【阀门技术】阀门定位器分析及应用∣总线阀门定位器....应用∣LZFD系列智能阀门定位器...∣西门子...

引言：

由于石化工业生产具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀性、工作环境恶劣等特征，所以是一项高危险的行业，一旦发生意外事故，往往造成十分惨重的伤亡和财产损失。因此，高危险性迫使石化企业加大了自动化和智能化控制设备的投入，生产过程控制需要大量控制阀及其诊断性维护，以实现安全强化的高效能管理过程，从而将危险性尽大可能降到低。智能阀门定位器作为控制阀的主要部件，诊断技术不断发展与完善，智能阀门定位器诊断技术在石油化工生产过程中发挥着越来越大的诊断、控制和检测作用。

一、智能阀门定位器针对传统阀门定位器的优势

1.传统的阀门定位器是由调节器或输出安全栅送来的4～20mADC电流输入线圈时，使位于线圈之中的动铁磁化而工作的。因为动铁位于磁钢所产生的磁场中，因此，两磁场相互作用，对动铁产生偏转力矩，使它以支点为中心偏转。如信号增加，则杠杆左侧应向下运动。这时固定在杠杆上的挡板便靠近喷嘴，使放大器背压增高，经放大后的输出气压作用于凋节阀的膜头上，使其阀杆下移。阀杆的位移通过拉杆转换为反馈轴和反馈压板的角位移，再通过调量程支点使反馈机体运动。固定在杠杆另一端上的反馈弹簧被拉伸，产生一个负反馈力矩，使杠杆平衡，同时阀杆也稳定在一个相应的确定位置上，从而实现了信号电流与位置之间的比例关系。但是，传统的阀门定位器的放大器恒节流孔极易发生堵塞，背压大、放大器球阀卡死，喷嘴与挡板关不严等缺点。

2.在石油化工生产中，智能型阀门定位器与常规阀门定位器相比，具有一些显著的应用优势和特征。在进行调试矫正过程中，智能阀门定位器比常规阀门定位器操作方便、简单，更容易掌握。与常规阀门定位器相比，智能阀门定位器不需要其他一些调节控制设备的辅助就能够进行自动化的识别和控制操作，并且在过程中可以自动化进行优状态的控制调整，能够对不同的调节控制要求进行优化设置。例如，在石油化工生产过程中，如果需要调节控制阀门进行强制全部关闭时，它的智能化操作控制系统就会根据调节输入的信号变化将其控制调节的生产运行设备进行强制切断，以此实现调节控制系统的强制全部关闭设置。这一切都得归功于智能型阀门定位器使用的软件控制系统是一个自动设定的软件系统，运行中使用的是一个全自动的配置程序。二、石化领域中智能阀门定位器诊断功能的分析与应用

1.当阀门初始化时，整台阀的性能得到测试，参数得到优化，如果产生故障，就会发出报警信息。报警信息：预防性报警——控制阀状态轻度磨损，将来还会继续磨损，但目前阀门还能正常工作；维修报警——阀门状态已严重磨损，目前尚能正常工作，但随时可能发生故障；故障报警——提醒设备操作员，阀门已经发生故障。反应检测信息出现在控制阀哪些部件上；分析造成故障的原因——如何解决上述故障。

2.在使用前通过智能阀门定位器可以对控制阀进行原始初始化，初始化后的全部阀门原始状态信息被定位器存储。这样带智能定位器的控制阀开始自动初始化工作，包括确定定位器的机械行程范围和自动调整其工作时的佳指标参数等，定位器根据当前确定的这些机械方面的信息和指标参数应用信号算法来控制阀门的开闭。阀门的工作状态正常与否是至关重要的，定位器实时对其不间断地检测与分析，一旦产生故障，就会发出报警信号，所有检测分析的结果都存储在定位器的存储器中，以至向设备操作员或维修工程师提供诊断与维修故障方面的信息等。

3.智能阀门定位器利用其标准诊断功能虽然能够识别诊断主要的阀门状态错误，但是对于用户来说查明故障的直接原因是一件很困难的事情，用户需要一个能够查出故障原因的可行性的“诊断报告”。所以目前智能阀门定位器厂家在提供标准诊断功能之外还进行了诊断功能的扩展，以满足用户的各种需求。扩展主要集中在以下两个方面：

（1）在智能阀门定位器内安装辅助传感器，执行器需要断开时，利用此传感器检测此时的气动输入和输出信号的变化大小，从而判断阀内件与执行器的工作情况是否正常。对于这种方法，绝大多数厂家都是安装压力传感器来测量加载到执行器膜片上的压力，这种压力与阀位相关。在线操作模式下，只有把阀运行时的信号记录下来，才能够提供摩擦力和压力分析报告，这样就能得出一个比较行之有效的“诊断报告”。

（2）通过特殊的程序软件在参考初始阀位有小幅改变后，无论是在线还是离线，响应信号的动态变化就会被记录在智能阀门定位器的存储器中，从而形成一个清晰的变化图象，通过这个变化图象分析是延迟时间和传送时间是增加还是减少，并通过图象分析结合数学仿真模块分析的方法对阀门工作状态参数进行预测、诊断分析。这样也能得到一个“诊断报告”，便于用户查出故障原因。

（3）诊断过程和测试应该完全在定位器内部实现，并根据类似交通灯编码系统自动发出状态报警，同时这些报警会被过程控制系统显示在适当的授权等级上维修人员对报警感兴趣，操作员则未必感兴趣中信息的预诊断分析功能及处理，提示维修人员将来要出现的维修情况。三、石化领域中智能阀门定位器诊断功能的发展展望

1.制定严格的控制阀以及定位器软件标准，所有的工程软件或者过程控制软件必须完全符合该标准。

2.逐级分类诊断信息，分类的越详细越好，满足不同的各个层次的用户需求。

结束语

智能阀门定位器是一种能对石油化工生产系统中的气动薄膜调节阀门进行调节诊断的重要系统装置。气动薄膜调节阀已经非常广泛的应用到了石油化工行业的生产中，许多石油化工生产系统的运行都离不开它的调节控制。所以阀门定位器调节质量的好坏对于气动薄膜调节阀使用有直接的影响，从而也对石油、化工生产环节有很大的影响。

现场总线控制系统是一种工厂现场网络控制系统，是计算机网络和控制结合的新技术，是集散控制系统DCS后的新一代控制系统。中海化学80万吨/年甲醇项目中，控制全部采用了现场总线控制技术。FF总线阀门定位器，作为FCS中的重要设备，大大提高了定位的精度以及对过程干扰更加迅速的响应，对装置的稳定运行起到了重大作用。

1 CENTUMCS3000现场总线系统结构

80万吨/年甲醇装置采用的是YOKOGAWA的现场总线控制系统，系统中CPU、I/O卡件、电源、总线通信卡ALF111、总线电源都采用冗余配置。每一个网段带7～9台总线仪表。该系统中所有的控制阀都使用了FF总线定位器。有定位器的网段定位器数量一般不超过2台，尽可能的降低网段故障对调节阀的影响。

2 FF总线阀门定位器简介

FF定位器的内部结构不同于普通的HART智能定位器或常规（4~20mA.DC）定位器，是一种为FF现场总线系统而设计的数字式的阀门控制器。它有很多突出特点：仪表设备间的互操作性，过程控制功能，通信功能，基于微处理器（CPU）技术。FF总线定位器采用9-32v总线供电，完全由数字信号进行控制，其传输符合FOUNDATIONTM现场总线规定，以31.25kbit/s的速度进行数据传输。

3 FOUNDATIONTM现场总线块模型

FOUNDATION现场总线将所有设备功能和数据分派到3个不同类型的块，每种类型模块在模块模型中都具有不同的任务范围。

3.1 资源块（ResourceBlock）

资源块包含所有用来识别设备的数据，这类似一个电子设备标签。资源块参数包括设备型号、设备名称、生产厂ID、序列号以及影响到所有其他设备块性能的参数，每一个总线设备只有一个资源块。

3.2 转换块（TransducerBlock）

转换块包含所有数据和特定设备参数用来将过程参数（传感器或执行器）和设备进行连接传递。FF总线定位器AO转换块可直接影响定位器输出信号。

3.3 功能块（FunctionBlock）

功能块负责FOUNDATIONTM现场总线设备的控制状态。包括AI/AO/PID等。通过连接功能块的输入和输出可对FOUNDATIONTM现场总线设备进行组态。AO功能块将来自上游功能块的输出值转化为给控制阀的控制值。PID功能块具有灵活的比例——积分——微分控制算法，可根据应用需要进行组态。

4 CS3000系统组态

FF总线定位器与传统的定位器在组态上有很大的不同。每一台总线定位器都必须分配相应的地址、定义位号、获取ID等。

4.1 Fieldbusbuilder

在YOKOGAWACENTUM软件systemview的FieldbusBuilder中添加总线定位器并定义位号、地址、获取设备ID等信息。

4.2 对定位器中的模块参数定义

在ParameterEdit中对AOPID模块参数进行组态，包括模块模式、测量范围、输出范围、单位、控制选项、状态选项等。

5 FF总线定位器相对于常规定位器的优势

通过施工、调试和日常维护的经验来看，与常规的定位器相比，FF总线定位器更具有优势。

5.1 节约施工调试时间

使用传统定位器的阀门在安装调试的时候都要求经过一次调校和回路联校的过程，而且在回路联校的过程中还会花费更多的时间。FF总线阀门只要在PRM上就可以进行自动校验，在主控室就可以完成所有的工作，包括阀门的实际反馈都一目了然。

5.2 分散控制风险

在80万吨甲醇项目中，充分利用了FF总线定位器集成的PID功能模块，将所有的简单控制都放在定位器中，在现场直接控制过程变量，大大减少了上一层自动控制系统要完成的控制任务数量，实现了控制系统的风险分散。

5.3 强大的自诊断功能

在横河CS3000总线系统中，总线定位器大的优点是具有强大的自诊断功能。现场总线的PRM提供了定位器运行的各种信息，如定位器设定值、输出值、实际阀位，而且还包括了气源压力、输出压力、设备温度等其他信息。根据阀门的开度情况，就可以判断阀门有没有回滞现象，是填料太紧还是阀杆有摩擦等其他原因。

当出现这种特殊情况时，我们就可以采用FF总线系统PRM的功能诊断软件（DeviceViewer）。相关仪表操作人员就会采用这种智能软件就可以快速准确的发现阀门的异常问题并提示相对应的解决方法。当正常运行的阀门定位器其各个参数均为正常时（绿色）。当参数出现异常时就会产生相对应参数的报警（红色），并在下拉菜单栏中显示出异常参数的详细说明，为仪表操作人员更快更准确的解决调节阀出现的异常问题提供了明确的参考和依据。

6 结语

随着科技的发展，工厂对控制系统的要求越来越高，FF总线定位器在总线控制系统中大大提高了作为控制回路终端执行元件调节阀的精度，具有强大的自诊断功能，极大的改善了控制回路的调节品质，对化工装置的稳定运行起到重要的作用。随着FF总线阀门定位器的技术改革和不断完善，控制系统将会越来越jingque和高效。

1.引言

阀门定位器是伴随着调节阀的应用而出现的，从而使调节阀的控制精度、抗干扰能力、响应时间、流量特性等性能得到改善，成为调节阀必不可少的配套设备，在自动化过程控制中起到重要的作用。阀门定位器在石油、化工、电力、冶金等领域具有广泛的应用。在石油化工装置自动化控制系统中，执行器的选用对精度而言至关重要，它的使用情况影响到产品质量，并关系到装置安全生产。

2.工作原理

LZFD系列智能阀门定位器，能够与执行器配套使用，调校方便快捷，整机操作全部是通过键盘进行的，无任何机械可调部件，只需按动定位器界面上几个按钮，即可完成调试。可实现远程监控，能方便修改控制阀流量特性，正、反作用方式，监测控制阀运行状况，延长控制阀使用寿命，提高生产装置的安全性和经济性。

2.1 结构

如图1所示，LZFD系列智能阀门定位器由控制主板、压电驱动放大单元、模拟电流反馈模块、位置传感器、反馈齿轮、反馈轴、底壳等主要部件组成。

图1 LZFD系列智能阀门定位器组成

2.2 工作原理

LZFD系列智能电气阀门定位器，应用于气动直线行程或角行程执行机构。执行机构的运动带动定位器的反馈轴转动，从而带动位置传感器旋转检测出阀位并转化成电信号。该电信号与控制室送来的输入信号（4～20mA）一道送入转换电路，通过A/D转换送到微处理器，微处理器将这些数值通过jingque运算，计算偏差值，根据偏差值进行优化运算并输出PWM，该输出再通过驱动电路驱动压电阀动作，从而控制气动驱动单元，经气动驱动单元放大后驱动执行机构动作，达到消除偏差，准确定位的目的。

3.主要技术参数

3.1 输入

（1）信号范围：4～20mA，可根据用户要求设置成分程控制输入，在20～之间设定

（2）两线制：额定供电电压24VDC

阻抗：基本型355Ω（20mA7.7VDC）

HART型415Ω（20mA8.3VDC）

（3）供气源：仪表用质量：无油、无水分、无尘污垢，供风压力0.14～0.6MPa

3.2 输出

（1）气源范围：0～0.6MPa

（2）输出开关信号电源电压：24VDC

3.3 其它技术参数

（1）速关范围值：定位信号范围0～20%

（2）应用范围：直线行程执行器25～60°，角行程执行器25～120°

（3）行程时间：0～200s

（4）空气消耗：小于0.03kg/h

（5）作用方向：正向时，信号4～20mA＝位置0～

反向时，信号20～4mA＝位置0～

（6）性能曲线

a、线性

b、等百分比1：25

c、等百分比1：5

d、等百分比25：1

（7）精度：0.5%

（8）精调范围：0.3～10%可调

（9）A/D转换采样率：20ms

（10）通讯：符合HART协议

（11）环境适应性：工作温度：-35～+70℃，相对湿度：＜75%

（12）防爆等级：本质安全型ExiaIICT6

（13）外壳材料：铝合金ZL104

（14）电气连接：G1/2

（15）气动连接：G1/4

4.安装

LZFD系列智能阀门定位器安装时首先要确保位置反馈的行程值或旋转角要正确，安装在直线行程执行器上的大旋转角为60°，安装在角行程执行器上的大旋转角为120°，即要求在反馈轴上箭头与下箭头的区域内转动。为确保操作范围的正确，反馈杆必须定位在行程中间（+0°传感器位置）。在安装时，其指针指在中间处时要求定位器显示在正中状态。

5.现场应用

图2 LZFD系列智能阀门定位器现场应用照片

2009年7月，中国石油青海油田分公司某炼油厂聚丙烯、甲醇、常减压等装置使用LZFD系列智能阀门定位器50台，至今运行良好。现场应用表明：LZFD系列智能阀门定位器性能稳定、可靠性高、操作方便，产品精度等技术指标能够满足设计要求和工艺要求。目前，LZFD系列智能阀门定位器在中国石油兰州石化分公司标定装置、催化装置等现场也得到了广泛的应用，而且应用效果良好。

在工业自动化控制中，要用到各种类型的调节阀，而给调节阀配备稳定可靠的阀门定位器则显得尤其重要。西门子SIPARTPS2智能阀门定位器，凭借其强大完善的功能、极高的控制精度、简单方便易用的性能及超长的使用寿命、低耗气耗能量深受广大用户好评，是该领域的产品，获得了广泛的应用。

1 西门子SIPARTPS2智能阀门定位器的工作原理

阀门定位器接受控制信号，经过电子控制单元处理，再经电气转换后驱动调节阀动作，根据阀杆的位置进行反馈，将控制信号与阀位比较，使阀位对应于控制信号，实现调节阀的正确定位，并改善阀杆行程的线性度，克服阀杆的各种附加摩擦力，消除被调介质在调节阀上产生的不平衡力的影响。

SIPARTPS2智能阀门定位器电路部分采用了CPU运算处理器，将控制阀门开度的输入信号和反应阀门位置的反馈信号经过比较，得到的偏差值通过CPU微处理器处理后输出给压电阀，压电阀作为转换元件，在有偏差值时经过转换去驱动执行机构动作，消耗一定的电能，这样阀门定位器的耗能就比较低。这是SIPARTPS2智能阀门定位器相对于其他类型定位器的优越性所在。当定位器初始化后，调节阀的慢步区、死区就确定下来，当偏差大于慢步区时，压电阀持续闭合，阀门动作快，在慢步区，压电阀接收信号小，阀门动作趋缓，在死区，压电阀没有得到信号，阀门不动作，这种工作特性符合工艺控制要求，避免了超调，提高了调节质量。

SIPARTPS2智能阀门定位器可用于直行程和角行程的阀门。它的操作非常简单，可以在现场通过手动按键和LCD进行操作，也可以在控制室通过HART接口或PROHBUSPA协议选用SIMATICPDM过程设备管理软件对其进行操作，大大方便了使用和维护。

2 西门子SIPARTPS2智能阀门定位器的特点

SIPARTPS2智能阀门定位器与常见的阀门定位器相比，有许多独特的优点，例如：

（1）易于安装，能进行自动初始化；（2）操作简单方便，用三个按键就能实现定位器多种功能的设置；（3）经过简单的组态就能实现多种功能（比如更改开关方向和分程调节）；（4）直行程和角行程执行机构均采用同一型号的阀门定位器；（5）具有自诊断功能，便于对阀门和定位器进行维护；（6）工作时耗气、耗能量极小；（7）具有“紧密关闭”功能，确保调节阀的关闭，减少泄露；（8）可以很方便地集成PROFIBUSPA、HART及FF总线通讯功能；（9）在恶劣的环境中，可以选择外部非接触式位置传感器；（10）可动部件少，振动场合对调节阀影响小。

3 西门子SIPARTPS2阀门定位器的故障处理

3.1 调节阀检修后，发现控制精度有问题

解答：调节阀检修后，由于定位器、阀杆和反馈部分可能的变动，必须经过初始化后，定位器才能和执行机构相互配合，根据所接收到的控制信号，驱动执行机构按要求动作。西门子SIPARTPS2阀门定位器的自动初始化过程由五步组成，每一步均完成相应的工作任务，具体步骤如下：

步确定阀门定位器是正作用还是反作用，LCD显示为RUN1。第二步确定阀门定位器的起始点和量程范围，LCD显示为RUN2。第三步确定执行机构的定位时间，LCD显示为RUN3。第四步确定阀门的定位增量值，LCD显示为RUN4。第五步优化执行机构动态响应，LCD显示为RUN5。五个步骤完成后，LCD显示Finish，完成自动初始化过程，阀门定位器才能正常工作。

3.2 定位器不定时地发出噗哧噗哧的声音，调节阀产生震动

解答：这是由于定位器后的气路有泄漏，用肥皂水检测定位器出口气路及执行机构磨头位置，发现有泄漏的地方处理既可。

3.3 西门子SIPARTPS2定位器初始化时，停在RUN2，无法进行下去

解答：由于西门子SIPARTPS2定位器的自适应能力很强，可以工作于不同行程的直行程执行机构和角行程执行机构。定位器在初始化时需要设置好和行程相对应的参数，才能使用于行程检测的电位计检测到的执行机构的位移，定位器根据此位移信号去驱动执行机构动作。初始化时停在RUN2，有可能是有关参数设置不合理，可以改变阀门定位器的参数2YAGL项的反馈轴转角，将33°变为90°，再进行初始化，看能否成功。如果反馈轴的旋转角度小于小转角会导致初始化不能成功。反馈轴转角可以这样设置：直行程执行机构行程小于20mm时，设置为33°；直行程执行机构行程大于20mm时，设置为90°；角行程调节阀此项参数值自动设置为90°。

另外执行机构的行程或转角也可用手动进行调整，定位器初始化时不需要自动寻找执行机构的起始点，手动调整执行机构行程到开始和终止位置，可以完成RUN2这一步。这样，我们在有些情况下，自动初始化无法进行时，选择手动初始化，使调节阀能够进行调节。

3.4 西门子SIPARTPS2定位器初始化时停在RUN3

解答：产生这一故障的原因是执行机构定位时间太长，可以这样处理，完全打开限流器或调整压力PZ（空气入口压力）到允许高值，看执行机构的开关时间能否减少。也可使用升压器，增加执行机构的驱动力，缩短开关时间。

3.5 西门子SIPARTPS2定位器初始化时停在RUN5，没达到Finish（等待时间>5min）

解答：产生这一故障的原因是定位器、执行机构等部件的安装问题，可以检查定位器、执行机构及反馈部分的安装，发现问题及时校正，重新安装后，再进行初始化，看能否缩短初始化时间。

3.6 调节阀开关方向和要求不一致

解答：这和阀门定位器参数7SDIR、参数38YDIR这两项的设置有关，7SDIR项是方向设定点，定位器在接收到4~20mA信号时，7SDIR项的设置决定执行机构的升降。

38YDIR项是行程方向显示，可以显示执行机构的升降。通过与调节阀实际开关方向和控制室输出的信号来对比，可以正确地设置参数7SDIR、参数38YDIR。对于阀门的开关方向的确定，一定要和工艺人员配合，特别是角行程调节阀，当执行机构的指示标志不清楚时，容易发生开关的误判，造成生产事故，必须认真对待。

3.7 调节阀控制曲线不理想

解答：阀门定位器参数12SFCT项中，内置了六种调节阀常用的流量特性和一种用户自定义的流量特性，每一台调节阀都有其固有的流量特性，通常定位器的此项参数只要设置成Lin就可以遵循调节阀固有的流量特性。若调节阀流量特性与工艺要求不符，则可以通过参数12SFCT项的设置来改变调节阀的整体流量特性。总之，根据实际情况灵活地设置参数12SFCT项就可以达到工艺要求。

3.8 调节阀不能全关死

解答：在工艺生产中，由于阀芯磨损或前后压差大等原因，调节阀可能关不死，出现泄漏，影响工艺操作，这时可以通过设置参数39YCLS、40YCD、41YCU等项，启用紧密关断功能，将调节阀大限度地关闭。在化工生产中，常常有工艺操作人员反映调节阀不能关死，泄漏量大，影响操作，我们在不更换调节阀的情况下，可以使用这一功能，尽量满足工艺的需要。

4 结语

西门子SIPARTPS2智能阀门定位器和其他类型定位器比较，稳定可靠，方便实用，功能强大，维护量小，是工业自动化控制领域中对调节阀配备定位器的不错选择。