淺析AD系列智能閥門(mén)定位器的性能特點(diǎn)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(jì)南 250100）

0 引言

近年來(lái)，智能化熱潮席卷全球，智能化理念滲透進(jìn)各個(gè)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(shí)踐表現(xiàn)為智能儀表的傳感器檢測(cè)及自動(dòng)控制。而自動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)生產(chǎn)控制過(guò)程直接發(fā)生作用，調(diào)節(jié)閥的智能化主要由智能閥門(mén)定位器來(lái)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(mén)定位器是整個(gè)執(zhí)行單元的大腦與核心。

自2010 年起，正式在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)推出AD 系列智能閥門(mén)定位器，截止2019 年底，銷售總量2 萬(wàn)余臺(tái)。

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

1 產(chǎn)品概述

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

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

3）AD 智能閥門(mén)定位器的位置傳感器采用強(qiáng)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(méi)有機(jī)械摩擦，抗震性極強(qiáng)，在嚴(yán)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(cè)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(dòng)態(tài)范圍，低頻信號(hào)的測(cè)量，無(wú)誤碼模擬信號(hào)調(diào)制。非線性度為 0.0015%，具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能，可以清除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂浮的影響。

AD 智能閥門(mén)定位器憑借以上4 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中占有獨(dú)特位置。

2 AD智能閥門(mén)定位器的結(jié)構(gòu)形式

AD 智能閥門(mén)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(gè)功能模塊組成：主控線路板、電氣轉(zhuǎn)換器、氣動(dòng)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(diǎn)是使定位器的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)更加簡(jiǎn)捷便利。在判斷出故障問(wèn)題后，僅需直接更換模塊即可，單個(gè)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(mén)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(jī)械式定位器演化而來(lái)，高度可靠性是其主要優(yōu)勢(shì)，但加工制作繁瑣，對(duì)導(dǎo)磁材料及彈性材料的質(zhì)量有較高標(biāo)準(zhǔn)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(guò)市場(chǎng)考核發(fā)現(xiàn)，今后相當(dāng)一段時(shí)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(mén)定位器就采用這種結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，位居國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的領(lǐng)先位置。

圖1 為AD 智能閥門(mén)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(lái)自調(diào)節(jié)器（或DCS）的4mA ～20mA 信號(hào)，同時(shí)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(hào)的處理及電源供電。

圖1 AD智能閥門(mén)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(jì)算軟件流程框圖Fig.2 Flow chart of the software for setting operation stroke calculation

為實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單快捷，設(shè)計(jì)有“一鍵整定”方式，無(wú)需借助外部?jī)x器，也無(wú)需依循多個(gè)步驟方能進(jìn)入整定狀態(tài)，即開(kāi)機(jī)第一步即可完成，整個(gè)自整定調(diào)試過(guò)程僅需2min。自整定的內(nèi)容包括確定控制閥的零點(diǎn)、開(kāi)度、摩擦系數(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣容量、正反作用、氣開(kāi)或氣關(guān)以及線性度等參數(shù)?！耙绘I整定”方式，充分發(fā)揮了智能儀表的優(yōu)勢(shì)，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(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖2 是計(jì)算閥位開(kāi)度的軟件流程框圖。

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

依據(jù)位置反饋工作原理來(lái)區(qū)分，AD 系列智能閥門(mén)定位器選用非接觸式強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)

對(duì)于調(diào)節(jié)閥的閥位反饋回訊功能的要求，AD 智能閥門(mén)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(duì)外銷售型號(hào)是AD1101，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的成效。

在重要的關(guān)鍵控制點(diǎn)上，設(shè)計(jì)中會(huì)增加閥位反饋輸出要求。設(shè)置閥位反饋輸出的設(shè)計(jì)初衷就是驗(yàn)證定位器驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥是否正確工作，以此提高整個(gè)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)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(cuò)誤指示中，這有悖設(shè)置反饋輸出的設(shè)計(jì)初衷。

外置式閥位輸出與定位器各自獨(dú)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(jì)初衷。但一般的外置式閥位反饋?zhàn)兯推鬏^少有智能型，多是采用凸輪機(jī)械結(jié)構(gòu)或電位器結(jié)構(gòu)，檢測(cè)精度較低，可靠性及穩(wěn)定性較差。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥及其閥桿實(shí)際尺寸來(lái)看，若使完全獨(dú)立的閥位變送器在調(diào)節(jié)閥上完成裝配，因閥桿機(jī)械空間有限，智能定位器、閥位開(kāi)關(guān)和閥位變送器三者均采取閥位機(jī)械變化位置的話，其機(jī)械裝配機(jī)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(jī)械機(jī)構(gòu)裝配繁瑣問(wèn)題，將內(nèi)置式和外置式二者優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(dòng)，不受溫度變化影響，可長(zhǎng)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(diǎn)a、b 間電壓Vab，利用AD 定位器的同一個(gè)調(diào)節(jié)閥閥桿運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)，因閥位反饋轉(zhuǎn)換模塊供電及輸出均獨(dú)立于定位器，因此其可靠性極大提高。AD1101 型智能閥門(mén)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(yùn)行檢測(cè)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

實(shí)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(dú)立可靠的優(yōu)點(diǎn)，又避免了冗余的調(diào)節(jié)閥閥桿機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。在簡(jiǎn)化機(jī)械裝配工作的同時(shí)，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(cè)功能。

這樣一來(lái)，就構(gòu)成了“雙MCU”及“雙HART”形式。在自動(dòng)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(shuō)，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(shí)踐中應(yīng)用的。

表1 產(chǎn)品的各項(xiàng)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(jìn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)比較

表1 是產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的具體描述。

6 結(jié)束語(yǔ)

智能閥門(mén)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(hù)診斷軟件方面進(jìn)行。本公司于近期研發(fā)成功的調(diào)節(jié)閥管理軟件SmartLink，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)節(jié)閥的組態(tài)、分析、校準(zhǔn)、檢驗(yàn)、診斷和故障排查。另一方面，健全完善智能閥門(mén)定位器的應(yīng)用生態(tài)環(huán)境，像手機(jī)的APP 一樣，允許用戶自行開(kāi)發(fā)的應(yīng)用小程序下載嵌入系統(tǒng)中，形成用戶個(gè)性化系統(tǒng)，也是智能工廠的一個(gè)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