HVP系列智能阀门定位器介绍

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关于HVP系列智能阀门定位器研究开发

钟盛辉

(重庆川仪十一厂有限公司)

摘要:本文简要介绍了智能阀门定位器在国内外的发展情况,以及研究开发的必要性和重要性;详细阐述了工作原理,设计中采用压电阀、电磁效应原理、低功耗等关键技术;概括分析了HVP系列智能阀门定位器的特点、技术参数,目前在现场的使用情况和市场前景。

Abstract: The article give a brief of that the development of the Smart Positioner at home and abroad, also told us the importance and necessary of .Research and Development for it. Described the control theory in age some key technology such as Piezoe Valves、Electromagnet theory、Low consumed power and so on. Generalize the peculiarity and the main parameter of the HVP. Then introduce sth about the use of HVP in the fieldwork and the potential in the market.

关键词:智能阀门定位器、压电阀、电磁线圈、I/P转换单元、低功耗Keywords:Smart Positioner.Piezoe Valves.Electromagnetism Winding.I/P switch Cell.Low consumed powe r

中图分类号:TH86 文献标识码:B

一、立项背景

随着智能、网络、通信和控制/管理综合自动化技术的发展,在工业流量控制中对气动调节阀的智能化要求日益迫切。特别是现场总线和开放式控制系统对阀门定位器提出了更高的要求,使得原有的阀门定位器无法满足控制要求,开发研制智能阀门定位器是工业自动化发展的必然结果。随着现场总线技术的

日趋完善和成熟,加快了智能型定位器产品的研究开发:在国外,智能阀门定位器研究开发较早的有 FISHER、SIEMENS 、ABB、 SAMSON、山武等公司,其成熟产品已广泛应用于冶金、石油、化工、电力等行业的控制系统中。在国内,其主导产品还是基于力平衡原理的机械式和模拟电子技术的电—气阀门定位器,对智能阀门定位器的研究开发还处于起步阶段,行业单位研制开发的数字式阀门定位器等产品,虽然提高了产品技术水平,但不能满足当今现场总线及开放式控制系统对定位器的要求。

HVP系列智能阀门定位器是国家“九五”攻关项目—《HART协议智能阀门定位器及防爆品种研究开发》(97-755-04-02-01)的科技成果,主要包括HVP11/12/和HVP08/09两大类四个品种,是我公司拥有完全自主知识产权的创新产品,它填补了国内在该领域的空白,其技术水平处于国内领先地位。

二、原理及构成

1、工作原理

HVP系列智能阀门定位器作为气动智能调节阀的主要附件之一,在过程控制系统中所处的地位如图1所示:r为被调量的设定值;y为被调量;ym为被调量的测量值;u为调控器的输出信号(与调节阀的开度成一定关系);f为定位器的输出信号;c为阀门位置信号。定位器利用闭环控制原理,将从调控器输出的调节信号u与从调节阀的阀门反馈位置信号c在CPU中相比较,根据比较后的偏差大小,输出电脉冲信号驱动电气转换单元(I/P),I/P转换单元输出与电脉冲相对应的气压力,气压力驱动调节阀进行流量调节,从而达到控制目的。

图1 阀门定位器的位置

图2 智能阀门定位器原理框图

2、基本构成

HVP系列智能阀门定位器是集机械、电子、软件为一体的高技术产品,主要由仪表外壳、电气转换单元(I/P)、位置传感器、主控电路板、显示模块、电流反馈模块、HART通信模块、报警模块、安装连接件等部分构成。

三、关键技术

1、在I/P转换单元中采用压电晶体和高性能电磁线圈技术。

I/P电气转换器单元是智能阀门定位器的核心部件,降低耗电量、提高耐振动性和适合接收高频率的控制信号是该部件的关键技术。

为达到以上开发目标,在HVP11/12型智能阀门定位器的电气转换单元(I/P)中采用了压电晶体控制技术制成的压电阀,其原理是:利用功能陶瓷在低电压作用下产生伸长或缩短的特点,把功能陶瓷制作成双层陶瓷片,当双陶瓷片中的单片陶瓷分别接收到相反方向的控制电压时,产生弯曲变形,利用双层陶瓷片的弯曲变形,使其陶瓷片密封面远离或靠近喷嘴孔,从而改变放大器的背压

力,完成电气转换的目的。利用压电技术制成的压电阀具有如下优点:a、功耗低;b、体积小、重量轻;c、抗振动性强;d、使用寿命长等。利用该技术设计制造的智能阀门定位器采用静态平衡输出法,保证定位器在稳定输出时,压缩空气消耗几乎为零(理论上),同时也大大提高了I/P电气转换单元的抗振动性能。

在HVP08/09型智能阀门定位器的电气转换单元(I/P)中采用了高性能电磁线圈技术(即电磁效应原理)。该技术在模拟定位器I/P转换单元中已广泛采用,因其功耗大、体积大、抗振动性能差等缺点不能直接用于智能阀门定位器的I/P转换单元。高性能I/P转换单元结构采用完全对称设计;通过优化、仿真设计,取动铁、磁路等零件的抗振性能和磁性能最佳时的几何尺寸;在满足特性要求的情况下,工作气隙尽量设计得小。通过重新设计制造的高性能电磁线圈式I/P转换单元克服了原来的功耗大(达到同样输出,只需要原来六分之一的电流)、结构大(只有原来的二分之一左右,且结构紧凑、精巧)、抗振动性能差(提高约三倍左右)等缺点,完全能满足智能阀门定位器的控制要求。采用该技术设计制造的I/P转换单元具有:结构简单、性价比高等特点。利用该技术设计制造的智能阀门定位器采用动态平衡输出法,保证定位器输出后端即使有泄漏的情况下,也能稳定输出。

2、位置感应技术

位置传感器其核心作用是把调节阀的实际位置值,时刻采样送入CPU及数字单元中。在设计时,保证其具有较高的位置返馈精度及正反方向的值相同(在同一位置)是至关重要的。位置传感器采用线性精度为0.1%的精密导电塑料电位器作为感应元件替代模拟式中的反馈凸轮或反馈弹簧;在调节阀位置采集时,采用了无间隙的返馈结构,在任何时候主从动齿轮间均为无间隙传动,即使是齿轮磨损,也能保证其正反方向的值是一致性。通过以上措施,HVP智能阀门定位器的位置传感器完全能够满足HVP智能阀门定位器的控制要求。

3、低功耗电路控制技术

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