试方法，希望能够帮助企业选择合适的智能定位器，减少定位器使用过程带来的不便。关键词：自动化阀门；定位器；智能定位器中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：（，）：，：；收稿日期：作者简介：杨建锋（），男，仪表经理，工程师，主要从事自动化仪表设备及系统的运维以及安装工作，拥有专利项。目前，市场中常用的阀门定位器大致分为电气阀门定位器和智能定位器，电气阀门定位器由于开发较早、技术成熟且价格相对较低，因此在市场中仍占有一定的份额。但由于其内部可动件较多，容易受外界振动及温度波动等因素的干扰影响，导致控制质量下降，易造成部件磨损以及零点和行程漂移，因此只能用在控制精度要求不高的场合。随着芯片技术的发展，智能定位器由于其自身的精度和智能程度高、稳定性好，已经成为石化装置的不二选择，尤其是对于控制精度较高的场合。阀门定位器的发展阶段阀门定位器到目前主要经历了个发展阶段：第一阶段的定位器是纯气动的机械力矩平衡定位器。它主要依靠机械结构构成的力矩负反馈，达到力矩平衡从而实现阀门的调整定位。这种定位器的结构单一性使其控制功能缺乏灵活性，且机械部件易造成相互磨损，从而限制了其定位的精度。此外，随着时间的推移，其使用寿命也普遍较短。第二阶段的定位器是伴随着电磁技术的应用出现的。这个阶段的定位器叫做电气阀门定位器，其主要是精细与专用化学品第 卷第期利用电磁转换的气压平衡结构来代替上一代机械力矩结构，从而有效降低了机械结构的磨损。虽然其控制功能相比第一代有了极大的提升，但仍然缺乏灵活性。第三阶段的定位器就是目前的智能定位器。它采用模块化设计，利用电子芯片增加了通信功能，提高了控制精度和控制的灵活性，使其更加有利于集散式控制。阀门定位器未来发展的趋势也将是电气化、智能化，与全数字化工业控制相适应，并最终融入物联网。智能定位器的工作原理智能定位器的工作原理见图。图智能阀门定位器工作原理图中虚线框内为阀门智能定位器，主要包括数据处理单元、转换单元、气动放大器以及阀门位置反馈个部分。当系统发出控制信号（）后，数据处理单元接收后同时结合当前的阀门位置反馈（），计算出位置偏差信号（电信号），经过转换器转换成相应的气信号，经气动放大器后驱动调节阀发生位置变化。从图可以看出，转换单元是智能定位器的关键部件。目前市场上智能定位的转换器主要分为线圈喷嘴挡板式、压电阀式以及线圈滑阀式这种，其中线圈滑阀式主要应用在电磁阀中，本文不做介绍。主要介绍线圈喷嘴挡板式和压电阀式这种形式的 转换器。线圈喷嘴挡板式 转换器的结构由恒节流孔、喷嘴、挡板以及线圈和气源等组成，其工作原理示意图见图。通电线圈环绕在铁芯上产生磁力，磁力大小随线圈中电流大小的改变而改变。磁力大时，铁芯对挡板吸合力就大；磁力小时，铁芯对挡板吸合力就小。通过改变线圈电流的大小可以有效控制喷嘴与挡板间的距离，从而导致喷嘴一侧的背压改变，进而调节从气体放大器流入调节阀的空气流量，最终表现为调节阀的位置变化。图线圈喷嘴挡板式转换器工作原理示意图压电阀式转换器的结构实际是利用压电陶瓷片这种功能陶瓷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。压电阀工作原理示意图见图。具体工作原理为：压电阀的初始状态 不通电，见图（），压电陶瓷片作用在喷嘴口上，这时口与喷嘴口及先导腔连通，形成为一个整体。当压电阀接通电源时 见图（），压 电 陶 瓷 片 变 形 向 上 翘，把喷嘴口压住，使得口与喷嘴口及先导腔连通。（）压电阀不通电状态（）压电阀通电状态图压电阀工作原理示意图使用压电阀的阀门定位器，其内部通常集成个压电阀，其中个用于进气，另外个用于排气，具体结构示意图见图。年月杨建锋：智能定位器选型优化图压电阀具体结构示意图由于线圈喷嘴挡板式的 转换单元结构简单，生产制造方便且成本较低，因此绝大多数阀门定位器都采用这用结构形式。但这种形式在阀门稳态时由于喷嘴和挡板之间仍然存在一定的间隙，因此定位器仍会有一部分气耗量。也正因如此，这种结构（一直有气耗，气体处于流动中）对气源的要求会相对较低，允许有一定量的杂质。而压电阀式的转换单元是利用压电陶瓷在受电后发生形变，从而实现设计气路的通断来实现启动信号的控制，其特点是低功耗、低耗气量（原理上，在阀门稳态时零耗气量）。也是由于这种结构形式（阀门稳态时，气体处于静止或微量泄漏，容易导致气源中的杂质积聚），决定了其对气源要求高，当气源质量下降时容易使转换单元堵塞。市场流行的智能定位器目前在市场中使用情况较好的喷嘴式智能定位器有 美 国 费 希 尔 的 、日 本 阿 自 倍 尔 以及德国萨姆森的 等，压电式智能定位器有美国美卓的 、美国福斯的 和德国西门子的 等。国产 的 智 能 定 位 器 主 要 是 万 讯，喷 嘴 的 为 系列，压电的为 系列。喷嘴式智能定位器的对比费希尔 作为世界顶尖的智能定 位器，其采用非接触式安装。定位器在使用过程中通过磁条与阀杆进行耦合。由于是非接触，因此在使用过程 不存 在 机 械 磨 损，不 受 温 度 变 化 影响，精确度控制在 。笔者所在的蒽油加氢装置使用该定位器，使用效果非常好，基本做到了全程免维护。费希尔 定位器校验步骤见图。由图可以看出，在 调校时，需要使用手操工具（手操器）与定位器进行连接，并且调校的步骤较多，使用比较繁琐，好在其性能优良，在装置生产期间基本不用在线调校。阿自倍尔 系列的 能胜任大多数工况，其特点是调试比较简单，易于掌握，只需要根据阀的作用形式（气开或者气关），在 中给定 或者 的阀开度后，在现场按下定位器面板的“”键秒钟，阀门定位器就会进行自动调校。对于 的控制精度，在 输入信号量程 的情况，其精度为 ，在 输入信号量程 的情况，其控制精度为 。整体的控制精度要低于费希尔 的 ，但其价格相对 却降低了不少。笔者所在煤焦油加氢装置使用 ，总体来说性能不错。结束语综上所述，企业如果有稳定的仪表气源，使用压电式智能定位器，可为企业节约生产成本。如没有稳定的仪表气源，对控制精度要求不高，而又希望通过使用智能定位器来降低人员维护成本，那么阿自倍尔 系列定位器是一个很好的选择。企业如果对控制精度要求高，同时项目概算充裕，建议选择费希尔 或者费希尔其他系列的智能定位器。精细与专用化学品第 卷第期图费希尔 定位器校验步骤参考文献周雯 智能阀门定位器的低功耗设计与定位性能优化研究杭州：浙江大学，钟盛辉，刘渝新智能阀门定位器中的压电阀门式转换单元自动化与仪器仪表，（）：，李宝华 智能阀门定位器的气动部件 自动化博览，（）：年石化化工行业经济运行情况据工业和信息化部网站信息，年，石化化工行业（不含油气开采）经济运行整体平稳。（）产量有所下滑。据国家统计局数据，年化学原料和化学制品制造业产能利用率为 ，同比下降 个百分点，高于工业平均 个百分点。重点产品中，原油加工量 亿，同比下降 ；乙烯产量同比下降。（）价格高位震荡。据国家统计局数据，年化学原料和化学制品制造业出厂价格指数累计同比增长 。重点关注的 个产品中，年均价同比增长的有 个，占比约，其中烧碱、氯化钾、甲苯价格同比增长、。（）投资及出口增势良好。据国家统计局数据，年化学原料和化学制品制造业投资同比增长，高于工业平均 个百分点。据海关总署数据，贸易结构持续改善，有机化学品出口总额 亿美元，同比增长；无机化学品出口总额 亿美元，同比增长；合成树脂出口总额 亿美元，同比增长。（申桂英）