过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用，而过程控制系统往往由成百甚至上千个控制回路组成，每一个控制回路都会接受或从内部产生干扰，对过程变量产生决定性的影响。不同同路之间的相互作用也会产生影响过程变量的扰动。各种传感器和变送器收集过程变量的信息，控制器接受这些信息并进行处理，使得过程变量在负载扰动发生后恢复到它的正常范围。所有的测量、比较、计算工作完成后，必须由终端控制元件来执行控制器所选择的控制策略。控制回路中*常用的终端控制元件就是控制阀。控制阀调节流动的流体，如气体、蒸汽、水或化学混合物，以补偿负载扰动并使得被控制的过程变量尽可能地靠近需要的设定点。

阀门定位器与数字式控制系统一起作用时，可以提供很高的定位精度以及对过程干扰的更加迅速的响应。基于微处理的定位器，提供了与普通二级定位器相同的动态性能，并且具有阀门监视和诊断功能，有助于确保*初的优良性能不会随着使用而下降。定位器可分为气动式、模拟式、数字式3种类型。其中数字式定位器又分为数字不通信式、HART式和现场总线式3种。

二、智能定位器的性能及工作原理

2．1特点及结构

智能阀门定位器的主要特点：

(1)高输出力和动作速度：

(2)调节精确度高(*小行程分辨率可达士0．05％)

(3)安装简单，高度自动化调校；

(4)几乎免维护运行，这意味着节省时间，应用方便；

(5)具有零位和行程范围的手动和自动校准功能；

(6)具有可选的或可编程的输出特性：

(7)具有很强的自诊断功能；

(8)耗气量相对传统的阀门定位器少很多；

(9)设定值和控制变量极限值可进行选择设置；

(10)可进行调节阀的死区设置；

(11)在线自适应程序。

(12)固化的隐含参数可提供许多功能；

(13)定位器可进行灵活简单的组态

(14)温度和压缩空气压力的变化的影响极小

智能电气阀门定位器与变送器相比，有着明显的不同：一是把外部4-20mA的模拟信号作为阀位的控制信号，同时又把这4-20mA的模拟电流作为智能电气阀门定位器电源的来源，因此智能电气阀门定位器对低功耗的要求极为苛刻；二是智能变送器主要通过HART接口进行数字通信，同时向外发送4-20mA的被测量的模拟信号，一般可用耦合芯片AD421来实现，而智能电气阀门定位器则通过HART接口卡进行数字通信，同时接收输入的4-20mA阀位控制模拟信号。许多厂商在DVC中嵌入各种各样离散的和模拟的传感器。例如艾默生过程管理的Fisher DVC包含一个离散输出(DO)和4个离散输入(DI)，它们是符合基金会现场总线(FF)标准的功能模块。除了满足符合FF标准的DI和D0功能条件外，Fisher还用一个接近传感器代替类似限位开关标准DI(设置接近传感器的优点是在应用过程中可知道*终控制设备的0和100％的位置，如实现紧急关闭)。DVC用嵌入式传感器和微处理器来管理诊断测试程序及与主系统间的数字通信，完成动态扫描及高级诊断等工作。其诊断程序包括：*终控制设备参数跟踪，以监视总计(累积)位移和转换数量(周期)DVC正常状态参数测试，以提供存储器、微处理器和／或传感器问题的报警信号，并允许执行机构报警，如问题更为严重，则关闭单元或过程；发出*终控制设备报警信号；当期望位移偏差、位移高／低限超过预先设定的累积位移和周期指标时，动态误差范围测试，以核对*终控制设备的滞环和死区加回转特性；驱动信号和输出信号测试，以可控的速率改变传感器设定点并绘制*终控制设备的运行曲线来确定动态特性；预先规定的*终控制设备维护和特征图形的测试。过程管理数字智能定位器是采用基金会现场总线技术(FF)并具有互操作性、全数字通信、基于微处理技术的用于过程控制的数字化仪表。除了具有将数字信号转换成气动信号驱动气动执行机构的基本功能外，更由于采用了FF总线协议，容易提供操作和控制过程中调节阀和定位器的大量设备信息，并将这些信息传送之上位机，使操作人员、维修人员和工程师能及时掌握设备的运行状态。定位器可以安装在直通调节阀和旋转调节阀的气动执行机构上，根据控制系统的设计要求灵活选择。依据主要包括控制功能和诊断功能。标准控制功能(SC)用于常规的控制场合；现场总线逻辑控制功能(FL)用于实现逻辑控制的场合。现场总线诊断功能(FD)可以被任何采用FF协议的主机系统接受；高级诊断和运行诊断功能则用于相关的设备管理系统软件(例如Fisher的AMS ValveLink软件)以提供可视化提示和报警信息。数字智能定位器采用FF总线模块化结构，内装模块包括资源块(resource block)、传输块(transducerblock)和功能块(function block)传输块用于模拟输出(AO)与电／气转换器(I／P)、气动组件、行程传感器等定位器内部硬件的连接。功能块提供实现常规控制和逻辑控制的功能。常规控制功能块包括A0(模拟输出)、PID和ISEL(输入选择)功能块。A0可以接收来自其他功能块(例如PID)的输出信号，并转换为执行器控制信号传送给传输块。PID用于实现控制回路的PID控制功能。ISEL提供4路输入选择功能，并将符合条件的信号作为PID功能块的输入信号。逻辑控制功能块包括D1(离散输入)和DO(离散输出)功能块。DI接收来自现场仪表的DI信号，将该信号传送给其他功能模块。用作限位开关和阀位检测。Do将开关量设定值输出到指定的I／0通道并生成输出信号，提供常规开／关控制和5％增量定位的功能。

2．2工作原理

数字智能定位器采用模块式组件，主模件包括主控板、电／气转换器和气动组件等3个子模件。主模件在现场环境中无需拆／接电缆及气动管路即可替换其工作原理图如上图所示。

数字智能定位器工作原理图输入信号通过双绞线传输给主控板上的微处理器，经运算后由I／P将数字信号转换成气动信号，驱动气动执行机构使调节阀行程达到给定的位置。

当输入信号增加时，I／P转换器的输出信号增加，通过气动组件驱动执行机构，带动阀杆向下运动。

同时连在阀杆上的行程检测传感器将阀杆的位置信号反馈给主控板上的微处理器并与给定信号进行比较，直到阀杆处于要求的位置达到平衡。

但输入信号减小时，I／P转换器的输出信号减小，通过气动组件驱动执行机构，带动阀杆向上运动。

同时连在阀杆上的行程检测传感器将阀杆的位置信号反馈给主控板上的微处理器，与给定信号进行比较，直到阀杆处于新的平衡位置。

压力传感器用于检测气动信号管路是否有泄漏，如有泄漏发生，则由压力传感器将检测到的信息经微处理器产生警示或报警信号并通过数字通信通知操作人员或检修人员及时处理。

由于数字智能定位器采用了微处理器技术和新型的传感器技术及现场总线技术，使其不仅仅只是一只阀门定位器，而是智能数字控制器和阀门定位器集成的新型智能数字控制器。它大大提高了作为控制回路终端执行元件一调节阀的精度，使其达到0．5％，极大地改善了控制回路的调节品质。同时它使控制功能下移至现场仪表，实现了控制系统的风险彻底分散。

DVC技术取得重大应用进步的示例是用于紧急关闭(ESD)阀的部分行程测试。一些公司通过延长连续过程的运行时间来增加利润。延长包括安全仪表系统(SIS)的过程运行时间常要求改变安全系统测试频率，使用紧急关闭(ESD)阀的部分行程测试。部分行程测试可帮助运行人员保证在安全系统范围内的ESD阀能按要求操作。将具有在板诊断程序和可获得通信性能数据的主系统DVC用作ESD阀，使其成为部分行程测试解决方案的一部分，以满足常规要求。

通过提供阀门性能恶化分析，数字智能定位器对于预见性维护是一个很大的帮助，这一点对于安全系统里的关键阀门是很重要的。在进行部分行程动作测试时，如果由于某种原因阀门卡住了，有些数字智能定位器并不完全释放执行机构压力。可以确保阀门解卡后不会突然关闭。而数字智能定位器会放弃测试并发出报警，告诉操作员阀门卡住了。

三、 HART协议在智能定位器中的应用

HART接口卡把智能电气阀门定位器和HART主机设备连接起来，从而实现对智能电气阀门定位器的远程操作。

3．1接口卡与阀门定位器的总体结构

HART协议设备的通信模式主要有两种：一种是问答式；另一种是成组式。在参数组态时用问答模式。

智能电气阀门定位器在正常工作时主要是控制执行机构的行程，因此，执行机构的行程和智能电气阀门定位器的状态是*重要的。在设计中，对这两种信息量采取成组模式，使主机能时时检测现场智能电气阀门定位器的状态以及其控制的阀位。

在软件设计中，智能电气阀门定位器对主机信号的接收采用中断方式。等主机消息到来时，通过触发串行中断来接收主机发来的数据。由于数据以1200bit／s的波特率传送，传送每一个字符需要9．167ms的时间，相对于指令的执行速度(用1．8432MHz晶振)慢多了。为了提高CPU的利用率，在串行中断处理程序里，每接收完一个字符就中断返回。让CPU处理其他的事务，等数据接收完后，对数据进行处理，然后根据数据的正误及命令来做出一定的处理，再组装成响应帧发给主机。

3．2定位器的通信

有两个定时器，我们用定时器l来完成超时管理，每当现场仪表接收到一个字符时，就启动定时器1进行定时(时间不超过一个字符的传输时间和之间的时间间隔之和)。在定时时间到后，还没有收到下一个字符就触发定时器l中断。该处理程序主要是重新初始化，以备接收新的数据。如果定时时间内收到了一个字符，就应使定时器l初始化，以备接收新的字符。接收程序流程如图7所示。在成组模式时，电气阀门定位器定时向主机发送HART数据，定时时间为BT=75ms。

四、调试过程中出现的问题及解决方法

现场使用阀门定位器的种类非常繁多，有气动阀门定位器、电气阀门定位器、有配薄膜执行机构的阀门定位器、有配活塞执行机构的阀门定位器、有力平衡式阀门定位器、有位移平衡式阀门定位器，阀门定位器的广泛使用，在生产过程中，难免会出现各种故障，为保质、保量、安全地生产，就必须及时排除定位器可能产生地一切故障。

4．1故障起因分析

要排除阀门定位器地的故障，必须正确判断阀门定位器的哪一个环节、哪一个元件发生的故障。通常有如下两种故障分析法：一是根据阀门定位器的传递函数，对阀门定位器进行逐个环节，逐个元件的分析，这种对现场检修不太适用，但对于疑难问题的分析，却非常有效；二是根据检修者对故障的现象进行综合分析和判断，此种方法*适于现场检修。下面将阀门定位器可能产生的常见故障的起因分析如下：

4．1．1阀门定位器有信号输入，但无输出压力信号

(1)电／气定位器，衔铁与线圈架之间有异物。

(2)恒节流孔堵塞。

(3)喷嘴挡板配合不良或喷嘴挡板损坏。

(4)放大器中膜片(金属膜片或者橡胶膜片)损坏。

(5)气路连接有误(包括放大器)。

(6)电／气定位器输入信号线正负极接反。

(7)定位器的输入接线盒内的二极管开路或接线不良。

(8)气源压力的大小不合要求。

(9)放大器耗气量超额定数值太大。

(10)电／气定位器磁钢极性的安装相异。

(11)放大器预紧力超重。

(12)滑阀式放大器内的滑阀被异物卡死。

(13)&ldquo：手动／自动&rdquo：切换位置不对(非手动位置和非自动位置)。

(14)电／气定位器输入电信号短路。‘

(15)平衡弹簧安装，调试不好。

4．1．2下行程定位器输出压力变化缓慢

(1)放大器的气锥阀的锥度较小。

(2)放大器膜片长期使用，产生弹性滞后现象。

(3)气动定位器的感测元件(波纹管或膜盒)长期使用，产生弹性滞后。

(4)反馈弹簧产生弹性滞后。

4．1．3上行程定位器给出压力变化缓慢

(1)放大器进气球阀陷得过深。

(2)放大器耗气量较大。

(3)放大器进气球阀沾污，流通面积减小。

(4)恒节流孔的直径与喷嘴直径之比小于额定值(技术要求数值)。

(5)喷嘴与挡板之间的配合不好。

(6)衔铁与线圈架之间有轻微的磨擦。

4．1．4定位器线性不好

(1)反馈凸轮或弹簧选择不当。

(2)反馈机构安装不好。

(3)反馈凸轮或弹簧安装不当。

(4)喷嘴或挡板有沾污现象。

(5)滑阀式放大器内的滑阀与其接触面有磨擦现象。

(6)背压有轻微泄漏现象。

(7)整机安装不当。

(8)反馈连接杆面调节阀有卡现象。

4．1．5无输入信号，定位器有输出压力

(1)喷嘴有堵塞。

(2)放大器进气球阀沾污造成卡不死或者密封面损坏。

(3)恒节流孔的直径与喷嘴直径径比大于额定值。

(4)放大器各气路板的连接有问题。

(5)放大器金属膜片变形或安装不良，造成阀杆将进气球阀顶开(对预紧力不可调放大器而言)。

(6)挡板已盖住喷嘴的位置。

4．1．6行程不足(定位器输出压力达不到值)

(1)反馈杆与执行机构推杆连接件的接触位置不对。

(2)永久磁铁产生的磁场强度较额定值小。

(3)挡板与喷嘴的配合不好。

(4)反馈凸轮的初始位置选择不良。

(5)主杠杆平衡弹簧安装不良。

另外，阀门定位器内的气路堵塞也会造成定位器不能完成校准或阀门定位器震荡的现象，在故障处理前要首先给予排除。

4．2故障处理

校准智能阀门定位器时，我们直接使用手操器中的自动校准功能即可完成调节阀的校准工作，但有时会出现自在几年来对带智能阀门定位器的调校和使用过程中，我们遇见了一些问题和故障，总结了如下的一些常见问题的处理方法：

通常动校准不能通过的情况，这时可以使用一下手操器中的手动校准功能，当手动校准通过后，再进行自动校准一般就没有问题了。

当智能定位器的自动和手动校准都不能通过时，主要应该按以下步骤检查处理：

(1)确认气路没有问题，阀门定位器的气路没有被堵塞。

(2)检查是否由于安装等问题使阀门在开关过程中有卡涩现象；

(3)检查智能定位器中设置的阀门的参数是否正确无误，如阀门的型号和尺寸等参数应和实际相一致，特别需要注意的是阀门的型号应与实际使用的相一致，因为阀门的型号中包含了厂家对该阀门的许多隐含设置参数，如果在手操器的设置中选错了阀门的型号，就会造成一些不可预见的错误：

(4)阀门定位器反馈杆安装位置不合适也会造成智能定位器不能完成自动和手动校准。通常由于运输或其他的原因，使智能定位器反馈杆上的锁紧螺母松动，造成阀门定位器反馈杆偏离了原先的安装位置，这时需要重新调整反馈杆安装位置。一般智能调节阀上都有专门的反馈杆定位孔，关闭调节阀的气源，直接通过反馈杆定位孔来确定反馈杆的位置就可以了。由于智能阀门定位器具有很强的适应性，一般反馈杆安装位置偏移一些并不会造成智能定位器故障，但如果偏差太大就会造成阀门定位器不能完成自动和手动校准。

调节阀在出厂前都经过了厂家严格的调校和测试过程，在现场安装完后，在确认工艺管道比较干净，阀内件没有被卡住或损伤的情况下，再经过一次智能定位器的自动校准后，一般不会出现漏量较大的情况。

如果阀门在自动校准后问题依旧存在，可以采用如下的方法：

(1)对于气关阀可以先输入20mh的信号，使阀门处于完全关闭状态，然后用阀杆上的两个锁紧螺母来调整阀杆，使阀杆向下移动，直至不能使阀杆向下移动为止。然后输入12mA左右的信号，用阀杆上的两个锁紧螺母调整阀杆向下移动四分圈。

(2)对于气开阀可以先输入4mh的信号，使阀门处于完全关闭状态，然后用阀杆上的两个锁紧螺母来调整阀杆，使阀杆向下移动，直至不能使阀杆向下移动为止。然后输入12mh左右的信号，用阀杆上的两个锁紧螺母调整阀杆向下移动四分圈。

以上方法已在多个场合得到良好的应用，解决了由于调节阀漏量大造成控制回路无法投用的问题，并且该调校方法在使用非智能阀门定位器的调节阀上同样可以使用。*后可以通过手操器调整阀门定位器中的阀门反应灵敏度、阀门死区和阀门增益的设置参数来解决阀门定位器震荡问题。当然，在许多时候，即使安装和工艺管道有问题，我们也可以通过直接修改阀门定位器中的阀门反应灵敏度、阀门死区和阀门增益的参数来处理阀门的震荡问题，但这样做阀门虽然也可以使用，但长期运行势必会对阀门本身造成较大的损害，影响阀门的使用寿命。

智能阀门定位器是集成微处理器的，采用电平衡原理的新一代阀门定位器。随着时间的发展和技术的进步，它的应用将日益广泛。由于它有很强的自诊断功能，当出现问题时一般都会给出智能定位器中某个部件故障的提示，但一些时候这些提示也会误导我们。在处理智能阀门定位器相关的问题的时候，应该首先考虑到智能阀门定位器本身的故障率是很低的，一般均为其它部分的问题，但这些问题都集中反映到了阀门定位器的身上，这就要求我们要以整体的系统的眼光来处理问题，在很多时候，常规阀门定位器的故障处理方法也同样适用。

原创作者：麦德胜电气（中国）有限公司