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智能閥門(mén)定位器具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、可通訊等特點(diǎn)，充分適應工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò )化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求，從根本上克服了傳統機械式閥門(mén)定位器功率損耗大、響應速度慢、易發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點(diǎn)。智能閥門(mén)定位器應用氣動(dòng)先導技術(shù)實(shí)現內部氣路控制，即以小閥控制壓縮空氣流量再用壓縮空氣推動(dòng)大閥門(mén)，從而實(shí)現被控介質(zhì)的流量控制，這種分級控制的思想通過(guò)壓電閥應用得以實(shí)現。

工業(yè)過(guò)程控制不斷向網(wǎng)絡(luò )化、分布智能化發(fā)展，適應了設備管理數字化的要求，調節閥是過(guò)程控制系統重要的執行部件，控制調節閥運行的分布智能化解決方案應運而生。智能閥門(mén)定位器具有數據處理、狀態(tài)識別、故障診斷、在線(xiàn)和離線(xiàn)測試、雙向通信等功能。過(guò)程控制系統對調節閥通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)控制，使管理者實(shí)現了對調節閥的預測性維護和科學(xué)管理。計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能預估診斷技術(shù)的發(fā)展，要求智能閥門(mén)定位器必須適應網(wǎng)絡(luò )通訊與供電共線(xiàn)，其核心部分氣動(dòng)控制部件必須實(shí)現超低能耗運行，保證網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)控制系統運行安全可靠。 
    傳統的氣動(dòng)閥中大量使用了電磁原理作為電能-機械能的轉換級，應用線(xiàn)圈和電磁鐵的電磁力效應將控制的電信號轉換位機械的動(dòng)作來(lái)推動(dòng)閥芯的動(dòng)作，從而實(shí)現氣路的切換或氣體壓力、流量的控制。盡管電磁鐵和線(xiàn)圈具有價(jià)格低廉，加工方便的優(yōu)點(diǎn)，但其功率損耗大、響應速度慢、發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點(diǎn)同時(shí)存在，通過(guò)改變電磁鐵材料和閥的加工工藝來(lái)避免以上問(wèn)題的同時(shí)，造成了成本的大幅增加和加工工藝的日趨復雜，并且無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。實(shí)現低功耗、智能集成、高精度、快速響應和長(cháng)壽命的氣動(dòng)控制成為迫切需求。

    1 智能閥門(mén)定位器定義

    根據國標GB/T22137.2-2008《工業(yè)過(guò)程控制系統用閥門(mén)定位器第2部分：氣動(dòng)輸出智能閥門(mén)定位器性能評定方法》，智能閥門(mén)定位器(IntelligentValvePositioner)是以微處理器技術(shù)為基礎，采用數字化技術(shù)進(jìn)行數據處理、決策生成和雙向通信的智能過(guò)程控制儀表。智能閥門(mén)定位器按供電方式可分為單獨供電和不用單獨供電；按隔爆級別可分為隔爆和不隔爆。

    2 傳統閥門(mén)定位器存在問(wèn)題

    2.1 采用采用噴嘴擋板技術(shù)即機械力平衡工作原理，可動(dòng)部件較多，易受溫度、振動(dòng)影響；

    2.2 因調節閥規格、填料的摩擦情況各異，調節閥硬件組合難以實(shí)現最佳控制狀態(tài)；

    2.3 信號的流向是控制儀表單向流入定位器的，當出現故障時(shí)，不能自診斷故障位置或原因；

    2.4 噴嘴孔易被灰塵堵塞氣源，使定位器不能正常工作；

    2.5 噴嘴需連續供給壓縮空氣，能耗較大；

    2.6 行程和零點(diǎn)調整，需反復調整，調校麻煩；

    2.7 功能單一，可擴充性差。

    3 智能閥門(mén)定位器優(yōu)點(diǎn)

    3.1 定位精度和可靠性高。機械可動(dòng)部件少，輸入信號和閥位反饋信號直接進(jìn)行數字比較，不易受環(huán)境影響，穩定性好，不存在機械誤差造成的死區影響，具有更高的定位精度和可靠性；

    3.2 流量特性修改方便。智能閥門(mén)定位包括直線(xiàn)、等百分比、快開(kāi)特性功能模塊，可以通過(guò)按鈕或上位機、手持式設定器進(jìn)行數據設定；

    3.3 零點(diǎn)、量程調整簡(jiǎn)單。零點(diǎn)調整與量程調整互不干涉，調整過(guò)程簡(jiǎn)單快捷；

    3.4 具有診斷和檢測功能。除一般的自己診斷功能之外，可輸出與調節閥實(shí)際動(dòng)作相對應的反饋信號，用于遠距離監控調節閥的工作狀態(tài)。接收數字信號的智能閥門(mén)定位器，具有雙向的通訊能力，可以就地或遠距離地利用上位機或手持式操作器進(jìn)行閥門(mén)定位器的組態(tài)、調試和診斷。

    4 智能閥門(mén)定位器工作原理

圖1 智能閥門(mén)定位器工作原理圖

    智能閥門(mén)定位器系統主要由控制單元、電氣轉換I/P單元、閥位檢測反饋單元組成。定位器和執行器構成一個(gè)反饋回路。輸入單元接受來(lái)自控制器的4-20mA電流信號。調節閥位置反饋信號作為被控變量與給定信號值在微處理器中進(jìn)行比較，其偏差通過(guò)主控制板的輸出口發(fā)出不同長(cháng)度的脈沖，調節充排氣速度和動(dòng)作，達到控制驅動(dòng)調節閥動(dòng)作和確定位置過(guò)程。

    5 氣動(dòng)先導技術(shù)

    圖1中，控制閥A和B用來(lái)控制壓縮空氣進(jìn)出氣動(dòng)調節閥，閥A是進(jìn)氣閥，閥B是排氣閥，這兩個(gè)閥門(mén)都只有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)。這種控制思想實(shí)際上是用小閥來(lái)控制壓縮空氣流量，再用壓縮空氣推動(dòng)大的閥門(mén)，控制被控介質(zhì)的流量，這種分級控制的思想即為氣動(dòng)先導技術(shù)的應用。

    在任意時(shí)刻，閥A、B之中只能有一個(gè)開(kāi)通，另一個(gè)開(kāi)關(guān)。當A開(kāi)通時(shí)，由于壓縮空氣壓力大于膜頭內壓力，壓縮空氣進(jìn)入調節閥，閥桿向下移動(dòng)；反之，當B開(kāi)通時(shí)，調節閥氣室內壓縮空氣經(jīng)B排入大氣，閥桿在彈簧作用下向上移動(dòng)。在智能閥門(mén)定位器中，為了能與控制電路接口，閥A和B的開(kāi)通與關(guān)閉必須能夠用電量來(lái)控制，實(shí)際使用中閥A和B有傳統電磁閥、壓電閥等多種類(lèi)型。因為壓電閥的電能-機械能轉換具有低功耗、超快響應、無(wú)電磁干擾、無(wú)自發(fā)熱現象、無(wú)機械磨損、長(cháng)壽命、結構簡(jiǎn)單、承受大震動(dòng)沖擊等優(yōu)點(diǎn)，而取代了傳統電磁閥被廣泛應用。利用微型壓電閥作為先導級，將流量和壓力進(jìn)行進(jìn)一步放大，從而實(shí)現氣動(dòng)控制。

    6 壓電閥工作原理

    6.1 壓電效應

    壓電晶體是一種陶瓷功能材料，晶體為圖2A壓電閥初始狀態(tài)非對稱(chēng)中心的構造，可逆轉換電能和機械能，外力可致該晶體形變產(chǎn)生正壓電效應，外加電場(chǎng)可致該晶體產(chǎn)生電極化和出現應變或應力的逆壓電效應。壓電閥正是基于壓電逆效應，具有節能低功耗(驅動(dòng)電流僅10微安)、精密微型化、高速響應和耐用性好的顯著(zhù)特點(diǎn)，也易于閥門(mén)定位器全數字化。

圖2 A壓電閥初始狀態(tài)

圖3 B壓電閥通電狀態(tài)

    6.2 動(dòng)作原理    

    壓電閥的初始狀態(tài)如圖A，陶瓷片作用在噴嘴口上，噴嘴2和3先導腔連通，形成整體。當壓電閥通電時(shí)，陶瓷片變形上翹，堵住噴嘴口3，噴嘴2和1聯(lián)通。

    6.3 結構原理

    壓電閥在I/P轉換單元中起先導閥的作用，每一個(gè)I/P轉換單元同時(shí)應用兩個(gè)壓電閥，壓電閥I控制I/P轉換單元的輸出（進(jìn)氣閥），壓電閥II控制I/P轉換單元（排氣閥）。

    由于壓電閥壓電陶瓷片彈力有限，所以先導腔室內氣壓必須小于1.2kg，要想控制調節閥動(dòng)力氣，必須實(shí)現壓力放大。在先導腔室一側是一個(gè)大面積膜片，在控制進(jìn)入和排除調節閥動(dòng)力氣一側連桿面積較小。當先導氣壓達到1.2kg時(shí)，施加在先導腔室膜片上的力，大于作用在充氣和排氣腔室一側面上的壓力，這將使充氣閥芯或排氣閥芯移動(dòng)，使動(dòng)力氣充入或排除調節閥氣囊中，使氣囊中氣體壓力提升和降低，與氣囊另一側彈簧達到新的位置平衡，達到控制閥門(mén)開(kāi)度的功能。

    當控制電路聯(lián)通電源后，壓電閥I上無(wú)電壓，壓電閥II加電壓控制，氣源P2進(jìn)入壓電閥II的先導腔室中，形成120KPA氣壓力，導壓推動(dòng)排氣閥芯向下移動(dòng)，排氣口關(guān)閉。這時(shí)，如果控制電路發(fā)出輸出氣壓力的脈沖，壓電閥II則保持狀態(tài)，壓電閥I加控制電壓，功能陶瓷片向上彎曲，陶瓷片堵住壓電閥噴嘴3，氣源P2通過(guò)噴嘴口1進(jìn)入壓電閥I導壓腔室，形成120KPA左右的氣壓力，推動(dòng)移動(dòng)閥芯向下移動(dòng)，氣源P1通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入到氣動(dòng)調節閥的膜室中，驅動(dòng)氣動(dòng)調節閥位置調節，當達到設定位置，壓電閥I的電壓變?yōu)?，其導壓腔室氣壓變?yōu)?，復位彈簧推動(dòng)移動(dòng)閥芯關(guān)閉輸出口，氣動(dòng)調節閥膜室中的氣壓就會(huì )保持在相對恒定壓力下。當要減小氣動(dòng)調節閥膜室中的氣壓時(shí)，壓電閥I控制電壓為0，壓電閥II控制電壓也為0，其導壓腔室的氣壓也變?yōu)?，排氣閥芯在排氣彈簧的作用下，打開(kāi)排氣口排氣，達到膜室減壓的目的。     

    這樣不斷地對壓電閥I，II的控制，I/P轉換單元不斷地輸出氣體壓力和排氣，從而驅動(dòng)氣體調節閥對流過(guò)閥體的介質(zhì)進(jìn)行流量調節。

    7 智能閥門(mén)定位器的應用    

1過(guò)濾器；2可調節流器；3壓電閥I；4移動(dòng)閥芯；5復位彈簧

6壓電閥II；7排氣閥芯；8排氣彈簧；9氣動(dòng)調節閥

圖4 結構原理圖    

    隨著(zhù) DCS和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）的推出和運用，智能閥門(mén)定位器及其它智能現場(chǎng)儀表由于其具有高可靠性、高控制精度、功能易擴展、具有通訊功能等特點(diǎn)，完全能適應工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò )化、集成化、智能化發(fā)展方向的要求，具有廣闊的應用前景。

    7.1 用于控制精度較高的石化生產(chǎn)過(guò)程，如乙烯裂解、催化裂化反應再生系統等生產(chǎn)過(guò)程，以提高產(chǎn)品質(zhì)量；

    7.2 石化系統有很多新建或改建生產(chǎn)裝置采用智能定位器，可集成智能控制系統，增加安全性和經(jīng)濟性；

    7.3 對于已使用常規調節器等儀表控制的生產(chǎn)裝置，可使用智能定位器，改善控制系統，以提高控制精度或克服工藝過(guò)程管線(xiàn)震動(dòng)大的影響；

    7.4 遇到安裝空間小且又要求調節閥帶有輔助功能時(shí)，可使用智能閥門(mén)定位器的擴展功能模塊，如采用帶閥位變送模塊的智能定位器就能實(shí)現普通定位器加閥位變送器的功能；

    7.5 除石化系統外，智能閥門(mén)定位器還可用于石油、化工、冶金、電力、水處理、橡膠等工業(yè)過(guò)程中。

    結語(yǔ)

    氣動(dòng)先導技術(shù)和壓電技術(shù)的應用使智能閥門(mén)定位器的控制變成現實(shí)。隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)越來(lái)越多應用新技術(shù)新型號的智能設備，從用戶(hù)實(shí)際需求及現場(chǎng)工況出發(fā)，幫助用戶(hù)使用好智能閥門(mén)定位器成為產(chǎn)品設計和改進(jìn)的重點(diǎn)，不斷在結構和細節上提升，讓智能閥門(mén)定位器更好地發(fā)揮定位控制、數據處理、狀態(tài)識別、預測性維護、雙向通信的功能，實(shí)現安全、有效的長(cháng)周期運行。