淺析AD系列智能閥門定位器的性能特點及應(yīng)用前景

孫文浩，牟傳鎮(zhèn)，張志紅

（山東省技術(shù)改造工程公司，濟南 250100）

0 引言

近年來，智能化熱潮席卷全球，智能化理念滲透進各個領(lǐng)域，工業(yè)方面表現(xiàn)為：智能工廠、工業(yè)4.0 等。石油化工領(lǐng)域的智能工廠，其重要實踐表現(xiàn)為智能儀表的傳感器檢測及自動控制。而自動調(diào)節(jié)閥對生產(chǎn)控制過程直接發(fā)生作用，調(diào)節(jié)閥的智能化主要由智能閥門定位器來體現(xiàn)。執(zhí)行單元是智能化中最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能閥門定位器是整個執(zhí)行單元的大腦與核心。

自2010 年起，正式在國內(nèi)市場推出AD 系列智能閥門定位器，截止2019 年底，銷售總量2 萬余臺。

2020 年初，研發(fā)成功調(diào)節(jié)閥管理軟件SmartLink，通過AD 智能閥門定位器的上傳信息，借助階躍響應(yīng)曲線，全面實時在線對裝置中的每臺調(diào)節(jié)閥完成組態(tài)、分析、校準、檢驗、診斷和故障排查。

1 產(chǎn)品概述

1）AD 智能閥門定位器采用噴嘴擋板結(jié)構(gòu)形式，配置經(jīng)典的氣動放大器，構(gòu)成高性能的二級放大模式，降低了反應(yīng)死區(qū)，加快了響應(yīng)時間，提高了動態(tài)性能。

2）AD 智能閥門定位器的MCU 采用開源的RISC-V 芯片，主控板成品均做老化試驗，芯片采用工業(yè)級品質(zhì)。

3）AD 智能閥門定位器的位置傳感器采用強磁性合金材料構(gòu)成惠斯通電橋形式，物理特性和化學(xué)特性均十分穩(wěn)定，沒有機械摩擦，抗震性極強，在嚴酷苛刻的工業(yè)環(huán)境中，保持了定位器的高度可靠性。

4）采樣檢測芯片選用高分辨率 24 位 Σ- ? 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不受噪聲環(huán)境影響，適用于寬動態(tài)范圍，低頻信號的測量，無誤碼模擬信號調(diào)制。非線性度為 0.0015%，具有自校準、系統(tǒng)校準和背景校準功能，可以清除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂浮的影響。

AD 智能閥門定位器憑借以上4 點優(yōu)勢，在國內(nèi)市場中占有獨特位置。

2 AD智能閥門定位器的結(jié)構(gòu)形式

AD 智能閥門定位器在硬件上采用了模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，由5 個功能模塊組成：主控線路板、電氣轉(zhuǎn)換器、氣動放大器、位置反饋器以及配置氣路通道的殼體。模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是使定位器的現(xiàn)場維護保養(yǎng)更加簡捷便利。在判斷出故障問題后，僅需直接更換模塊即可，單個模塊更換在10min 以內(nèi)就可以完成。

依定位器的I/P 電氣轉(zhuǎn)換器形式分類，主要有壓電閥和噴嘴擋板形式，以西門子為代表的產(chǎn)品采用壓電閥形式。噴嘴擋板結(jié)構(gòu)是從機械式定位器演化而來，高度可靠性是其主要優(yōu)勢，但加工制作繁瑣，對導(dǎo)磁材料及彈性材料的質(zhì)量有較高標(biāo)準要求。輕型化、小型化是工業(yè)智能儀表的主流方向，涉及的電氣轉(zhuǎn)換器由于采用工程塑料壓鑄成型，外形體積很小。

經(jīng)過市場考核發(fā)現(xiàn)，今后相當(dāng)一段時間內(nèi)，噴嘴擋板形式在技術(shù)上仍是主流。本公司研發(fā)的AD 系列閥門定位器就采用這種結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過權(quán)威機構(gòu)鑒定，各項技術(shù)性能指標(biāo)達到國際先進水平，位居國內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先位置。

圖1 為AD 智能閥門定位器主控線路板結(jié)構(gòu)原理框圖。

定位器采用兩線制供電方式，要求電路的功耗盡可能地降低，來自調(diào)節(jié)器（或DCS）的4mA ～20mA 信號，同時也是定位器主控線路板的供電電源，主板上的“輸入輸出處理單元”即完成信號的處理及電源供電。

圖1 AD智能閥門定位器主控板原理框圖Fig.1 Block diagram of the main control board of AD intelligent valve positioner

圖2 整定操作行程計算軟件流程框圖Fig.2 Flow chart of the software for setting operation stroke calculation

為實現(xiàn)操作簡單快捷，設(shè)計有“一鍵整定”方式，無需借助外部儀器，也無需依循多個步驟方能進入整定狀態(tài)，即開機第一步即可完成，整個自整定調(diào)試過程僅需2min。自整定的內(nèi)容包括確定控制閥的零點、開度、摩擦系數(shù)、執(zhí)行機構(gòu)氣容量、正反作用、氣開或氣關(guān)以及線性度等參數(shù)。“一鍵整定”方式，充分發(fā)揮了智能儀表的優(yōu)勢，極大提高了工作效率。

“一鍵整定”方式是軟件上借助于多種模型算法來實現(xiàn)的。圖2 是計算閥位開度的軟件流程框圖。

圖3 位置傳感器角度檢測原理圖Fig.3 Schematic diagram of position sensor angle detection

依據(jù)位置反饋工作原理來區(qū)分，AD 系列智能閥門定位器選用非接觸式強磁合金材料組成惠斯通電橋形式的磁傳感器。位置反饋若選用電位器形式，其缺點是不抗震、不耐磨，可靠性低，壽命短。

3 反饋型定位器的結(jié)構(gòu)特點

對于調(diào)節(jié)閥的閥位反饋回訊功能的要求，AD 智能閥門定位器采用了新穎的外置反饋模塊加通訊結(jié)構(gòu)，是雙MCU及雙HART 模式，對外銷售型號是AD1101，在現(xiàn)場實際應(yīng)用中取得了較好的成效。

在重要的關(guān)鍵控制點上，設(shè)計中會增加閥位反饋輸出要求。設(shè)置閥位反饋輸出的設(shè)計初衷就是驗證定位器驅(qū)動調(diào)節(jié)閥是否正確工作，以此提高整個控制系統(tǒng)的可靠性。

閥位反饋輸出分定位器內(nèi)置式及定位器外置式二種。內(nèi)置式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷，目前多數(shù)品牌定位器采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。但反饋模塊與定位器合為一體，并且共用一個微控制器（MCU）及通訊通道，其可靠性是建立在定位器基礎(chǔ)之上的，如果定位器內(nèi)部尤其是主控板出現(xiàn)故障，或者內(nèi)部通訊通道出現(xiàn)故障，則反饋輸出必然處于錯誤指示中，這有悖設(shè)置反饋輸出的設(shè)計初衷。

外置式閥位輸出與定位器各自獨立，可以相互印證工作狀態(tài)，這正符合加裝閥位反饋輸出的設(shè)計初衷。但一般的外置式閥位反饋變送器較少有智能型，多是采用凸輪機械結(jié)構(gòu)或電位器結(jié)構(gòu)，檢測精度較低，可靠性及穩(wěn)定性較差。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥及其閥桿實際尺寸來看，若使完全獨立的閥位變送器在調(diào)節(jié)閥上完成裝配，因閥桿機械空間有限，智能定位器、閥位開關(guān)和閥位變送器三者均采取閥位機械變化位置的話，其機械裝配機構(gòu)將必然在狹小空間中形成相互干涉。AD1101 系列智能定位器的閥位反饋輸出，則能很好地解決機械機構(gòu)裝配繁瑣問題，將內(nèi)置式和外置式二者優(yōu)點結(jié)合在一起。

圖4 位置傳感器等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of position sensor

4 反饋功能的實現(xiàn)

AD1000 系列定位器的位置傳感器采用的是非接觸型的電磁感應(yīng)傳感器，抗振動，不受溫度變化影響，可長期應(yīng)用于惡劣工況環(huán)境中，AD 系列定位器的位置傳感器等效電路如圖4 所示。

AD1101 智能定位器閥位反饋取采樣點a、b 間電壓Vab，利用AD 定位器的同一個調(diào)節(jié)閥閥桿運行點進行機械變化。Vab 電壓一路供定位器采樣，一路外引至外部閥位轉(zhuǎn)換模塊，這樣就省卻了一套調(diào)節(jié)閥機械結(jié)構(gòu)，因閥位反饋轉(zhuǎn)換模塊供電及輸出均獨立于定位器，因此其可靠性極大提高。AD1101 型智能閥門定位器的閥位反饋雖應(yīng)歸類于外置式，但與主定位器選用同一套調(diào)節(jié)閥閥桿運行檢測轉(zhuǎn)換機構(gòu)。

實際電路應(yīng)用中，為更好地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，按圖5所示完成采樣電路。該定位器的閥位反饋輸出形式較好地融合了“外置式”反饋輸出的獨立可靠的優(yōu)點，又避免了冗余的調(diào)節(jié)閥閥桿機械轉(zhuǎn)換機構(gòu)。在簡化機械裝配工作的同時，又提高了系統(tǒng)的可靠性。

閥位轉(zhuǎn)換模塊也是智能型，如圖6 所示。配帶HART協(xié)議，可以隨意調(diào)整量程及故障檢測功能。

這樣一來，就構(gòu)成了“雙MCU”及“雙HART”形式。在自動控制調(diào)節(jié)閥中，應(yīng)有較好的應(yīng)用前景。

可以肯定地說，在定位器反饋輸出中提出“外置式”理念，以及“雙MCU”及“雙HART”結(jié)構(gòu)形式，是由本公司第一次向外界提出并在實踐中應(yīng)用的。

表1 產(chǎn)品的各項技術(shù)指標(biāo)Table 1 Various technical indicators of the product

5 總體性能指標(biāo)與同類先進產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)比較

表1 是產(chǎn)品的各項技術(shù)指標(biāo)的具體描述。

6 結(jié)束語

智能閥門定位器產(chǎn)品的延伸研發(fā)，將圍繞軟件故障診斷及嵌入手操器的調(diào)節(jié)閥預(yù)維護診斷軟件方面進行。本公司于近期研發(fā)成功的調(diào)節(jié)閥管理軟件SmartLink，實現(xiàn)了對調(diào)節(jié)閥的組態(tài)、分析、校準、檢驗、診斷和故障排查。另一方面，健全完善智能閥門定位器的應(yīng)用生態(tài)環(huán)境，像手機的APP 一樣，允許用戶自行開發(fā)的應(yīng)用小程序下載嵌入系統(tǒng)中，形成用戶個性化系統(tǒng)，也是智能工廠的一個發(fā)展方向。

圖5 位置傳感器輸出電路圖Fig.5 Position sensor output circuit diagram

圖6 閥位輸出變送器原理圖Fig.6 Schematic diagram of valve position output transmitter