前言

    電氣閥門/定位器是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵附件之一，其作用是把調(diào)節(jié)裝置輸出的電信號(hào)變成驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥/動(dòng)作的氣信號(hào)。它具有閥門/定位功能，既克服閥桿摩擦力，又可以克服因介質(zhì)壓力變化而引起的不平衡力，從而能夠使閥門/快速的跟隨，并對(duì)應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥/快速定位，提升其調(diào)節(jié)品質(zhì)。隨著智能儀表技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)儀表中，大大提高了儀表的功能與性能。其在電氣閥門/定位器中的應(yīng)用使智能定位器的性能和功能有了一個(gè)大的飛躍。

    二、智能電氣閥門/定位器與傳統(tǒng)定位器的對(duì)比

    2.1 傳統(tǒng)電氣閥門/定位器的工作原理

    電氣閥門定位器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各公司產(chǎn)品雖不盡相同，但基本原理大致相似，下面畫簡圖進(jìn)行說明。其基本結(jié)構(gòu)見圖1:

    反饋桿反饋閥門/的開度位置發(fā)生變化，當(dāng)輸入信號(hào)產(chǎn)生的電磁力矩與定位器的反饋系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩相等，定位器力平衡系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，定位器處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)輸入信號(hào)與閥位成對(duì)應(yīng)比例關(guān)系。當(dāng)輸入信號(hào)變化或介質(zhì)流體作用力等發(fā)生變化時(shí)，力平衡系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破，磁電組件的作用力與因閥桿位置變化引起的反饋回路產(chǎn)生的作用力就處于不平衡狀態(tài)，由于噴嘴和擋板作用，使定位器氣源輸出壓力發(fā)生變化，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力的變化推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使閥桿定位到新位置，重新與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。 在使用中改變定位器的反饋桿的結(jié)構(gòu)（如凸輪曲線），可以改變調(diào)節(jié)閥/的正、反作用，流量特性等，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥/性能的提升。

    2.2 智能電氣閥門/定位器工作原理

    雖然智能電氣閥門定位器與傳統(tǒng)定位器從控制規(guī)律上基本相同，都是將輸入信號(hào)與位置反饋進(jìn)行比較后對(duì)輸出壓力信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但在執(zhí)行元件上智能定位器和傳統(tǒng)定位器*不同，也就是工作方式上二者*不同。智能定位器以微處理器為核心，利用了新型的壓電閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調(diào)壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力的調(diào)節(jié)。 目前有很多廠家生產(chǎn)智能型電氣閥門/定位器，西門子公司的SIPATT PS2系列智能電氣閥門定位器比較典型，具有一定代表性，下面以就以SIPART PS2系列定位器為例，對(duì)智能定位器的工作原理進(jìn)行說明，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示:

    其具體工作原理如下: 由閥桿位置傳感器拾取閥門的實(shí)際開度信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字編碼信號(hào)，與定位器的輸入（設(shè)定）信號(hào)的數(shù)字編碼在CPU中進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算二者偏差值。如偏差值超出定位精度，則CPU輸出指令使相應(yīng)的開/關(guān)壓電閥動(dòng)作，即:當(dāng)設(shè)定信號(hào)大于閥位反饋時(shí)，升壓壓電閥V一l打開，輸出氣源壓力P1增大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力增加是閥門開度增加，減小二者偏差;如設(shè)定信號(hào)小于閥位反饋則排氣壓電閥V-2打開，通過消音器排氣減小輸出氣源壓力P1，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力減小是閥門開度減小，二者偏差減小。正是通過CPU控制壓電閥來調(diào)節(jié)輸出氣源壓力的大小使輸入信號(hào)與閥位達(dá)到新的平衡。

    2.3 智能電氣閥門定位器對(duì)輸出氣源壓力調(diào)節(jié)的新穎之處

    1） 輸出壓力調(diào)節(jié)采用PID脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，迅速準(zhǔn)確。由于CPU對(duì)壓電閥的控制采用一個(gè)五步開關(guān)程序來控制，可以、快速地控制輸出氣源壓力增減。其控制算法一般采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)方式，CPU根據(jù)輸入信號(hào)與閥位產(chǎn)生偏差的大小和方向進(jìn)行PID計(jì)算，輸出一個(gè)PWM脈寬調(diào)制脈沖信號(hào)來控制壓電閥開、閉動(dòng)作。由于脈沖的寬度對(duì)應(yīng)于定位器輸出氣源壓力的增量，從而可以迅速、準(zhǔn)確的改變氣源壓力輸出P1。當(dāng)偏差較大時(shí)，定位器輸出一個(gè)連續(xù)信號(hào)，快速連續(xù)、大幅度的改變P1的大小，當(dāng)偏差較小時(shí)，定位器輸出一個(gè)較小脈寬的脈沖信號(hào)，斷續(xù)、小幅改變P1的大小，當(dāng)偏差很小（進(jìn)入死區(qū)）時(shí)，則無脈沖輸出，閥位穩(wěn)定工作。 2） 新型壓電閥器件的采用，保證了控制的高精度。壓電閥的主導(dǎo)元件是一個(gè)壓電柔韌開關(guān)閥，也稱作硅微控制閥，由于其質(zhì)量小，開關(guān)慣性非常小，可以執(zhí)行很高的開關(guān)頻率，因而作為一個(gè)高頻率的脈沖閥，對(duì)輸出氣路壓力P1進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以達(dá)到很高的閥門定位精度。 3） 閥位反饋元件定位精度高，壽命長。閥位反饋元件是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高可靠性的導(dǎo)電塑料電位器，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)，因而可以的檢測閥位并且可以方便的對(duì)閥門進(jìn)行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。

    2.4 智能定位器的特點(diǎn) 由于新型控制元件如導(dǎo)電塑料和壓電閥的使用，可以使閥門定位達(dá)到很高精度，由于微處理的使用，可以使定位器的調(diào)校以及適用范圍有大的改善。主要特點(diǎn)是: 1） 安裝簡易;可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)校。組態(tài)簡便、靈活，可以非常方便的設(shè)定閥門正反作用，流量特性，行程限定或分程操作等功能。 2） 定位器的耗氣量極小。傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)耗氣型元件。由于智能定位器采用脈沖壓電閥替代了傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng),而且五步脈沖壓電閥控制方式可實(shí)現(xiàn)閥門的快速、定位。智能定位器只有在減小輸出壓力時(shí)，才向外排氣，因此在大部分時(shí)間內(nèi)處于非耗氣狀態(tài)，其總耗氣量為20L/h，相對(duì)于傳統(tǒng)定位器來說可以忽略不計(jì)。 3） 具有智能通訊和現(xiàn)場顯示功能，便于維修人員對(duì)定位器工作情況進(jìn)行檢查維修。 4） 定位器與閥門可以采用分離式安裝方式。因?yàn)橹悄芏ㄎ黄鞯奈恢梅答佋请娢黄鳎撮y位信息是用電信號(hào)傳遞的，并且可以在CPU中對(duì)閥門的特征進(jìn)行現(xiàn)場整定。因此采用行程位置檢測裝置外置的方法，將閥位反饋組件與定位器本身分離安裝。將行程位置檢測裝置在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，定位器安裝在離執(zhí)行器一定距離的地方，如圖3所示:

    這樣就大大擴(kuò)展了定位器的使用范圍，例如可以適用于大型風(fēng)門、閘門等非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及超大行程結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中（已經(jīng)有大量此類應(yīng)用）。正是與智能電氣閥門定位器的結(jié)合，大大提高了此類裝置的控制定位精度。 5） 行程檢測裝置還可以采用非接觸式位置傳感器，用于惡劣現(xiàn)場。如應(yīng)用在強(qiáng)振動(dòng)、高低溫及核輻射區(qū)環(huán)境中的閥門上，避免了不良環(huán)境對(duì)定位器的影響，保證定位器的可靠使用和壽命。 6） 具有豐富的自診斷功能。不僅可以對(duì)定位器本身的工作情況進(jìn)行故障自診斷，還可對(duì)調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行定量測量和診斷。如閥門行程的變化檢測，對(duì)閥門極限位置變化的測量，可診斷閥門的磨損情況;對(duì)閥門定位時(shí)間的測量可以診斷定位周期是否合適，是否會(huì)引起震蕩;還可以對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的密封情況等進(jìn)行診斷，從而為閥門的維修提供科學(xué)依據(jù)。 7） 可以非常方便的進(jìn)行安全檢測測試與試動(dòng)作，尤其在對(duì)閥門的可靠動(dòng)作要求非常高的安全儀表系統(tǒng)中，可以在線驗(yàn)證SIS安全儀表系統(tǒng)的閥門執(zhí)行的安全有效性，見參考文獻(xiàn)2。