智能化控制閥位置精度測試方法研究

王一翔，柯一杭，陳睿哲，陳丐榮,繆克在

(1.浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，浙江 溫州 325100；2.溫州系統(tǒng)流程裝備科學(xué)研究院，浙江 溫州 325100；3.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；4.浙江省泵閥行業(yè)協(xié)會(huì)，浙江 溫州 325100)

0 引言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，管道輸送建設(shè)越來越趨向智能化。以智能化控制閥代替人工操作的閥門，減少了人員近距離操作閥門的危險(xiǎn)，提高了工作效率，在管道系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制中發(fā)揮巨大作用[1]。

位置精度作為控制閥的重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響回差、基本誤差、流量系數(shù)等性能指標(biāo)[2]。控制閥位置精度是由執(zhí)行器、閥體、定位器三者的整體配合決定的[3]。裝配間隙、傳動(dòng)軸粗糙度、填料密封預(yù)緊力、結(jié)構(gòu)尺寸、校準(zhǔn)調(diào)試、裝配工藝，以及工況下的溫度和壓力等都會(huì)直接影響控制閥位置精度，間接影響控制閥的泄漏量、流量系數(shù)、流阻系數(shù)和流量特性等。因此，在出廠時(shí)應(yīng)檢測、調(diào)試控制閥位置精度。

國內(nèi)外企業(yè)基本采用游標(biāo)卡尺或者百分表檢測、調(diào)試控制閥位置精度，精度低、耗時(shí)長、計(jì)算繁瑣，檢測結(jié)果重復(fù)性不高。采用這些方法時(shí)，校準(zhǔn)計(jì)算一個(gè)閥門至少需要半小時(shí)以上，效率低，過程繁瑣，滿足不了生產(chǎn)流程要求。因此，很多企業(yè)忽略了控制閥位置精度的調(diào)試，默認(rèn)基本達(dá)到控制閥的最佳精度，甚至誤認(rèn)為在執(zhí)行器和閥體上安裝了高精度定位器的控制閥即是高精度控制閥，而沒考慮高精度定位器的調(diào)試匹配。智能化控制閥位置精度測試方法能滿足控制閥位置精度檢驗(yàn)的需求，有效提高裝配調(diào)試效率。

1 測試工作原理

智能化控制閥位置精度測試方法根據(jù)國內(nèi)外控制閥相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，配合數(shù)字化閉環(huán)控制和高精度位移傳感器，可進(jìn)行氣動(dòng)控制閥、電動(dòng)控制閥、氣缸、電磁閥等產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)、死區(qū)、回差、基本誤差、始終點(diǎn)偏差和額定行程偏差試驗(yàn)項(xiàng)目[4]。采用C#語言編輯控制界面，可記錄位置精度的數(shù)據(jù)曲線，并且自動(dòng)判定試驗(yàn)結(jié)果，更加智能化[5]。直行程方法原理如圖1所示。

圖1 直行程方法原理

當(dāng)試驗(yàn)樣品為直行程控制閥時(shí)，利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)發(fā)送控制信號(hào)給控制閥的定位器。定位器通過控制閥執(zhí)行器控制閥桿的升降，通過固定于閥桿上的固定橫臂帶動(dòng)拉線位移傳感器的線頭伸縮。拉線位移傳感器反饋其即時(shí)行程位移值(精度為0.01 mm)，實(shí)現(xiàn)控制閥動(dòng)作的行程位移數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)計(jì)算死區(qū)、回差、基本誤差、始終點(diǎn)偏差、額定行程偏差[6]。

當(dāng)試驗(yàn)樣品為角行程控制閥時(shí)，用固定裝置將拉線固定于閥桿表面，拉線緊貼于閥桿表面。控制閥轉(zhuǎn)動(dòng)α角度對應(yīng)弧長ΔL變化，通過拉線位移傳感器伸縮感應(yīng)位移增量。拉線位移傳感器精度為0.01 mm，因此其角度感應(yīng)精度和閥桿直徑成正比。

(1)

式中：α為轉(zhuǎn)動(dòng)角度，(°)；ΔL為拉線位移傳感器位移增量,mm；D為閥桿直徑,mm；d為拉線直徑,mm。

角行程方法原理如圖2所示。

圖2 角行程方法原理

角度感應(yīng)精度如表1所示。

表1 角度感應(yīng)精度

2 測試項(xiàng)目要求

2.1 死區(qū)

死區(qū)測試項(xiàng)目主要測試25%、50%、75%輸出信號(hào)點(diǎn)的死區(qū)偏差值。以25%、50%、75%輸出信號(hào)點(diǎn)的拉線位移傳感器反饋的即時(shí)行程位移值作為比較點(diǎn)，通過增加或減小脈沖信號(hào)(最小脈沖信號(hào)為0.001 33 mA)，改變拉線位移傳感器的即時(shí)行程位移值，記錄此刻的輸出信號(hào)。死區(qū)偏差值如式(2)所示。

(2)

2.2 回差

回差測試項(xiàng)目主要測試0%、25%、50%、75%、100%輸出信號(hào)點(diǎn)的回差偏差值。首先，輸出信號(hào)按照0%、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0%的順序進(jìn)行一次回差試驗(yàn)。然后，控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄每個(gè)信號(hào)點(diǎn)的拉線位移傳感器反饋行程位移值，并自動(dòng)計(jì)算同一輸出信號(hào)點(diǎn)的回差偏差值。同時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制位移-信號(hào)曲線。設(shè)第一次經(jīng)過輸出信號(hào)點(diǎn)的拉線位移傳感器反饋行程位移值為X1，第二次回程輸出信號(hào)點(diǎn)的拉線位移傳感器反饋行程位移值為X2。回差偏差值如式(3)所示。

(3)

2.3 基本誤差

基本誤差測試項(xiàng)目主要測試0%、25%、50%、75%、100%輸出信號(hào)點(diǎn)的基本誤差偏差值。25%輸出信號(hào)點(diǎn)的基本誤差如式(4)所示。

(4)

2.4 始終點(diǎn)偏差

始終點(diǎn)偏差測試項(xiàng)目主要測試0%、100%輸出信號(hào)點(diǎn)的偏差值。0%輸出信號(hào)點(diǎn)的始終點(diǎn)偏差如式(5)所示。

(5)

2.5 額定行程偏差

額定行程偏差測試項(xiàng)目主要測試100%輸出信號(hào)點(diǎn)的偏差值，輸出信號(hào)值為20 mA。此時(shí)，拉線位移傳感器反饋即時(shí)行程位移值。額定行程偏差如式(6)所示。

(6)

3 測試

根據(jù)控制閥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取氣動(dòng)直行程控制閥、氣動(dòng)角行程控制閥、電動(dòng)角行程控制閥進(jìn)行死區(qū)、回差、基本誤差、始終點(diǎn)偏差、額定行程偏差測試。

3.1 氣動(dòng)直行程控制閥

氣動(dòng)直行程控制閥(PN40 DN100)的額定行程為40 mm，非智能定位器E級精度。對比GB/T 4213—2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》[7]，氣動(dòng)直行程的位置精度如表2所示。

表2 氣動(dòng)直行程的位置精度

由表2可知，回差、基本誤差測試項(xiàng)目不合格。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，原因是填料壓蓋螺栓預(yù)緊力太大，氣缸帶動(dòng)閥桿直行程啟閉過程受閥桿填料和閥桿間的摩擦力作用，影響位置精度。

解決措施為：使用扭矩扳手按照設(shè)計(jì)要求值對填料壓蓋螺栓進(jìn)行預(yù)緊；同時(shí)，在滿足閥桿強(qiáng)度的前提下，通過減小閥桿直徑和閥桿表面粗糙度降低摩擦力影響。

如果是角行程控制閥有類似不合格項(xiàng)目和曲線特征，通常是由于多次啟閉導(dǎo)致執(zhí)行器和閥桿鍵配合處的間隙太松。對此，可調(diào)整鍵配合，采用花鍵套和花鍵軸組合，增加扭矩總接觸面積，提高閥桿和鍵的材料硬度，避免磨損間隙產(chǎn)生。氣動(dòng)直行程的位置精度曲線如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)直行程的位置精度曲線

3.2 氣動(dòng)角行程控制閥

氣動(dòng)角行程控制閥(PN16 DN250)的額定角度為60°，智能定位器B級精度[8]。對比GB/T 4213—2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》，氣動(dòng)角行程的位置精度如表3所示。

表3 氣動(dòng)角行程的位置精度

氣動(dòng)角行程的位置精度曲線如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)角行程的位置精度曲線

由表3和圖4可知，雖然標(biāo)準(zhǔn)要求0%、25%、50%、75%、100%輸出信號(hào)點(diǎn)的測試項(xiàng)目符合標(biāo)準(zhǔn)要求值，但是10%、20%、80%、90%輸出信號(hào)點(diǎn)附近的回差位置偏移嚴(yán)重，直接影響控制閥該點(diǎn)信號(hào)的實(shí)際流量控制。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，原因是氣動(dòng)角行程執(zhí)行器的智能定位器在初始自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)，細(xì)分段算法太少，導(dǎo)致在10%和90%輸出信號(hào)點(diǎn)位置附近存在行程滯后。開啟方向在10%輸出信號(hào)點(diǎn)時(shí)角度為0°，關(guān)閉方向在90%輸出信號(hào)點(diǎn)時(shí)角度為61.47°，在25%、50%、75%輸出信號(hào)點(diǎn)能正常自動(dòng)定位。

解決措施為：采用高細(xì)分段自動(dòng)校準(zhǔn)算法的智能定位器改善其位置精度；同時(shí)，應(yīng)修訂完善相關(guān)控制閥標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)只有0%、25%、50%、75%、100%五個(gè)輸出信號(hào)點(diǎn)，而應(yīng)規(guī)定更多信號(hào)檢測點(diǎn)來滿足智能定位器的檢測需求和加工能力發(fā)展。

3.3 電動(dòng)角行程控制閥

電動(dòng)角行程控制閥(PN16 DN200)的額定角度為60°，2.5級精度。對比JB/T 7387—2014《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用電動(dòng)控制閥》[9]，電動(dòng)角行程的位置精度如表4所示。

表4 電動(dòng)角行程的位置精度

電動(dòng)角行程的位置精度曲線如圖5所示。

圖5 電動(dòng)角行程的位置精度曲線

由表4和圖5可知，閥門的回差試驗(yàn)項(xiàng)目滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是基本誤差在25%、50%、75%三個(gè)輸出信號(hào)點(diǎn)存在偏離。通過曲線可以觀察到基本誤差測試項(xiàng)目除了0%和100%輸出信號(hào)點(diǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外，其余的都偏離標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，原因是電動(dòng)角行程執(zhí)行器的位置調(diào)試存在問題，只有始終點(diǎn)的位置達(dá)到開啟和關(guān)閉額定行程效果，忽視了中間過程值的位置精度。當(dāng)達(dá)到80%信號(hào)輸出點(diǎn)時(shí)閥門就已經(jīng)達(dá)到60°滿量程，產(chǎn)生的偏離直接影響每個(gè)相應(yīng)輸出信號(hào)點(diǎn)的流量控制。

解決措施為：校對中間過程值的位置精度。

3.4 結(jié)果分析

對氣動(dòng)直行程控制閥、氣動(dòng)角行程控制閥、電動(dòng)角行程控制閥進(jìn)行位置精度試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

①控制閥應(yīng)按照設(shè)計(jì)扭矩對填料壓蓋螺栓進(jìn)行預(yù)緊，閥桿直徑和閥桿表面粗糙度影響啟閉摩擦力。

②角行程閥應(yīng)采用花鍵套、軸組合，增加扭矩接觸面積和材料硬度，避免磨損間隙產(chǎn)生。

③應(yīng)采用高細(xì)分段自動(dòng)校準(zhǔn)算法的智能定位器，改善其位置控制精度。

④執(zhí)行器的位置調(diào)試不應(yīng)只考慮始終點(diǎn)定位，還應(yīng)校對中間過程值的位置精度。

4 結(jié)論

目前，國內(nèi)外控制閥企業(yè)進(jìn)行控制閥位置精度測試時(shí)，基本采用游標(biāo)卡尺或者百分表檢測、調(diào)試，精度低、耗時(shí)長、計(jì)算繁瑣、檢測結(jié)果重復(fù)性不高。智能化控制閥位置精度測試方法將傳統(tǒng)的人工測試、人工記錄、人工計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)字化、智能化，滿足控制閥位置精度的生產(chǎn)檢驗(yàn)需求和裝配調(diào)試效率。企業(yè)在無流量流阻試驗(yàn)裝置的條件下，采用智能化控制閥位置精度測試是較經(jīng)濟(jì)、有效的質(zhì)量把關(guān)手段。該方法可通過測試數(shù)據(jù)曲線對制造工藝、裝配質(zhì)量、材料磨損、驅(qū)動(dòng)和定位器選型等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，提高流量控制精度，有利于生產(chǎn)企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量水平。