SVI_II_AP智能电气阀门定位器的原理和应用

SVI Ⅱ AP 智能电气阀门定位器的原理和应用
李宝华
摘要：梅索尼兰（Masoneilan ）是全球控制阀领军品牌，是最早研发数字式电气阀门定位器的厂商之一，其
最新的智能电气阀门定位器产品是高性能的SVI Ⅱ AP （Smart V alve Interface, Advanced Performance ），基于模块化设计，结构紧凑，耐严酷工况，采用非接触阀位传感器和在板32位微处理器进行定位控制并具有诊断功能，通过HART 通信实时性能监视和获取数据分析有效开展了控制阀预测性维护，实现现场显示、远程通信和故障诊断。

关键词：SVI Ⅱ AP ；智能电气阀门定位器；原理；应用
引言
科学技术的发展助推全球制造业，流程工业生产装置在控制系统和测量仪表率先数字化智能化，市场需求促使控制阀厂商加快推进以智能电气阀门定位器为核心的数字解决方案。

梅索尼兰（Masoneilan ）是全球控制阀领军品牌，始于1882年，历经131年发展之路，1985年从属徳莱赛集团（DRESSER ），2011年随徳莱赛归于美国通用电气（GE ）旗下，公司几经转换但控制阀技术领先依旧。

控制阀流量系数Cv 、压力恢复系数F L 都是梅索尼兰提出后被业内接受，还有控制阀噪声计算、抗空化气蚀、蒸汽应用和苛刻工况解决方案等技术创新一直影响着控制阀行业发展。

梅索尼兰在上世纪八十年代初期首先研发支持HART 通信的数字式电气阀门定位器，实现了远方校准和性能监控。

SVI （Smart V alve Interface ）系列智能电气阀门定位器采用非接触阀位传感器和在板微处理器进行定位控制并具有诊断功能，通过HART 通信实时性能监视和获取数据分析有效开展了控制阀预测性维护。

从SVI 系列到SVI Ⅱ再到目前高性能的SVI Ⅱ AP （Smart V alve Interface, Advanced Performance ）和在线诊断软件ValVue ，实现现场显示、远程通信和故障诊断，梅索尼兰不断研发和创新，持续引领智能电气阀门定位器先进技术。

本文重点对SVI Ⅱ AP 智能电气阀门定位器进行介绍。

结构组成
SVI Ⅱ AP 主要由壳体和盖子、电子模块、本机LCD 显示和操作、气路基板、I/P 电气转换器、气动放大器等组成，见图2所示。

整机基于模块化设计，结构紧凑，铝合金壳体（总重3.3kg ）或不锈钢壳体（总重7.3kg ），防护等级IP66和隔爆Ex d ，适应多种严酷工况，为IEC 61508的SIL2安全设备；采用磁耦合的非接触式阀位传感器（霍尔元件），没有穿过壳体的测量传动轴从而避免了轴环隙渗漏，壳内无可动部件故耐振性能好，检测阀位信号的分辨率高达0.0015%，测量精确响应快速；电子模块完全封装，涂层抗菌处理，耐恶劣环境；气动部件坚固可靠，气动放大器分单作用的标准型（加气Cv=0.57和排气Cv=0.53）和大气量型（Cv=2.2，620kPa 气源压力时输出气量达2900升/分）以及双作用输出型，可用于单作用或双作用气动角行程执行机构（转角18-140º）和气动直行程执行机构（标准安装的6.4-150mm ，大于150mm 按需求）。

SVI Ⅱ AP 选用32位微处理器，最多5个压力传感器，支持HART 通信和EDDL 、FDT/DTM 及系统集成，远方校准和性能监控，应用在线诊断软件ValVue 实现控制阀预测性维护，本机现场操作可选防爆按键和LCD 显示或使用HART 现场通信手操器。

SVI Ⅱ AP 可选分体式阀位传感器应对现场高振动和高温度，连接电缆最长30米；还可选择配置二线制阀位变送器和2个固态阀位开关。

图1 SVI Ⅱ AP 智能电气阀门定位器
SVI Ⅱ AP 单作用 SVI Ⅱ AP 双作用 SVI Ⅱ AP 大气量 装在角行程控制阀 装在直行程控制阀
工作原理
参见图3，SVI Ⅱ AP 为二线制电流回路供电，输入控制信号4-20mADC+HART ，最小启动电流
3.2mADC ，20mADC 时负载电压9.0VDC 。

当阀门定位器正确安装到控制阀、输入控制信号（回路电源）和气源接通后，电子模块中的微处理器开始读取输入控制信号（阀位设定值）和阀位传感器的行程/转角信号，同一化后并进行比较运算，对两者的偏差按非线性PID 算法处理，输出I 给喷嘴挡板结构的I/P 电气转换器的电磁线圈，引起喷嘴挡板间气隙改变，进而变为相对应的前置气信号P I ，再经气动放大器气量放大，使气动输出P1变化，加到气动执行机构（图3中的气动薄膜执行机构）上驱动推杆/阀杆位移到设定位置。

若是双作用气动输出，气动部件还配置反向输出放大器（输出P2），形成双作用输出给气缸式气动执行机构（图3中蓝色的双作用气动执行机构）。

所定位的控制阀流量特性可设置组态为线性、等百分比50：1、等百分比30：1、快开、用户自定义（11点）、Camflex 等百分比（梅索尼兰的旋转阀）。

性能指标按照ISA75.13/IEC 61514标准，精度为±0.5%FS ，线性度为±1%FS ，滞后和死区为±0.3%FS ，重复性为±0.3%。

SVI Ⅱ AP 可选配5个压力传感器：气源压力、大气压力、I/P 电气转换器压力、气动输出P1、气动输出P2（双作用的反向输出）；还配有线路板的温度传感器测量壳内工作温度。

这些检测信号都是用来性能监视和故障诊断。

可快速拆卸更换的有电子模块的线路板、气动部件的I/P 电气转换器和气动放大器、LCD 和按键，维护方便简洁，考虑到应用环境则在现场只能进行拆卸更换气动部件的盖子、I/P 电气转换器和气动放大器的操作。

图3 SVI Ⅱ AP 智能电气阀门定位器方框图 图2 SVI Ⅱ AP 智能电气阀门定位器结构图
安装连接
SVI Ⅱ AP 的安装连接设计主要是适配梅索尼兰的角行程控制阀（如Camflex 旋转阀，转角0-60º）和直行程控制阀所用的气动执行机构（如87/88型），也可安装连接到其它型号的控制阀/气动执行机构。

安装连接步骤依次为将安装托架装配在控制阀/气动执行机构上、在旋转阀延长轴上安装磁钢部件或装配用于直行程控制阀的连接杆和反馈杆并安装磁钢部件、将SVI Ⅱ AP 固定在安装托架上（若选分体式则安装专门的安装托架和阀位传感器组件）、连接信号气管路和气源管路、电气接线。

参见图4，举例梅索尼兰Camflex 旋转阀：用两个5/16-18UNC 平头螺丝将安装托架固定在Camflex 的气动执行机构上，托架长端通常朝向左侧；用1/4-28UNC 平头内六角螺丝把延长轴固定在旋转轴外端；磁钢部件插入延长轴，在阀全关位置状态下，转动磁钢部件使磁钢轴线垂直，保持磁钢部件端面与安装托架端面平齐，扭紧延长轴上的两个M6内六角螺丝固定好磁钢组件，然后把V 型橡胶密封件套在磁钢组件上；用4个M6 x 20内六角螺丝把SVI Ⅱ AP 固定到安装托架上，托架端面要保持洁净无异物，与磁钢部件对中确保期转动不受到阻碍，并密封良好。

其它类型角行程控制阀的安装按照厂家相关要求。

参见图5，在安装到直行程控制阀上时，安装托架有不同固定孔及具体要求，磁钢部件带有外罩，直接固定在反馈杆上，气动执行机构推杆/阀杆通过连杆与反馈杆相连，将阀位的提升位移转换为反馈杆/磁钢部件的转角，不同的行程选择连接反馈杆上相对应的孔。

对于双作用气动执行机构，SVI Ⅱ AP 有两个气动输出P1和P2，根据气缸式气动执行机构的不同和阀的故障安全位置要求不同，安装状态和P1和P2的连接参见图6。

无弹簧气缸执行机构在气源故障时若要回复到故障安全位置还需要适配备用气源或相应的仪表空气储罐等。

气源压力为140至690kPa （20至100psi ），双作用类型气源压力可到1.03MPa （150psi ）。

气源和输出端口为¼″NPT 终端接头（大气量型为½″NPT 终端接头）。

组态和校准
安装完成和气动接管及电气接线检查核对无误后，接通回路供电和按供气要求的压力接通气源，便可对阀门定位器进行组态和校准，有三种方式：本机LCD 和3个操作按键、HART 现场通信手操器（GE Druck DPI620、 HH375/475、MFC4100等）、使用V alVue 软件或FDT 架构的工具软件。

参考的校验接线和电子模块端子布置见图7。

本机显示LCD 和操作按键见图8，LCD 显示为3行，每行9个字符，第一行通常显示数据，第二行显示代表阀位的棒图，第三行通常显示说明或含义。

操作按键和盖子位于LCD 下方，打开盖子可见：左边的“*”键（Select ）为选择键，可“选择”或“接受”当前所显示的数值或参数选项；中间的“-”键（Back ）为向后键，可按菜单结构返回菜单上一个项目，或减少当前图4 安装到Camflex 旋转阀
图5 安装到直行程控制阀 图6 双作用输出P1和P2的连接
显示的数值，按住时可加速减少；右边的“+”键（Forward ）为向前键，可按菜单结构调出菜单下一个项目，或增加当前显示的数值，按住时可加速增加。

SVI Ⅱ AP 有正常运行（NORMAL ）和手动操作（MANUAL ）两种操作模式、组态（CONFIG ）和校准（CALIB ）两种设置（SETUP ）模式，还有故障安全（FAILSAFE ）和复位（RESET ）两个故障处理和上电的模式。

SVI Ⅱ AP 出厂缺省设置为正常运行模式，初次上电时LCD 会循环显示PRES （压力单位和数值）、SIGNAL （输入控制信号电流）、POS （阀位）等参数，间隔1.5秒，若在LCD 左上角显示“！”表示有更多的可用状态。

若设置为手动操作模式，上电后LCD 会循环显示POS-M 和SIG 及中间行棒图显示阀位开度。

若失电后再次上电，则保持失电时已设置的操作模式。

图8 LCD 和操作按键
图7 接线与电子模块端子布置
图9 正常运行模式、手动操作模式的菜单结构
在正常运行模式循环显示时，按任意键出现显示NORMAL ，若按“+”键可进入下一菜单MANUAL ，若按“*”键回到正常运行模式循环显示；在手动操作模式循环显示时，按任意键出现显示MANPOS ，若按“*”键进入手动阀位，可使用“+”或“-”键选择数值和按“*”键返回，若按“+”键可进入下一菜单SETUP ，再按“+”键就进入到出现显示NORMAL 。

参见图9。

用操作按键查看设置参数：在正常运行模式循环显示时，按任意键出现显示NORMAL ，按“+”键出现显示MANUAL ，再按“+”键出现显示VIEW DATA ，或在手动操作模式循环显示时，按任意键出现显示MANPOS ，连着按四次“+”键到出现显示VIEW DATA ，此时按“*”键便进入VIEW DATA 菜单，可以按“*”键查依次查看或设置气动执行机构类型（单作用或双作用）、作用（A TO 气开或A TC 气关）、阀流量特性、压力单位、紧密关闭（ON 或OFF ）、信号低限、信号高限，按“*”键退出VIEW DA TA 。

用操作按键设置组态和校准：在正常运行模式循环显示时，按任意键出现显示NORMAL ，按“+”键出现MANUAL ，按“*”键后，进入手动操作模式循环显示，按任意键出现显示MANPOS ，再按“+”键到显示SETUP ，按“*”键进入设置菜单的CONFIG （组态），按“*”键进入组态菜单可检查和调整设置组态（参见图10），否则继续按“+”键到CALIB （校准），此时按“*”键进入校准菜单出现STOPS ，按“*”键选择RUNNING （运行）执行STOPS ，观察控制阀从全开到全关，按“*”键后进行控制阀行程自校准，STOPS 过程结束后再按“+”键知道出现显示TUNE （自适应），若按“*”键则选择执行自适应功能，这个操作需要3至10分钟用不同的阶跃测试来整定PID 以获得最优化的动态响应，自适应整定执行过程中在LCD 上会显示数字信息，表示过程正在进行，自适应校准结束后显示TUNE ，多次按“+”键直到显示出现SETUP ，再按“+”键便回到NORMAL 正常运行模式，控制阀会按新校准参数移动到指定的阀位。

更多具体操作以及使用HART 通信组态和校准的方法请参照厂家提供的手册。

性能监视和故障诊断
SVI Ⅱ AP 的诊断功能分为SD 标准版和AD 增强版，提供连续诊断、离线诊断、在线诊断三种方式。

连续诊断包括定位器运行、行程累计、行程方向改变次数、运行时间、性能相关的报警信息等。

离线诊断借助V alVue 软件进行单个或多个阶跃的动态测试，获得工作台弹簧压力、量化的控制阀摩擦力和阀门定位器初生值。

在线诊断监视阀位、输入控制信号、气源压力、输出压力、I/P 电气转换器压力和气动系统性能、电子模块温度，以及定位性能和控制阀摩擦力等。

使用V alVue 软件进行性能监视产生在线控制阀初生值，关键的性能监视显示有SD 版和AD
版共有的图10 组态设置菜单
响应时间、设定值偏差、阀位超调量、振荡、滞后，及AD 版的摩擦力以及气动执行机构弹簧的压力范围等。

离线控制阀初生值：SD 版有阀门定位器初生值（滞后、死区和定位精度）和阶跃测试初生值（响应时间、滞后、死区、超调和灵敏度，图11a ）。

AD 版有全行程测试初生值（控制阀/气动执行机构摩擦力、弹簧范围和校准、气动执行机构压力、终端阀位关闭分析、高分辨率，图11b ）、终端阀位关闭分析（非关闭与关闭、阀芯与阀座的接触、关闭力，图11c ）、控制阀初生值（控制阀/气动执行机构摩擦力、弹簧范围和校准、响应时间、气动执行机构压力、初生值存储）。

结束语
SVI Ⅱ AP 智能电气阀门定位器结构紧凑、坚固耐用，适应恶劣环境下的工业应用，是高性能高可靠性的HART 通信现场设备，实现了定位控制、现场显示、远程通信和故障诊断。

气动部件的多种选项适用单作用或双作用或大气量的气动执行机构，并且是单独模块设计方便维护更换。

多达5个压力传感器和易于使用的V alVue 软件提升了性能监视和故障诊断功能。

参考文献：
1. Masoneilan GEA19099 SVI Ⅱ AP Digital Valve Positioner_Brochure_English, 2011.10
2. Masoneilan SVI Ⅱ AP Installation and Maintenance Manual(Rev G)
3. Masoneilan GEA20218 SVI Ⅱ AP – High Capacity - FINAL 2013.2
LBH 2013.12.9
图11 性能测试的初生值
a. 阶跃测试初生值
b.终端阀位关闭分析
c.全行程测试初生值。