智能阀门定位器的气动部件.pdf

文献标识码B 文章编号1 0 0 3 0 4 9 2 2 0 1 0 0 9 0 0 9 7 - 0 4 中图分类号T P 2 3 智能阀门定位器的气动部件 Th e P n e u ma t i c Co mpo n e n t s o f I n t e l l i g e n t Va l v e P o s i t i o n e r s 李宝华 1 9 5 2 一 男，北 京人，工程 师 ，从事仪表 自控技术工 作 ，现 任职于萨姆森 控制 设备 中国有限 摘要在流程工业过程强化 、功能安全和现场设备资产管理的强劲需求 下，控制阀数字解决方案成为近年来控制阀制造厂商研发的重点，市场上 数字式阀门定位器不断涌现 ，其 中一些是具有数据处理、数字通信、状态 识别和故障智能诊断、在线和离线测试等功能的智能阀门定位器。在计算 机技术 、电子技术、通信技术、智能预估诊断技术飞速发展的大环境下 ， 智能阀门定位器的固件易于研发和技术提升 ，但其气动部件性能和表现却 成为影响高可用性和安全可靠性的重要因素。本文试对中国市场常见的智 能阀门定位器的气动部件进行探讨和细节分析。 关键词智能阀门定位器 ，气动部件 t压电阀 ； 转换器，气动放大器； 细节分析 Abs t r a c t Un d e r t h e s t r o n g de ma n d o f i n d us t r i a l p r o c e s s i n t e n s i fic a t i o n ， f u n c t i o n a l s a f e ty a n d o n s it e e q u i p me n t a s s e t ma n a g e me n t ， t h e d ig i t a l s o l u t i o n o f c o n t r o l v a l v e s h a s b e c o me t h e f o c u s o f r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t f o r t h e v a l v e ma n uf a c t u r e r s i n r e c e n t y e a r s ． Di g i t a l p o s i t i o ne r s a r e c o n t i n u o u s ly e me N in g i n t h e ma r k e t ， s o me o f whic h a r e in t e l l i g e n t v a l v e p o s i t i o n e r s wi t h t h e f un c t i o n s o f d a t a p r o c e s s i n g ，d i g i t a l c o mmu n i c a t i o n ，s t a t u s r e c o g n i t i o n a n d i n t e l l i g e n t f a ult d i a g n o s i s a s we l l a s o n l i n e a n d o ff- l in e t e s t i n g ．Un d e r t h e g e n e r a l e n v i r o n m e n t s o f r a pid d e v e l o p me n t o f c o mp u t e r t e c h n o l o g y ,e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d i n t e l l i g e n t p r e d i c t e d d i a g n o s t i c t e c h ni q u e ， i t i s e a s y t o d e v e l o p the fi r mwa r e o f the i n t e ll i g e n t v a l v e p o s i t i o n e r s a n d t o i mp r o v e t h e r e l a t e d t e c hn i q u e s ． Ho we v e L the c a p a b i l i t y a n d p e r f o rm a n c e o f p n e u ma t i c c o mp o n e n t s h a s b e c o me a n i mpo r t a n t f a c t o r t o i n fl u e n c e i t s h ig h a v a i l a b i l i ty a n d s a f e r e l i a b i l i ty．T h i s a rti c l e a t t e mp t s t o d i s c u s s a n d a n a l y z e i n d e t a i l t h e p n e u ma t i c c o mp o n e n t s o f the c o mmo n i n t e l l i g e n t v a lv e p o s i t i o n e r s i n Ch i n e s e mark e t ． Ke y wo r d s I n t e l l i g e n t v a l v e p o s i t i o n e r ； P n e u ma t i c c o mp o n e n t s ；P i e z o e l e c t r i c 1 引言 在流程工业过程强化 、功能安全和现场设备资产管理的强劲 需求下 ，控制阀数字解决方案成为近年来控制阀制造厂商研发的 重点，市场上数字式阀门定位器不断涌现 ，多数产品实际算不上 智能阀门定位器，只有一部分产品是真正具有数据处理、状态识 别和故障智能诊断的决策生成、在线和离线测试、双向通信等功 能的智能阀门定位器 ，可以实现控制阀预测性维护和资产管理 。 同时也注意到，在计算机技术、电子技术、通信技术、智能预估 诊断技术飞速发展的大环境下 ，智能阀门定位器的固件易于研发 和技术提升。固件包含硬件和软件 ，且 已经是 固件依存功能 、硬 件依存软件的局面，在板微处理器 、应用软件 、专家软件及功能 模块和接 口，都有不俗的设计和组合，且紧随新技术发展而固件 版本升级不断 。但要看到 ，智能阀门定位器内部最终产生控制阀 气动驱动压力的气动部件性能和表现也是影响高可用性和安全可 靠性的重要因素。 2 阀门定位器市场 源 自AR C 咨询机构2 0 0 7 报告[ 1 】 ，2 0 0 6 年全球用于控制阀的各 类阀门定位器产品销售6 ． 5 7 6 L 美元，占有市场份额8 5 ％的公司排 名前 l 1 位见图1 ，其余众多公司仅占有市场份额1 5 ％。发展 U 2 0 0 9 年，全球 阀门定位器市场格局并没有发生大变化。同时 ，排名前 1 1 位的公司也是智能阀门定位器的领军厂商 ，中国市场上常见的 智能阀门定位器也主要出自这 l l 家公司。 在 中国市场 上 ，用 于控制 阀的 智能 阀门定位 器主要 的国 2 0 1 0 年O 9 月干 U 自 主 力 匕 博览 9 7 艾默牛 - 嘲n 福斯一 - - - m 美卓_“ o ． - - 呻 德莱赛o - 嘲 西子___ 萨瓣森舢柚呻 英绯恩鼬_ _ ， ． A B B _ 豢科’ ， ∞F - c ． r_ d 山武Y _ 啊 I _ 工装_啪 K ． - 其余厂象 占1 5 1 ％ 阕门定位器市场占宵率 ％ 图1阀门定位器全球市场格局， 份额 DVC 2 0 0 0 、福 斯 F l o wS e r r e 的L o g i x 3 0 0 0 ／ 5 0 0 0 ／ 1 4 0 0 、 P MV D3 、美卓一耐 莱斯 Me t S o Ne l e s 的ND 9 0 0 0 、德莱 赛一梅素尼兰 D RE S S E R Ma s o n e i l a n 的S VI I I AP 、西门子 S i e me n s 的S I P AR T P S 2 、萨姆森 S AMS ON的3 7 3 0 2 ／ 一 3 ／ ． 4 ／ 一 5 I H 3 7 3 l 一 3 ／ 一 5 、英维思一福克斯波罗一埃卡 I P S - F o x b o r o E c k a r d t 的S R D 9 6 0 ／ 9 9 1 、AB B H B的T Z I D C 、阿 自倍尔 a z i b i l 山武Y a ma t a k e 的S V P 3 0 0 0 等。 3 智能阀门定位器 根据国标G B ／ T 2 2 1 3 7 ． 2 2 0 0 8 等同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 性能评定方法中3 ． 1 条的定义 智能阀门定位器 i n t e l l i g e n t v a l v e p o s i t i o n e r ，是以微处理 器技术为基础，采用数字化技术进行数据处理、决策生成和双 向 通信 ，它可以通过配备附加的传感器和附加的功能来补充其主要 功能。 在智能 阀门定位器的常规模型中，气动部件属于 “ 输出子 系统”，用于将数字信息转换为控制执行机构的气动信号。GB ／ T 2 2 l 3 7 ． 2 2 0 0 8 第4 ． 1 ． 7 条 “ 输出子系统”对气动部件基本设计做了 描述。 4 智能阀门定位器的气动部件 智能阀门定位器的气动部件一般为先导部分和功放部分的组 合 ，先导部分主要使用两类技术 一个是基于非对称构造晶体的 压电逆效应材料的压电阀技术 ，通常是接受数字信号 电脉冲 两位动作气动输出；一个是基于电磁原理和气动喷嘴／ 挡板机构的 I ／ P 转换器技术。通常接受模拟电信号连续动作气动输出。在先导 部分之后都有气动放大器或气动滑阀一类的功率放大输出部分。 前一类的压电阀片或压 电阀 气功放组合件 多为外购件或OE M定 制 ，而后一类的I ／ P 转换器 气动放大器组合件多是 自有技术生产 的 。 4 ． 1压电阀组件 压电晶体是一种陶瓷功能材料，晶体为非对称中心的构造， 可逆转换 电能和机械能 ，外力可致该晶体形变和正压电效应，外 加 电场可致该 晶体产生电极化和出现应变或应 力的逆压电效应。 压电阀正是基于压电逆效应 ，具有节能低功耗 驱动电流仅1 0 K 安 、精密微型化、高速响应和耐用性好的显著特点，也易于阀 门定位器全数字化 。目前 ，智能阀门定位器气动部件中的压电阀 组件大都来 自德国贺尔碧格 h o e r b i g e r 自动化技术公司，主要 是P 9 系列压电阀片 先导部分和OE M P 2 0 系列压电阀组件【 3 ] ， P S 2 使用的压电阀组件也是向贺尔碧格定制的。贺尔碧格压电阀 工作原理参见图2 。 图2 a 是先导用的P 9 系列压电阀片的工作原理 。结构为极 薄弹性金属片两面粘结压电晶体，在压电片的两个工作面上真空 镀膜形成两个电极，利用压 电片在 电场作用下的变形 ，来实现微 型气路两位式开关换向。不通电时压缩空气输入孔 l 被封闭 ， 输 出 孔2 和通大气孔3 相通 ，输 出气压为大气压 ，相当于阀关；通电时 上层晶体收缩 ，下层晶体伸长，上翘机械变形可有几十微米，通 大气孔3 封闭，压缩空气由孔1 流向孔2 ，输 出气压信号，相 当于阀 开 。压电片弯曲度与输入 电压有关 ，响应时间小于2 ms ，两位开 关动作的滞环约为电压4 v。压电阀也可制成比例输出型，但因其 上下行存在较大滞环 动作电压约相差2 V 左右，故很少有在智 能阀门定位器气动部件使用比例型压电阀的。 图2 b 是P 2 0 系列压电阀组件的工作原理。P 2 0 由P 9 先导 压 电阀片 、气功放 或称主阀 、微减压器3 11 3 0 m过滤器组 成 ，对外呈气路两位三通特征 。工作电压2 4 VD C、响应时间小 于2 0 ms 、气源压力1 2 0 ～8 0 0 k P a 、最大气量7 ． 8 N m3 ／ h 。左侧是断 电状态，右侧是通 电状态 。当P 9 动作接通先导气路孔2 时 ，作用 在气功放的膜片上推动主阀打开并关闭排气 口，形成大的气量输 出。当P 9 动作封住气路孔 1 ，孔3 通大气 ，气功放膜片上作用力为 o 大气压，主阀关闭主气路和输出连通排气口。 团 够 图2 压电阀工作原理 压 电阀结构的智能阀门定位器通常是采用两个P 2 0 系列压电 阀组件 P Vl 、P V2 和两个单 向阀 R V1 、R V 2 组成气动部 件，如图2 C 所示。气动组件可有三种气路逻辑状态 自 动 匕 博览2 0 1 0 年0 9 fl刊 P V1 通电、P V 2 通电、R V1 打开、 控制阀气动执行机构，如图2 c ； P Vl 断电、P V 2 通电、R V1 关闭、 封住通到气动执行机构的气路 气压 P V1 断电、P V 2 断电、R V1 关闭、 机构膜室经压 电阀气路通大气。 R V 2 关闭输出气压信号到 R V2 关闭气路封闭状态， R V 2 打开排气 ，气动执行 这类智能阀门定位器一般采用P WM P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n 脉宽调制方法驱动压电阀组件 ，P WM软件 自适应调整，以满足气 动输出需求。当定位偏差大时，C P U 发出宽幅脉冲指令 ，当定位偏 差小时，C P U 发出脉宽窄的脉冲指令，当定位偏差在允许值内时， C P U 没有脉冲指令，压电阀组件封住外气路。定位控制可达到1 ％ 基本偏差，压电阀组件功耗非常低，稳态耗气量也相当低，但对压 缩空气质量要求高一些。另一方面 ，对气动执行机构以及外部气管 路的气密性要求很高 ，当有膜室或气管路泄漏大时，压电阀组会频 b 0 e a 阻 电倩 q - C 图3 I ／ P 转换器工作原理 繁动作，有时P WM也难以适应，常导致阀位振荡或造成压电阀组 件故障。 4 ． 2 I ／ P 转换器组件 I ／ P 转换器基于传统的电磁技术和气动喷嘴挡板机构，技术成 熟，灵敏 度高 ，信号有一定功率且平滑线性好 ；机械零部件较多 些，开放式喷嘴持续排气的耗气量也 比压电阀片大一些，电磁线 圈也要考虑电磁干扰 问题。喷嘴挡板机构先导信号 喷嘴背压 送给气动放大器进行进一步功率 压力 X气量 放大 ，以便长距 离输送和驱动气动执行机构。气动放大器结构简单 、稳定可靠 ， 输出气量也大 ，对压缩空气质量要求也略低一些。智能阀门定位 器通常是C P U模糊P I D 运算结果经D ／ A给I ／ P 转换器模拟电信号进行 转换并 由气动放大器连续气动输出的 ；或者C P U之外的定位控制 电路直接输出电信号给I ／ P 转换器 ；也有C P U 输出数字信号让I ， P 转 换器两位动作带动多位 多通滑阀进行气动输出的。 图3 a 是一种低功耗 小于5 mW 微型I ／ P 转换 器 用于 S AMS O N 3 7 3 0 ／ 3 7 3 1 系列的工作原理图 】 。体积很小 2 2 2 2 l 2 ram，没有磁钢单元。气源通过减压定值和恒节流孔经线 圈中心 的气管路从喷嘴 与挡板 间隙流 出。电信号接到线圈产生 电磁 力，使衔铁 挡板 微位移 ，使喷嘴与挡板间隙改变 ，使 喷嘴背压I I] I ／ P 输 出改变并与电信号成比例。由于对I ／ P 转换器气 源设计有微型减压定值 器，所以不受定位器外部气源压力的影 响 ，稳态耗气量基本为定值 。对挡板有阻尼防抖动设计 ，稳定 性 好 。 图3 b 是一种杠杆 挡板力平衡结构的I ／ P 转换器 用于 A B B T Z I D C的工作原理 图，靠近线圈一端带有磁铁的杠杆绕中 心支点偏转 ，电信号接到线圈在轭架空气间隙处产生电磁场 ，施 加给磁铁一个力使杠杆偏转即使挡板靠近或偏远喷嘴 ，使喷嘴背 压改变 ，再经气功放输 出。 图3 C 是一种比较传统的I ／ P 转换器 用于a z i b i l 山武 S VP 3 0 0 0 A VP 3 0 x ，仍是磁单元结构 ，体积和功耗都比较大， 线 圈接通 电信号后 ，在与磁钢磁场的共同作用 下使可动挡板位 移，靠近或远离喷嘴致使喷嘴背压变化 ，并影响到气动放大器输 出。考虑到电气防爆，在线圈和磁单元之间加有隔板。 4 ． 3气动信号功率放大 压电阀或喷嘴挡板机构的I ／ P 转换 器都是将微小位移转换为气 压信号，但由于气源流过气孔或恒节流孔，功率很小，需要进一 步气动信号功率 压力 气量 放大 ，配置气功放或气动放大器 以及气动多位多通滑阀等。气功放实质是一个有一定流通能力的 开关阀，而气动放大器品种繁多，结构各异，基本原理都是采用 继动式弹性元件力平衡、双阀控制进气和排气，一般不会采用耗 气大的节流式气动放大器。继动式气动放大器在稳态时，弹性元 件 单膜片或膜片组 上的力相互平衡 ，进 气阀和排气阀基本处 2 0 1 0 年0 9 N 1j自 i 匀 化博览 田 【 自 如化．博览2 0 1 0 年0 9 ,,q -I U