标题ZPZD1000型智能阀门定位器的开发

     执行器作为控制系统的终端主近代元件，被广泛地用于过程自动化控制中。气动执行器由于具有本质安全防爆、结构简单可靠、维修方便等突出的优点，一直是执行器的主流产品，广泛应用于电力、冶金、石化、轻纺等行业。为了提高气动执行器的性能，阀门定位器是其不可缺少的配套产品。

     目前，国内广泛使用的电/气阀门定位器一般是采用模拟信号和力平衡原理生产的传统气动仪表。近年来，随着微电子技术的飞速发展，国外许多著名公司相继推出了数字化、通信化、智能化以及支持现场总线的智能阀门定位器,大大提高了阀门定位器的控制性能,这是阀门定位器发展的主流。

     为此，我们在研究分析几家国外著名公司智能阀门定位器产品的基础上，综合各家产品的先进技术及优点，投入科研力量开发了具有自主版权的ZPZD1000型智能阀门定位器。

      二、模块

     ZPZD1000型智能阀门定位器内含CPU和智能控制模块、包括主模块、操作面板模块、模拟反馈与报警模块、通信模块。主模块执行阀控制功能，接受来自控制系统（如DCS、PLC等）的4~20mA模拟阀位设定信号，检测当前的阀位，执行阀位控制软件，控制气动执行机构的动作。带LCD显示和按键的本地操作面板模块，支持菜单式人机界面，可进行参数组态和功能调用。模拟反馈与报警模块可向控制系统提供4~20mA的阀位反馈信号和上下限报警信号。通过模块可通过RS-232或RS-485通信实现远程配置和远程监控。主模块上的二级制电源模块可使仪表仅由4~20mA信号线供电，二线制功能可节省工业自动化系统中的线缆数量和布线工作，并且使传统阀门定位器的技术更新不需要增加或修改线缆，非常方便。

       三、工作原理

     智能阀门定位器与传统阀门定位器在工作原理上有所不同。传统阀门定位器接受来自控制系统的4~20mA模拟信号，直接驱动力矩电动机产生电磁力作用于主杠杆上；阀位变化经由阀位反馈杆、凸轮、副杠杆和反馈弹簧传递到主杠杆上；受主杠杆上的力平衡影响的挡板喷嘴机构经由气动放大器控制气动执行机构的进气与排气，使阀位到达设定点。也就是说，传统阀门定位器是利用机构力平衡原理来实现阀位控制的。

     智能阀门定位器则采用新的电子化、数字化的工作原理。智能阀门定位器接受来自控制系统的4~20mA阀位设定信号，进行高精确度的A/D采样转换，得到数字设定值变量；阀位变化经由阀位反馈机构得到阀位电信号，同样进行高精确度的A/D采样转换，得到数字设定值变量和阀位变量，两者经过智能控制软件的SP-PV处理模块的计算处理，得到阀位控制信号，经由I/P控制与驱动去控制I/P模块（电/气转换模块）的动作，从而控制气动执行机构气室的进气与排气，使阀位到达设定点。也就是说，智能阀门定位器是利用数字平衡（或电平衡）原理来实现阀位控制的。

      四、硬件与软件

      ZPZD1000型智能阀门定位器硬件原理框图如图1所示。
 


                           图1 ZPZD1000型智能阀门定位器硬件原理框图

     现对其主要部件作一些介绍。CPU包含了12KB的ROM、512B的RAM、512B的EEPROM，用于存放智能控制软件、工作数据、组态参数。A/D采用24位的高精确度ADC。信号前处理对信号进行限压保护，瞬时脉冲保护、共模干扰抑制、信号滤波等。LCD采用适合工业控制的宽温宽屏的4位8段LCD，可显示阀位、信号、偏差、操作菜单、组态参数。键盘采用简洁的3个按钮（SELECT-下减），可组合复用成OK-确定、CANCEL-取消、FASTUP-快增、FASDOWN-快减等诸多功能键。电源模块实现二级制供电功能，从4~20mA信号线上取低于3.9mA的电流供给仪表。报警模块实现无源泉的上下限报警和严重故障报警（断电、断气等）。

      ZPZD1000型智能阀门定位器软件原理框图如图2所示。
 


                              图2 ZPZD1000型智能阀门定位器软件原理框图

     现对其主要模块作一些介绍。A/D中断模块从A/D转换器中读取4~20mA设定信号值和当前阀位信号值。SP-PV处理模块完成SP、PV和偏差的计算处理，实现分程控制、流量特性修正、非线性修正、关断值操作、死区调节等功能。I/P控制模块完成I/P模块的控制，实现I/P的行程控制、速度调节等功能。4~20mA反馈模块完成当前阀位的反馈。人机界面模块实现菜单式操作的人机界面和LCD、键盘管理。键盘模块完成键盘的去抖动、延时重复等功能。LCD模块实现数值显示、字符显示等功能。自诊断模块完成信号超量程、断气等故障的实量侦测诊断功能。自校正模块完成定位器安装时的自动校正功能。远程通信模块完成数据收发、链路层中帧的分析处理、应用层的命令的解释处理等功能，实现与远程组态软件的通信。报警模块完成开关量报警功能。

      五、特点

      与传统的阀门定位器相比较，ZPZD1000型智能阀门定位器的主要优点为：

     （1）精确度高、可靠性好。传统的阀门定位器根据机械的力平衡原理工作，由于机械制造误差、机械传动误差导致其精确度较低，可动的机构零件较多，导致抗振性差，易磨损，可靠性差；智能阀门定位器采用电平衡原理，阀位反馈直接采用高精确度位置传感器、经过高精确度A/D转换为很精确的数字量阀位信号，阀位控制采用数字式开、关、停信号控制，抗振性好，可靠性高、最小行程分辨力可达0.05，控制精确高，因此智能阀门定位器可获得较高的精确度和良好的可靠性。

     （2）易安装、适应性强。传统阀门定位器的仪表特性及工作参数（例如零点、量程、作用方向）由机械结构来确定，其调整通过调节螺钉等手段进行，并需要一定的测量校正装置，安装难且不精确，而且对气源压力变化较敏感，适应性弱，给过程自动化和生产技术的更新带来很大的限制与障碍。智能阀门定位器的仪表特性及工作参数是以控制软件中数字变量的存在为基础，其调整只需键盘操作即可实现，在现场安装时可自动校正零点与量程，并且可适应一定范围的气源压力变化，符合现代过程自动化对仪表柔性化、适应性强的要求。

     （3）更好的控制性能。传统阀门定位器由于死区值、上下行程速度等仪表参数在产品生产出来后就已确定且无法更改，不能很好地满足过程自动化的要求，智能阀门定位器的死区值、上下行程速度等的仪表参数，可以根据系统要求，很方便地加以更改，对于需要获得最优化的过程控制具有重要意义。

     （4）流量特性修正。传统阀门定位器需要通过更改凸轮来调节流量特性曲线；智能阀门定位器采用软件实现流量特性的修正，用户可在不停机状态下输出任意的特性曲线，为生产过程自动化带来极大的方便。

     （5）人机界面良好。传统阀门定位器通过指针指示阀位，通过螺钉更改仪表参数；智能阀门定位器采用LCD显示、按钮和菜单操作界面来进行仪表参数的组态、阀位和信号显示，简洁直观方便。

     （6）故障自诊与报警。传统阀门定位器没有故障报警能力，当故障发生时只有在生产过程中反映出来后才能被系统测知和处理，缺乏实时性；智能阀门定位器能对故障作实时侦查和诊断，并采用LCD显示报警、开关量报警、远程通信报警等多方位手段向系统主动报警，以便及时作故障处理。

     （7）远程通信。传统阀门定位器要调整工作参数必须到现场进行；带有远程通信功能的智能阀门定位器要调整其工作参数，只需要在控制室的控制机上就可对远处现场的多个设置进行工作参数的远程配置，并可随时查看现场仪表的状态和参数。

     （8）低能耗。气动执行器依靠压缩气体工作，节省气源泉能耗很重要。传统阀门定位器由于其工作原理及结构的原因，耗气量很大；智能阀门定位器因为其工作原理先进，在控制信号不变时阀位进给处于停止，耗气仅在很小的喷嘴处，耗气量很小，这对于生产节能、降低成本有重要意义。

       六、结束语