智能阀门定位器的常规模式和基本组成.pdf

仪器仪表与应用 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 1 0 ，3 6 1 AUTOM ATI ON I N PETRO CHEM I CAL I NDU S TRY 智能 阀门定位器 的常规模式和基本组成 李 宝华 萨姆森控制设备 中国 有限公司 ， 北京1 0 0 1 7 6 摘 要 控制 阀是过程控制应用最多 的终端控制元件 。它利用计算机技 术、 通信技术 和人工智 能技术 ， 嵌入 式数字解决方 案实现智能化 ， 要点是 配置 和应用 智能阀门定位 器。经过智 能阀门定 位器 的数字化数据 处理 、 双 向通信及人工 智能应用 ， 将 控 制阀提升为智 能现场设备并得 以功 能强化 和具有高 可用性 针对 厂商 、 型号 、 固件结构功 能各异 的智能阀 门定 位器 ， 运用结 构 化方法试 析其 物理结构 的常规模式 和功能结构 的基本组成 ， 寻求决定智 能阀门定位器全 面性 能的基本 因素， 有助 于智 能阀门定 位器的开发、 推广和应用 。 关 键 词 智能阀门定位器 ； 物理结构 ； 常规模式 ； 功能结构 中图分类号 T P 2 1 4 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 0 0 3 0 0 6 1 0 4 0 引 言 控制 阀是 过程 控制 应用 最 多的终 端 控制元 件 ， 为使其按照控制指令准确定位调节过程变量 ， 通常 配置 阀 门定 位 器 。智 能 阀 门定 位 器 是 一种 通 过 数 据处 理 、 决 策生 成和 双 向通信 数字 技术 来 实现其 功 能的仪表 ， 可以配备附加 的传感器和附加的功能来 补充 其主要 功 能L 1 ] 。 智能阀门定位器采用微处理器、 应用软件和功 能模块 ， 可 实现 定位 功能 的 自适应 、 自校准 、 阀位 控 制和控制阀在线状态监测及离线测试的 自诊断 、 数 据 处理 和双 向通 信 ， 还 可 以带 本 机 显 示 、 操 作 或 附 外部 系统 电源 电流输入 阀位输入 驱动 气压 气源压 力 内部温 度 数字输 入 加更 多 功能 以及设 备 集成 。 该文试运用结构化方法描述智能阀门定位器 物理结构的常规模式和功能结构的基本组成 ， 寻求 决定智能阀门定位器全面性能 的基本因素 ， 希望有 助 于智 能 阀门定位 器 的开 发 、 推 广 和应 用 。 1 物理 结构 的 常规模 式 当前智 能仪表 的趋 势 是 固件 依存 功 能 、 硬件 依 存 软件 ， 系统复 杂且 架 构相 似 。面对 众 多 型 号 的智 能阀 门定位 器 ， 应按结 构化方 法去解 释 和鉴别 ， 可 以 通 过 区分硬 件模块 、 外 部连接 和应用 环境 ， 建 立起 智 能 阀 门定位 器物理结 构 的常规模 式 ] ， 如 图 1所示 。 操作人 员 图 1 智能 阀 门定位 器物 理 结构 的常规 模 式 1 ． 1 电源 单元 大多数智能阀门定位器是二线制仪表 ， 通过控 制系统及仪表 的模拟量控制信号 电流 来取得工 作电源 ， 此时所需 的电源转换部分并接在输入 上， 常规方法是用稳压管取 出电压 ， 再使用集成器件转 换 出 C P U 及接 口的工作 电压 例 如 3 V D C 、 输 出 子系统所需 驱 动 电压 例如 驱 动压 电 阀的 2 4 V D C ， 现场总线类型的是通过通信接 口连接取得总 去执 行机构 的输 出压力 阀位输 出 数字输 出 线 网络 网 段 供 电和 同 时接 受 数 字 量 控 制 信 号 。 只有少 数智 能 阀 门定 位 器设 计有 四线 制 或三 线制 ， 需 要专 门的外部 供 电 ， 设 置 电源 单元 接受 外接 电源 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 2 修改稿 。 作者简介 李宝华 1 9 5 2 一 ， 北京人 ， 从事仪 表 自控技 术工作 3 5年 ， 中石化仪征化纤仪表工程师 退休 ， 现任职于萨姆森控制设 备 中国 有限公司 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 电压 。 1 ． 2输入 组件 输入组件用 来连接 电流控 制信号 输人给定 值 和接受阀位传感器对控制阀行程检测的反馈信 号， 支持定位控制 的首要功能。对于 HART信号 模 式 ， 输 入 回 路 中 设 置 F KS 调 制 解 调 器 进 行 HART数字信号分离 。对于接受数字控制信号的 P r o f i b u s P A 和 F F等 现场 总线 类 型则 在 输入 组 件 中没有电流输入 ， 而是由通信接 口连接外部总线网 络 。阀位反馈 信 号是 通 过 控 制 阀 阀杆 轴 经 反 馈 杆等机械连接件将 阀位传递给阀位传感器 ， 测量多 采 用接 触式 电位 器及滑 动 电阻 ， 或 采用 非接 触 的霍 尔元件及磁阻式位移 角度 传感器。 1 ． 3 辅助输 入 组件 只 是 为 了 区别 首要 的定 位控 制 功 能 的信 号输 入 ， 才将其他辅助信号输入 单独 作为一个模块分 析 。为 了拓展 功 能和实 施预 测性 维护 ， 一些 智能 阀 门定 位器 壳 内配置 了多 个 传感 器 如气 源压 力 、 输 出驱动压力、 定位器内部温度等 ， 或接受外部传感 器信号 填料泄漏传感器 、 压力开关等 ， 或数字输 入信 号 ， 辅 助输 入 组 件 与输 入 组 件 集 成 在 一起 ， 共 同构 成数 据处 理单元 的输入接 口。 1 ． 4人 机接 口 阀 门定 位 器 所产 生 的数 据能 与外 部 交 互是 其 成为 智能仪 表 的 基 本特 征 。人 机接 口是 用 于 交互 的重 要工 具 ， 应 能读 出数 据 本 机显 示 、 提 供输 入 组态 操作并 请 求访 问数 据 本 机 按 键 。早 期 的智 能 阀门定 位器 还没 有本 机显示 和本 机操 作按 键 ， 是 通过 数据 通信 接 口与外 部设备 手 持式 现场通 信器 或 P C机 进 行交 互 。 目前 大 多数 智 能 阀 门定 位器 都设 计 有本 机 显 示 L C D和 本 机操 作 按 键 ， 区别 只 是 L C D显示 的具体 内容 和形 式 ， 以及 按键 或 多 或少 。 1 ． 5通信 接 口 通信接 口进一 步增 强 了 阀门定 位器 的 智能 化 ， 使之与外部系统连接在一起 ， 成为现场总线的一个 节点并通过总线网络实现数据传输 控制设定 、 组态 和过程监视 。个别产 品如 3 7 3 x系 列还带有 本机 串 口， 可方便 地直接连 接 P C机 R 2 3 2 ／ US B口。 HAR T类 型智 能 阀 门定 位 器 需 要 的 F S K 是 接在 输入 回路 上 ； 还有部 分智 能 阀 门定 位器 没有通 信接 口， 只能使用人机接 口进行组态和读取数据。 1 ． 6数 据处 理单 元 不同产品的数据处理单元会有较大差异 ， 主要 实现的功能有 控制运算功能、 组态配置 、 校准、 整 定 、 状 态 监测 和 识 别 、 外部 过 程 控制 功 能 、 自诊 断 、 趋 势记 录和数 据存 储 以及 部 分 功能 如 组 态 、 趋 势 记录 可分布到临时连接或长久连接在数据通信接 13 上的外 部设 备 。只有 少 数 智 能 阀 门定 位 器具 有 本 机在 线测试 、 故 障诊 断 和存 储 诊 断 结 果 的功 能 ， 不依 赖 上位机 而实 现预 测性维 护 的全部数 据处 理 。 1 ． 7输 出子 系统 及其气 动 部件 输 出子系统包括输 出接 口模块 和气动部件 ， 根据气动执 行机构 选定情 况确认智 能 阀 门定位 器的气动 输 出是 单作 用 一路 气动 驱 动信 号输 出 还 是 双作 用 二 路 正 反 向气 动 驱 动 信 号 输 出 形 式 。 气动 部件 一般为 先导 部分 和功放 部分 的组 合 ， 先导部分即电气转换器主要有两种设计 一种是 基于脉冲数字技术采用非对称构造晶体的压 电逆 效应 材料 的压 电 阀技 术 ， 接受数 字信 号 电脉 冲 两 位动 作 气动 输 出_ 2 ] ， 如 图 2所 示 ； 一 种 是基 于 传 统 模 拟 量 技 术 的 电磁 原 理 和 气 动 喷 嘴 ／ 挡 板 机 构 的 I ／ P转换 器技术 ， 接 受模 拟 电信 号 连续 动 作气 动 输 出 ， 如 图 3 所 示 。在这 两种 先导 部分 之后 都采用 气 动放 大器 或气 动滑 阀一类 的功率 放 大输 出级 ， 对 气 量进 行 压 力 z流 量 的 放 大 ， 以便 信 号 传 输 和 驱 动 气动 执行 机构 。 无 复 位 弹 簧 的双 作 用 气 缸 式 执 行 机 构 是 需 要 二 路 输 出的 ， 一 般 是 在 物 理结 构 上 增 加 气 动 反 向功 放 或 者气 动 反 向放 大 器 ， 当 执 行 机 构 处 于平 衡 位 置 时 ， 理 论上 正 向输 出气 压 与 反 向输 出气 压 大小相等方向相反 ， 驱动力的大小与气源压力 和 气缸 活塞 有 效 面 积及 平 衡 压力 有 关 。多 数 智 能 阀 门定位 器产 品都 是 把带 反 向气 动 输 出作 为 可 选 项 ， 或增 加 一组 压 电 阀部件 或 内置／ b 配 一个 气 动 反 向放大器 。 1 ． 8 外部 功能 通过数据通信接 口和现场总线 ， 智能阀门定位 器可与手持式现场通信器 如 3 7 5 ， 4 7 5 ， S F C等 、 P C机 和过 程控 制 系统 进 行 双 向通信 ， 这些 外 部设 备也具备智能阀门定位器的一部分功能 ， 如远程组 态 、 初 始化 、 校 准[ 3 ] ； 数 据存 储 组 态文 件 、 趋 势 、 状 态 ； 状态监控和故障识别及报警 ； 预测性维护与资 产管理等 ， 设备集成以及强大的系统能力可助推智 能 阀门定 位器 的互操 作性 和高可 用 性 。 2智能 阀 门定 位器 功能 结构 的基本 组成 智能阀门定位器整体框架由基本功能 、 扩展功 能、 组态能力、 硬件配置、 可操作性 、 可靠性等要素 组成 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 李宝华． 智能阀门定位器的常规模式和基本组成 脉 图 2脉 冲输 出／ 压 电 阀技 术 的基 本设计 控 制阀 图 3模 拟量 输 出 I ／ P 气动 放 大 器 的基 本设 计 器 不 同智 能 阀门定 位器 在功 能结 构上 差异 很大 ， 有 的产 品只 具有框 架 的一部 分 或要 素 的一部 分 。 2 ． 1 基 本功 能 基本功能主要包括定位控制范围、 作用输 出、 控 制算 法 和 参 数 、 操 作 模 式 、 分 程 应 用 、 行 程 时 间 等 。 定位 控制 可确认 适 用 于直行 程控 制 阀 提 升位 移 和角行 程控 制 阀 回转 角 位 移 以及 行 程 范 围 ， 并考 虑与控 制 阀机械 连 接 的形 式 。 作 用 输 出 分 为输 入 控 制信 号 与 输 出驱 动 信 号 之间关系的正、 反作用 ， 以及气动单输出和双输出。 控 制算 法给 出适 用 的缺省 值及 自定 义设 置 ， 可 识 别 和拒绝 无效 值 ， 备有 在 阀位传感 器 失效 后 的对 策 。在阀位传感器失效后 ， 以气动输 出压力传感器 替代阀位接入定位控制回路； 或以初始化保存 的基 准测试数值替代进行定位控制。数据参数化方 便 控制算法的实施以及设置 。 由于智 能型 阀 门定 位器 有 一定 功耗 ， 电流输 入 类型尤其 HAR T类型 的端 电压较高 ， 是否分程 应 用 ， 需根 据本 安 、 隔爆 回路 和 智 能 阀 门定 位器 端 电 压 输 入 阻抗 不 同 而定 。例 如 HART类 型 ， 某 厂 家产品的端 电压为 1 1 ． 0 V DC [ 4 ] ， 若接 入本安 回 路 ， 则不能实现信号 回路串联分程应用 ， 若接入 隔 爆 回路 ， 则可实现分程应用 ； 另一厂家产品的端 电 压为 8 ． 2 V DC E 引， 无论本 安、 隔爆 回路 ， 都 能实现 回路 串联 分程 应用 。 行程时间主要与外气路和执行机构膜室容积 有 关 ， 气动 结构 是 一 个 典 型 的 节 流盲 室 对 象 、 阻容 环 节 特性 ， 同时 受 到气 动部 件能力 、 气 源压 力 、 执行 机 构 弹簧工 作 范 围及预 紧 、 阀杆 轴 承受摩 擦 力等 参 数 约束 。调 节 型控 制 阀的 行 程 时 问应 有一 个 保 证 有效 数据 识 别处 理和 定位 控制 的最 小值 ， 一 般不 小 于 1 S 。 部分智能阀门定位器还具有设置小信号切除 即行程截断紧密关闭功能， 可避免 0或 1 0 0控制信 号的分散偏差而导致的阀位处于临界状态造成关 不严 及 小开 度振 荡 和对 阀 内件 的损坏 ， 一般 缺省 设 置 为 1 或 9 9 。 2 ． 2 扩展功 能 通 常智能 阀门定位 器 在基本 功 能之 外 ， 还可提 供特 别设 计 的扩展 功 能 控 制 功 能 ， 内部 集 成 P I D 功能 块 和其他 功 能块 ， 直 接接 人 过 程 参 数 电 流信 号或总线信号 ， 利用扩展功能 内部构成控制器进 行 现 场级 调 节 或 逻 辑 控 制 ； 总 线 链 路 主 站 调 度 功 能 ； 数 字输 入 、 数字 输 出逻辑 处理 功 能 ； 数 据数 字滤 波功能 ； 接入填料密封泄漏传感器[ 6 ] 、 过程压力测 量 、 流 量测 量 的特殊 功 能等 。 2 ． 3 组态 能 力 智能 阀门定位器 的组态能力体现其可配置性 和 可用 性 ， 与总线 兼 容性 、 可配 置 的组态 工 具 、 在 线 与 离线 组态 及安 全机 制 、 行程 特性 设置 范 围及用 户 自定 义 、 故 障安全 设置 等 有关 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 智能阀门定位器应能与符合 I E C 6 1 1 5 8标准 的现场 总线 连接 ， 通 过 总 线 及 上位 系统 进 行 组 态 ； 或利用本机的人机接 口进行组态； 或由手持式现场 通 信器访 问组态 。 组态应存在安全机制 ， 确保在线控制模式不受 影响以及某些参 数被保护 ， 或分级访 问和组 态更 改 。还应定义断电信号时 自动转向的故障一 安全阀 位和复位后的启动条件 。 离线组态能力是指在未与智能 阀门定位器连 接 的 P C机 上 运 行 专 门软 件进 行 离线 配置 并 以 文 件 形式存 储 ， 联机 时 可 下 装组 态 配 置 ， 也 可 访 问 读 出组 态 配置存 储 。 对 于行 程特性 可 配置通 用 的线性 、 等百 分 比或 专 门 的蝶 阀 、 球 阀 、 旋塞 阀 的线性 、 等百 分 比、 快 开 等 ， 用智 能 阀 门 定 位 器 运 算 实 现 控 制 阀 的流 量 特 性 ， 或者支持用户 自定义分配信号与行程关系。 2 ． 4硬 件 配置 智 能 阀门定位 器 的硬件 配置 考虑 安装 连接 、 气 动 连接 、 电气 连接 的标 准 化 ， 或 满 足集 成 装 配 的 内 置气 路连 接 的有效 性 ， 保 护 阀位 反 馈 连 接 机构 ， 具 有坚 固性 可 防碰撞 并达 到一 定标 准 的防护 等级 ， 内 部模 块及 附加 功能 高集 成和 可选 ， 适应 用户 条件 的 阀位传感器分体式设计 ， 提供符合现场要求和易操 作 的 本 机 控 制 显 示 和 按 键 ， 配 置 具 有 高 可 维 护性 。 2 ． 5 可 操作 性 智 能 阀 门定 位器 的可 操 作性 重 点 是本 机 显 示 和操作 、 外部交互 、 控制阀诊断及其软件工具。 本机显示和操作 给出控制参数、 工作状 态、 错 误信息和报警 ， 便于访 问和组态配 置， 提供友好 的 人 机接 口以及 外部 系 统 的接 入 和操作 界 面 。 控 制 阀诊 断 基 本 内容 为 行 程 死 区 、 迟 滞 性 、 终 端 阀位 、 设 定 点偏 差 、 阀位 趋 势 、 行 程 累计 、 行 程 方 向改 变次 数 循 环计 数 、 零点 校准 次数 和初始 化 次数 ， 以及阶跃或谐波响应 。诊断还包含定位器运 行 计 时 、 固件监测 、 内部温 度等 [ 1 ] 。 可 实现 的离 线测 试 7 ] a 控制驱动信号基准测试 ， 检查整体定位范 围， 测试分析气源、 气路泄漏、 执行机构弹簧力等。 b 控制驱动信 号迟滞性测试 ， 检查全行程迟 滞 性 ， 测试 分析摩 擦 力 、 外 泄漏 等 。 G 控制静特性测试 ， 测试分析死区。 d 部分行程测试 P S T 或阶跃和谐波测试 ， 测试分析超 调， 动态死 区， T6 3 ， T9 8 ， 上 升和下 降 时 间 。 e 全行程 测试 F S T ， 测 试 分 析 超调 ， 动 态 死 区 ， T9 8 ， 上 升和 下降 时间 。 可 实 现 的 在 线 测 试 控 制 输 出 稳 态 监 测 和控制驱动信 号 迟 滞 性 测 试 ， 以及 按 需 求 的在 线 P S T[ 。 智能阀门定位器通 常允许上位系统访问和故 障诊 断及 控制 阀预测 性 维护 ， 支持 D D， E D D及 F DT ／ DT M， 使用工程工具软件和实现设备集成和 资 产管理 。 控 制 阀诊 断 全部 由本 机集 成 的专 家 诊 断软 件 进行 及本 机存 储 诊 断数 据 、 发 送 诊 断 结果 ， 是 新 一 代智能阀门定位器高可操作性 的体现。 2 ． 6可 靠性 智能阀门定位器应有 高可靠 性， 具有 本机 自 检 、 自诊断、 状态分类和识别及故障报警 ， 强的抗电 磁 干 扰 、 抗 震 动 、 抗 环境 温度 功 能 ， 输 入 反 极 性 保 护 ， 本机组态允许确认、 分级密码保护、 安全授权和 总 线写保 护 ， 有相 当的 可 维 护性 ， 以及 产 品形 式 检 验 和 S I L认 证 等 。 3 结束 语 运 用结 构 化 方 法理 解 智 能 阀 门定位 器 物 理结 构 的常规 模式 和功 能结 构 的基本组 成 ， 有助 于考察 市 场上众 多 厂家 、 型 号 、 固件 结 构 功 能各 异 的 智 能 阀门定位器 ， 通过发现 、 探讨和 比对智能 阀门定位 器 整体框 架及 全 面特性 ， 推动 智能 阀 门定位器 的开 发 、 选型 和应 用 。 参考文献 [ 1 ]中华人 民共 和国质量 监督 、 检验 、 检疫 总 局 ， 中国 国家标 准 化管理委 员会． G B ／ T 2 2 1 3 7 ． 2 2 0 0 8 ／ I E C 6 1 5 1 4 2 2 0 0 4 工业过程控制 系统用阀 门定位 器 第 2部 分 气 动输出智 能 阀 门 定 位 器 性 能 评 定 方 法 [ s ] ．北 京 中 国 标 准 出 版 社 ， 2 00 8 ． E 2 ] S i e me n s ．E l e c t r o p n e u ma t i c P o s i t i o n e r S I P ART P S 2 E o ] ． 北 京 S i e me n s 公 司 F I O 1 ， 2 0 0 9 ． E 3 ] 蔡明． 国产 新型 智能 阀门定 位器研 究 [ J ] ． 石油 化工 自动 化 ， 2 0 0 8 ， 3 6 0 6 3 ． E 4 3 F i s h e r ． D VC 6 0 0 0 S e r i e s F I E L DVUE Di g i t a l Va l v e C o n t r o l l e r s E o] ． 北京 F i s h e r 公司 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] S a ms o n ．3 7 3 0 2 ／ 一3 型数字式 电气阀 门定位器 [ G] ．北京 S a ms o n公司， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 刘芳． 定位 器诊 断功 能分析 [ J ] ． 石油 化工 自动化 ， 2 0 0 8 ， 2 8 18 5 ． [ 7 ] S a ms o n ． S e r i e s 3 7 3 0 a n d 3 7 3 1 E X P E RT p l u s Va l v e Di a g n o s t i c s wi t h Pa r t i a l S t r o k e Te s t P S T Va l id f o r F i r mwa r e Ve r s io n 1 ． 5 x a n d Hi g h e r [ G] ．北京 S a ms o n公 司 EB 8 3 8 9 EN， 2 0 0 8 ． [ 8 ] 李宝华 ． 控 制 阀的 防患 于未 然一 浅谈 控 制 阀的 预测 性 维护 r ． 流程 工、 I ， 2 0 0 8 ， 1 8 1 4 1 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m