控制阀细节分析之9_数字式阀门定位器

1、控制阀细节分析之九数字式阀门定位器李宝华摘要：数字式阀门定位器是新一代高性能的电气阀门定位器，采用在板微处理器、应用软件和功能模块，可实现定位功能的自校准、自适应、阀位控制和控制阀的在线自诊断及离线测试，或附加更多功能，以及数字通信和集成到控制系统，还具有免维护运行特征。以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案，极大提升了控制阀使用性能，使向来在回路中薄弱的最终控制元件有一个质的飞跃，进而成为流程工业现场的智能设备。本文介绍部分知名厂家的数字式阀门定位器。关键词：控制阀；数字式阀门定位器；技术特点；性能分析。一、引言阀门定位器是控制阀的重要附件，按设计结构和工作原理可分为气动型和电气型两大

2、类，生产厂商很多，系列及型号繁杂。近年来出现的数字式阀门定位器是新一代高性能的电气阀门定位器，采用在板微处理器、应用软件和功能模块，可实现定位功能的自校准、自适应、阀位控制和控制阀的在线自诊断及离线测试，或附加更多功能，以及数字通信和集成到控制系统/资产管理系统，还具有免维护运行特征。以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案，极大提升了控制阀使用性能，使向来在回路中薄弱的最终控制元件有一个质的飞跃，进而成为流程工业现场的智能设备。目前能提供高性能数字式阀门定位器的，基本上还是国外厂商，进入中国市场的主要有： · EMERSON-Fisher的DVC2000/DVC5000/DVC

3、6000 · DRESSER-Masoneilan的SVI II/SVI II AP · Flowserve-Valtek的Logix 1200/1400 · SAMSON的378x 型和3730/3731系列 · Foxboro-Eckardt的SRD960/991 · ABB（H&B）的TZID-C · Metso-Neles的ND9000 · Siemens的SIPART PS2 · Yamatake的SVP3000 · Yokogawa的FVP图1给出部分厂商制造的数字式阀门定位器的外观照

4、片。 众多控制阀制造厂商在研发数字式阀门定位器时，主要是为本公司的控制阀产品配套，也考虑到遵从相关的阀门定位器与控制阀连接的IEC60534-6-1/-6-2标准或行业标准，使不同厂商的阀门定位器与控制阀/执行机构之间组合连接成为可能；而在设计上都是基于定位功能的自校准、自适应、阀位控制和执行机构性能的自诊断功能及免维护运行，并尽量适应各种通信类型（HART 、Profibus-PA 、FF ，等等）和集成各种工程工具软件；由此引出其产品系列、型号比较繁杂，结构原理、功能组合、集成的自诊断软件和实现方式各有特点，且不断融入新的功能。这些都是业界关注的热点。二、技术特点分析对于不同数字式阀门定位

5、器的技术特点，仅就以下几点细节作初步分析比较： （一）定位控制数字式阀门定位器首要完成的是和传统阀门定位器一样的定位控制功能。其输入信号或模拟电流信号或数字信号，作为定位控制的给定值；通常采用传感器测量阀位（行程），电量的阀位值为反馈信号，最终输出气动信号给气动执行机构。正常时，定位控制是闭合回路控制，当阀位传感器故障时，可由初始化校准结果实施开环定位控制或以输出压力反馈进行应急的回路控制。厂商选择阀位传感器各有不同，有霍尔应变（如SVI II AP）、铜滑线电阻（如DVC6000）、导电橡胶滑动电阻（如3730/3731、SRD960）、感应式（如TZID-C ）等等，以电阻式传感器应用最多

6、。为了应对环境温度较高场合，一些厂商推出分体式阀位传感器，只将阀位传感器安装在温度较高（环境温度不超过120）的控制阀上，阀门定位器则安装在环境温度低一些的地方，一般可距离10米。多数数字式阀门定位器产品设计为数字PID 控制，即由在板微处理器进行PID 运算或非线性PID 运算完成定位控制。从控制系统来的输入控制信号需A/D转换或由通信接口模块接入，在控制运算后，或直接为数字脉冲输出去控制压电阀单元的气动组件，或经D/A转换为模拟信号给I/P电气转换器加气动放大器的气动组件。有的产品（3730/3731）没有将定位控制全部放在微处理器中进行，而是另外设计了数字和模拟相结合的定位控制电路，微处

7、理器主要用于信息处理和自诊断，输入控制信号经A/D（或通信接口模块）、微处理器、D/A加到一个模拟PD 控制电路，并直接采集阀位传感器信号。这两个信号在PD 控制电路比较后，按特定运算规律直接输出一个电流控制信号给I/P电气转换器，再到气动放大器。若阀位反馈因故障失灵，将按照存储的初始化关系曲线给PD 控制电路开环输出维持运行。采用PD 模拟控制电路实现定位控制，阀位反馈及时一些，也能减少一些微处理器的运算任务。 （二）气动部分现有数字式阀门定位器的气动部分主要有两大类：一大类是压电阀结构，一大类是I/P电气转换器加气动放大器结构。压电阀方式便于数字控制，且体积小、结构简单。典型压电阀结构的气

8、动部分，初期使用时，普遍感觉效果较好，运行一段时间或在控制信号急剧波动时，压电阀易出现控制不稳定、气动输出波动，甚至损坏失灵的状况。这是因为压电阀接受数字信号进行开关动作，一个压电阀控制气源进气口，一个压电阀控制输出气路排气口，虽然有PWM 脉宽调制技术调整动作脉冲，但定位时交替动作比较频繁。动作瞬间对压电阀和简易气动功放的节流限流处冲击力较大，易造成脉动畸形或关闭不严的结果。若气动执行机构的气密性差，有漏气情况时，压电阀极易振荡和性能变差。气源质量不好时，对压电阀影响也很大。使用压电阀技术的定位器耗气量比较低，理论上压电阀在稳态时不耗气，但在定位控制运行期间压电阀保持关闭不动作的几率很小。针

9、对压电阀的具体使用情况，一些厂商对此部分做有一些改进，如ND 9000也是利用压电阀先导，去控制一个耐冲击性能较好的气动滑阀进行功率输出，并且气动滑阀有位置回馈监测。而大多数厂家采用的是传统的I/P电气转换器与气动放大器相结合的成熟技术，在结构上复杂一些，耗气量也相对高一些。但电气转换器线性转换、信号平滑，气动放大器稳定可靠，动态输出气量大，工程实践效果好一些。DVC 6000有两档气动放大器可选，满足气动执行机构大小的需要。数字式阀门定位器的这两种类型的气动部分对于气源的仪表空气质量要求都比较高，也造成国内一部分用户感到有些不适应。 （三）本机显示和组态早期的数字式阀门定位器只考虑了通信功能

10、，并没有本机显示和组态功能，只能依靠上位控制系统、PC 机或现场通信器来调看参数、组态、查看和故障诊断。目前多数产品都设计了本机显示，多行LCD 字符或图形符号/代码，实时显示阀位行程和状态监测报警，也有部分产品还带有发光二极管进行状态指示。普遍机型都可以进行本机组态，就地使用本机面板的单键或多键，在LCD 上调用菜单和修改参数。初始化简单、快捷，易于掌握。个别产品还设计有单独的本机串口（3730/3731），主要考虑出厂组态调试或工作间维修通信、调看状态等，也可以用于连接PC 机进行监视和诊断。（四）监测传感器基于诊断和状态监测需求，数字式阀门定位器内部除了必须的阀位传感器之外，各厂商普遍设

11、计了多个传感器，常见的有输出压力传感器（若为双输出则设计有两个输出压力传感器）和气源压力传感器。也有可提供最多5个压力传感器的（SVI II AP），也有只设计仅一个阀位传感器的（3730/3731），还有的带气动放大器位置传感器的（DVC 6000）、或带气动部分中气动滑阀阀位传感器的（ND 9000）。 （五）增强功能将数字式阀门定位器扩展增强符合IEC61508/IEC61511标准的ESD 功能后，可用于SIS 安全仪表系统和使ESD 参数化，具有的PST 部分行程检测功能只使ESD 控制阀在线按预定周期预置范围完成一个小的行程动作，获取相关数据进行测试分析，就可解决长期静态不动作的设

12、备热待命和在线监视难题，保障了ESD 控制阀的安全可用性。目前，具有ESD 功能的数字式阀门定位器产品有DVC 6000SIS 、VG800、VG9000、SVI II ESD 、3730-2/-3/-4/-5/-3ESD，等。一些数字式阀门定位器产品还可在同一壳体内扩展增强功能，如：带有阀位变送器（二线制、模拟输出）；带有阀位开关（数字输出）；内置电磁阀（联锁作用，强制输出排空）；等。基金会现场总线（FF ）通信的数字式阀门定位器具有实现基本自动化功能的功能块（至少要具有AI 、AO 、DI 、DO 、PID 功能块），或带有链路活动调度器（LAS ），或具有主站功能。这些增强的功能使数字式

13、阀门定位器更趋向数字控制器、智能化控制设备。 （六）报警和性能诊断数字式阀门定位器都具备用户可设置的报警，各厂商也开发有各自的诊断软件，Fisher 有使用上位机的AMS ValveLink（阀门定位器软件有多种层次选择）；Masoneilan 有Valvue ；Foxboro 有V ALcare TM ；SAMSON 有TROVIS-VIEW （阀门定位器软件有EXPERT 和EXPERT+及最新的EXPERT Plus）；Yamatake 有Valstaff ；等。都可利用HART 通信或现场总线技术或本机串口，在现场通信器、上位机或控制系统进行控制阀性能监视和故障诊断：运行计时、过程参数

14、监测（行程/给定/输出/偏差）、硬件和数据出错监视、阀位传感器监测和数据备份、运行监视、行程累计、行程方向改变次数统计和分析、摩擦力和动态受力分析、迟滞性测试分析、零点变化分析、校验和初始化次数、离线特性测试，等等。多数产品支持EDDL 、FDT/DTM，可集成工程工具软件。三、DVC 6000数字式阀门定位器艾默生过程管理费希尔阀门部（EMERSON-Fisher ）最早开始研发数字式阀门定位器，称之为数字阀门控制器（Digital Valve Controllers，简写为DVC ），特别强调其具有的扩展控制功能。DVC 6000系列是其最早推出的产品，并在1994年开始出现HART 通信

15、的类型，近年来也不断改进、增强功能和派生型号，支持现场总线通信协议，扩展PST 功能和SIS 应用，系列品种齐全。后续的各厂商的数字式阀门定位器或多或少都受到DVC 6000的影响和效仿其功能。DVC 6000在全球保有量最大，2008年已突破75万台，在国内也有广泛引进和良好业绩。图2为DVC 6000的原理图，图3是其结构图，图4是方块图。DVC 6000为模块化结构，部件数量少并可快速更换组合；有着坚固的外壳、隔离的接线盒、密封的印刷电路板部件，适应苛刻的现场环境，有本安、隔爆认证；采用微处理器技术和传统的I/P电气转换器加气动放大器的结构，有3个压力传感器和气动放大器位置反馈，定位控制

16、在±0.5%的独立线性度内；适合连接到各种直行程（0-102mm ）和角行程（0-90O ）执行机构上；并有多层次定位器软件（AC 、HC 、AD 、PD 、SIS 、ODV ）可选，结合HART 通信和现场总线通信以及AMS ValveLink软件，可实现组态、调试和性能诊断、高级诊断；故障率比较低；是控制阀业内和用户都比较熟悉的一款产品，是数字式阀门定位器的代表作。DVC 6000可自校准和现场快速校验、自定义特性、自动进行监测和诊断。通过提高正向增益（快速响应阀位变化，减少死区和延迟时间）和小回路反馈增益（以阀位响应速度反馈来调整超调量）来提高对执行机构/控制阀的动态响应以及控

17、制精度。在阀位传感器失效故障时，可启动压力反馈继续进行控制。DVC 6000由于开发较早，没有本机显示，不能本机组态，也不能在壳体内集成阀位变送器、阀位开关、电磁阀等，也没有软开关输出。只能借助HART （现场通信器375）或上位机、现场总线通信进行组态、调试（但不支持Profibus-PA 现场总线）。控制阀的预测性维护只能由AMS ValveLink软件处理完成诊断、数据处理。不支持FDT/DTM。相比其它公司后来开发的数字式阀门定位器，DVC 6000体积也较大，也较重（铝壳为3.5kg 、不锈钢壳为7.7kg ），阀位反馈连接部分也繁杂一些。再就是其静态耗气量大一些（140kPa 气源

18、时为 0.38Nm 3/h、550kPa 气源时为1.3Nm 3/h），且随气源压力变化而变化。 图2 DVC 6000数字式阀门定位器原理图（图中以双输出为例，单输出时可选择输出A 或输出B）接线盒接线盒盖子壳体阀位传感器 印刷电路板组件气动放大器压力表盖子基本模块组件I/P转换器图3 DVC 6000数字式阀门定位器结构图四、SIPART PS2数字式阀门定位器SIPART PS2数字式阀门定位器是西门子公司产品，其气动部分为典型的压电阀结构，有本安、隔爆、无火花类型，可选塑壳、铝壳、不锈钢壳，支持连接标准，可适配各厂家气动执行机构/控制阀，且价位较低，在国内市场推得较广。图5、图6分别是

19、SIPART PS2的结构图和原理图。 SIPART PS2基于全数字化工作原理，没有传统阀门定位器的痕迹。采用微处理器对外来的控制信号（给定）和反馈的阀位行程信号进行比较，若出现偏差，微处理器用一个五步开关程序来控制压电阀单元，给出适当的数字脉冲信号，进而调节输出到执行机构的气压，实现定位控制。当偏差为零或在允差范围内，没有控制脉冲给压电阀，进气和排气的压电阀都在闭合保持状态。SIPART PS2也是采用二线制，接受4-20mADC 信号，支持HART 通信，可选现场总线通信类型（Profibus-PA 或FF ）。现场操作使用本机LCD 和3个按键完成，自动、手动和组态可通过按键进行切换。

20、也可使用预装SIMATIC PDM软件的PC 机进行远程操作、监控和组态、以及故障诊断。SIPART PS2现场配置快捷，初始化很方便，自校准零点、最大行程、作用方向和自适应执行机构，确定动作时间和死区及控制脉冲速率。 图4 DVC 6000数字式阀门定位器方块图图5 SIPART PS2数字式阀门定位器结构图1 模块盖 2 基本电子单元2.1 固定螺丝 3 Iy模块5(有带状电缆 4 报警模块6(有带状电缆7 SIA模块 7.1 特殊螺丝8 滑动夹紧装置的调整轮9 变送比率选择器 10 隔离盖板1 主板(带微处理器 和输入电路 2 控制面板(带 LCD 和 按键 3 压电阀单元(用于 单作用

21、输出 4 压电阀单元(用于 双作用输出 5 Iy 模块 6 报警模块(3 个报警 输出和 1 个数字输 入 7 SIA 模块(阀位开关 报警 8 单作用气动执行机 构(弹簧复位 9 双作用气动执行机 构(无弹簧复位 注： 报警模块 6 和 SIA 模块 7 仅能二者 中选择一个插入 图 6 SIPART PS2 数字式阀门定位器原理图 SIPART PS2 由于采用典型的压电阀结构，理论上耗气量比较低，厂家资料介绍耗气量在气源压力 140kPa 时仅有 0.036Nm3/h。现场应用时，随着使用时间延伸和执行机构/控制阀动态使用的变化，针对 压电阀的 PWM 脉宽调制常会出现不适应动态变化的状

22、况，脉动输出加剧，不稳定或阀位振荡，耗气 量也会急剧增加。此外，现场应用一段时间后或仪表气源不符合干燥洁净要求时，压电阀的故障率就 高一些。 五、3730/3731 系列数字式阀门定位器 SAMSON 公司在 1995 年就推出了基于压电阀技术的 378X 型数字式阀门定位器， 但被压电阀故障 率高造成的返修率高所困扰，于是转向 I/P 加气动放大器的传统技术，在 2001 年推出 3730 系列数字 式阀门定位器、在 2006 年推出 3731 隔爆系列数字式阀门定位器（3731-3 型 HART 通信、3731-5 型 FF 通信） ，并基本停止了压电阀结构的 378X 型的生产。 373

23、0 系列品种齐全， 有-0 全电子型、 经济型、 基本型、 -1 -2 -3HART 通信型、 -3ESD 型、 Profibus-PA -4 通信型、-5 FF 通信型。图 7 为定位器打开盖子的前视图和 LCD 显示说明、图 8 是其功能原理图。 3730 系列有着德国产品的精致、高质量以及保守，为模块化设计，采用先进的微处理技术、信息 技术、诊断软件和功能模块，PD 模拟电路控制定位和气动放大器清扫功能，单键旋钮组态操作，LCD 显示（含本机诊断） ，多种总线连接通信和 SAMSON SSP 串行接口，还可通过控制系统、PC 机（DD、 EDDL、DTM 工具、AMS、PDM、PRM、P

24、KS 等系统和 SAMSON 的 TROVIS-VIEW）或手持式终端 设备进行组态和诊断。配有软件阀位开关和故障输出接点，可在壳体内置集成低功耗电磁阀、接近开 关式阀位开关、阀位变送器。与控制阀连接可以集成安装或按 IEC 60534-6-1/6-2 安装，尺寸小巧、重 量轻（铝壳型约 1kg 重） ，耗气量较低且不受气源压力影响。 参见图 7、图 8，解读 3730 系列的要点： 微处理器主要进行信息处理和自诊断，本机诊断功能强，LCD 显示内容多信息量大，而且读数方 向可由软件组态设置翻转 180O，以适应各种安装位置。只用一个单键旋钮操作即可调用菜单组态，有 MAX、NOM、MAN、S

25、ub 四种初始化方式，组态确定后，只要按一下初始化按键即可。 定位控制采用模拟电路，直接引入阀位反馈电信号，PD 算法，响应较快而且平滑。I/P 电气转换 器高精度低耗气（耗气量与气源压力无关，为 0.11Nm3/h） ，并有气动定值器保障 I/P 气源免受不同气 源压力的影响。采用传统的气动放大器，可靠稳定。输出气路上还有输出气量调整，可适应不同尺寸 的气动执行机构，但输出气量略小，对大尺寸气动执行机构（1400cm2）需要外加气量功率放大的气 图 7 3730 数字式阀门定位器前视图和 LCD 显示说明 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 控

26、制阀 阀位传感器 控制电路 A/D转换器 微处理器 电气转换器 气动放大器 压力定值器 气量定值器 输出气量调整 感应式阀位开关（可选） 电磁阀（可选） 阀位变送器（可选） 软件阀位开关 故障报警输出 LCD HART连接（仅3730-3型） Profibus-PA(仅3730-4型 FF(仅3730-5型 图 8 3730 数字式阀门定位器功能原理图 动继动器，有时为了保障动作速度，还需加多级气动继动器。定位控制偏差为±1%。适合连接到各种 直行程（0-200mm）和角行程（0-100O）执行机构上，集成安装或按 IEC 60534-6 标准安装。 3730 系列只有一个阀位传感器

27、， 没有配置气源和输出压力传感器， 缺少更多用于定量分析的依据。 接到微处理器中的输出值 y 是从 I/P 电气转换器前提取信号的，忽略了 I/P 电气转换器和气动放大器环 节，不是气动输出口处的信号值。电路板没有密封处理，I/P 电气转换器的线圈没有防护，壳内设计为 利用喷嘴排气进行充气正压保护，气源不洁净含水含油时易造成线圈损坏甚至电路板损坏。 除有用于 HART、Profibus-PA、FF 的接口模块外，本机还配有 SAMSON SSP 串行接口可直接连 接 PC 机（需预装 SAMSON 的监控软件 TROVIS-VIEW） 。本机出厂时可选集成标准版 EXPERT、增 强版 EXPERT+或全功能版 EXPERT Plus 自诊断软件。除在本机用图形符号和代码进行自诊断显示外， 可使用 SAMSON 的 TROVIS-VIEW 监控软件和 EDDL、FDT/DTM 或集成到 AMS（资产管理系统） 、 PDM（过程设备管理） 、PRM（工厂资源管理） 、PKS 等系统中。 3730-2/-3 及 3730-3ESD 型可用于 SIS 安全仪表系统， 符合 IEC61508/IEC61511 标准， ESD 参数化， 具有故障预测、维护提示、PST 部分行程检测功能及数据存储等在线动态分析和自诊断，HART 通信 及本机 SSP 串口，支持 EDDL、FD