現(xiàn)場總線技術(shù)在閥門定位器中的應(yīng)用趨勢簡述

高峰

智能電氣調(diào)節(jié)閥在工業(yè)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)中作為一種重要的自動(dòng)化儀表的執(zhí)行器被廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)的石化、冶金和造紙等工業(yè)的行業(yè)尤其發(fā)揮著無法被代替的地位。在工業(yè)生產(chǎn)中，在流量方面提出的要求很嚴(yán)格，一方面在精度方面的要求比較高；另一方面在控制的方式上也多種多樣，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程中不同的閥門控制器的控制對調(diào)節(jié)工業(yè)中閥門的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的特性，以此來保證在工業(yè)生產(chǎn)中的不同的介質(zhì)的平衡力得到有效的控制，同時(shí)可有效控制因蒸汽的壓力帶來的摩擦力增多的問題，以此提高制造的精度，增大相關(guān)的控制的靈活性。而通過這種智能的電氣調(diào)節(jié)閥不需要對任何的參數(shù)進(jìn)行人為的重新設(shè)置，即可使得很多的流量的特性得到改變。我國工業(yè)起步較晚，在這方面智能電氣閥門的研究要比國外相對較晚，因此選擇合適的調(diào)節(jié)閥對加強(qiáng)我國工業(yè)的生產(chǎn)具有重要意義，同時(shí)現(xiàn)階段在我國市場上比較流行的調(diào)節(jié)閥大都屬于國外的產(chǎn)品，如西門子等國外大型的品牌，他們在中國關(guān)于調(diào)節(jié)閥的市場份額可占到我國的70%以上。而我國現(xiàn)階段未有屬于自主知識產(chǎn)權(quán)的調(diào)節(jié)閥，并且現(xiàn)有的調(diào)節(jié)閥在工業(yè)的過程中的功耗大。因此，研究具有屬于自己知識產(chǎn)權(quán)的和低功耗的調(diào)節(jié)閥，對促進(jìn)我國工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，不僅可以使得我國的電氣調(diào)節(jié)閥的趕上世界的設(shè)計(jì)水平，還可有效的降低我國工業(yè)自動(dòng)化的企業(yè)成本。

一、閥門定位器工作原理

閥門定位器作為控制閥的主要的部件之一，其主要起到控制和調(diào)節(jié)閥門的重要作用。其調(diào)節(jié)機(jī)制是通過將閥桿的位置的移動(dòng)量反饋給閥門定位器的控制單元，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制的閉環(huán)，使閥位控制更為精確，其主要的原理為如圖1所示：

二、國內(nèi)外閥門發(fā)展歷程

閥門定位器的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)到普通，再到現(xiàn)代的區(qū)域總線閥門定位器的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的閥門定位器主要以氣動(dòng)的閥門定位器為主，而隨著科技的發(fā)展，微控處理器的出現(xiàn)，使得將微控處理器應(yīng)用大閥門控制器中，形成后來的初步的智能閥門定位器，在隨著科技的發(fā)展和工業(yè)控制的進(jìn)步，現(xiàn)代化的閥門定位器和更先進(jìn)的智能算法結(jié)合起來，可以自己對安裝過程中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這讓安裝工作變得簡單，閥門定位器的投運(yùn)和維護(hù)也更容易，從而形成根據(jù)先進(jìn)和更加靈敏的控制器。

而由于國外的工業(yè)革命比較早，經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展和進(jìn)步，形成了以日本的西門子公司，德國的費(fèi)希爾一羅斯蒙特在內(nèi)的先進(jìn)閥門定位器生產(chǎn)企業(yè)，他們的研究成果，代表了未來閥門科技發(fā)展的方向，同時(shí)他們研制的閥門定位器在我國的市場份額占到我國的半壁江山，并且他們的多個(gè)品種系列廣泛的被國際社會接受和應(yīng)用。如Zhong SHH.《Research and Development of HVP SeriesSmart Valve Positioner.》發(fā)表的一文中提出，現(xiàn)在的國外已經(jīng)開始在研究一種仿照人工智能的的智能控制系統(tǒng)，這主要是利用其時(shí)變性和非線性的特點(diǎn)。國外已經(jīng)從智能化走向人工的智力的方向在研究；Shang QL，Jiang P《Research on Intelligent Elec-troPneumaticValvePositioner》文中指出，智能電子在閥門定位器中的應(yīng)用。通過這種技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)的便捷和更加迅捷的智能化，通過對參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整和設(shè)置，減少很多的人工的操作。

我國在閥門的生產(chǎn)方面比較晚，導(dǎo)致我國在閥門生產(chǎn)方面比較落后。隨著我國加入WTO后，我國的企業(yè)開始大規(guī)模的通過引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝來彌補(bǔ)技術(shù)上的差距，同時(shí)吸引國外優(yōu)秀的技術(shù)人才來到中國，對閥門定位器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研發(fā)，給我國的閥門定位器的發(fā)展的差距大大縮小。我國的研究學(xué)者對閥門定位器進(jìn)行了深刻的研究和分析，并形成了研究理論成果。聶紹忠在其于2009年發(fā)表的論文中對智能化的閥門定位器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，其采用能夠?qū)Ψ蔷€性的和具有時(shí)變性的對象進(jìn)行很好的處理的仿人智能控制方法使用在了閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要的控制單元智能閥門定位器上，在其應(yīng)用的過程中，仿人智能控制器能夠通過自我檢測對控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并能夠辨識出閥門的特征，并通過一定的補(bǔ)償手段來實(shí)現(xiàn)對氣體泄漏現(xiàn)象的阻斷，論文中體現(xiàn)了仿真結(jié)果，這說明了仿人智能算法的可應(yīng)用性。楊偉清，王化祥在2010年發(fā)表的《智能電氣閥門定位器的參數(shù)自整定》問中介紹了基于HART協(xié)議的二線制智能電氣閥門定位器的硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的參數(shù)自整定。通過采用分段線性化的方法對參數(shù)自整定過程進(jìn)行了改進(jìn)，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)辨識優(yōu)化控制所需的參數(shù)，例如對其中的狀態(tài)參數(shù)如氣體泄漏量的測量和辨識優(yōu)化，可以對控制閥的精度和速度起到提高的作用。付健在2013年8月發(fā)表的《HVP型智能閥門定位器設(shè)計(jì)》文中指出，未來低功耗、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)化智能閥門定位器已經(jīng)成為氣動(dòng)執(zhí)行器控制調(diào)節(jié)閥的重要部件。提出一種運(yùn)用多項(xiàng)自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)方案，并據(jù)此開發(fā)智能閥門定位器。

三、閥門定位器控制算法研究現(xiàn)狀

閥門可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同進(jìn)行分類，其主要分為三種，其分別是氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)閥門。其中在工業(yè)中氣動(dòng)閥門的應(yīng)用范圍較大，這是因?yàn)槠渚哂休^多的優(yōu)點(diǎn)，例如氣動(dòng)閥門的結(jié)構(gòu)較為簡單，同時(shí)能夠防爆炸和防火，使用起來不需要較高的技術(shù)性，操作非常便捷和可靠。本文主要是對氣動(dòng)智能電閥門定位器進(jìn)行了討論，其控制算法如下：

（1）常規(guī)PID控制。PID控制算法的原理是：控制量的確定是由系統(tǒng)誤差及其積分與微分而后再成一個(gè)系數(shù)得到的結(jié)果而確定的，這是當(dāng)前普遍使用的一種控制算法，但是存在一定的缺陷，例如針對啟動(dòng)執(zhí)行器的控制，由于其非線性與時(shí)變性的特點(diǎn)，控制的精度較低，同時(shí)不具備較好的動(dòng)態(tài)性能以及魯棒性。

（2）基于狀態(tài)觀測的補(bǔ)償控制。氣動(dòng)執(zhí)行器存在非線性、時(shí)變性、滯后性等缺點(diǎn)，此外，氣動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行時(shí)會存在一定的間隙和摩擦，這都會對控制的效果產(chǎn)生一定的影響，而通過對氣動(dòng)執(zhí)行器的狀態(tài)量進(jìn)行觀測并通過一定的手段對其進(jìn)行補(bǔ)償，例如使用摩擦力補(bǔ)償法來補(bǔ)償氣動(dòng)執(zhí)行器的滯后特性，可以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。

（3）預(yù)測控制。有一些工業(yè)生產(chǎn)過程較為復(fù)雜，且較難使用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行描述，這種情況下可以使用預(yù)測控制算法對其進(jìn)行控制。現(xiàn)在很多領(lǐng)域例如電力、石油、機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的控制系統(tǒng)都應(yīng)用了預(yù)測控制算法。預(yù)測算法的模型較多，其中有基于模糊推斷的氣動(dòng)執(zhí)行器的預(yù)測模型。預(yù)測算法也存在一些缺陷，主要體現(xiàn)在其具有較低的控制精度，控制反饋中的反調(diào)整方法較為單一等。

（4）滑模控制。滑模控制算法使一種非連續(xù)、非線性的控制算法，具有一定的魯棒特性，其控制的過程是不同控制邏輯的不斷的轉(zhuǎn)換的過程，但是使用該控制算法在控制氣動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，具有一定的慣性和時(shí)間滯后性，這會導(dǎo)致抖振的抑制。（見表1）

四、現(xiàn)場總線技術(shù)在閥門定位器中的應(yīng)用趨勢

現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展對推動(dòng)了智能閥門定位器的不斷的進(jìn)步，其引發(fā)了智能閥門定位器控制系統(tǒng)的變革，與傳統(tǒng)的控制形式不同的是，其將控制模塊、IO模塊等功能模塊集成到了智能現(xiàn)場設(shè)備中，并通過一條通信電纜將智能現(xiàn)場設(shè)備、定位器、執(zhí)行器、測量儀表等連接到了一起，形成了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，這樣大大增強(qiáng)了智能控制系統(tǒng)的控制時(shí)效性，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)備的較為分散的控制。實(shí)用了現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備以及一起需要符合規(guī)定的總線標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)信號傳遞的匹配性。現(xiàn)場總線的發(fā)展基礎(chǔ)是智能儀器的迅速的發(fā)展，現(xiàn)在現(xiàn)場總線的類型較多，有HART、PROTIBUS、基金會現(xiàn)場總線等。

HART是一種具有兼容性的現(xiàn)場總線技術(shù)方案，其可以實(shí)現(xiàn)總線服務(wù)的優(yōu)勢，同時(shí)能夠兼容現(xiàn)在還存在的4-20mA系統(tǒng)，其遵循的協(xié)議是HART協(xié)議，該協(xié)議是一種過渡協(xié)議，是將模擬的系統(tǒng)向數(shù)字化、信息化進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程，也因此而具有兼容性。基于HART協(xié)議生產(chǎn)的智能儀器的特點(diǎn)是成本低、精度高，同時(shí)較容易維護(hù)，因此其在市場上應(yīng)用較為廣泛，所占的市場份額也比較大。據(jù)推測，在未來的15到20年間，HART協(xié)議會一直使用，因此，其應(yīng)用空間較為廣闊。基于HART協(xié)議的現(xiàn)場總線與智能數(shù)字閥門定位器的結(jié)合是未來發(fā)展的趨勢，但是我國由于工業(yè)化進(jìn)程起步較晚，關(guān)于智能閥門定位器的研究也不夠多，比之西方國家有一定的落后性，因此，我國應(yīng)該積極推動(dòng)相關(guān)智能化的產(chǎn)品的研究與生產(chǎn)。