ND9000系列智能阀门定位器的原理和应用

ND 9000™系列智能电气阀门定位器的原理和应用

李宝华

摘要：ND 9000™是美卓-耐莱斯（METSO-Neles ）的一种采用32位ARM RISC 微处理器、性能先进、智能

和可靠性结合的高端智能电气阀门定位器，2003年产品首次发布，2010年推出增强的故障诊断、在线诊断以及控制性能改善的新版本，可在metso FieldCare™ 系统和美卓设备管理解决方案支持下进行控制阀预测性维护。ND 9000系列为模块化结构、坚固耐用设计，有本安、隔爆（Ex d ）类型和支持HART 、Profibus-PA 、Ff 等现场总线通信以及FDT 开放性平台，适用各种工业过程控制阀的气动执行机构。

关键词：ND9000™；智能电气阀门定位器；原理；应用

引言

ND 9000™是一种采用32位ARM RISC 微处理器、性能先进、智能和可靠性结合的高端智能电气阀门定位器，是芬兰美卓公司（METSO ）旗下美卓自动化的阀门业务的耐莱斯（Neles ）公司2003年首发的智能产品。

美卓公司是一家全球化的供货商，以领先的技术为矿山、建筑、自动化、制浆、造纸、电力以及石油、天然气等工业的可持续发展提供支持。业务机构遍布全球50多个国家，共有雇员约30000人，2012年度的销售额超过75亿欧元，其中美卓自动化分部的年销售额占12%。2013年10月1日美卓集团被拆分为二个公司，美卓制浆造纸和电力分部将组建新公司维美德（V almet ）；矿山与建筑，自动化分部则继续在美卓旗下运营。

美卓自动化-耐莱斯研发生产阀门定位器产品由来已久，上世纪七十年代开始有NP 4气动阀门定位器和NE 4电气阀门定位器，1990年推出新的电气阀门定位器NE 7，1996年推出数字式电气阀门定位器ND 800，2001年开始在ND 800基础上研发新一代智能电气阀门定位器，至2003年发布ND 9000系列，2009年增加ND 9000系列的不锈钢外壳隔爆型，到2010年推出增强的故障诊断、在线诊断以及具有鲁棒性、控制性能改善的ND 9000系列新版本，可在metso FieldCare™ 系统或Metso V alve Manager™系统（美卓设备管理解决方案）支持下进行在线诊断的控制阀预测性维护。ND 9000系列为模块化结构、坚固耐用设计，有本安、隔爆（Ex d ）类型和支持HART 、Profibus-PA 、FOUNDATION fieldbus （Ff ）等现场总线通信以及FDT 开放性平台，适用各种工业过程控制阀的气动执行机构（参见图1）。

ND 9000系列主要面对工业过程控制的高端应用，并派生出适用于安全仪表系统ESD 控制阀在线监视和测试的ValvGuard VG 9000（符合IEC 61508的SIL 3认证）和适用于开/关控制阀的SwitchGuard SG 9000。为了争夺中低端HART 用户市场，2013年在对ND 9000系列功能简化和减少配置后形成经济型的ND 7000系列。本文仅对ND 9000系列智能电气阀门定位器进行介绍。

结构组成

ND 9000系列基于模块化设计，坚固耐用外壳（防护等级IP 66），其ND 9100型为外壳铸铝和塑料材料的本安型（重1.8kg ）、ND 9200型为外壳铸铝和强化玻璃材料的Ex d 隔爆型（重3.4kg ）、ND 9300型为外壳全不锈钢316材料的Ex d 隔爆型（8.6kg ）。支持VDI/VDE 3845和IEC 60534-6安装连接标准，适用于单作用或双作用气动角行程执行机构（轴转角45-95º）和气动直行程执行机构（10-120mm ）。型号代码的第五位表示控制输入信号和现场总线通信类型：H 为HART 、

P 为

Profibus-PA 、F 为FF 。ND 9000系列还可选扩展集成二线制阀位变送器、阀位开关（微动开关、接近开关）以及外接端子盒、加排气端口等。阀位传感器图1 ND 9000智能电气阀门定位器 ND 9100本安型

ND 9200隔爆型 ND 9300不锈钢外壳隔爆型 控制阀诊断

为非接触的电涡流式，具有较好温度性能和耐冲击能力和免维护。气动部件是喷嘴挡板型前置机构（Prestage ）的先导阀来驱动气动滑阀，有三种不同口径容量的气动滑阀可选。配置有3个压力传感器和1个气动滑阀位置传感器。本机用户界面（LUI ）十分友好，操作简便，LCD 滚动显示测量参数，使用四个按键本机操作、组态，操作键可锁住防止误操作。还配有非常直观的机械式阀位指示器。参见图2。

ND 9000系列的智能核心是采用32位ARM RISC 微处理器，256 kB RAM ，1MB Flash ROM （100 000 次写/擦），全生命周期的信息储存能力。电路板有双层漆封保护，控制电路板和通信电路板各自独立。定位控制、信息处理和诊断功能强大，多变量参数实时监测，内置的数据库可连续自动存储在线趋势（偏差、静态摩擦力、开阀负载、气源压力、阀门定位器温度、气动滑阀行程、控制阀平均速度、设定值平均速度）。支持各种现场总线通信协议（HART 、Profibus-PA 、Ff ）以及EDDL 和FDT/DTM 。定位控制满足用户工况变化，5种控制特性自适应选择。设备诊断包括自诊断、在线诊断、性能诊断、通信诊断、扩展的离线测试。

工作原理

ND 9000系列为二线制4-20mADC 回路供电（最小电流3.6mADC 、20mADC 时负载电阻485欧姆，负载电压9.7VDC ）或现场总线供电（9-32VDC ），由功能强大的32位微处理器控制阀位和执行性能，相关的测量参数有输入控制信号、阀位传感器行程（转角）信号、气动输出1/输出2压力、气源压力、滑阀（spool valve ）位置、本机温度。带有本机用户操作界面（LUI ）实现参数显示和组态，可与安装有metso FieldCare™ 软件的PC 机连接实现远方监控。LUI 在自动模式运行下可进行自动校验、手动校验、3点或9点行程校验，在自动模式或手动模式运行下可进行单点校验。

ND 9000系列的工作原理见图3所示。当输入信号/电源和气源接通后，微处理器µC 开始读取输入控制信号（设定值）、阀位传感器的行程/转角信号（α）、压力信号（气源压力Ps 、输出1的P1、输出2的P2）和气动滑阀阀位信号（SPS ）。微处理器根据预置的定位控制算法对设定值与输入信号α的偏差进行运算，计算出一个新的控制值来改变气动部件的前置级先导阀（PR ）的线圈电流，进而改变气动滑阀的导向压力并推动滑阀动作，使气动输出变化。若是双作用气动输出，则使气动执行机构（如气缸型）的一侧进气和另一侧排气，气缸两侧的压差和改变的气量使气动执行机构驱动控制阀的推杆/轴产生新的位移/转角。阀位反馈连接使阀位传感器（α）检测到阀位变化并将测量信号送到微处理器中，形成一个闭环控制。微处理器运用控制算法不断调整PR 的电流，直到产生气动执行机构/控制阀达到设定值所要求的阀位为止。性能指标按照IEC 61514标准，死区小于或等于0.1%，滞后小于0.5%。

ND 9000系列的气动部件由喷嘴挡板型前置机构的先导阀和气动滑阀组成，参见图4。ND 9000的供气压力为140-800kPa （1.4-8bar ），压力变化10%时对阀位影响小于1%。先导阀平衡结构设计，电气响应快速。气动滑阀的配置按用于ND 9100、ND 9200和ND 9300型号不同而有所不同，气动滑阀抗气源冲击能力强，有1000万次动作的高寿命，有三种不同滑阀口径容量来满足不同气动执行机构的需求，ND 9000系列型号代码第2组数字的第四位表示气动滑阀（如ND 9103的3表示气动滑阀为型式3），数字2表示用于低输出机械式阀位指示器LCD 先导阀气动滑阀 电路板图2 ND 9000的结构组成 图3 ND 9000的工作原理