閥門定位器的氣動(dòng)輸出控制部件原理及性能比較

摘 要：隨著智能控制技術(shù)的高速發(fā)展和對(duì)節(jié)能環(huán)保理念的認(rèn)知提高，智能閥門定位器正在逐步取代以往的機(jī)械式定位器。目前市場(chǎng)上的智能閥門定位器品牌眾多，許多廠商也在不斷探索和提高自身的產(chǎn)品性能。尤其智能閥門定位器內(nèi)部氣動(dòng)輸出控制部件性能逐步成為衡量定位器整體性能的重要因素。文章對(duì)常用智能閥門定位器的輸出控制部件的原理進(jìn)行描述和性能比較，并介紹一種新型智能定位器產(chǎn)品，STI FastTrak大流量定位器。

關(guān)鍵詞：智能閥門定位器；輸出控制部件；壓電閥

1 常用智能閥門定位器的氣動(dòng)輸出控制部件及工作原理

智能閥門定位器的輸出控制部件通常是由I/P轉(zhuǎn)換單元（即先導(dǎo)部分）和氣動(dòng)功放部分組合而成，目前市場(chǎng)上使用較為普遍的主要有：氣動(dòng)噴嘴/擋板機(jī)構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器技術(shù)組合多位多通閥體結(jié)構(gòu)，接受模擬電信號(hào)連續(xù)動(dòng)作氣動(dòng)輸出。另外一個(gè)是壓電閥組件技術(shù)，接受數(shù)字信號(hào)兩位動(dòng)作氣動(dòng)輸出。下面具體介紹兩種技術(shù)的工作原理。

1.1 I/P轉(zhuǎn)換器組件及工作原理

I/P轉(zhuǎn)換器基于傳統(tǒng)的電磁技術(shù)和氣動(dòng)噴嘴檔板機(jī)構(gòu)，噴嘴擋板機(jī)構(gòu)先導(dǎo)信號(hào)（噴嘴背壓）送給氣動(dòng)放大器進(jìn)行進(jìn)一步功率放大，最終驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以ABB公司生產(chǎn)的TZID-C系列定位器為例進(jìn)行說(shuō)明，I/P轉(zhuǎn)換器組件的工作原理：基于一種擋板力平衡結(jié)構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器，線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)，施加給磁鐵一個(gè)力使杠桿偏轉(zhuǎn)即使擋板靠近或偏遠(yuǎn)噴嘴，使噴嘴背壓改變，使得氣動(dòng)功放或多位多通閥滑閥位置改變，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位控制。

1.2 壓電閥組件及工作原理

壓電閥是在電壓作用下使得功能陶瓷片產(chǎn)生彎曲變形原理制成的一種兩位式控制閥。壓電閥采用ON/OFF位式控制方法，控制電路采用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)。壓電閥在I/P轉(zhuǎn)換單元中起先導(dǎo)閥的作用，先導(dǎo)壓電閥接收到控制電路發(fā)出的高頻脈沖信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成先導(dǎo)壓電閥先導(dǎo)氣的通斷，先導(dǎo)氣進(jìn)入氣動(dòng)功放，控制氣動(dòng)功放輸出氣壓信號(hào)到氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位控制。

以上兩種技術(shù)的應(yīng)用已很普遍，但目前以上述兩種技術(shù)為核心的智能閥門定位器中，尚無(wú)大流量形式的定位器，針對(duì)這一技術(shù)空白，意大利STI公司研發(fā)推出一款新式高流量定位器FastTrak。而STI FastTrak定位器采用了膜片滑閥式組件結(jié)構(gòu)并結(jié)合差壓控制方式實(shí)現(xiàn)了大流量輸出，高精度的控制。

2 STI FastTrak智能定位器的氣動(dòng)輸出控制部件及工作原理

STI FastTrak 定位器采用傳統(tǒng)的機(jī)械式滑閥結(jié)構(gòu)結(jié)合差壓控制的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其機(jī)械滑閥式組件同樣基于電磁技術(shù)和氣動(dòng)噴嘴檔板機(jī)構(gòu)和力平衡原理，見(jiàn)圖1。滑閥組件的前端是一個(gè)膜片，噴嘴擋板的電磁線圈接收控制電路發(fā)出的電流信號(hào)指令后，轉(zhuǎn)變成變化的控制氣源信號(hào)，來(lái)推動(dòng)膜片產(chǎn)生形變，形變的大小決定滑閥的位移量，在滑閥組件后端有一個(gè)彈簧，能夠在控制信號(hào)變化后或者失去控制信號(hào)的時(shí)候讓滑閥復(fù)位，保證定位器的輸出。為了實(shí)現(xiàn)高精度控制，控制算法除了引用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信號(hào)外，同時(shí)還對(duì)氣缸的進(jìn)氣端的壓力進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)彌補(bǔ)滑閥控制方式動(dòng)作速度的不足和提高滑閥的靜態(tài)工作性能。由于采用大流量滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理的氣流通道，實(shí)現(xiàn)了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速，準(zhǔn)確的定位。

3 智能閥門定位器氣動(dòng)輸出部件的性能比較

從壓電閥的工作原理和結(jié)構(gòu)可以看出，壓電閥采用ON/OFF位式控制方法，其功耗非常低，穩(wěn)態(tài)耗氣量也相當(dāng)?shù)停珜?duì)壓縮空氣質(zhì)量要求高。另一方面，對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及外部氣管路的氣密性要求很高，當(dāng)氣管路泄漏時(shí)，壓電閥組會(huì)頻繁動(dòng)作，常導(dǎo)致閥位振蕩或造成壓電閥組件故障。并且壓電閥組件多為外購(gòu)件或OEM定制，如上述圖1所示，由于其技術(shù)壟斷，有問(wèn)題只能更換，無(wú)法自行維護(hù)。

I/P轉(zhuǎn)換器組件基于傳統(tǒng)的電磁技術(shù)和氣動(dòng)噴嘴檔板機(jī)構(gòu)，技術(shù)成熟，靈敏度高，信號(hào)有一定功率且平滑線性好；但氣動(dòng)輸出控制部件（氣動(dòng)放大器或多通道閥體結(jié)構(gòu)）機(jī)械零部件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。且輸出流量較小，如上述圖1所示，多數(shù)廠商為自有技術(shù)生產(chǎn)，出問(wèn)題也只有找廠家解決。

STI FastTrak定位器滑閥式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理也不復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)主要是抗污能力強(qiáng)，輸出流量大。在用戶應(yīng)用中，經(jīng)常由于氣源中的雜質(zhì)造成設(shè)備堵塞，導(dǎo)致設(shè)備故障，而且無(wú)法進(jìn)行維護(hù)。更換設(shè)備時(shí)間長(zhǎng)，影響生產(chǎn)。在這方面STI FastTrak定位器有著比較突出的抗堵性，定位器在根據(jù)輸入指令信號(hào)定位后，滑閥在不停的進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，防止氣源中的粉塵和油霧凝固阻塞滑閥，這樣會(huì)有效的避免定位器的堵塞。在滑閥式組件的設(shè)計(jì)上，考慮到拆裝維護(hù)方便，定位器的滑閥組件及其他控制部件均可進(jìn)行自行拆裝與維修，無(wú)需整體更換。在一定程度上大大減少了維護(hù)成本和時(shí)間。在流量方面，STI FastTrak定位器采用1/2”的接口口徑，與市場(chǎng)上常用的智能定位器比較，智能定位器一般出口為1/4接口口徑，流量一般在在3.9～10Nm3/h，而STI FastTrak定位器輸出流量高達(dá)180Nm3/h，同時(shí)并沒(méi)有因?yàn)榱髁窟^(guò)大而損失控制精度，對(duì)于有快速動(dòng)作，高精度控制的情況下，配置大缸徑氣缸（或大體積）時(shí)，可以省去流量放大器而直接驅(qū)動(dòng)氣缸。尤其是現(xiàn)在很多采用新型分體式二次風(fēng)門氣動(dòng)控制裝置來(lái)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高溫惡劣的運(yùn)行工狀，這樣一來(lái)更加考驗(yàn)智能定位器的輸出帶載能力。對(duì)于遠(yuǎn)距離控制氣缸，大多數(shù)定位器的輸出能力會(huì)隨著距離的增大而明顯降低，進(jìn)而降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度和增加定位器的自整定時(shí)間。因此，在分體式定位器的應(yīng)用中，很多定位器需要增加流量放大器來(lái)解決流量小的問(wèn)題，這樣會(huì)使控制系統(tǒng)變得復(fù)雜。對(duì)于STI FastTrak定位器就可以省去流量放大器，使得整個(gè)控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單。既減少泄露故障點(diǎn)，較少維護(hù)量，同時(shí)又節(jié)約了成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能閥門定位器為客戶提供了智能一體化控制方案，有效地提升了控制性能以及滿足節(jié)能環(huán)保的需要。隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越多應(yīng)用的智能設(shè)備，從結(jié)構(gòu)和工作原理上認(rèn)識(shí)定位器，這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)可以更加熟練的操作維護(hù)，以保證生產(chǎn)設(shè)備的安全，長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]ABB TZID-C智能定位器操作使用手冊(cè).

[2]SIEMENS PS2智能定位器操作使用手冊(cè).

[3]STI產(chǎn)品操作使用手冊(cè).

[4]現(xiàn)代使用氣動(dòng)技術(shù).