论文部分内容阅读
【摘 要】 阀门定位器伴随着控制阀的应用已有几十年的历史了，由于阀门定位器的出现，使控制阀的控制精度、抗干扰能力、响应时间、流量特性等得到了大大地改善，现在几乎所有的控制阀都使用了阀门定位器，它已经成为控制阀不可缺少的搭档，在自控元件中起着越来越重要的角色。阀门定位器也跟随着控制技术的发展，经历了由气动、电动、数字、发展到现在的智能阀门定位器。
【关键词】 阀门定位器
一、背景介绍：
调节阀应用广泛，涉及到多个领域：石油和气体，造纸和纸浆，炼油，食品和饮料，化工和石化，制药，电力，金属与冶炼，半导体等。在实际工业控制工程中，流量控制方面的要求越来越高，不但要求控制精度高，同时要求控制方式上多样化，这就对阀门定位器的特性提出了更高要求，提高其控制精度、响应速度以及增加控制的灵活性。因此，阀门定位器已成为工业控制领域十分重要的研究热点[1]。
二、定位器的发展：
阀门定位器是调节阀的核心控制附件，可以改善阀门的静态特性和动态特性，有助于克服介质的不平衡力和填料的摩擦力，提高控制精度，同时增加控制的灵活性[1]。
阀门定位器从最初的纯气动机械力平衡式发展到使用电磁转换的电—气阀门定位器，直到目前的智能型和现场总线技术的定位器，其每个结构单元、功能单元均经历了较大的改进，但总的趋势是电气化、智能化，并且必将与全数字化工业控制相适应[2][3]。
国外一些著名公司相继推出了基于现场总线的智能阀门定位器，实现了定位器的数字化、智能化、网络化，大大提高了阀门定位器的控制性能，满足了生产实际的需要，代表了阀门定位器的主流发展方向[4]。早在十多年前，国外一些在工业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的生产厂家，如西门子、费希尔.罗斯蒙特、山武株式会社等公司，纷纷开始着手对智能型阀门定位器系统进行了开发研制，相继研制成功了智能二线制阀门定位器，有的还配置HART总线、FF总线等现场总线接口，规定了各自所遵循的通讯协议和控制方式，在智能阀门定位器生产研制方面，代表了当今的世界水平和发展方向[3]。
三、定位器的工作原理
1-波纹管2-主杠杆3-迁移弹簧4-凸轮支点5-凸轮6-副杠杆7-支点8-执行机构9-反馈杆10-液轮11-反馈弹簧12-调零弹簧13-挡板14-喷嘴15-主杠杆支点16-放大器
工作原理：是按力矩平衡原理工作的，当通入波纹管1的信号压力增加时，使主杠杆2绕支点15转动，挡板13靠近喷嘴14，喷嘴背压经功率放大器16放大后，通入到执行机构8的隔膜室，因其压力增加而使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4转动，反馈凸轮5也跟着作逆时针方向转动，通过滚轮10使副杠杆6绕支点7转动，并将反馈弹簧11拉伸，弹簧11对主杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管1上的力达到力矩平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀门位置。弹簧12是调零弹簧，调其预紧力可使擋板初始位置变化。弹簧3是迁移弹簧，在分程控制中用来改变波纹管对主杠杆作用力的初始值，以使定位器在接受不同输入信号范围时，仍能产生相同的输出信号。
传统电气阀门定位器的工作原理[6]
电气阀门定位器经过几十年的发展，各公司产品虽不尽相同，但基本原理大致相似，下面画简图进行说明。
1-磁电组件2-零点调节手轮3-量程调节手轮4-阀位反馈杆5-挡板6-喷嘴
7-节流口8-供气气源9-通气孔10-输出压力11-执行机构12-阀位反馈杠杆
反馈杆反馈阀门的开度位置发生变化，当输入信号产生的电磁力矩与定位器的反馈系统产生的力矩相等，定位器力平衡系统处于平衡状态，定位器处于稳定状态。
智能电气阀门定位器工作原理[6]
目前有很多厂家生产智能型电气阀门定位器，西门子公司的SIPARTPS2系列智能电气阀门定位器比较典型，具有一定代表性，下面以就以SIPARTPS2系列定位器为例，对智能定位器的工作原理进行说明
其具体工作原理如下：由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字编码信号，与定位器的输入（设定）信号的数字编码在CPU中进行对比，计算二者偏差值。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一l打开，输出气源压力P1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P1，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。
智能定位器的特点
由于新型控制元件如导电塑料和压电阀的使用，可以使阀门定位达到很高精度，由于微处理的使用，可以使定位器的调校以及适用范围有大的改善。因此采用行程位置检测装置外置的方法，将阀位反馈组件与定位器本身分离安装。将行程位置检测装置在执行机构上，定位器安装在离执行器一定距离的地方
这样就大大扩展了定位器的使用范围，例如可以适用于大型风门、闸门等非标准结构的执行机构以及超大行程结构的执行机构中（已经有大量此类应用）。正是与智能电气阀门定位器的结合，大大提高了此类装置的控制定位精度。
现场总线阀门定位器[7][8]
现场总线阀门定位器主要用于在现场总线控制系统中驱动气动执行机构。它根据现场总线上送来或由其内部控制功能块所产生的控制信号，产生一个气压信号，带动执行机构输出一个机械位移，并通过非接触的霍尔元件检测位移的大小，然后反馈到控制电路中，以便实现精确地阀门定位。
现场总线阀门定位器不仅安装方便，维修也很简单，而且大部分具有自诊断功能。随着定位器的不断发展，相信最终会向现场总线技术发展，在各应用场所会得到越来越多的应用。
参考文献：
【1】陈坚，曾德芬.智能电一气阀门定位器（N）.华东地质学报，2002，（1），79—82.
【2】林慧.智能电气阀门定位器的研究开发（D）.天津，天津大学电气与自动化工程学院，2003，1—3
【3】王化祥，林慧.工业控制的应用现状和发展趋势（J）.世界仪表与自动化，2004，（6），12—15.
【4】怀仁.智能型电气阀门定位器（J）.化工自动化及仪表，1995，（2）：51—55.
【5】三门核电仪控科内培训资料（Z），2011.
【6】阀门定位器（C）.
【7】杨青柏，现场总线仪表（M），国防工业出版社，2005.1.
【8】韩兵、火长跃，现场总线仪表（M），化学工业出版社，2007.5.
【关键词】 阀门定位器
一、背景介绍：
调节阀应用广泛，涉及到多个领域：石油和气体，造纸和纸浆，炼油，食品和饮料，化工和石化，制药，电力，金属与冶炼，半导体等。在实际工业控制工程中，流量控制方面的要求越来越高，不但要求控制精度高，同时要求控制方式上多样化，这就对阀门定位器的特性提出了更高要求，提高其控制精度、响应速度以及增加控制的灵活性。因此，阀门定位器已成为工业控制领域十分重要的研究热点[1]。
二、定位器的发展：
阀门定位器是调节阀的核心控制附件，可以改善阀门的静态特性和动态特性，有助于克服介质的不平衡力和填料的摩擦力，提高控制精度，同时增加控制的灵活性[1]。
阀门定位器从最初的纯气动机械力平衡式发展到使用电磁转换的电—气阀门定位器，直到目前的智能型和现场总线技术的定位器，其每个结构单元、功能单元均经历了较大的改进，但总的趋势是电气化、智能化，并且必将与全数字化工业控制相适应[2][3]。
国外一些著名公司相继推出了基于现场总线的智能阀门定位器，实现了定位器的数字化、智能化、网络化，大大提高了阀门定位器的控制性能，满足了生产实际的需要，代表了阀门定位器的主流发展方向[4]。早在十多年前，国外一些在工业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的生产厂家，如西门子、费希尔.罗斯蒙特、山武株式会社等公司，纷纷开始着手对智能型阀门定位器系统进行了开发研制，相继研制成功了智能二线制阀门定位器，有的还配置HART总线、FF总线等现场总线接口，规定了各自所遵循的通讯协议和控制方式，在智能阀门定位器生产研制方面，代表了当今的世界水平和发展方向[3]。
三、定位器的工作原理
1-波纹管2-主杠杆3-迁移弹簧4-凸轮支点5-凸轮6-副杠杆7-支点8-执行机构9-反馈杆10-液轮11-反馈弹簧12-调零弹簧13-挡板14-喷嘴15-主杠杆支点16-放大器
工作原理：是按力矩平衡原理工作的，当通入波纹管1的信号压力增加时，使主杠杆2绕支点15转动，挡板13靠近喷嘴14，喷嘴背压经功率放大器16放大后，通入到执行机构8的隔膜室，因其压力增加而使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4转动，反馈凸轮5也跟着作逆时针方向转动，通过滚轮10使副杠杆6绕支点7转动，并将反馈弹簧11拉伸，弹簧11对主杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管1上的力达到力矩平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀门位置。弹簧12是调零弹簧，调其预紧力可使擋板初始位置变化。弹簧3是迁移弹簧，在分程控制中用来改变波纹管对主杠杆作用力的初始值，以使定位器在接受不同输入信号范围时，仍能产生相同的输出信号。
传统电气阀门定位器的工作原理[6]
电气阀门定位器经过几十年的发展，各公司产品虽不尽相同，但基本原理大致相似，下面画简图进行说明。
1-磁电组件2-零点调节手轮3-量程调节手轮4-阀位反馈杆5-挡板6-喷嘴
7-节流口8-供气气源9-通气孔10-输出压力11-执行机构12-阀位反馈杠杆
反馈杆反馈阀门的开度位置发生变化，当输入信号产生的电磁力矩与定位器的反馈系统产生的力矩相等，定位器力平衡系统处于平衡状态，定位器处于稳定状态。
智能电气阀门定位器工作原理[6]
目前有很多厂家生产智能型电气阀门定位器，西门子公司的SIPARTPS2系列智能电气阀门定位器比较典型，具有一定代表性，下面以就以SIPARTPS2系列定位器为例，对智能定位器的工作原理进行说明
其具体工作原理如下：由阀杆位置传感器拾取阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字编码信号，与定位器的输入（设定）信号的数字编码在CPU中进行对比，计算二者偏差值。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一l打开，输出气源压力P1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P1，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。
智能定位器的特点
由于新型控制元件如导电塑料和压电阀的使用，可以使阀门定位达到很高精度，由于微处理的使用，可以使定位器的调校以及适用范围有大的改善。因此采用行程位置检测装置外置的方法，将阀位反馈组件与定位器本身分离安装。将行程位置检测装置在执行机构上，定位器安装在离执行器一定距离的地方
这样就大大扩展了定位器的使用范围，例如可以适用于大型风门、闸门等非标准结构的执行机构以及超大行程结构的执行机构中（已经有大量此类应用）。正是与智能电气阀门定位器的结合，大大提高了此类装置的控制定位精度。
现场总线阀门定位器[7][8]
现场总线阀门定位器主要用于在现场总线控制系统中驱动气动执行机构。它根据现场总线上送来或由其内部控制功能块所产生的控制信号，产生一个气压信号，带动执行机构输出一个机械位移，并通过非接触的霍尔元件检测位移的大小，然后反馈到控制电路中，以便实现精确地阀门定位。
现场总线阀门定位器不仅安装方便，维修也很简单，而且大部分具有自诊断功能。随着定位器的不断发展，相信最终会向现场总线技术发展，在各应用场所会得到越来越多的应用。
参考文献：
【1】陈坚，曾德芬.智能电一气阀门定位器（N）.华东地质学报，2002，（1），79—82.
【2】林慧.智能电气阀门定位器的研究开发（D）.天津，天津大学电气与自动化工程学院，2003，1—3
【3】王化祥，林慧.工业控制的应用现状和发展趋势（J）.世界仪表与自动化，2004，（6），12—15.
【4】怀仁.智能型电气阀门定位器（J）.化工自动化及仪表，1995，（2）：51—55.
【5】三门核电仪控科内培训资料（Z），2011.
【6】阀门定位器（C）.
【7】杨青柏，现场总线仪表（M），国防工业出版社，2005.1.
【8】韩兵、火长跃，现场总线仪表（M），化学工业出版社，2007.5.