基于閥門定位器的氣動調節閥故障診斷與預測

范耀峰 劉小強 蔣 浩 鐘盛輝

（重慶川儀自動化股份有限公司技術中心 重慶 400000）

一、閥門定位器工作原理

智能閥門定位器是廣泛應用于石油化工等領域的現場控制儀表，是調節閥的主要附件，通常與氣動調節閥配套使用，功能是接收來自中控的控制命令，精準控制閥門開度。

帶診斷功能的智能閥門定位器除了控制閥門開度外，另一項基本功能是對調節閥進行故障診斷，其診斷原理是利用壓力、行程、溫度等各種傳感器監控、采集調節閥系統中的重要數據，對數據進行分析比較，判斷出調節閥的當前狀態，智能閥門定位器系統框如圖1所示，行程傳感器測量調節閥的行程位移，壓力傳感器1測量輸入到智能閥門定位器的氣源壓力，壓力傳感器2測量智能閥門定位器輸出到執行機構氣缸的壓力。

圖1 閥門定位器結構框圖

二、調節閥故障診斷與預測

在一般工業現場，調節閥的使用量很大，對調節閥進行維護保養是一項非常重要的工作，如果對每臺調節閥都進行維護，不僅工作量大，而且會過度保養，造成資源浪費，調節閥的故障診斷預測目的就是科學地給出維護保養建議，幫助用戶有針對、有計劃、有目的地對調節閥進行維護與保養。

調節閥的常見故障如表1所示：

表1 調節閥故障列表

智能閥門定位器作為調節閥的主要附件，控制閥門的開度，在進行閥門開度控制的同時，可以利用自身的各種傳感器收集調節閥運行相關的參數，通過診斷算法對調節閥進行故障診斷與預測，一般來說，有些故障可以實時在線監控分析判斷，而有些故障需要智能閥門定位器控制調節閥執行不同開度動作，在控制開度過程中分析調節閥狀態，因此，我們將故障診斷分為在線診斷與離線診斷兩種。

三、在線診斷與離線診斷

（一）在線診斷

在正常生產過程中，閥位跟隨中控命令進行實時調節控制，不能影響正常生產工藝，在線診斷就是通過智能閥門定位器實時收集監控運行過程中的關鍵參數，通過綜合分析比較，對異常情況進行報警提示，在線診斷可以診斷的故障類型如下文所述。

智能閥門定位器是調節閥的核心控制單元，如果智能閥門定位器自身有故障，調節閥將不能正常工作，智能閥門定位器在正常工作時，可以采集的數據包括AD采集系統電壓、IP控制電壓、位置傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器數據，通過這些數據，定位器軟件可以分析出輸入信號超范圍、系統電壓故障、傳感器故障、溫度過高或過低、電氣轉換單元故障等。除了這些以外，通過對運行數據的監控記錄，智能閥門定位器可以實現更多數據統計分析，為更好地制定調節閥維護計劃提供參考，在線診斷可以診斷的故障類型如表2所示。

表2 在線診斷數據列表

各百分比段運行時間將閥位百分比劃分區間，記錄閥位在每個百分比段的運行時間，如果閥位長期運行在比較小的開度（10%）左右或者比較大的開度（90%）左右，可能是調節閥口徑選型不合理。各溫度段運行時間 統計智能閥門定位器在每個溫度段運行時間，如果長期工作在極限溫度，可能會將低調節閥壽命。

（二）離線診斷

離線診斷是診斷軟件控制定位器進行各種動作，生成并保存曲線數據，對歷史診斷數據的對比，分析得出當前狀態，提示用戶對調節閥進行保養、維護或維修，一般在離線診斷過程中，智能閥門定位器會控制閥門進行階躍響應測試、全行程測試和部分行程測試。

1.階躍響應

階躍響應測試是檢驗調節閥控制性能的重要方法，利用診斷軟件與智能閥門定位器通訊，控制調節閥進行不同開度測試，診斷軟件記錄目標閥位與實際閥位的曲線，稱為階躍響應測試曲線。其中，目標閥位百分比和時間間隔都可以設定，利用曲線可以很直觀地對調節閥的響應狀況做出判斷，例如閥門開度、上升時間、下降時間、滯后時間、超調情況等。

圖2 階躍響應測試曲線示意圖

通過離線階躍響應測試，可以發現目視檢查不能發現的調節特性，目標閥位與實際閥位兩條曲線的重合度越好，說明調節閥的控制性能越好。同時，階躍響應測試也可以將本次測試與歷史測試數據對比，以得到更準確的測試結果。

2.咬卡測試

咬卡測試的目的是分析調節閥咬卡故障發生的趨勢，在測試過程中，診斷軟件通過智能閥門定位器控制調節閥以一定速度進氣或排氣，使閥門完整地運行一個開關過程，橫坐標為閥門開度，縱坐標為輸出壓力，根據這兩個因素之間的關系，可以很清晰地判斷出閥門在進氣或排氣過程中是否發生咬卡現象。

圖3 咬卡測試曲線示意圖

四、結束語

可以看出，利用智能閥門定位器和與之配套的診斷軟件可以方便地對調節閥的部分故障狀況做出診斷，幫助用戶合理有計劃地對調節閥制定維護保養計劃，從而避免過度保養造成的資源浪費。