智能閥門定位器具有高可靠性、高控制精度、功能易擴(kuò)展、可通訊等特點(diǎn)，充分適應(yīng)工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求，從根本上克服了傳統(tǒng)機(jī)械式閥門定位器功率損耗大、響應(yīng)速度慢、易發(fā)熱、機(jī)械磨損、電磁干擾等缺點(diǎn)。智能閥門定位器應(yīng)用氣動先導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部氣路控制，即以小閥控制壓縮空氣流量再用壓縮空氣推動大閥門，從而實(shí)現(xiàn)被控介質(zhì)的流量控制，這種分級控制的思想通過壓電閥應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

工業(yè)過程控制不斷向網(wǎng)絡(luò)化、分布智能化發(fā)展，適應(yīng)了設(shè)備管理數(shù)字化的要求，調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)重要的執(zhí)行部件，控制調(diào)節(jié)閥運(yùn)行的分布智能化解決方案應(yīng)運(yùn)而生。智能閥門定位器具有數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別、故障診斷、在線和離線測試、雙向通信等功能。過程控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥通過現(xiàn)場總線控制，使管理者實(shí)現(xiàn)了對調(diào)節(jié)閥的預(yù)測性維護(hù)和科學(xué)管理。計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能預(yù)估診斷技術(shù)的發(fā)展，要求智能閥門定位器必須適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通訊與供電共線，其核心部分氣動控制部件必須實(shí)現(xiàn)超低能耗運(yùn)行，保證網(wǎng)絡(luò)總線控制系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。 
    傳統(tǒng)的氣動閥中大量使用了電磁原理作為電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換級，應(yīng)用線圈和電磁鐵的電磁力效應(yīng)將控制的電信號轉(zhuǎn)換位機(jī)械的動作來推動閥芯的動作，從而實(shí)現(xiàn)氣路的切換或氣體壓力、流量的控制。盡管電磁鐵和線圈具有價(jià)格低廉，加工方便的優(yōu)點(diǎn)，但其功率損耗大、響應(yīng)速度慢、發(fā)熱、機(jī)械磨損、電磁干擾等缺點(diǎn)同時(shí)存在，通過改變電磁鐵材料和閥的加工工藝來避免以上問題的同時(shí)，造成了成本的大幅增加和加工工藝的日趨復(fù)雜，并且無法從根本上解決問題。實(shí)現(xiàn)低功耗、智能集成、高精度、快速響應(yīng)和長壽命的氣動控制成為迫切需求。

    1 智能閥門定位器定義

    根據(jù)國標(biāo)GB/T22137.2-2008《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用閥門定位器第2部分：氣動輸出智能閥門定位器性能評定方法》，智能閥門定位器(IntelligentValvePositioner)是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、決策生成和雙向通信的智能過程控制儀表。智能閥門定位器按供電方式可分為單獨(dú)供電和不用單獨(dú)供電；按隔爆級別可分為隔爆和不隔爆。

    2 傳統(tǒng)閥門定位器存在問題

    2.1 采用采用噴嘴擋板技術(shù)即機(jī)械力平衡工作原理，可動部件較多，易受溫度、振動影響；

    2.2 因調(diào)節(jié)閥規(guī)格、填料的摩擦情況各異，調(diào)節(jié)閥硬件組合難以實(shí)現(xiàn)最佳控制狀態(tài)；

    2.3 信號的流向是控制儀表單向流入定位器的，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，不能自診斷故障位置或原因；

    2.4 噴嘴孔易被灰塵堵塞氣源，使定位器不能正常工作；

    2.5 噴嘴需連續(xù)供給壓縮空氣，能耗較大；

    2.6 行程和零點(diǎn)調(diào)整，需反復(fù)調(diào)整，調(diào)校麻煩；

    2.7 功能單一，可擴(kuò)充性差。

    3 智能閥門定位器優(yōu)點(diǎn)

    3.1 定位精度和可靠性高。機(jī)械可動部件少，輸入信號和閥位反饋信號直接進(jìn)行數(shù)字比較，不易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性好，不存在機(jī)械誤差造成的死區(qū)影響，具有更高的定位精度和可靠性；

    3.2 流量特性修改方便。智能閥門定位包括直線、等百分比、快開特性功能模塊，可以通過按鈕或上位機(jī)、手持式設(shè)定器進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定；

    3.3 零點(diǎn)、量程調(diào)整簡單。零點(diǎn)調(diào)整與量程調(diào)整互不干涉，調(diào)整過程簡單快捷；

    3.4 具有診斷和檢測功能。除一般的自己診斷功能之外，可輸出與調(diào)節(jié)閥實(shí)際動作相對應(yīng)的反饋信號，用于遠(yuǎn)距離監(jiān)控調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)。接收數(shù)字信號的智能閥門定位器，具有雙向的通訊能力，可以就地或遠(yuǎn)距離地利用上位機(jī)或手持式操作器進(jìn)行閥門定位器的組態(tài)、調(diào)試和診斷。

    4 智能閥門定位器工作原理

圖1 智能閥門定位器工作原理圖

    智能閥門定位器系統(tǒng)主要由控制單元、電氣轉(zhuǎn)換I/P單元、閥位檢測反饋單元組成。定位器和執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)反饋回路。輸入單元接受來自控制器的4-20mA電流信號。調(diào)節(jié)閥位置反饋信號作為被控變量與給定信號值在微處理器中進(jìn)行比較，其偏差通過主控制板的輸出口發(fā)出不同長度的脈沖，調(diào)節(jié)充排氣速度和動作，達(dá)到控制驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作和確定位置過程。

    5 氣動先導(dǎo)技術(shù)

    圖1中，控制閥A和B用來控制壓縮空氣進(jìn)出氣動調(diào)節(jié)閥，閥A是進(jìn)氣閥，閥B是排氣閥，這兩個(gè)閥門都只有開關(guān)兩種狀態(tài)。這種控制思想實(shí)際上是用小閥來控制壓縮空氣流量，再用壓縮空氣推動大的閥門，控制被控介質(zhì)的流量，這種分級控制的思想即為氣動先導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。

    在任意時(shí)刻，閥A、B之中只能有一個(gè)開通，另一個(gè)開關(guān)。當(dāng)A開通時(shí)，由于壓縮空氣壓力大于膜頭內(nèi)壓力，壓縮空氣進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，閥桿向下移動；反之，當(dāng)B開通時(shí)，調(diào)節(jié)閥氣室內(nèi)壓縮空氣經(jīng)B排入大氣，閥桿在彈簧作用下向上移動。在智能閥門定位器中，為了能與控制電路接口，閥A和B的開通與關(guān)閉必須能夠用電量來控制，實(shí)際使用中閥A和B有傳統(tǒng)電磁閥、壓電閥等多種類型。因?yàn)閴弘婇y的電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換具有低功耗、超快響應(yīng)、無電磁干擾、無自發(fā)熱現(xiàn)象、無機(jī)械磨損、長壽命、結(jié)構(gòu)簡單、承受大震動沖擊等優(yōu)點(diǎn)，而取代了傳統(tǒng)電磁閥被廣泛應(yīng)用。利用微型壓電閥作為先導(dǎo)級，將流量和壓力進(jìn)行進(jìn)一步放大，從而實(shí)現(xiàn)氣動控制。

    6 壓電閥工作原理

    6.1 壓電效應(yīng)

    壓電晶體是一種陶瓷功能材料，晶體為圖2A壓電閥初始狀態(tài)非對稱中心的構(gòu)造，可逆轉(zhuǎn)換電能和機(jī)械能，外力可致該晶體形變產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，外加電場可致該晶體產(chǎn)生電極化和出現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力的逆壓電效應(yīng)。壓電閥正是基于壓電逆效應(yīng)，具有節(jié)能低功耗(驅(qū)動電流僅10微安)、精密微型化、高速響應(yīng)和耐用性好的顯著特點(diǎn)，也易于閥門定位器全數(shù)字化。

圖2 A壓電閥初始狀態(tài)

圖3 B壓電閥通電狀態(tài)

    6.2 動作原理    

    壓電閥的初始狀態(tài)如圖A，陶瓷片作用在噴嘴口上，噴嘴2和3先導(dǎo)腔連通，形成整體。當(dāng)壓電閥通電時(shí)，陶瓷片變形上翹，堵住噴嘴口3，噴嘴2和1聯(lián)通。

    6.3 結(jié)構(gòu)原理

    壓電閥在I/P轉(zhuǎn)換單元中起先導(dǎo)閥的作用，每一個(gè)I/P轉(zhuǎn)換單元同時(shí)應(yīng)用兩個(gè)壓電閥，壓電閥I控制I/P轉(zhuǎn)換單元的輸出（進(jìn)氣閥），壓電閥II控制I/P轉(zhuǎn)換單元（排氣閥）。

    由于壓電閥壓電陶瓷片彈力有限，所以先導(dǎo)腔室內(nèi)氣壓必須小于1.2kg，要想控制調(diào)節(jié)閥動力氣，必須實(shí)現(xiàn)壓力放大。在先導(dǎo)腔室一側(cè)是一個(gè)大面積膜片，在控制進(jìn)入和排除調(diào)節(jié)閥動力氣一側(cè)連桿面積較小。當(dāng)先導(dǎo)氣壓達(dá)到1.2kg時(shí)，施加在先導(dǎo)腔室膜片上的力，大于作用在充氣和排氣腔室一側(cè)面上的壓力，這將使充氣閥芯或排氣閥芯移動，使動力氣充入或排除調(diào)節(jié)閥氣囊中，使氣囊中氣體壓力提升和降低，與氣囊另一側(cè)彈簧達(dá)到新的位置平衡，達(dá)到控制閥門開度的功能。

    當(dāng)控制電路聯(lián)通電源后，壓電閥I上無電壓，壓電閥II加電壓控制，氣源P2進(jìn)入壓電閥II的先導(dǎo)腔室中，形成120KPA氣壓力，導(dǎo)壓推動排氣閥芯向下移動，排氣口關(guān)閉。這時(shí)，如果控制電路發(fā)出輸出氣壓力的脈沖，壓電閥II則保持狀態(tài)，壓電閥I加控制電壓，功能陶瓷片向上彎曲，陶瓷片堵住壓電閥噴嘴3，氣源P2通過噴嘴口1進(jìn)入壓電閥I導(dǎo)壓腔室，形成120KPA左右的氣壓力，推動移動閥芯向下移動，氣源P1通過進(jìn)氣口進(jìn)入到氣動調(diào)節(jié)閥的膜室中，驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥位置調(diào)節(jié)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定位置，壓電閥I的電壓變?yōu)?，其導(dǎo)壓腔室氣壓變?yōu)?，復(fù)位彈簧推動移動閥芯關(guān)閉輸出口，氣動調(diào)節(jié)閥膜室中的氣壓就會保持在相對恒定壓力下。當(dāng)要減小氣動調(diào)節(jié)閥膜室中的氣壓時(shí)，壓電閥I控制電壓為0，壓電閥II控制電壓也為0，其導(dǎo)壓腔室的氣壓也變?yōu)?，排氣閥芯在排氣彈簧的作用下，打開排氣口排氣，達(dá)到膜室減壓的目的。     

    這樣不斷地對壓電閥I，II的控制，I/P轉(zhuǎn)換單元不斷地輸出氣體壓力和排氣，從而驅(qū)動氣體調(diào)節(jié)閥對流過閥體的介質(zhì)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

    7 智能閥門定位器的應(yīng)用    

1過濾器；2可調(diào)節(jié)流器；3壓電閥I；4移動閥芯；5復(fù)位彈簧

6壓電閥II；7排氣閥芯；8排氣彈簧；9氣動調(diào)節(jié)閥

圖4 結(jié)構(gòu)原理圖    

    隨著 DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的推出和運(yùn)用，智能閥門定位器及其它智能現(xiàn)場儀表由于其具有高可靠性、高控制精度、功能易擴(kuò)展、具有通訊功能等特點(diǎn)，完全能適應(yīng)工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

    7.1 用于控制精度較高的石化生產(chǎn)過程，如乙烯裂解、催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)等生產(chǎn)過程，以提高產(chǎn)品質(zhì)量；

    7.2 石化系統(tǒng)有很多新建或改建生產(chǎn)裝置采用智能定位器，可集成智能控制系統(tǒng)，增加安全性和經(jīng)濟(jì)性；

    7.3 對于已使用常規(guī)調(diào)節(jié)器等儀表控制的生產(chǎn)裝置，可使用智能定位器，改善控制系統(tǒng)，以提高控制精度或克服工藝過程管線震動大的影響；

    7.4 遇到安裝空間小且又要求調(diào)節(jié)閥帶有輔助功能時(shí)，可使用智能閥門定位器的擴(kuò)展功能模塊，如采用帶閥位變送模塊的智能定位器就能實(shí)現(xiàn)普通定位器加閥位變送器的功能；

    7.5 除石化系統(tǒng)外，智能閥門定位器還可用于石油、化工、冶金、電力、水處理、橡膠等工業(yè)過程中。

    結(jié)語

    氣動先導(dǎo)技術(shù)和壓電技術(shù)的應(yīng)用使智能閥門定位器的控制變成現(xiàn)實(shí)。隨著工業(yè)現(xiàn)場越來越多應(yīng)用新技術(shù)新型號的智能設(shè)備，從用戶實(shí)際需求及現(xiàn)場工況出發(fā)，幫助用戶使用好智能閥門定位器成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改進(jìn)的重點(diǎn)，不斷在結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)上提升，讓智能閥門定位器更好地發(fā)揮定位控制、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別、預(yù)測性維護(hù)、雙向通信的功能，實(shí)現(xiàn)安全、有效的長周期運(yùn)行。