基于阀门定位器的闭环回路控制系统

基于阀门定位器的闭环回路控制系统

摘要

阀门定位器是气动执行机构最重要的附件之一，通过接收控制器的输出信号来实现对控制阀的精准定位，本文以公司最常见的Fisher6200阀门定位器为例，基于闭环回路控制系统，来阐述其在气动执行机构中的应用、组成、工作原理、安装方法、在控制系统中的应用、常见故障处理以及发展前景。

关键词

阀门定位器、I/P转换器、闭环回路控制系统

引言

执行器是过程控制系统中重要组成部分，定位器是其主要附件之一，定位器技术的发展使得调节阀变得更易于控制、更精确，简化了高性能控制回路的设计，使控制回路的执行更加紧凑。阀门定位器的输入信号与阀杆的行程成正比。阀门定位器利用闭环回路控制系统原理，将从控制器来的调节信号(4-20mA)与从执行器来的阀门反馈位置信号相比较，根据比较后的偏差使调节阀执行机构动作，从而使阀芯准确到位，以达到定位的目的。

1、组成及原理

图一阀门定位器实物分解图

图二阀门定位器原理图

I/P转换器气动放大器行程传感器电子模块

1.1、工作原理

图三工作原理方框图

从控制器或控制系统来的输入控制信号经过接线盒进入到电子模块,在这里被微处理器读取后经数字算法处理后转换成模拟量后送给I/P转换器，当信号改变时I/P转换器的线圈和衔铁之间的磁吸引力改变，并因此改变了喷嘴挡板间的距离进而改变了喷嘴背压，该背压经放大器放大后送给执行机构并通过执行机构改变阀杆的位置，阀行程传感器通过反馈杆感受阀杆位置的变化，并将此信号返回到电子模块组件进行计算，当阀杆位置达到正确位置时，阀杆位置信号返回到电子模块进行调整，经过处理后使I/p驱动信号稳定下来，然后执行机构的输出

力也稳定下来阀杆位置不再变化。

1）I/P转换器

当气源经过恒节流孔到喷嘴时，衔铁连接的挡板与喷嘴间的间隙为可变电阻，当增加的驱动信号流经电磁线圈时，吸引衔铁动作，衔铁带动挡板使其靠近喷嘴，引起喷嘴背压增加即送到气动放大器的信号增加，最终阀门定位器输出气压增加，反之一样，当减少驱动信号时，通过电磁线圈使衔铁挡板远离喷嘴，使其背压减少，气动放大器输出减少。

2）气动放大器

DVC6200系列气动放大器有三种类型：A为双作用、C为单作用正向输出、B 为单作用反向输出，气动输出能力和稳态耗气量都与气源压力有关，随其变化而变化，气动量输出能力越大，稳态耗气量也越大。

1.2、fisher6200系列阀门定位器性能特点

1）适用范围广，可以安装在fisher及其他厂家的直行程或角行程执行机构上。2）具有自动行程效验功能。在自动行程效验之前要完成基本设置，然后选择整定与效验，进行自动行程效验，在自动行程效验时，除需手动调整离线模式外，其余部分都是自动进行的，避免了人为故障，效验更加准确。

3）具有稳定与优化功能。完成基本设置和自动效验后，如果阀门看起来还是不平稳或是响应不灵，可通过改变阀门定位器的整定来调整阀门响应，提高阀门灵敏度。

4）具有用户自定义功能。应用阀门定位器的用户自定义功能改变调节阀的流量特性。调节阀的流量特性有三个固定的输入特性，分别是：线性、等百分比、快开，可在详细设置的输入特性菜单里加以选择。

5）具有分程调节功能。设定模拟输入范围上下限，，改变调节阀的压力信号响应范围，实现分程调节。

6）具有自诊断功能。智能阀门定位器能提供阀门性能的精确图像，包括实际阀杆位置，仪表输入信号以及给执行机构的气压。利用这些信息，智能阀门定位器不仅可以诊断本身，而且还可以诊断阀门及其所安装的执行机构。

2、安装方式

fisher阀门定位器的安装分为机械式跟非接触式连接。

机械式连接有诸多缺陷

a、连接件容易磨损（机械磨损、高频振动易造成反馈不准）

b、需要阀杆的实际行程来做判断

c、安装设置比较复杂

机械式连接在安装时需要调整反馈臂与调整臂的位置。具体的调整方法是，使阀门处于相对自由的状态（定位器输出压力为零），打开定位器反馈保护罩，用定位销（如果是气开阀，将定位销插在A的位置，反之则插在B的位置），松开连接臂跟调整臂所连接的螺母，然后将调整臂和反馈臂的交点调整到阀门铭牌上对应的行程值，在拧紧连接臂和反馈臂所连接的螺母，取下定位销。

图四阀门定位器机械式反馈结构

非接触式连接的优点

a、在磁条滑道里装有霍尔效应传感器，可以将磁场跟电流的变化关系转化为电信号

b、磁条与执行机构的阀杆或阀轴相连接

c、安装简单，由定位器自行进行调整

d、避免了高频振动对定位器的影响

3、阀门定位器在控制系统中的应用

阀门定位器是基于闭环回路控制系统而工作的，在控制系统中跟调节阀配合用来对工艺所要求的开度进行准确定位的。

从控制器来的4-20mADC电流信号，通过I/p转换器将电信号转换为气信号，再由气动放大器放大调整后送到调节阀，使阀动作接近设定值，通过阀行程传感器被检测到，然后传到电子模块，若反馈值与设定值的误差较大，电子模块进行调整计算，通过PID参数整定，微量调整，逐步实现对阀门的准确定位。

闭环回路控制系统在有调节阀参与的控制系统中有诸多优点：

a、抑制干扰能力强

b、改善控制回路的动态特性，减少反馈信号的传递滞后

c、改善调节阀的静态特性，提高阀门位置的线性度

d、改善调节阀的流量特性

图五基于阀门定位器的闭环回路控制系统4、常见故障处理

5、结论

在现代工业生产要求中，对于可靠性及准确度有着越来越苛刻的追求，而智能阀门定位器的发展刚好适应了这一要求。智能阀门定位器的控制精度很高，可以实现调节阀的精确控制，从而实现系统的控制水平，而引入闭环回路控制系统后，通过反馈量与输入量的偏差信号，可以实现对输出量的控制或者调节，所以系统的输出量能自动跟踪输入量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。

参考文献

（1）丁炜.过程控制仪表及装置.电子工业出版社.2014

（2）纪纲朱炳兴王森.仪表工试题集.化学工业出版社.2015