智能阀门定位器的研究与设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏广播电视大学信息工程系 作者:高院生

  阀门定位器是阀门的关键附件。智能阀门定位器运用人工智能技术,实现电气化信号的智能处理,是具有高灵敏度、高可靠性和参数可选择性的数字系统。可以提高阀门动态响应特性,减少阀门位移测量的死区。利用通讯协议,具有数字通讯功能,有很大的市场开发前景。

一、智能阀门定位器及其工作原理

  (一)阀门定位器的定义和特点

  阀门定位器是一种用于调节阀上的主要附件。通常来说又称为气动阀门定位器。一般来说必须与气动调节阀配套使用,才能正常运作。它的工作原理是接受调节器所输出的信号,然后利用这一信号去控制气动调节阀。当调节阀根据信号的指示做出一定的动作后,调节阀上的阀杆位置有一定的位移,这一位移的动作也会通过机器的机械装置反馈到阀门的定位器,这时阀门的状况通过这一个回合的电信号传给上位系统。阀杆位置移动的信号传输至它,然后经过它的反馈,它将这种信号作为反馈信号。控制器同样会输出一种信号,这种是一种输出信号。这两种信号作为比较。如果这两种信号出现了某种偏差,使其足以改变机械操作的执行动作,输出了执行动作的输出信号,会建立一种阀杆位置移动与控制器输出信号之间的对应关系。这时,阀门定位器能够组成一组以阀杆位置移动为测量信号,以控制输出为设定信号的反馈控制系统。一般来说,阀门的定位器结构按照其结构形式和工作原理可以分气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能式阀门定位器。阀门定位器的作用是增大调节阀的输出功率,对于调节信号快速传递很反映。对于阀杆来说,可以增加阀杆的移动速度,阀杆移动是所产生的摩擦力带来的平衡性问题有很大改善。阀门的线性度可以通过定位器装置的反应有很大的提高。对于阀门的正确定位和机器的有效运行有巨大作用。

  (二)智能阀门定位器的定义和工作原理

  智能阀门调节定位器是一种不需要人工矫正和调整的,可以自动检测所带的调节阀零点、满度、摩擦系数、自动设置控制参数的阀门定位器。它的工作原理又和传统的阀门定位器工作原理有所区别。一般来说,后者接受的是来至控制系统的4~20mA模拟信号,然后通过驱动力,使电动机产生一定的电磁力,这种电磁力会作用于主杠杆。阀门器上阀位的变化一般来说主要经过反馈杆、凸轮、副杠杆和反馈弹簧传递到要做出反应的主杠杆上。主杠杆上的平衡直接影响挡板喷嘴机构,这一机构受它的影响,经过气动放大器来控制气动执行机构的进气与排气这一一进一出的气体反应。然后才最终达到已经设定的参数,及设定点。简单的来说,后者的主要工作原理主要是利用物理上的力平衡理论,来达到对于阀门的操控。

  对前者,即智能阀门调节定位器来说。它的工作原理显然与科学技术的发展和市场需求相关。它的工作原理主要是通过电子化、数字化的信号控制。这也是人工智能做明显用于工业生产的特点。它接受的是来自于控制系统的4~20mA阀位设定信号,然后通过软件装置和计算机系统进行高精确度的A/D采样转换,得到一个设定值的变量数字元素。阀门位置的变化在经过了阀门位置所设置的反馈机构的阀门位置的电信号后,也需要经过A/D采样转换,计算出设定值的变量数字元素和阀门位置移动所产生的变量数值。这两个数值经过微处理器的处理,最后汇集成一个关于阀门位置变动的信号。通过电子和电气二者的转换,来达到气动机构空气状态控制的目的。实际上这就是不同于力平衡原理的数字平衡原理来对阀位进行位移控制。

  实际上,整个智能阀门定位器是一个控制回路,它是由两线和一个4~20mA信号来控制的。基于HART协议的双向数字通信,是经过HART模件的送出然后接收和4~20mA叠加覆盖在一起的数字信息,可以实现跟微处理器双向交流的数字通信。首先,模拟量的4~20mA信号会传送给微处理器,在微处理器当中进行处理,与阀位处的传感器返回来的反馈信息加以对比。微处理器经过科学的计算,根据二者的偏差数值和方向变化进行控制计算,这就是所谓的一级控制。然后向压电阀发出相应的电控指令。压电阀根据这一指令做出开与合的动作。压电阀同时会使气动放大器的输出反馈给内控制系统,再次与微处理器处理的信息进行比较,这是二级控制。通过两级控制的输出信号会传递给执行机构,执行机构内空气压力的变化会指引阀门运动的行程。

二、智能阀门器的特点

  调节阀作为控制装置的关键附件。要求改善和提高机器执行的性能。整个仪表装置的发展使最能够提高控制水平的地方。所以把人工智能运用到阀门控制当中,是必然要求。智能阀门定位器能够集通讯能力、电气转换于一体。通讯协议能够方便的获取操作需要操作的处理信息。通讯协议的另外一个好处即为可以随时随地进行信号与数据库的对比,用来诊断发生故障的原因。与传统的阀门定位器来比较,智能阀门定位器有较高的敏感度,能够比较快速有效的捕捉到阀门位置移动的变化,有比较稳定的可靠性。计算机设定的科学性参数比之传统人工设定的参数值同样具有比较代表性的可选择性。阀门控制最容易出现的死区的问题,也能够合理的处置死区状态下阀门控制状态。与常规的定位器相比,通过比较精确的位置检测装置和定位器内部的人工智能计算机软件,对于仪表本身和随之相关调节阀动作有一定的诊断功能。

  由于在智能阀门定位器中引入了微处理器的技术,实现了人工智能。得益于电脑软件的强烈支持,可以实现以下功能。第一,人工智能能够支持自动调节,自动调节意味着可以实现仪表本身、机器本身、通讯处理器和电脑登一系列相关装置的零点和控制进程的自我矫正。第二,智能数字阀门定位器具有与现场总线系统配置的功能,可以通过设定地址的参数来达到对地址的数字化控制。第三,智能阀门控制器由于实现了智能控制,所以可以实现大规模的兼容模拟量、基于HART协议的信号、FF信号和其他通讯规程。同时由于实现了基于这些协议的信号出利空,能够根据HART通讯方式和电脑查到所需检测仪表的出厂信息和参数。第四,由于利用的是电信号而不是力平衡的原理来实现控制,大大提高了信号的可靠性和稳定性。能够对控制时间的滞后性有迅速有效的处理。

三、智能阀门控制器的运用

  与传统的利用力平衡原理的机械式定位器不同,它是电子科学、信息软件、机械物理、科学计算法、流体力学、现代通讯等多门高端现代科学技术相结合的产品。中国自动化行业一直在追求引进和模仿国外先进的自动化技术,但是同时也一直强调自主创新能力。但是国内的工艺水平并不高,因为科学技术的门槛,国内的自动化行业机械式国产阀门定位器有一定的行业规模。但是对于科学技术要求较高的智能阀门定位器的市场来说,少数比较优秀的国际品牌所占据。比如电子技术发达的西门子公司生产的电气智能阀门定位器一直被视为行业的顶尖水平。在不同的场合和环境运用不同的智能阀门定位器。智能阀门定位器可以分为单独供电的和不单独供电的两种,因为定位器自带一个24VDC和一个4—20mA的电流信号,以便实现自检。但是有的电位器就不需要提供供电即前者,只需要后者电流信号即可。在爆炸性气体的使用环境下,以便精确度的确认和安全,比较适合用电气智能阀门定位器。

  智能阀门定位器的发展方向是,仪表生产水平快速发展,各个厂家之间生产的各自的配套仪表出现一定的可以替代性。或者是出现类似于HART协议的新的通讯协议。多种协议的出现和并存,或者是出现一种公用的统一标准的协议。

  智能阀门定位器并不能完完全全消除调节阀偏离度中的死区,从某种意义上来说,死区并不可能完完全全的消除,因为理论和实践总是有差距的。更何况实践和理论都存在死角,所以作为衡量调节阀偏离度的主要指标需要进一步的消除。利用电气测量阀位的方法可以消除反馈杆自身存在的死区。系统一体化在定位器中是另一一个智能阀门定位器发展的方向,在定位器之中加入各种控制功能,不需要经过CPU的处理就可以达到直接接受信号就可以达到系统控制的目的。在智能阀门定位器中加入遥感技术,特别是在仪表之中安装中运用,可以减少仪表中电线裸露的时间,减少安全隐患,提高可以应用的范围。

  智能阀门定位器性能比之传统阀门定位器比较稳定,能够实现软件检测,调整方便。并且基于HART协议可以实现总线装置的通讯功能。对于维修的安全性能考虑,可以降低人工维修的费用和保障维修的安全性,维护量相当于零。从长远发展来看,市场对于此类的智能阀门定位器的需求量是巨大的,在工业生产中使用智能定位器是一种趋势。加强智能定位器的技术研究和设计,更有甚至,出现一种统一的通讯协议,实现各种阀门配套设置的统一,实现自动化控制系统的综合作用。完善诊断功能和诊断功能,在石油、化工、机械、钢铁等基础性工业生产中大量应用在装置上,必定会创造更多的经济效益。

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