标题控制阀产品智能化及其发展趋势

      一 引言

      自动化控制中的执行是过程控制系统检测、调节、执行等部分非常关键、不可缺少的环节之一，尽管每个过程控制系统的结构和组成方式不尽相同。而控制阀又是执行环节的非常重要的执行元件，控制阀工作性能直接影响过程控制的性能，对系统能否可靠地运行、保证调节品质都有十分重要影响。控制阀产品随着过程控制系统的不断发展而发展。

      控制阀作为执行器之一，在过程控制系统中起着十分重要的作用，它是整个控制系统的“手脚”。控制阀一般由气（电）动或电液执行机构和调节机构组成气（电）动、电液控制阀，而气动控制阀常需配用定位器来使用。

      控制阀接受标准控制信号（模拟、数字），将控制信号变成相应的机械位移（如直线、转角等），改变阀门、风门、挡板等的流通面积，从而达到对被控对象参数（压力、流量、温度、液位等）的控制目的，保证过程控制系统连续、有效的正常运行。

      随着各种先进技术的不断发展，气动、电动控制阀的智能化产品相继问世，它们的共同特点是：集微处理器、控制技术、通讯技术及诊断技术于一身，是一种高技术、高可靠性的智能产品，代表着当代控制阀的发展方向。

      二 控制阀技术的发展及智能产品的特点

      近年来，随着控制技术、微电子技术、通讯技术的迅速发展，智能化控制阀产品也得到了迅速发展。智能电－气阀门定位（控制）器、智能电动（电液）执行机构的相继开发及完善，为控制阀产品的智能化提供了可靠的保证。

      按动力划分，控制阀分为气动、电动、电液三种。由于气动控制阀自身的结构特点，若使之实现智能化只能配用智能电－气阀门定位（控制）器来实现。电动、电液控制阀由于自身配用电源，不需外配其他附件即可实现智能控制。

      我国控制阀的研制是从六十年代开始的，并且只对结构相对简单的气动控制阀进行仿制，随着历史的发展，气动控制阀经历了从仿制、国家行业统一设计到引进、合作、自主开发的过程。与此同时气动控制阀技术的发展带动了电动控制阀技术的不断发展，在电动控制阀解决了结构复杂、可靠性低的问题以后，电动控制阀有了快速的发展。从简单模拟技术发展到现在的微电子技术、通讯技术在气动、电动控制阀技术上的成功应用，为控制阀从模拟到智能跨越铺平了道路。

      1、模拟定位器的不足及数字、智能定位器的特点

      在模拟时代，气动控制阀的工作是靠自身或配用模拟定位器实现的，而在数字时代气动控制阀的工作是配用数字智能定位器实现的。因此，对于气动控制阀的数字化、智能化实际上就是对定位器数字化、智能化。

      模拟定位器由于本身结构的限制，存在着以下不足：

      ☆ 机械结构复杂，零、部件加工、装配复杂，调试不易。
      ☆ 安装、调试困难，需反复调试，才可达到要求。
      ☆ 无自我诊断、补偿功能，易漂移，工作不稳定。
      ☆ 无通讯功能，系统无法了解阀门工作情况。

      数字、智能阀门定位器采用微处理技术和现场总线通讯技术，模块化设计，兼容模拟定位器，可完全替代模拟定位器，可应用于当代最先进的控制系统，其特点如下：

      ☆ 模块化结构，装配、更换及其方便简单。
      ☆ 自动初始化技术，安装、调试方便，可实现自动修正、校正，不易漂移和变化，现场工作非常稳定可靠。
       ☆ 定位器自身带有PID调节功能
       ☆ 可通过系统、手操器或定位器本身根据控制需要自定义设置和编程或对定位器指标进行修正。
       ☆ 在不改变阀门结构的情况下，通过智能阀门定位器的自定义设置改变阀的流量特性。例如：直线特性变成等百分比特性或等百分比特性变成直线特性或将非标准特性变成标准流量特性。
       ☆ 定位器本身带有通讯接口，可按照不同的总线通讯协议（例如：HART、FF、PROFIBUS等）实现系统与现场定位器的双向通讯，实时了解和掌握控制阀现场工作的情况，为科学决策提供准确数据。
       ☆ 自身带有阀位信号反馈指示，无需外配其他附件。
       ☆ 高级诊断功能，对控制阀的工作情况、故障进行自动诊断。如阀芯、阀座的磨损情况，填料、阀杆的密封、磨损情况，气动执行机构的密封情况等进行诊断，为阀门的维修、更换提供科学依据。

      基于以上特点：智能电－气阀门定位（控制）器的应用将会逐步取代模拟电－气阀门定位器得到普及，从而使气动控制阀的智能化控制达到一个新的水平，满足日益发展的先进控制技术的要求。

      2、模拟电动执行机构的不足及数字、智能电动执行机构的特点

      模拟电动执行机构主要由伺服放大单元和控制执行单元组成，它接受控制系统、调节器、手操器等输出的标准控制信号，输出与控制信号相对应的机械位移，带动调节机构（阀门）产生位移，从而达到控制介质（的流量、压力、温度、液位等）目的。虽然模拟电动执行机构能够基本满足过程控制的基本要求，但是它仍然许多缺点和不足：

      ☆ 电路结构复杂，多采用分立元件，故障率高，可靠性低。平均无故障工作时间较短。
      ☆电动执行机构与伺服放大器分体设计，需在现场连接调试，且连接、调试困难，故障排除不易。
      ☆ 无力矩保护、行程开关，长期使用容易损坏或缩短产品使用寿命。
      ☆ 元器件易损坏，平均无故障时间短。
      ☆ 主要产品性能指标相对落后，不能满足高精度要求的场合。
      ☆ 制动器易磨损，不能机械自锁，对制动器可靠性要求较高。

      新型智能电动执行机构除了能够完成模拟电动执行机构能够完成的任务和功能外，还能实现模拟电动执行机构无法也不可能实现的功能，它采用微处理技术和现场总线通讯技术，采用伺服、执行一体化设计，通过系统、手操器或现场根据控制需要自定义设置和编程，可以实现控制阀与控制系统双向通讯、自动初始化、PID调节、阀位信号反馈、自动标定、自动诊断和校正等功能，满足控制系统的各种要求，同时新型智能电动执行机构实现了多项自动保护和新技术，如：过载保护、电机过热保护、故障报警等。

      新型智能电动执行机构由于采用了微处理技术，数字通讯技术，数字显示技术，与传统电动执行机构相比具有以下特点：

      ☆ 采用先进的微机技术、数显技术。智能控制器将伺服放大、执行合二为一，无需外挂伺服放大器。可显示信号数值、阀门开度、报警、初始化设置及自动标定等数值。
      ☆ 控制器一体化设计，单一控制器即可实现多项、多功能控制。主要技术参数指标高于模拟电动执行机构，可以满足高精度控制的要求。
      ☆ 自身带有PID调节功能，可直接接受变送器的信号，可通过系统、手操器或执行机构本身根据控制需要自定义设置和编程或对执行机构指标进行修正。
      ☆ 具有自适应、自调整、自诊断和报警功能，能在执行机构上显示故障代码或故障状态，并能将故障代码或故障状态远传到控制室。
      ☆ 部分智能电动执行机构具有流量特性修正功能，可方便、灵活地设定、改变控制阀的流量特性，而无需更换阀门的调节机构，用一种固有流量特性的阀门，实现任意改变流量特性的目的。并可使一些非标准特性的阀门修正为标准特性，满足控制要求。
      ☆ 采用先进的电机及电机控制技术，提高整机的可靠性，平均无故障工作时间比模拟电动执行机构有很大提高。
      ☆ 采用总线通讯技术，可按照不同的总线通讯协议（例如：HART、FF、PROFIBUS等）实现系统与执行机构的双向通讯，实时监控阀门的工作情况。
      ☆ 自身带有阀位反馈装置，方便使用。

      三 智能控制阀产品的发展趋势

      控制阀产品的智能化实际上就是电－气阀门定位器、电动执行机构的智能化，目前，我国智能控制阀的应用处在逐步上升阶段，用户已经使用的智能控制阀决大多数是用的是一般的智能功能，在现场总线控制系统没有很普及的情况下，真正使用完全智能化的、带有通讯和高级诊断等功能控制阀并不十分普遍。随着现场总线技术的不断发展，完全智能化的、带有通讯和高级诊断的智能控制阀的应用将会逐步普及并取代模拟控制阀成为控制阀的主流。

      我们可以看出：智能化控制技术和数字控制技术将逐步取代一般电子控制技术和模拟控制技术；机电一体化、模块化结构将逐步取代组合、分立结构；带遥控的非接触调试技术将逐步取代手动接触调试技术；总线通讯技术会逐步普及。这是智能化控制阀的发展趋势。

      当前，现场总线控制系统（FCS）的发展给自动化控制系统带来了一场革命，它集计算机技术、通讯技术、和控制技术于一体，代表了控制系统发展方向，现场总线控制技术的发展必然要求现场仪表满足最新控制技术的要求。现代控制技术要求作为执行器之一的控制阀不单单只是实现简单的执行功能，而是要求控制阀在可靠地完成执行功能的同时，能够具有控制、运算、诊断和通讯等功能。由此可以看出，控制阀的智能化不是简单的数字化，不是简单的模拟换数字。智能控制阀的发展步伐已经相对落后于智能调节仪表、智能检测仪表的发展，因此对控制阀的智能化的研究和开发还有许多工作要做，目前已经应用的产品还有许多地方需要完善，相信随着研究工作的不断深入，智能控制阀将会有很大的发展。

      四 结束语

      在过程控制领域中，控制阀扮演着十分重要的角色，而常规的模拟控制阀已经不能完全满足现代控制技术的要求，需要一种集微电子技术、控制技术、通讯技术、软件技术和常规控制技术于一身的控制阀来替代常规控制阀，智能型控制阀就是这样一种产品，而这种具有多功能、智能化的产品正以常规产品不可比拟的优势，逐步在控制系统得到应用，因此，智能化将成为控制阀行业发展的必然趋势。

      注：上海沃电自动化仪表有限公司可为用户提供各种智能型控制阀及模拟控制阀产品，您可将您对产品的各种要求传真至上海沃电自动化仪表有限公司即可，其余的事交给我们来做。