數字閥門定位器關鍵技術綜述及中國制造思考

柳 曦,夏 鵬,夏 陽

(武漢拓優智能股份有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

數字閥門定位器是連接閥門和分布式控制系統(distributed control system,DCS)的智能終端設備。從閥門產業鏈來看，數字閥門定位器類似于汽車的發動機、電腦的中央處理器(central processing unit,CPU)，處于產業鏈的高端。由于多種原因和因素的交織，閥門產業鏈的高端市場一直以來被進口產品所壟斷，如 Fisher、SAMSON、MASONEILAN、METSO、ABB、FLOESERVE、Foxboro、Azbil、SIEMENS、TYC、TISSIN 等美、歐、日、韓品牌，國內品牌普遍缺失。作為代表工業 4.0 和閥門數字化的關鍵設備，數字閥門定位器不僅關乎流程過程控制的產品品質和能源效率，還關乎我國閥門數據的安全。

本文通過總結、分析國內外品牌數字閥門定位器的技術路線和關鍵技術，結合國內廠家的技術儲備、技術進步、行業規劃和市場機遇，對數字閥門定位器實現中國制造的技術路徑提出了有建設意義的觀點。

1 國內外關鍵技術及技術路線分析

數字閥門定位器內置微處理器，采用數字化技術進行數據處理、決策生成、雙向通信，實現閥門定位功能的自校準、自適應及精準控制，改善閥體兩端的流量特性。數字閥門定位器更高級的功能是結合附加的傳感器和專家算法，實現閥門在線或離線故障診斷，提供維修預報。因此，不同于其他儀器儀表產品，數字閥門定位器是復雜的小系統，技術門檻非常高，需要先進的傳感技術、數據處理技術、低功耗電路設計技術、電-磁-氣轉換技術、特殊材料制造和加工技術、精密制造技術、自適應控制技術、參數自診斷技術、總線通信技術以及閥門故障診斷技術。本文將從數字閥門定位器的低功耗設計、自適應控制、故障診斷、噴嘴擋板放大器制造技術等方面展開討論。

1.1 線路低功耗設計技術

數字閥門定位器的關鍵技術之一是低功耗設計技術。數字閥門定位器主流產品的供電能量取自DCS或者可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制信號線，沒有外接電源。對于工業三型標準 4～20 mA 的信號線控制系統，需要解決在3.8 mA以下實現定位器的驅動、顯示、采集、運算、輸入、輸出以及可尋址遠程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer，HART)通信等全部功能。基于電磁轉化的噴嘴擋板技術需要消耗大約1.5 mA的驅動電流，留給主控板的電流只有2.3 mA。因此，其電路的低功耗設計是富有挑戰性的技術難題。國內眾多廠家采用驅動電流只有10 μA的壓電閥技術來研發數字閥門定位器也是試圖繞開這一技術屏障。隨著數字閥門定位器的功能越來越強大，尤其是高級功能的閥門在線故障診斷的提出，需要增加一路氣路輸入、四路輸出壓力檢測和放大器位置檢測這些傳感器信號的采集。這需要多消耗大約四分之一的能量。因此，數字閥門定位器的低功耗設計將面臨更大的技術挑戰。

數字閥門定位器的低功耗設計可以從以下幾個方面入手。

①提高輸入回路阻抗。

②采用更低功耗的電路設計技術。

③進一步提高電源的轉換效率。

④分時供電、分時采集、合理睡眠。

⑤優化軟件設計，進一步降低能源消耗。

1.2 自適應控制技術

氣動調節閥的種類繁多，具有大小不同、生產廠家工藝不同、裝填料不同(如聚四氟乙烯填料、石墨填料等)的特點。因此，閥門的氣阻、靜摩擦力、動摩擦力、死區、行程、流量特性、故障狀態等都千差萬別。滿足這些差異化控制，需要數字閥門定位器的控制策略和算法具有非常高的魯捧特性和強大的自適應能力。業界典型的控制算法有積分分離的比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法[1]、五點區間法、七點區間法[2]、斜率法[3]、模糊控制+PID[4]、灰色預測控制等。這些算法熟優孰劣，需要結合自身電/汽(current intensity/pneumatic,I/P)轉換器結構作創新設計。典型的數字閥門定位器先進控制策略如圖1所示。

圖1 數字閥門定位器先進控制策略

典型的數字閥門定位器先進控制策略是將I/P放大器的位置以及閥位變化速率作負反饋納入控制的內循環中，通過提高正向增益快速響應閥位的變化，減少死區和延遲時間。小回路反饋增益以閥位相應速度的反饋來調節超調量，從而提高執行機構/控制閥的動態響應和控制精度。

1.3 在線故障診斷技術

數字閥門定位器除了實現閥門的調節與控制以外，更重要的是對閥門提供在線故障診斷，實現閥門預測性維修管理[5-7]。這也是閥門數字化的發展趨勢。以下結合 Fisher、SAMSON、Foxboro 控制閥診斷軟件的技術原理和特點展開討論，歸納數字閥門定位器中國制造的技術途徑。

1.3.1 Fisher AMS ValveLink控制閥診斷軟件

Fisher AMS VaIveLink早期版本是基于 Windows 的應用軟件，識別和診斷不集成在數字閥門定位器內。這與當時的研發技術條件有關。幾經迭代升級，后來的定位器軟件版本PD、ODV 版具有在線性能診斷功能，通過定位器存儲30 M/d的數據在線進行閥門的故障診斷。閥門故障分析是用平臺軟件來完成的。

AMS VaIveLink可以讓用戶隨意訪問由DVC系列數字閥門定位器得到的信息。尤其是 DVC6000 以上系列數字閥門定位器，可由用戶監視控制閥狀態和使用性能。AMS VaIveLink可在線診斷 I/P 和氣動放大器的一致性、行程偏差、摩擦力死區以及趨勢分析，從而直觀顯示特性曲線、動態死區與階躍響應。AMS ValveLink還可記錄跟蹤程序和批處理運行以及觀察控制閥性能的趨勢。在AMS ValveLink 畫面上有紅、黃、綠的故障、報警、正常狀態指示，直接反映問題的嚴重程度，可組態分類，非常實用。

1.3.2 SAMSON EXPERT/EXPERT+控制閥診斷軟件

SAMSON對控制閥的預測性維護以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的專家系統為起點，以數字閥門定位器本機為基礎。其 3730/3731 系列出廠時集成有標準版專家診斷軟件 EXPERT 和需另外購買激活碼的增強版專家診斷軟件 EXPERT+。

標準版EXPERT 在線自診斷包括運行時間計時、過程參數趨勢圖(行程x、給定值w、偏差e、輸出y)、硬件和存儲器的安全監視功能、行程傳感器監視、初始化次數和零點校準次數、內置溫度傳感器的溫度測量、最近的30次報警、行程累積、啟動監視、零點和控制回路監視報警。

增強版EXPERT+自診斷在標準版的基礎上增加了在線過程參數記錄日志 、行程x和偏差e的短期和長期柱形圖、輸出控制信號y的短期和長期信號圖表、行程方向改變次數統計和分析、終端閥位和摩擦力的監視等功能。增強版EXPERT+自診斷可在離線狀態進行靜特性測試、階躍信號測試、全行程回差測試等。

由于3730/3731系列只設計一個閥位傳感器，沒有氣源、輸出壓力傳感器，定量分析不足，只能依靠殘差理論和專家經驗進行分析和推理。以初始化測試的輸出基準曲線和運行閥位(行程)為對比，利用初始化基準、歷史數據和經驗進行識別預測。由于輸出y信號取自 I/P前，該設計有一定局限性。

1.3.3 INVENSYS Foxboro VALcare控制閥診斷軟件

INVENSYS Foxboro-Eckardt 是歐洲較大的閥門定位器制造商之一。其 SRD960/991型數字閥門定位器配用VALcare 控制閥診斷軟件，支持現場設備工具(field device tool,FDT)/設備類型管理器(device type manager,DTM)集成到控制/管理系統，支持HART開放通信協議和過程現場總線-過程自動化(process field bus-process automation，Profibus-PA)、基金會現場(foundation field，FF)總線以及Foxboro 自有的FoxCom,通過HART通信，可使用 PACTware 開放平臺進行性能診斷。診斷數據存儲在數字閥門定位器中，數據收集可達 60 d，自檢測和診斷監測符合 NAMUR 標準 NE107，閥位響應和摩擦力都采用柱形圖進行分析。VALcare狀態監測和故障診斷畫面豐富、友好，調用方便。

1.3.4 數字閥門定位器中國制造的技術途徑

實現數字閥門定位器中國制造，可以借鑒Foxboro的研發路線，即：在解決閥門調節和控制的前提下，硬件和軟件一步到位規劃出閥門在線故障診斷功能。

①在滿足低功耗設計要求的前提下，數字閥門定位器除閥門位移傳感器外，需要內置氣路壓力傳感器、放大器位置傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器，為閥門故障診斷提供技術支撐。

②數字閥門定位器需要結合硬件能力、低功耗設計要求以及診斷算法的先進性，合理規劃數據存儲容量、數據類型、數據時效。

③數字閥門定位器內置先進的故障診斷軟件，在線進行運算、比較、分析、組態，完成調節閥的動作次數、行程累加、填料函泄漏診斷、噪聲診斷、環境溫度診斷、閥門/執行機構的摩擦力、執行機構的信號范圍、彈簧鋼度及閥座關閉力、靜態測試、階躍過渡過程測試、頻率響應特性測試等階躍測試，并將閥門的狀態用狀態標志符進行提示和報警輸出。

基于數字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯云平臺如圖2所示。

圖2 基于數字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯網云平臺

基于數字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯網云平臺是閥門工業物聯網云平臺的雛形。該平臺將數字閥門定位器作為智能節點，協同DCS完成閥門的調節、控制。數字運營基礎設施(digtal operation infrastructure，DOI)利用同一線路，借助“第二通道”來實現閥門在線故障診斷[8]。若閥門的控制信號線是4～20 mA輸入方式，則利用HART或Wireless第二通道來實現閥門故障診斷的數據采集。若閥門控制信號采用FF/Profibus-PA 現場總線，則可分時完成閥門控制和故障診斷數據采集。DOI端是基于Web只讀客戶端規劃設計的，可以確保不更改設備配置。這既能有效避免和原有DCS的沖突，又能盡可能降低用戶工藝數據泄密的安全擔憂，從而為建立區域性或全國性的閥門狀態監測數據中心創造了技術條件。

圖2所示的物聯網云平臺可以為用戶提供以下功能[8-9]：移動通知、數字化報告、增強現實(augmented reality,AR)、閥門在線故障診斷、射頻識別(radio frequency identification，RFID)、基于工業物聯網的遠程專家服務、NAMUR組織的開放架構(network open agility，NOA)、支持企業資源計劃(enterprise resource planning，ERP)、計算機化維護管理系統(computerized maintenance management，CMMS)的集成。

1.4 I/P 放大器技術綜述

數字閥門定位器的基礎功能是實現閥門的精準定位控制。因此，可靠性是前提，快速響應性是保障。可靠性保障的重要部件是I/P放大器。從原理分析，國內外數字閥門定位器I/P放大器大致可以分四種類型。國內外數字閥門定位器I/P放大器技術路線如表1所示。

表1 國內外數字閥門定位器I/P放大器技術路線

對于表1需作以下說明。

①靜態線圈的噴嘴擋板有Fisher、SAMSON、ABB、Azbil、YTC、拓優、鷹創，屬于國際主流。

②動態線圈噴嘴擋板有METSO、萬訊。

③容積式放大器代表產品為Masoneilan的SVI II AP。其優點是易更換、耐用;不足是部件太多。

④緩沖閥式放大器代表產品為Fisher DVC62000。其優點是單雙作用易實現;不足是可動部件不耐用。

⑤提升閥式放大器代表產品為MasoneilanFVP。其優點是氣耗低、電耗低;不足是調節性能不好，不易檢修。

由表1可知，噴嘴擋板結構I/P各廠家各具特色、技術不對外公開，如：噴嘴擋板結構有靜態線圈和動態線圈之分；膜閥結構放大器有容積式、緩沖閥式和提升閥式三種。

1.4.1 壓電閥技術

壓電閥技術就是利用材料的壓電特性，施加到材料一定的電壓對應一定的材料形變。利用這個特性制做先導閥來調節膜閥或滑閥的氣體流量是可行的方案。該技術的優點是：幾乎不耗電，驅動電流只有10 μA，大大降低線路板的低功耗設計要求；抗振性好，振動大的現場，應用有優勢；I/P部件，德國賀爾碧格全球可以訂制，降低了基于該技術研發數字閥門定位器的技術門檻。國外的代表產品有SIEMENS、FLOESERVE 等。以SIEMENS 產品為技術藍本，國內眾多廠家紛紛推出了基于壓電閥技術的定位器產品，如萬訊、川儀、易捷、鷹創、博流、摩控等廠商。

壓電閥技術缺點表現在：壓縮空氣含水、含油，尤其是含油，會導致壓電材料的位移形變量發生變化，影響先導孔的大小，使定位器發生喘振，造成控制失效；驅動壓電閥采用占空比可變的脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)來實現，執行機構氣密性不好或氣路管道的微泄漏也會引起喘振，導致控制效果變差。

SAMSON、YTC 停產了業已開發的壓電閥技術的定位器，就是順應市場的需要。目前有一個趨勢：國內大型主流用戶特別是高危石化行業，在多年對比使用定位器經驗的基礎上逐步傾向于噴嘴擋板技術的數字閥門定位器，開始排斥壓電閥技術的定位器在大型項目上的應用。這一現象事關數字閥門定位器中國制造的技術路線問題，值得國內行業管理者、從事數字閥門定位器生產廠家的高度重視。

基于壓電閥技術作先導閥，結合膜閥和滑閥結構，又派生出I/P放大器設計兩大技術流派。

①壓電閥+膜閥結構的I/P放大器。

典型的壓電閥+膜閥結構的I/P放大器原理如圖3所示。該放大器的設計亮點是利用安裝在“隨轉閥”的磁芯，采用霍爾傳感器來檢測“隨轉閥”的位移，既可以參與 PID 內循環控制、改善閥門的控制效果，又可以為閥門在線故障診斷提供數據孿生。公開技術資料表明，目前 SIEMENS 市面的主流產品和國內壓電閥定位器都還沒有采用這個技術方案。如走高端技術路線，這個技術是必須的。

圖3 典型的壓電閥+膜閥結構的I/P放大器原理示意圖

②壓電閥+滑閥結構的I/P放大器。

典型的壓電閥+滑閥結構的I/P放大器原理如圖4所示。

圖4 典型的壓電閥+滑閥結構的I/P放大器原理示意圖

對于滑閥結構的放大器，其優點是單或雙作用在一個結構里實現；可以實現Cv大流量的輸出；易于維護和清潔；滑閥的運動行程相比于膜閥結構的放大器更容易提取，穩定性好；配合三路氣壓監測，易于實現閥門的故障診斷。該放大器的缺點是氣耗量大，以及氣源質量不好時容易發生堵塞。

1.4.2 噴嘴擋板技術

噴嘴擋板技術是典型的電-磁-氣轉換技術。一定的線圈驅動電流，對應一定的噴嘴和擋板距離。要調整這個距離，就必須改變先導氣室里背壓的大小，從而調節膜閥或滑閥的氣體流量，驅動氣缸執行器動作，實現閥門開度控制和調節。該技術的優勢是輸出平滑，并且抗粉塵、油污的能力強，已經成為業界開發智能閥門定位器的主流技術。Fisher、SAMSON、METSO、ABB、Azbil、YTC、拓優等品牌定位器都采用噴嘴擋板技術方案。

(1)兩種結構的I/P放大器。

噴嘴擋板技術結合膜閥或滑閥，派生出兩種結構的I/P放大器。

①噴嘴擋板+膜閥結構的I/P放大器。

典型的噴嘴擋板+膜閥結構的I/P放大器原理如圖5所示。

圖5 典型的噴嘴擋板+膜閥結構的I/P放大器原理圖

圖5所示為業界的主流設計。國外的典型代表有Fisher DCV6200、SAMSON 3730/3731、Masoneilan SVI II AP、ABB TZID-C、 Azbil AVP300/AVP700、Foxboro SRD960/991、YTC YT3300。國內的典型代表有拓優、北方光電、鷹創等。目前，國內廠商各自從三種不同的結構作技術儲備和創新設計，大大縮短了和進口品牌的技術差距。噴嘴擋板I/P關鍵的設計技術是如何提高噴嘴的電磁轉化效率、如何提高噴嘴零件的靈敏度和可靠性、如何設計耐壓高的放大器、如何保持隨轉閥的靈敏度以及如何做故障保位設計。這些都事關產品可靠性和產品性能，也是極富挑戰性的技術。

②噴嘴擋板+滑閥結構的I/P放大器。

典型的噴嘴擋板+滑閥結構的I/P放大器原理如圖6所示。線圈設計有靜態和動態之分。 圖6(a)結構的放大器線圈是靜態的，擋板是活動的。這個結構可以設計出靈敏度非常高的噴嘴，利用噴嘴工作點的遷移，容易實現故障保位。ABB EDP300 、拓優TOP-5879F1-D51就是靜態線圈設計的成功案例。圖6(b)結構的放大器線圈是動態的。線圈通電后，在電磁作用下線圈上下運動，從而帶動固定在線圈的擋板上下移動，實現噴嘴背壓的調節。該結構容易實現緊湊型的噴嘴結構設計。METSO的ND9000、萬訊的MVP5300 就是動態線圈設計的代表。

圖6 典型的噴嘴擋板+滑閥結構的I/P放大器原理示意圖

(2)國內噴嘴擋板技術研發現狀分析。

噴嘴擋板技術的短板主要體現在技術設計層面上的高要求，具體表現在以下方面。

①驅動電流大，如進行保位控制需要預留最大1.5 mA的驅動電流，是壓電閥驅動電流的150倍，大大提高了產品低功耗設計的技術門檻。

②噴嘴擋板技術利用噴嘴和擋板之間不到1 mm的位移來調節噴嘴背壓，實現放大器大流量的氣路調節，需要噴嘴擋板具有非常高的靈敏度、高效的電磁轉換效率以及穩定的機械特性。

TORLEO系列智能閥門定位器結構如圖7所示。

圖7 TORLEO系列智能閥門定位器結構圖

近年來，國內有些廠家運用電磁學、材料學、流體力學、結構學和精密加工技術，充分消化吸收進口產品的優點，從模仿到創新，走出了一條自具特色的道路。

①以日本山武 SVP3000 Alphaplus 為藍本，從技術原理、結構設計、外形都堅持走模仿研發路線。當然，單純模仿，一旦關鍵技術進入瓶頸就鮮有突破。

②以美卓METSO為藍本，采用噴嘴+滑閥結構。其中，噴嘴的結構設計中，線圈設計成動態部件來帶動擋板移動。該技術國內已經取得了突破。

③以 Fisher 為藍本，推出的噴嘴+膜閥結構的智能閥門定位器。公開資料表明，該定位器創新了藍牙操作設計，而其是否攻克了關鍵材料應用的所有問題仍有待市場應用觀察。

④自主知識產權的TOP-5879F1系列產品智能閥門定位器。該產品采用模塊化設計，反饋和HART功能方便用戶選擇；故障閉鎖和故障安全功能方便用戶定制；軟件可以實現分程控制及短行程測試；獨特的噴嘴擋板+膜閥結構，提高了氣源抗粉塵和油污的能力；快速一鍵自整定讓智能閥門定位器易于安裝及調試；數據備份解決了故障定位器在線置換的應用難題；內置閥門上下限觸點輸出，方便和系統進行連鎖控制。

2 數字閥門定位器實現中國制造的思考

根據盛智中研的報告，到2020年，我國智能閥門定位器市場容量達到 100 億元的規模，85%依賴進口。基于數字閥門定位器的閥門在線故障診斷物聯網技術成熟后，市場可以再貢獻2 000 億元以上規模，占2萬億元中國工業物聯網規模的10%。閥門數據安全是行業痛點，事關國家安全。為此，中國儀器儀表行業“十四五”發展規劃將智能閥門定位器納入發展重點，并就發展途徑指明了方向，即注重創新、精準定位、聚焦發展，培育具備獨特核心優勢的頭部企業和隱行冠軍企業[10]。

2.1 加大國家政策引導和產業政策扶持

①以市場做推手，出臺相關政策(如稅收優惠、國貨補貼等)鼓勵電力、冶金、化工、石油、煤化工、造紙等大行業用戶在非重要生產環節，大量使用國產品牌數字閥門定位器，培育國產數字閥門定位器的成長環境。

②鼓勵閥門行業換思維、變模式，參與并加持數字閥門定位器的中性品牌的運營和建設，做強閥門產業鏈。

③設立智能閥門定位器“中國制造”國家專項產業扶持資金，選擇有初心、能創新、有技術基礎的企業牽頭，聯合數家有專長的企業和高校參與，用兩年時間攻克制約行業發展的技術瓶頸，實現高端智能閥門定位器中國造；再用三年時間，解決數字閥門定位器中國制造的“卡脖子”難題。

④鼓勵國產DCS廠家、大型閥門企業參與閥門故障診斷系統的融合研發和設計。

⑤積極引導產業資本加持培育數字閥門定位器頭部企業和隱性冠軍企業，在資本市場上市運作，給政策、開綠燈。

2.2 模仿中注重持續創新

模仿是一種創新，尤其是對中小企業。但要注意，不能簡單模仿，更不能抄襲，一定要充分消化產品的技術原理，站在巨人的肩膀上創新。這樣才能彎道超車，盡快實現中國制造。

2.3 標準引領，專業化進行生產和制造

結合我國產業特點，從技術路線、產品設計、產品制造、產品測試到產品應用，形成行業標準或國家標準，從而指導數字閥門定位器產業健康發展。專業化才能品質化、大規模才能成本化。這是工業制造的必由之路。

3 結論

流程工業過程控制，由集中式控制向分散式增強型控制模式轉變，建立智能工廠是行業發展趨勢，基于工業物聯網，配置智能傳感、智能控制儀表、智能檢測和智能分析裝備實現中國制造是大勢所趨。近年來，國產智能閥門定位器的研發已經取得了長足的技術進步，尤其是對技術含量非常高的噴嘴擋板式智能閥門定位器的研發與世界頂尖技術產品的差距正不斷縮小。國產智能閥門定位器企業需以國際視野關注行業技術進步；以包容開放的胸懷，加強合作，共同進步；以匠心和情懷，做精產品、做優服務。只要行業政策精準到位，國內行業重點用戶企業、行業設計院、閥門制造企業敢樹標桿，堅持國貨，數字閥門定位器全面實現中國制造一定為期不遠。