定位器在氣動閥工作原理

之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應用案例，現在介紹定位器在氣動閥工作原理智能閥門定位器具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、可通訊等特點，充分適應工業控制體系間網絡化、集成化、智能化發展方向的要求，從根本上克服了傳統機械式閥門定位器功率損耗大、響應速度慢、易發熱、機械磨損、電磁干擾等缺點。智能閥門定位器應用氣動先導技術實現內部氣路控制，即以小閥控制壓縮空氣流量再用壓縮空氣推動大閥門，從而實現被控介質的流量控制，這種分級控制的思想通過壓電閥應用得以實現。 
工業過程控制不斷向網絡化、分布智能化發展，適應了設備管理數字化的要求，調節閥是過程控制系統重要的執行部件，控制調節閥運行的分布智能化解決方案應運而生。智能閥門定位器具有數據處理、狀態識別、故障診斷、在線和離線測試、雙向通信等功能。過程控制系統對調節閥通過現場總線控制，使管理者實現了對調節閥的預測性維護和科學管理。計算機技術、電子技術、通信技術、智能預估診斷技術的發展，要求智能閥門定位器必須適應網絡通訊與供電共線，其核心部分氣動控制部件必須實現超低能耗運行，保證網絡總線控制系統運行安全可靠。 
傳統的氣動閥中大量使用了電磁原理作為電能-機械能的轉換級，應用線圈和電磁鐵的電磁力效應將控制的電信號轉換位機械的動作來推動閥芯的動作，從而實現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格低廉，加工方便的優點，但其功率損耗大、響應速度慢、發熱、機械磨損、電磁干擾等缺點同時存在，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，造成了成本的大幅增加和加工工藝的日趨復雜，并且無法從根本上解決問題。實現低功耗、智能集成、高精度、快速響應和長壽命的氣動控制成為迫切需求。 


1定位器在氣動閥工作原理智能閥門定位器定義 
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥根據國標GB/T22137.2-2008《工業過程控制系統用閥門定位器第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)是以微處理器技術為基礎，采用數字化技術進行數據處理、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供電和不用單獨供電；按隔爆級別可分為隔爆和不隔爆。單作用氣動執行器通常都采用薄膜式設計。采用這種設計方式，使用的彈簧可以減少閥座負荷，也可以承受全部閉合壓力。典型的雙作用氣動執行器采用活塞設計。采用這種設計方式，與薄膜式設計型不同，供應壓力不需要進行限制，為了達到較高的閉合壓力，可以應用全負荷供應壓力。對于活塞設計型，壓力越高，閥門的穩定性與控制靈敏度就越好。

2傳統閥門定位器存在問題 
2.1采用采用噴嘴擋板技術即機械力平衡工作原理，可動部件較多，易受溫度、振動影響； 
2.2因調節閥規格、填料的摩擦情況各異，調節閥硬件組合難以實現控制狀態； 
2.3信號的流向是控制儀表單向流入定位器的，當出現故障時，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噴嘴需連續供給壓縮空氣，能耗較大； 
2.6行程和零點調整，需反復調整，調校麻煩； 
2.7功能單一，可擴充性差。 


3定位器在氣動閥工作原理智能閥門定位器優點 
3.1定位精度和可靠性高。機械可動部件少，輸入信號和閥位反饋信號直接進行數字比較，不易受環境影響，穩定性好，不存在機械誤差造成的死區影響，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、手持式設定器進行數據設定； 
3.3零點、量程調整簡單。零點調整與量程調整互不干涉，調整過程簡單快捷； 
3.4具有診斷和檢測功能。除一般的自己診斷功能之外，可輸出與調節閥實際動作相對應的反饋信號，用于遠距離監控調節閥的工作狀態。接收數字信號的智能閥門定位器，具有雙向的通訊能力，可以就地或遠距離地利用上位機或手持式操作器進行閥門定位器的組態、調試和診斷。 
4智能閥門定位器工作原理 
智能閥門定位器工作原理圖  智能閥門定位器系統主要由控制單元、電氣轉換I/P單元、閥位檢測反饋單元組成。定位器和執行器構成一個反饋回路。輸入單元接受來自控制器的4-20mA電流信號。調節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行比較，其偏差通過主控制板的輸出口發出不同長度的脈沖，調節充排氣速度和動作，達到控制驅動調節閥動作和確定位置過程。  氣動閥門定位器是氣動控制閥重要的氣動附件之一，實現著接收控制信號準確定位閥門行程位置的作用。
氣動閥門定位器功能：氣動閥門定位器與氣動執行機構共同構成自控單元和各種調節閥連接經過調試安裝后，組合成氣動調節閥。氣動閥門定位器用于各種工業自動化過程控制領域當中。利用壓縮空氣推動執行器內多組組合氣動活塞運動，傳力給橫梁和內曲線軌道的特性，帶動  氣動閥門結構圖
空芯主軸作旋轉運動，壓縮空氣氣盤輸至各缸，改變進出氣位置以改變主軸旋轉方向，根據負載(閥門)所需旋轉扭矩的要求，可調整氣缸組合數目，帶動負載(閥門)工作。
兩位五通電磁閥通常與雙作用氣動執行機構配套使用，兩位是兩個位置可控：開-關，五通是有五個通道通氣，其中1個與氣源連接，兩個與雙作用氣缸的外部氣室的進出氣口連接，兩個與內部氣室的進出氣口接連，具體的工作原理可參照雙作用氣動執行機構工作原理。 由于現在的控制方式和手段越來越多，在實際工業生常和工業控制中，用來控制氣動執行機構的方法也很多，常用的有以下幾種。
智能顯示儀
智能顯示儀是用來監測閥門工作狀態，并控制閥門執行期工作的儀器，它通過兩路位置傳感器監視閥門的工作狀態，判斷閥門是處于開閥還是關閥狀態，通過編程記錄閥門開關的數字，并且有兩路與閥門開度對應的4～20mA輸出及兩足常開常閉輸出觸點。通過這些輸出信號，控制閥門的開關動作。
控制系統
PLC在控制系統中的應用越來越廣泛，由于本方案是在OMRON的PLC上面作的開發，所以以OMRON的PLC來作介紹。
硬件組成：1臺計算機，1套PLC(包括CPU，I/O模塊，ID212，OC224，AD003模塊)，2個繼電器，2個電磁閥，1個氣動閥門執行器。
氣動控制閥出廠時，定位器與控制閥都做過標定，但是閥門裝到管線上后往往需要再進行一次標定，常規的標定方法是：標定5點即4mA,8mA,12mA,16mA,20mA,在12mA時定位器反饋桿處于水平位置，其它幾組信號時閥門位置應分別在0,25%,75%,99%的行程處，且反饋桿的轉動角度小于正負45度。對于零點和滿度的偏差可單獨調整相應螺釘進行修正，正常情況下如果閥門行程和給定信號一一對應則表示標定完成。
閥門關閉時產生的一個主要問題是如何達到使閥門嚴密關閉的閥座全負荷。通常的方法是對閥門進行標定，從而使閉合部件（如閥塞、隔膜、閥板等）恰好定位在閥座上，而不是確認閉合部件是否*靠在閥座上。為了保持設計泄漏量，避免密封表面受到腐蝕，必須設計適當的密封負荷。
1、生產的氣動閥規格及類別，應符合管道設計文件的要求。
2、氣動閥的型號應注明依據的國標編號要求。若是企業標準，應注明型號的相關說明。
3、氣動閥工作壓力，要求≥管道的工作壓力，在不影響價格的前提下，閥門可承受的工壓應大于管道實際的工壓；氣動閥關閉狀況下的任何一側應能承受1.1倍閥門工壓值而不滲漏；閥門開啟狀況下，閥體應能承受二倍閥門工壓的要求。
4、氣動閥制造標準，應說明依據的國標編號，若是企業標準，采購合同上應附企業文件。


5定位器在氣動閥工作原理氣動先導技術 
控制閥A和B用來控制壓縮空氣進出氣動調節閥，閥A是進氣閥，閥B是排氣閥，這兩個閥門都只有開關兩種狀態。這種控制思想實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，控制被控介質的流量，這種分級控制的思想即為氣動先導技術的應用。 
在任意時刻，閥A、B之中只能有一個開通，另一個開關。當A開通時，由于壓縮空氣壓力大于膜頭內壓力，壓縮空氣進入調節閥，閥桿向下移動；反之，當B開通時，調節閥氣室內壓縮空氣經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的開通與關閉必須能夠用電量來控制，實際使用中閥A和B有傳統電磁閥、壓電閥等多種類型。因為壓電閥的電能-機械能轉換具有低功耗、超快響應、無電磁干擾、無自發熱現象、無機械磨損、長壽命、結構簡單、承受大震動沖擊等優點，而取代了傳統電磁閥被廣泛應用。利用微型壓電閥作為先導級，將流量和壓力進行進一步放大，從而實現氣動控制。 


6定位器在氣動閥工作原理壓電閥工作原理 
6.1壓電效應 
壓電晶體是一種陶瓷功能材料，晶體為圖2A壓電閥初始狀態非對稱中心的構造，可逆轉換電能和機械能，外力可致該晶體形變產生正壓電效應，外加電場可致該晶體產生電極化和出現應變或應力的逆壓電效應。壓電閥正是基于壓電逆效應，具有節能低功耗(驅動電流僅10微安)、精密微型化、高速響應和耐用性好的顯著特點，也易于閥門定位器全數字化。 
圖2A壓電閥初始狀態 
圖3B壓電閥通電狀態 
6.2動作原理 
壓電閥的初始狀態如圖A，陶瓷片作用在噴嘴口上，噴嘴2和3先導腔連通，形成整體。當壓電閥通電時，陶瓷片變形上翹，堵住噴嘴口3，噴嘴2和1聯通。 
6.3結構原理 
壓電閥在I/P轉換單元中起先導閥的作用，每一個I/P轉換單元同時應用兩個壓電閥，壓電閥I控制I/P轉換單元的輸出（進氣閥），壓電閥II控制I/P轉換單元（排氣閥）。 
由于壓電閥壓電陶瓷片彈力有限，所以先導腔室內氣壓必須小于1.2kg，要想控制調節閥動力氣，必須實現壓力放大。在先導腔室一側是一個大面積膜片，在控制進入和排除調節閥動力氣一側連桿面積較小。當先導氣壓達到1.2kg時，施加在先導腔室膜片上的力，大于作用在充氣和排氣腔室一側面上的壓力，這將使充氣閥芯或排氣閥芯移動，使動力氣充入或排除調節閥氣囊中，使氣囊中氣體壓力提升和降低，與氣囊另一側彈簧達到新的位置平衡，達到控制閥門開度的功能。 
當控制電路聯通電源后，壓電閥I上無電壓，壓電閥II加電壓控制，氣源P2進入壓電閥II的先導腔室中，形成120KPA氣壓力，導壓推動排氣閥芯向下移動，排氣口關閉。這時，如果控制電路發出輸出氣壓力的脈沖，壓電閥II則保持狀態，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進入壓電閥I導壓腔室，形成120KPA左右的氣壓力，推動移動閥芯向下移動，氣源P1通過進氣口進入到氣動調節閥的膜室中，驅動氣動調節閥位置調節，當達到設定位置，壓電閥I的電壓變為0，其導壓腔室氣壓變為0，復位彈簧推動移動閥芯關閉輸出口，氣動調節閥膜室中的氣壓就會保持在相對恒定壓力下。當要減小氣動調節閥膜室中的氣壓時，壓電閥I控制電壓為0，壓電閥II控制電壓也為0，其導壓腔室的氣壓也變為0，排氣閥芯在排氣彈簧的作用下，打開排氣口排氣，達到膜室減壓的目的。 
這樣不斷地對壓電閥I，II的控制，I/P轉換單元不斷地輸出氣體壓力和排氣，從而驅動氣體調節閥對流過閥體的介質進行流量調節。 


7智能閥門定位器的應用 
1過濾器；2可調節流器；3壓電閥I；4移動閥芯；5復位彈簧 
6壓電閥II；7排氣閥芯；8排氣彈簧；9氣動調節閥 
圖4結構原理圖 
隨著DCS和現場總線控制系統（FCS）的推出和運用，智能閥門定位器及其它智能現場儀表由于其具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、具有通訊功能等特點，完適應工業控制體系間網絡化、集成化、智能化發展方向的要求，具有廣闊的應用前景。 
7.1用于控制精度較高的石化生產過程，如乙烯裂解、催化裂化反應再生系統等生產過程，以提高產品質量； 
7.2石化系統有很多新建或改建生產裝置采用智能定位器，可集成智能控制系統，增加安全性和經濟性； 
7.3對于已使用常規調節器等儀表控制的生產裝置，可使用智能定位器，改善控制系統，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節閥帶有輔助功能時，可使用智能閥門定位器的擴展功能模塊，如采用帶閥位變送模塊的智能定位器就能實現普通定位器加閥位變送器的功能； 
7.5除石化系統外，智能閥門定位器還可用于石油、化工、冶金、電力、水處理、橡膠等工業過程中。 
結語 
氣動先導技術和壓電技術的應用使智能閥門定位器的控制變成現實。隨著工業現場越來越多應用新技術新型號的智能設備，從用戶實際需求及現場工況出發，幫助用戶使用好智能閥門定位器成為產品設計和改進的重點，不斷在結構和細節上提升，讓智能閥門定位器更好地發揮定位控制、數據處理、狀態識別、預測性維護、雙向通信的功能，實現安全、有效的長周期運行。與本文相關的論文：自力式煤氣調壓閥組?