智能閥門定位器在己內酰胺裝置中的應用

    閥門定位器是普遍用于石油化工生產過程中的一種調節閥的附件，作為調節閥的輔助工具，對調節閥的性能起著決定性作用。閥門定位器具有使調節閥提高響應速度、定位精度、增大執行機構輸出力等的作用。閥門定位器質量的好壞直接影響調節閥的使用，從而影響到工藝的生產操作。常見的閥門定位器根據其結構形式和工作原理的不同分為氣動閥門定位器、電氣閥門定位器和智能電氣閥門定位器（簡稱智能定位器）。目前，閥門定位器技術逐漸向智能化、小型化發展，智能定位器具有高度自動化、安裝簡單、免維護等優點，普遍應用于各種大型石油化工生產裝置的自動化控制中。

    1 智能閥門定位器工作原理

    智能閥門定位器的工作原理如圖1所示。模擬量4～20mA信號傳給微處理器，與閥位傳感器的反饋信號進行比較，微處理器根據偏差的大小和方向進行控制計算，向壓電閥發出電控指令使其進行開、閉動作。壓電閥依據控制指令脈沖的寬度對應于氣動放大器輸出壓力進行增量控制，同時氣動放大器的輸出又被反饋給內控制回路，再次與微處理器的運算結果進行比較運算，通過兩級控制后輸出信號到執行機構，執行機構內儀表空氣壓力的變化控制著閥門行程。當控制偏差很大時，壓電閥發出寬幅脈沖信號，使定位器輸出一個連續信號壓力，大幅度改變到執行機構的信號壓力以驅動閥門快速動作；隨著閥門接近要求的位置與測得實際位置的差值變小，壓電閥輸出一個較小脈寬的脈沖信號，斷續、小幅度的改變至執行機構的信號壓力，使執行機構接近命令位置的動作平緩。當閥門到達要求的位置（進入死區）時，壓電閥無脈沖輸出，定位器輸出保持為零，使閥門穩定在某一位置不動。    

圖1 智能電－氣閥門定位器結構示意圖

1－二線制輸入信號接線；2－控制板（有LCD顯示和功能按鍵）；

3－壓電式閥組件（單作用定位器）；4－附加壓電式閥組件（雙作用定位器）；

5－功能模塊；6－單作用執行機構（彈簧返回）；7—雙作用執行機構

    2 智能定位器的應用優勢

    2.1 性能優勢

    從閥門定位器的工作原理可以看出，智能定位器可以實時進行信息控制、提高安全性和減少硬件開支。智能定位器的控制是一個變量控制，在給定信號時，定位器輸出流量曲線如圖2所示。在變量大的時候，定位器的輸出是快速大流量，而在變量小的時候，定位器的輸出流量是逐漸減小直到為零，當閥位穩定在要求開度而沒有新的命令信號時，定位器的輸出流量幾乎為零。而常規定位器的控制是平衡比較控制，主要通過調節定位器的增益控制定位器、放大器的反應速度。在反應速度一定的條件下，定位器的輸出流量和輸出壓力是不斷變化的，如當閥位高于給定值時，定位器輸出壓力增加，閥位向下動作，由于反應速度固定，在定位器放大器的輸出流量是一定的。所以在閥位向下動作的時候，噴嘴擋板的動作時間延緩，致使閥位動作過多，此時閥位會低于給定值，定位器輸出壓力又會減小，如此反復。

圖2 定位器輸出曲線圖

    因此，在給定一個閥位時，經過一個調節過程后，智能定位器的輸出流量會保持為零；節省空氣消耗，減少能耗，其空氣消耗只是傳統定位器20%。智能定位器的定位快速、精確，常規定位器因其輸出流量是不斷變化的，故其定位速度、精度是不能和智能定位器相比的。

    2.2 維護優勢

    1）定位器作為調節閥的附件，當調節閥檢修后一般都需要通過定位器對其進行調校。目前常規定位器的調校均采用手動調整零位、量程來滿足調節閥的性能要求。調校時需要使用專用設備、必須隔離控制回路，同時零點和行程的調整互相影響，須反復調整，線性偏離嚴重時，則更難調整。這種調校方法費時、耗力，而且精度等級低，調校結果受檢修調校人員的水平影響較大。而對于智能定位器，由于它的調校不需要對定位器本身作太多的調整，可以在線更換，連續性生產裝置重要閥門一般沒有復線，一旦損壞，嚴重影響生產，但是智能定位器通過PC機保存組態數據和初試化數據，故障時更換智能定位器，只需將組態數據和初試化數據下載到定位器中就可以使用，精度達到1%。在線診斷，通過診斷信息分析可以縮短儀表維護人員的故障處理時間，特別是西門子SIPARTSP2系列智能定位器，它的調校完全不需要人為調整定位器內部零件。因其內部可調整的零件很少，其調校過程是定位器內部運算放大器運算、整定的過程，在整定后出現偏差時，才需要通過人為的微量修定來矯正，在大多數的情況下是不需要維護人員去調整的。

    2）常規定位器多為機械式力平衡原理，常采用噴嘴擋板機構。由于噴嘴本身的特性，執行器在穩定狀態時也要大量消耗壓縮空氣，若使用執行器數量較多，能耗較大，而且噴嘴本身是一個潛在故障源，易被灰塵或污物顆粒堵住，使定位器不能正常工作，特別在儀表空氣不夠干凈的情況下更容易出現故障，這種情況在定位器日常維護過程中經常出現。另外定位器內部可動件較多，容易受溫度波動、外界振動等干擾因素的影響，環境適應性差。比如定位器力反饋彈簧在惡劣環境、長期受力等條件下，彈性系數會發生改變，造成調節閥線性偏離，導致控制質量下降；而外界振動傳遞到力平衡機構，則容易造成可動部件磨損、零點和行程漂移，使定位器難以工作。智能定位器沒有太多的可動部件，其工作環境要求比常規定位器低，特別是抗振動性尤其突出。己內酰胺裝置的空氣壓縮機入口閥和出口閥所用的定位器是西門子智能定位器，性能穩定，在強振動環境工作運行近一年時間沒有出現過任何問題。

    3）就定位器的安裝而言，常規的定位器對于安裝位置要求較高，特別是在閥位反饋的安裝上，要將反饋安裝在規定的位置，可調整的量不大。而智能定位器的安裝就沒有那么嚴格，從目前使用的幾種智能定位器來看，安裝位置要求基本上都是有兩點：一是調節閥在50%開度時，定位器的反饋也基本在其有效轉角的中間位置；二是調節閥全開全關動作時，定位器反饋的轉角要在限制的范圍內。只要滿足這兩個條件，定位器就可以達到性能要求。

    在調校定位器的時，不可避免的會產生誤差。常規的定位器特別是氣動定位器，由于其整個控制回路中元件數量比電氣定位器和智能定位器都多了一個電氣轉換器，在回路聯調時，累積誤差要大一些，對比結果見表1。作為常規定位器，不論是氣動定位器還是電氣定位器，其調校都是以人為的調整零位、量程、增益來滿足性能要求的。在調校過程中，調校精度是不可控的或是不穩定的，受調校人員的水平、定位器性能、裝配精度的限制比較明顯，誤差也比較大。而智能定位器不受調校人員的影響，定位器內部可動部件少，本身精度高，因此它的誤差也就很小。

    所以，無論是安裝、調試，還是維護，智能定位器都比常規定位器有優勢。

    2.3 經濟優勢

    目前，化工企業都在盡力降低生產成本，追求更高的利潤，而設備的檢修、更新所需要的資金在產品成本中占有較大的比例，減少設備的檢修、更新頻率可以在一定程度上降低產品成本。以電氣定位器和智能定位器比較，初期投資額基本相當，但從上文的分析中發現：常規電氣定位器在穩定狀態時仍然需要消耗大量的儀表空氣，智能定位器在穩定后幾乎不消耗儀表空氣。而且常規定位器內部可動件較多，易損件也多，而智能定位器內部可動件少，相對的易損件少；智能定位器基本上不存在維護成本，常規定位器則需要經常更換放大器、波紋管等部件，所以常規定位器的維護成本比智能定位器高。各種定位器的性能及維護成本對比見表1。

表1 智能定位器和常規定位器對比分析表

    3 存在的問題

    對于化工生產裝置，生產穩定連續是我們的期望值之一。從目前的智能定位器的性能看，有一個重要的制約因素———定位器的在線更換，這使我們在選用定位器時依然需要考慮常規定位器。由于智能定位器在初次使用時，需要進行輸入、運算、貯存數據，因而就必須要有一個初始化和自整定過程，這個自整定過程會導致調節閥產生全開全關動作。而在某些場合，工藝運行是不允許調節閥出現開或關的動作的，例如裝置中的一些三通閥、工藝管線上沒有設計副線、不能旁路操作等時，就不允許在定位器調試過程中出現導致調節閥全開全關的動作。因此對于在線更換，常規定位器仍然有它不可比擬的優勢，而智能定位器的這個問題，需要我們在今后的工作中去研究解決。

    4 結束語

    從近幾年己內酰胺實際生產過程中定位器的使用效果來看，智能閥門定位器具有性能穩定、調校方便、具備自診斷功能、維修簡單等優點，且既能與DCS直接通訊，又可移植到現場總線控制系統中，在當今儀表技術行業具有廣闊的發展應用空間。