标题数字智能阀门定位器及其应用

概述工业过程控制的工厂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。不同回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。控制回路中最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，有助于确保最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。数字不通信式定位器输入4～20mA电流信号输入，驱动电子模块并控制输出。HART式与数字不通信式定位器相同，但它能够在用于传输模拟信号的导线上进行双向数字通信。现场总线式定位器接受数字信号并使用数字式电子线路配合机械部件来定位阀门，全数字控制信号取代模拟控制信号，可进行双向数字通信。把软件命令植入定位器存储模块的能力代表着数字式与模拟式I/P定位器层次之间的真正区别。这种能力可以实现阀门的自动组态和设置，实现双向通信以进行过程、阀门和仪表的诊断。随着现场总线技术的发展和应用，现场总线式阀门定位器越来越多地出现在人们的视线中。1数字智能定位器（DVC）的性能、结构及工作原理 1.1数字智能定位器的性能特点许多厂商在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FisherDVC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DO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之一是在应用过程中可知道最终控制设备的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：最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；发出最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，以核对最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最终控制设备的运行曲线来确定动态特性；预先规定的最终控制设备维护和特征图形的测试。1.2数字智能定位器（DVC）结构 艾默生过程管理（EMERSON ProcessManagement）的FisherDVC5000f系列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。DVC5000f系列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AMSValveLink软件）以提供可视化提示和报警信息。DVC5000f系列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（resourceblock）、传输块（transducerblock）和功能块（function block），其结构如图1和图2所示。

资源块包括硬件规格及参数，不包括输入和输出参数，运算功能可驱动和控制定位器中其他模块的基本操作。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AO（模拟输出）、PID和ISEL（输入选择）功能块。AO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DI（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/O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。1.3工作原理DVC5000f系列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图3所示。

图3DVC5000f系列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DVC5000系列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—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。2DVC应用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。部分行程动作测试可以确认阀门工作正常与否，不会干扰工艺过程。由于试验期间不需要切断工艺过程，测试可以更加频繁地进行。又由于整个测试过程可以用程序编入数字智能定位器中，所以部分行程动作测试能够自动进行而不需要操作员的关注。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。总之，考虑到这些独特的好处，使用数字智能定位器进行部分行程动作测试是确保紧急停车安全系统可靠性的一种明智而经济可行的解决方案。3结束语随着计算机技术、数字通信技术、新型传感器技术和现场总线技术的发展以及数字智能定位器应用范围不断扩大，基于现场总线技术的数字智能定位器在工业控制领域将会得到更大的发展。参考文献1阳宪惠.现场总线技术及应用.北京清华大学出版社，1999.5修改稿收到日期：2005-01-15。第一作者赵剑明，男，1969年生，1992年毕业于西安交通大学化工自动化与仪表专业，获学士学位，工程师；现从事化工自动化工程管理及应用。