【閥門技術】閥門定位器分析及應用∣總線閥門定位器....應用∣LZFD系列智能閥門定位器...∣西門子...

引言：

由于石化工業生產具有易燃、易爆、有毒、強腐蝕性、工作環境惡劣等特征，所以是一項高危險的行業，一旦發生意外事故，往往造成十分慘重的傷亡和財產損失。因此，高危險性迫使石化企業加大了自動化和智能化控制設備的投入，生產過程控制需要大量控制閥及其診斷性維護，以實現安全強化的高效能管理過程，從而將危險性盡大可能降到低。智能閥門定位器作為控制閥的主要部件，診斷技術不斷發展與完善，智能閥門定位器診斷技術在石油化工生產過程中發揮著越來越大的診斷、控制和檢測作用。

一、智能閥門定位器針對傳統閥門定位器的優勢

1.傳統的閥門定位器是由調節器或輸出安全柵送來的4～20mADC電流輸入線圈時，使位于線圈之中的動鐵磁化而工作的。因為動鐵位于磁鋼所產生的磁場中，因此，兩磁場相互作用，對動鐵產生偏轉力矩，使它以支點為中心偏轉。如信號增加，則杠桿左側應向下運動。這時固定在杠桿上的擋板便靠近噴嘴，使放大器背壓增高，經放大后的輸出氣壓作用于凋節閥的膜頭上，使其閥桿下移。閥桿的位移通過拉桿轉換為反饋軸和反饋壓板的角位移，再通過調量程支點使反饋機體運動。固定在杠桿另一端上的反饋彈簧被拉伸，產生一個負反饋力矩，使杠桿平衡，同時閥桿也穩定在一個相應的確定位置上，從而實現了信號電流與位置之間的比例關系。但是，傳統的閥門定位器的放大器恒節流孔極易發生堵塞，背壓大、放大器球閥卡死，噴嘴與擋板關不嚴等缺點。

2.在石油化工生產中，智能型閥門定位器與常規閥門定位器相比，具有一些顯著的應用優勢和特征。在進行調試矯正過程中，智能閥門定位器比常規閥門定位器操作方便、簡單，更容易掌握。與常規閥門定位器相比，智能閥門定位器不需要其他一些調節控制設備的輔助就能夠進行自動化的識別和控制操作，并且在過程中可以自動化進行優狀態的控制調整，能夠對不同的調節控制要求進行優化設置。例如，在石油化工生產過程中，如果需要調節控制閥門進行強制全部關閉時，它的智能化操作控制系統就會根據調節輸入的信號變化將其控制調節的生產運行設備進行強制切斷，以此實現調節控制系統的強制全部關閉設置。這一切都得歸功于智能型閥門定位器使用的軟件控制系統是一個自動設定的軟件系統，運行中使用的是一個全自動的配置程序。二、石化領域中智能閥門定位器診斷功能的分析與應用

1.當閥門初始化時，整臺閥的性能得到測試，參數得到優化，如果產生故障，就會發出報警信息。報警信息：預防性報警——控制閥狀態輕度磨損，將來還會繼續磨損，但目前閥門還能正常工作；維修報警——閥門狀態已嚴重磨損，目前尚能正常工作，但隨時可能發生故障；故障報警——提醒設備操作員，閥門已經發生故障。反應檢測信息出現在控制閥哪些部件上；分析造成故障的原因——如何解決上述故障。

2.在使用前通過智能閥門定位器可以對控制閥進行原始初始化，初始化后的全部閥門原始狀態信息被定位器存儲。這樣帶智能定位器的控制閥開始自動初始化工作，包括確定定位器的機械行程范圍和自動調整其工作時的佳指標參數等，定位器根據當前確定的這些機械方面的信息和指標參數應用信號算法來控制閥門的開閉。閥門的工作狀態正常與否是至關重要的，定位器實時對其不間斷地檢測與分析，一旦產生故障，就會發出報警信號，所有檢測分析的結果都存儲在定位器的存儲器中，以至向設備操作員或維修工程師提供診斷與維修故障方面的信息等。

3.智能閥門定位器利用其標準診斷功能雖然能夠識別診斷主要的閥門狀態錯誤，但是對于用戶來說查明故障的直接原因是一件很困難的事情，用戶需要一個能夠查出故障原因的可行性的“診斷報告”。所以目前智能閥門定位器廠家在提供標準診斷功能之外還進行了診斷功能的擴展，以滿足用戶的各種需求。擴展主要集中在以下兩個方面：

（1）在智能閥門定位器內安裝輔助傳感器，執行器需要斷開時，利用此傳感器檢測此時的氣動輸入和輸出信號的變化大小，從而判斷閥內件與執行器的工作情況是否正常。對于這種方法，絕大多數廠家都是安裝壓力傳感器來測量加載到執行器膜片上的壓力，這種壓力與閥位相關。在線操作模式下，只有把閥運行時的信號記錄下來，才能夠提供摩擦力和壓力分析報告，這樣就能得出一個比較行之有效的“診斷報告”。

（2）通過特殊的程序軟件在參考初始閥位有小幅改變后，無論是在線還是離線，響應信號的動態變化就會被記錄在智能閥門定位器的存儲器中，從而形成一個清晰的變化圖象，通過這個變化圖象分析是延遲時間和傳送時間是增加還是減少，并通過圖象分析結合數學仿真模塊分析的方法對閥門工作狀態參數進行預測、診斷分析。這樣也能得到一個“診斷報告”，便于用戶查出故障原因。

（3）診斷過程和測試應該完全在定位器內部實現，并根據類似交通燈編碼系統自動發出狀態報警，同時這些報警會被過程控制系統顯示在適當的授權等級上維修人員對報警感興趣，操作員則未必感興趣中信息的預診斷分析功能及處理，提示維修人員將來要出現的維修情況。三、石化領域中智能閥門定位器診斷功能的發展展望

1.制定嚴格的控制閥以及定位器軟件標準，所有的工程軟件或者過程控制軟件必須完全符合該標準。

2.逐級分類診斷信息，分類的越詳細越好，滿足不同的各個層次的用戶需求。

結束語

智能閥門定位器是一種能對石油化工生產系統中的氣動薄膜調節閥門進行調節診斷的重要系統裝置。氣動薄膜調節閥已經非常廣泛的應用到了石油化工行業的生產中，許多石油化工生產系統的運行都離不開它的調節控制。所以閥門定位器調節質量的好壞對于氣動薄膜調節閥使用有直接的影響，從而也對石油、化工生產環節有很大的影響。

現場總線控制系統是一種工廠現場網絡控制系統，是計算機網絡和控制結合的新技術，是集散控制系統DCS后的新一代控制系統。中?；瘜W80萬噸/年甲醇項目中，控制全部采用了現場總線控制技術。FF總線閥門定位器，作為FCS中的重要設備，大大提高了定位的精度以及對過程干擾更加迅速的響應，對裝置的穩定運行起到了重大作用。

1 CENTUMCS3000現場總線系統結構

80萬噸/年甲醇裝置采用的是YOKOGAWA的現場總線控制系統，系統中CPU、I/O卡件、電源、總線通信卡ALF111、總線電源都采用冗余配置。每一個網段帶7～9臺總線儀表。該系統中所有的控制閥都使用了FF總線定位器。有定位器的網段定位器數量一般不超過2臺，盡可能的降低網段故障對調節閥的影響。

2 FF總線閥門定位器簡介

FF定位器的內部結構不同于普通的HART智能定位器或常規（4~20mA.DC）定位器，是一種為FF現場總線系統而設計的數字式的閥門控制器。它有很多突出特點：儀表設備間的互操作性，過程控制功能，通信功能，基于微處理器（CPU）技術。FF總線定位器采用9-32v總線供電，完全由數字信號進行控制，其傳輸符合FOUNDATIONTM現場總線規定，以31.25kbit/s的速度進行數據傳輸。

3 FOUNDATIONTM現場總線塊模型

FOUNDATION現場總線將所有設備功能和數據分派到3個不同類型的塊，每種類型模塊在模塊模型中都具有不同的任務范圍。

3.1 資源塊（ResourceBlock）

資源塊包含所有用來識別設備的數據，這類似一個電子設備標簽。資源塊參數包括設備型號、設備名稱、生產廠ID、序列號以及影響到所有其他設備塊性能的參數，每一個總線設備只有一個資源塊。

3.2 轉換塊（TransducerBlock）

轉換塊包含所有數據和特定設備參數用來將過程參數（傳感器或執行器）和設備進行連接傳遞。FF總線定位器AO轉換塊可直接影響定位器輸出信號。

3.3 功能塊（FunctionBlock）

功能塊負責FOUNDATIONTM現場總線設備的控制狀態。包括AI/AO/PID等。通過連接功能塊的輸入和輸出可對FOUNDATIONTM現場總線設備進行組態。AO功能塊將來自上游功能塊的輸出值轉化為給控制閥的控制值。PID功能塊具有靈活的比例——積分——微分控制算法，可根據應用需要進行組態。

4 CS3000系統組態

FF總線定位器與傳統的定位器在組態上有很大的不同。每一臺總線定位器都必須分配相應的地址、定義位號、獲取ID等。

4.1 Fieldbusbuilder

在YOKOGAWACENTUM軟件systemview的FieldbusBuilder中添加總線定位器并定義位號、地址、獲取設備ID等信息。

4.2 對定位器中的模塊參數定義

在ParameterEdit中對AOPID模塊參數進行組態，包括模塊模式、測量范圍、輸出范圍、單位、控制選項、狀態選項等。

5 FF總線定位器相對于常規定位器的優勢

通過施工、調試和日常維護的經驗來看，與常規的定位器相比，FF總線定位器更具有優勢。

5.1 節約施工調試時間

使用傳統定位器的閥門在安裝調試的時候都要求經過一次調校和回路聯校的過程，而且在回路聯校的過程中還會花費更多的時間。FF總線閥門只要在PRM上就可以進行自動校驗，在主控室就可以完成所有的工作，包括閥門的實際反饋都一目了然。

5.2 分散控制風險

在80萬噸甲醇項目中，充分利用了FF總線定位器集成的PID功能模塊，將所有的簡單控制都放在定位器中，在現場直接控制過程變量，大大減少了上一層自動控制系統要完成的控制任務數量，實現了控制系統的風險分散。

5.3 強大的自診斷功能

在橫河CS3000總線系統中，總線定位器大的優點是具有強大的自診斷功能?，F場總線的PRM提供了定位器運行的各種信息，如定位器設定值、輸出值、實際閥位，而且還包括了氣源壓力、輸出壓力、設備溫度等其他信息。根據閥門的開度情況，就可以判斷閥門有沒有回滯現象，是填料太緊還是閥桿有摩擦等其他原因。

當出現這種特殊情況時，我們就可以采用FF總線系統PRM的功能診斷軟件（DeviceViewer）。相關儀表操作人員就會采用這種智能軟件就可以快速準確的發現閥門的異常問題并提示相對應的解決方法。當正常運行的閥門定位器其各個參數均為正常時（綠色）。當參數出現異常時就會產生相對應參數的報警（紅色），并在下拉菜單欄中顯示出異常參數的詳細說明，為儀表操作人員更快更準確的解決調節閥出現的異常問題提供了明確的參考和依據。

6 結語

隨著科技的發展，工廠對控制系統的要求越來越高，FF總線定位器在總線控制系統中大大提高了作為控制回路終端執行元件調節閥的精度，具有強大的自診斷功能，極大的改善了控制回路的調節品質，對化工裝置的穩定運行起到重要的作用。隨著FF總線閥門定位器的技術改革和不斷完善，控制系統將會越來越jingque和高效。

1.引言

閥門定位器是伴隨著調節閥的應用而出現的，從而使調節閥的控制精度、抗干擾能力、響應時間、流量特性等性能得到改善，成為調節閥必不可少的配套設備，在自動化過程控制中起到重要的作用。閥門定位器在石油、化工、電力、冶金等領域具有廣泛的應用。在石油化工裝置自動化控制系統中，執行器的選用對精度而言至關重要，它的使用情況影響到產品質量，并關系到裝置安全生產。

2.工作原理

LZFD系列智能閥門定位器，能夠與執行器配套使用，調校方便快捷，整機操作全部是通過鍵盤進行的，無任何機械可調部件，只需按動定位器界面上幾個按鈕，即可完成調試?？蓪崿F遠程監控，能方便修改控制閥流量特性，正、反作用方式，監測控制閥運行狀況，延長控制閥使用壽命，提高生產裝置的安全性和經濟性。

2.1 結構

如圖1所示，LZFD系列智能閥門定位器由控制主板、壓電驅動放大單元、模擬電流反饋模塊、位置傳感器、反饋齒輪、反饋軸、底殼等主要部件組成。

圖1 LZFD系列智能閥門定位器組成

2.2 工作原理

LZFD系列智能電氣閥門定位器，應用于氣動直線行程或角行程執行機構。執行機構的運動帶動定位器的反饋軸轉動，從而帶動位置傳感器旋轉檢測出閥位并轉化成電信號。該電信號與控制室送來的輸入信號（4～20mA）一道送入轉換電路，通過A/D轉換送到微處理器，微處理器將這些數值通過jingque運算，計算偏差值，根據偏差值進行優化運算并輸出PWM，該輸出再通過驅動電路驅動壓電閥動作，從而控制氣動驅動單元，經氣動驅動單元放大后驅動執行機構動作，達到消除偏差，準確定位的目的。

3.主要技術參數

3.1 輸入

（1）信號范圍：4～20mA，可根據用戶要求設置成分程控制輸入，在20～之間設定

（2）兩線制：額定供電電壓24VDC

阻抗：基本型355Ω（20mA7.7VDC）

HART型415Ω（20mA8.3VDC）

（3）供氣源：儀表用質量：無油、無水分、無塵污垢，供風壓力0.14～0.6MPa

3.2 輸出

（1）氣源范圍：0～0.6MPa

（2）輸出開關信號電源電壓：24VDC

3.3 其它技術參數

（1）速關范圍值：定位信號范圍0～20%

（2）應用范圍：直線行程執行器25～60°，角行程執行器25～120°

（3）行程時間：0～200s

（4）空氣消耗：小于0.03kg/h

（5）作用方向：正向時，信號4～20mA＝位置0～

反向時，信號20～4mA＝位置0～

（6）性能曲線

a、線性

b、等百分比1：25

c、等百分比1：5

d、等百分比25：1

（7）精度：0.5%

（8）精調范圍：0.3～10%可調

（9）A/D轉換采樣率：20ms

（10）通訊：符合HART協議

（11）環境適應性：工作溫度：-35～+70℃，相對濕度：＜75%

（12）防爆等級：本質安全型ExiaIICT6

（13）外殼材料：鋁合金ZL104

（14）電氣連接：G1/2

（15）氣動連接：G1/4

4.安裝

LZFD系列智能閥門定位器安裝時首先要確保位置反饋的行程值或旋轉角要正確，安裝在直線行程執行器上的大旋轉角為60°，安裝在角行程執行器上的大旋轉角為120°，即要求在反饋軸上箭頭與下箭頭的區域內轉動。為確保操作范圍的正確，反饋桿必須定位在行程中間（+0°傳感器位置）。在安裝時，其指針指在中間處時要求定位器顯示在正中狀態。

5.現場應用

圖2 LZFD系列智能閥門定位器現場應用照片

2009年7月，中國石油青海油田分公司某煉油廠聚丙烯、甲醇、常減壓等裝置使用LZFD系列智能閥門定位器50臺，至今運行良好。現場應用表明：LZFD系列智能閥門定位器性能穩定、可靠性高、操作方便，產品精度等技術指標能夠滿足設計要求和工藝要求。目前，LZFD系列智能閥門定位器在中國石油蘭州石化分公司標定裝置、催化裝置等現場也得到了廣泛的應用，而且應用效果良好。

在工業自動化控制中，要用到各種類型的調節閥，而給調節閥配備穩定可靠的閥門定位器則顯得尤其重要。西門子SIPARTPS2智能閥門定位器，憑借其強大完善的功能、極高的控制精度、簡單方便易用的性能及超長的使用壽命、低耗氣耗能量深受廣大用戶好評，是該領域的產品，獲得了廣泛的應用。

1 西門子SIPARTPS2智能閥門定位器的工作原理

閥門定位器接受控制信號，經過電子控制單元處理，再經電氣轉換后驅動調節閥動作，根據閥桿的位置進行反饋，將控制信號與閥位比較，使閥位對應于控制信號，實現調節閥的正確定位，并改善閥桿行程的線性度，克服閥桿的各種附加摩擦力，消除被調介質在調節閥上產生的不平衡力的影響。

SIPARTPS2智能閥門定位器電路部分采用了CPU運算處理器，將控制閥門開度的輸入信號和反應閥門位置的反饋信號經過比較，得到的偏差值通過CPU微處理器處理后輸出給壓電閥，壓電閥作為轉換元件，在有偏差值時經過轉換去驅動執行機構動作，消耗一定的電能，這樣閥門定位器的耗能就比較低。這是SIPARTPS2智能閥門定位器相對于其他類型定位器的優越性所在。當定位器初始化后，調節閥的慢步區、死區就確定下來，當偏差大于慢步區時，壓電閥持續閉合，閥門動作快，在慢步區，壓電閥接收信號小，閥門動作趨緩，在死區，壓電閥沒有得到信號，閥門不動作，這種工作特性符合工藝控制要求，避免了超調，提高了調節質量。

SIPARTPS2智能閥門定位器可用于直行程和角行程的閥門。它的操作非常簡單，可以在現場通過手動按鍵和LCD進行操作，也可以在控制室通過HART接口或PROHBUSPA協議選用SIMATICPDM過程設備管理軟件對其進行操作，大大方便了使用和維護。

2 西門子SIPARTPS2智能閥門定位器的特點

SIPARTPS2智能閥門定位器與常見的閥門定位器相比，有許多獨特的優點，例如：

（1）易于安裝，能進行自動初始化；（2）操作簡單方便，用三個按鍵就能實現定位器多種功能的設置；（3）經過簡單的組態就能實現多種功能（比如更改開關方向和分程調節）；（4）直行程和角行程執行機構均采用同一型號的閥門定位器；（5）具有自診斷功能，便于對閥門和定位器進行維護；（6）工作時耗氣、耗能量極??；（7）具有“緊密關閉”功能，確保調節閥的關閉，減少泄露；（8）可以很方便地集成PROFIBUSPA、HART及FF總線通訊功能；（9）在惡劣的環境中，可以選擇外部非接觸式位置傳感器；（10）可動部件少，振動場合對調節閥影響小。

3 西門子SIPARTPS2閥門定位器的故障處理

3.1 調節閥檢修后，發現控制精度有問題

解答：調節閥檢修后，由于定位器、閥桿和反饋部分可能的變動，必須經過初始化后，定位器才能和執行機構相互配合，根據所接收到的控制信號，驅動執行機構按要求動作。西門子SIPARTPS2閥門定位器的自動初始化過程由五步組成，每一步均完成相應的工作任務，具體步驟如下：

步確定閥門定位器是正作用還是反作用，LCD顯示為RUN1。第二步確定閥門定位器的起始點和量程范圍，LCD顯示為RUN2。第三步確定執行機構的定位時間，LCD顯示為RUN3。第四步確定閥門的定位增量值，LCD顯示為RUN4。第五步優化執行機構動態響應，LCD顯示為RUN5。五個步驟完成后，LCD顯示Finish，完成自動初始化過程，閥門定位器才能正常工作。

3.2 定位器不定時地發出噗哧噗哧的聲音，調節閥產生震動

解答：這是由于定位器后的氣路有泄漏，用肥皂水檢測定位器出口氣路及執行機構磨頭位置，發現有泄漏的地方處理既可。

3.3 西門子SIPARTPS2定位器初始化時，停在RUN2，無法進行下去

解答：由于西門子SIPARTPS2定位器的自適應能力很強，可以工作于不同行程的直行程執行機構和角行程執行機構。定位器在初始化時需要設置好和行程相對應的參數，才能使用于行程檢測的電位計檢測到的執行機構的位移，定位器根據此位移信號去驅動執行機構動作。初始化時停在RUN2，有可能是有關參數設置不合理，可以改變閥門定位器的參數2YAGL項的反饋軸轉角，將33°變為90°，再進行初始化，看能否成功。如果反饋軸的旋轉角度小于小轉角會導致初始化不能成功。反饋軸轉角可以這樣設置：直行程執行機構行程小于20mm時，設置為33°；直行程執行機構行程大于20mm時，設置為90°；角行程調節閥此項參數值自動設置為90°。

另外執行機構的行程或轉角也可用手動進行調整，定位器初始化時不需要自動尋找執行機構的起始點，手動調整執行機構行程到開始和終止位置，可以完成RUN2這一步。這樣，我們在有些情況下，自動初始化無法進行時，選擇手動初始化，使調節閥能夠進行調節。

3.4 西門子SIPARTPS2定位器初始化時停在RUN3

解答：產生這一故障的原因是執行機構定位時間太長，可以這樣處理，完全打開限流器或調整壓力PZ（空氣入口壓力）到允許高值，看執行機構的開關時間能否減少。也可使用升壓器，增加執行機構的驅動力，縮短開關時間。

3.5 西門子SIPARTPS2定位器初始化時停在RUN5，沒達到Finish（等待時間>5min）

解答：產生這一故障的原因是定位器、執行機構等部件的安裝問題，可以檢查定位器、執行機構及反饋部分的安裝，發現問題及時校正，重新安裝后，再進行初始化，看能否縮短初始化時間。

3.6 調節閥開關方向和要求不一致

解答：這和閥門定位器參數7SDIR、參數38YDIR這兩項的設置有關，7SDIR項是方向設定點，定位器在接收到4~20mA信號時，7SDIR項的設置決定執行機構的升降。

38YDIR項是行程方向顯示，可以顯示執行機構的升降。通過與調節閥實際開關方向和控制室輸出的信號來對比，可以正確地設置參數7SDIR、參數38YDIR。對于閥門的開關方向的確定，一定要和工藝人員配合，特別是角行程調節閥，當執行機構的指示標志不清楚時，容易發生開關的誤判，造成生產事故，必須認真對待。

3.7 調節閥控制曲線不理想

解答：閥門定位器參數12SFCT項中，內置了六種調節閥常用的流量特性和一種用戶自定義的流量特性，每一臺調節閥都有其固有的流量特性，通常定位器的此項參數只要設置成Lin就可以遵循調節閥固有的流量特性。若調節閥流量特性與工藝要求不符，則可以通過參數12SFCT項的設置來改變調節閥的整體流量特性。根據實際情況靈活地設置參數12SFCT項就可以達到工藝要求。

3.8 調節閥不能全關死

解答：在工藝生產中，由于閥芯磨損或前后壓差大等原因，調節閥可能關不死，出現泄漏，影響工藝操作，這時可以通過設置參數39YCLS、40YCD、41YCU等項，啟用緊密關斷功能，將調節閥大限度地關閉。在化工生產中，常常有工藝操作人員反映調節閥不能關死，泄漏量大，影響操作，我們在不更換調節閥的情況下，可以使用這一功能，盡量滿足工藝的需要。

4 結語

西門子SIPARTPS2智能閥門定位器和其他類型定位器比較，穩定可靠，方便實用，功能強大，維護量小，是工業自動化控制領域中對調節閥配備定位器的不錯選擇。