氣動閥門定位器創新應用的探索與實施

王海東

（鶴壁煤電股份有限公司化工分公司 儀表公司，河南 鶴壁 458000）

0 引言

在鶴壁煤化工BDO 裝置，閥門PV3722，此閥門的作用是將4.0 Mpa 的中壓蒸汽減壓至次中壓1.9 Mpa，為后續裝置使用，閥門為單臺定位器。在正常生產中，出現過定位器故障導致閥門開度異常，最終導致后續裝置全部停車的事故，給公司造成巨大的損失。定位器為西門子SIPART PS2 智能型，出現故障后導致閥門開度異常，如何能夠改變這樣現狀，一種方案是重新設計管道，增加支路，在支路增加一臺調節閥，兩臺調節閥一開一備。當一臺出現故障后，切換到另外一路工作。但這種方案需要增加投入比較大，另外需要變更設計。另一種方案是從閥門附件的穩定性入手，研究如何使定位器降低故障率以及定位器故障以后，如何將損失降低。

1 定位器的工作原理

西門子SIPART PS2 系列電氣閥門定位器屬于智能范疇，核心組成部分為微處理器，利用新型的壓電閥來實現對輸出壓力的調節控制。針對壓電閥的控制，CPU 需要借助5 個流程，實現程序控制的目的，精準度較高，速度較快，達到對輸出氣源壓力增減幅度的有效控制。對于其控制算法，引入了數字PID 調節手段，結合輸入信號的大小，綜合考慮閥門偏差，在明確方向的前提下，對PID 進行計算，實現PWM 脈寬調制脈沖信號的形成，達到對壓電閥開關的有效控制。由于脈沖的寬度與定位器輸出氣源壓力大小息息相關，因而實現對氣源壓力輸出值的針對性改變，速度較快，準確度較高。一旦偏差值較大，定位器會輸出連續性質的信號，促使輸出氣路壓力值出現大幅度變化，呈現快速與連續狀態。如果偏差較小，定位器輸出的脈沖信號較小，呈現斷續狀態，幅度有限，在此基礎上對氣路壓力進行改變。此時，不存在脈沖輸出現象，維護了閥位工作的穩定性。

依托壓電閥器件，能夠增強控制的精準度。在壓電閥之中，核心元件為壓電柔韌開關閥，質量不大，慣性較小，支持較高的開關頻率。因此，被定義為高頻率脈沖閥，達到對氣路壓力的有效控制，發揮對執行機構的驅動作用，在根本上提升了閥門定位的精準性。

閥位反饋元件結構并不復雜，精度超高，可靠性突出，是先進的導電塑料電位器，促使執行機構的直線或轉角位轉化為電阻信號，滿足閥位精準定為的需求，在根本上適應閥門流量特性曲線的定位要求。

2 定位器調試方法

2.1 自動整定

合理進行執行機構的移動，與中心位置分割，實現初始化發展。①對手型鍵進行下按操作，時間為5s，而后構建組態方式；②對方式鍵進行短時間操作，隨后出現第二參數，同時參數需要保障與杠桿比率開關的設定值相統一；③對手型鍵進行切換操作，此時顯示為OFF。在初始化結束之后，如果需要借用mm 表示沖程量，這步操作必不可少，需要保證顯示屏的參數與刻度桿上驅動的設定值一致；④借助手型鍵完成切換操作，顯示INITA。此時，操作下按“＋”鍵，時間在5s 以上，進入初始化階段。在這個過程中，“RUN1”至“RUN5”逐一顯示在顯示屏的下行位置。初始化需要以執行機構為基礎，一般需要15min 左右。如果出現顯示“finish”字樣，代表初始化結束。此時，需要下按手型鍵超過5s，促使組態方式得以結束。在5s 之后，方式鍵松開，手動方式運行，然后根據情況使用自動。

2.2 手動整定

①借助手工驅動，操作直行程執行機構，促使全部沖程得以全面覆蓋。也就是說，將顯示電位設定在P5.0 和P95 的區間之內；②按住手型鍵5s，組態方式運行，顯示為WAY；③按下手型鍵，采取短時間操作的方式，切換到第二參數狀態，角度選擇為33°或90°，參數值需要匹配傳送速率選擇器設定值；④借助手型鍵，調整到OFF 狀態，如果需要借助mm 表示全沖程，在顯示器中選擇與驅動銷釘在桿刻度上相同的設定值；⑤操作下按手型鍵兩次，此時，顯示為顯示INITM，按增加鍵5s 以上，初始化開始。下按增加鍵5s 以上，開始初始化；⑥持續5s 之后，顯示參數發生變化，為P32.9。此時，借助增加與減少鍵，促使執行機構發生運行，直到達到目標終端的首個位置。而后，下按手型鍵。借助這種方式，終點位置1 取代了當前位置，同時下一步開始執行。一旦出現RANGE，同時處于下行，終點位置此時處于規定區間之外，需要借助幾種手段進行修正：對摩擦夾緊單元進行調整，直到出現OK顯示。隨后，再次按住手型鍵。借助增加與減少鍵調整到另一結束位置。下按手型鍵，初始化操作出現中斷，此時手動方式形成，結合第1 步進行行程的校正，界定測量位置；⑦在以上步驟結束之后，顯示數值為P22.4，再用增加（＋）和減少（－）鍵，驅動程序得以執行，抵達第二終點位置。隨后，下按手型鍵，終點位置2 取代當前位置；⑧對于初始化的停止，其以自動的方式呈現，同時，此時RUN1 到RUN5 順序呈現在顯示屏的下行。在初始化程序全部完成之后，會顯示FINISH。如果3YWAY 參數輸入設置了桿長，首行會出現以mm 表示的規定沖程。短按手型鍵，下行會再次出現5INITM，這就代表此時處于重來一次組態方式的狀態之下。下按方式鍵5s 以上，退出組態方式。在接近5s 的時候，軟鍵顯示將出現。松開之后，將處于Manual 方式。

3 定位器創新應用

3.1 在線更換定位器

當單臺定位器在正常運行時故障后，可以通過以下方法在不停車的時候更換定位器。定位器故障后，閥門不受定位器控制，此時需要機械限位卡子或者機械手輪將閥門固定在一個位置上，用Hart 475 手操器與有問題的定位器進行通訊。連接好后，選擇“Online”右鍵進入，寫允許，選擇“yes”，然后點擊“確認”鍵。只有寫允許打開以后，后面的一些參數才可以讀取更改。選擇“configure項”右鍵進入，第一項“initial setup”與第二項“setpoint value”有用（初始設置與設定點值），里面會涉及到直行程還是角行程，選擇33°還是90°，0mA～20mA 還是4mA～20mA，以及電流4mA 關，還是4mA 開，共4 項參數，需記錄好里面的數據。返回到主菜單，進入第五項（診斷），再進入“Initialization”，進入“loading init data”，開始加載初始化數據，加載完成后，返回上一級菜單，然后選擇第4 項（初始化參數清單），右鍵進入。一共有17 項參數，分別進入每一項參數，然后記錄里面的數據，加上之前的4 項參數，一共是21 項參數，記錄未拆定位器之前的閥門行程，將有問題的定位器拆下，然后更換新的定位器。定位器安裝好后，先不要開氣源，將比率選擇器按照拆卸的定位器選好，同時鎖緊裝置選擇正確。按照剛才讀取舊定位器的方法，將參數一項一項地寫進新定位器。需注意：475 與安裝的新定位器連接后，第一步是更改讀寫允許，改為yes，然后才可以寫參數，否則參數無法寫入。把這21 項參數寫到新的定位器里面，定位器便可直接工作，誤差不會超過1%。除了初始化的17 項參數外，其余的4 項也可以用定位器按鍵手動修改。初始化參數全部寫完后，定位器上的NOINI 將會消失，定位器選擇到自動狀態，打開氣源后，通過手輪或者去掉限位，將閥門行程調到與拆定位器之前的一樣，定位器便可正常工作。

應用價值：新安裝的定位器需要重新整定后才能正常工作，在正常生產時，對于關鍵的閥門，一般不允許閥位從0～100 反復調整，通過此方法可以將原定位器整定的參數復制到新的定位器上。這樣定位器在不整定的情況下便能夠正常工作，多了一種解決定位器故障的方法，降低了閥門對裝置造成的影響。

3.2 定位器與兩位三通電磁閥配合使用

兩臺單作用閥門定位器分別安裝在同一臺調節閥上，主進氣分為兩路，分別進入定位器1 與定位器2。兩臺定位器的出氣，分別進入兩位三通電磁閥的進氣口P 與排氣口R，電磁閥的出氣口進入到閥門的氣缸，在DCS 側增加一分二安全柵，定位器同時接收4 mA～20 mA 信號，定位器反饋信號同時送至DCS。電磁閥選用直流24 V，當電磁閥帶電時定位器1 排氣，通過兩位三通電磁閥進氣口P 進入，從A 出氣口排出進入閥門氣缸，此時定位器1 起作用，定位器2 因氣路不通，屬于備用狀態。當電磁閥失電時，定位器2 的排氣通過兩個三通電磁閥排氣口R 進入，從A 出氣口排出進入閥門氣缸，此時定位器2 起作用，定位器1 因氣路不通，屬于備用狀態，如圖1 定位器與兩位三通電磁閥氣路圖所示。

圖1 定位器與兩位三通電磁閥氣路圖Fig.1 Air circuit diagram of positioner and two-position three-way solenoid valve

應用價值：對于重要的工況，重要的閥門可以配置雙定位器，目前化工裝置基本全部是單臺定位器，當定位器故障時，無法及時處理，導致系統波動或者停車。可以選擇安裝兩臺定位器，將定位器1 與定位器2 分別校驗。定位器選用帶閥位反饋，將閥位信號送至DCS 系統，在DCS系統做邏輯運算。當閥門給定的指令開度與閥位反饋的偏差過大時，或者系統能夠判斷閥門異常時，通過電磁閥的得電與失電，自動將定位器切換到另外一臺，這樣便達到了冗余的目的，增加了化工生產的穩定性、安全性。

3.3 定位器與手動閥門配合使用

兩臺單作用閥門定位器分別安裝在同一臺調節閥上，主進氣分為兩路，分別進入定位器1 與定位器2，兩臺定位器的出氣口分別增加手閥1 與手閥2，閥后兩路氣匯合后進入閥門氣缸。在DCS 側增加一分二安全柵，定位器同時接收4 mA～20 mA 信號，如圖2 定位器與手動閥門氣路圖所示。

圖2 定位器與手動閥門氣路圖Fig.2 Pneumatic diagram of positioner and manual valve

圖3 定位器與止回閥氣路圖Fig.3 Air circuit diagram of positioner and check valve

應用價值：在自動化要求不高或閥門異常后不是十分緊急的場合，可以用增加手動閥的方式，定位器可以配置不帶反饋。在正常使用時，手閥一個打開一個關閉，關閉的一路定位器備用。當定位器故障后，將關閉的手閥打開，打開的手閥關閉；在切換定位器時，閥位會有小幅度的波動。

3.4 定位器與止回閥配合使用

兩臺單作用閥門定位器分別安裝在同一臺調節閥上，主進氣分為兩路，分別進入定位器1 與定位器2。兩臺定位器的排氣分別增加止回閥1 與止回閥2，止回閥后氣路匯合后進入到閥門氣缸，在DCS 側增加一分二安全柵，定位器同時接收4 mA～20 mA 信號，定位器反饋信號同時送至DCS，如圖3 定位器與止回閥氣路圖所示。

應用價值：兩臺定位器同時進氣到閥門氣缸，會出現兩臺定位器無法找到反饋位置的情況，導致定位器喘動，將定位器的死區設置大一些能夠解決喘動的問題，一般設置在5%以上，設置后兩臺定位器能夠同時工作，但是降低了閥門的控制精度。當一臺定位器故障后，另外一臺定位器能夠立馬起作用工作，閥門會有微小的喘動，對于要求調節品質不是很高的可以考慮此種方式，總的來說此種應用形式使用價值不大。

4 小結

本文通過實際的研究探索，摸索出了一些創新應用。其中，兩臺西門子單作用定位器與一臺兩位三通電磁閥組合在一起，已經在實踐中得到了很好的應用效果，其它用戶可以直接借鑒應用。本文選用的定位器是西門子壓電閥式，對于其它原理形式定位器的雙冗余用法起著拋磚引玉的作用，希望能夠激發更多的定位器應用方式，同時能夠讓定位器廠商更清楚地知道用戶的痛點，激發研發者開發出更好的產品。