電氣閥門定位器及調(diào)節(jié)閥

1、電氣閥門定位器及調(diào)節(jié)閥馮志強一、電氣閥門定位器閥門定位器伴隨著控制閥的應(yīng)用已有幾十年的歷史了，由于閥門定位器的出現(xiàn)，使控制閥的控制精度、抗干擾能力、響應(yīng)時間、流量特性等得到了大大地改善，現(xiàn)在幾乎所有的控制閥都使用了閥門定位器，它已經(jīng)成為控制閥不可缺少的搭檔，在自控元件中起著越來越重要的角色。電氣閥門定位器是按力平衡原理設(shè)計工作的，其工作原理是在氣動閥門定位器的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的電流信號控制閥門定位器。當(dāng)從電動調(diào)節(jié)器來的電流信號，輸入到力矩馬達(dá)組件的線圈時，在力矩馬達(dá)的氣隙中產(chǎn)生一個磁場，它與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場共同作用，使銜鐵產(chǎn)生一個向左的力，主杠桿（銜鐵）繞支點轉(zhuǎn)動，檔板靠近噴嘴，噴嘴背壓經(jīng)放大

2、器放大后，送入薄膜執(zhí)行機構(gòu)氣室，使閥桿向下移動，并帶動反饋桿繞支點轉(zhuǎn)動，連接在同一軸上的反饋凸輪作逆時針主向轉(zhuǎn)動，通過滾輪使付杠桿繞支點轉(zhuǎn)動，并將反饋彈簧拉伸、彈簧對主杠桿的拉力與力矩馬達(dá)作用在主杠桿上的力矩相等時，械桿系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時，一定的信號電流就與一定的閥門位置相對應(yīng)。彈簧是作調(diào)整零位用的。以上作用方式為正作用，若要改變作用方式，只要將凸輪翻轉(zhuǎn)，A向變成B向等，即可。 所謂正作用定位器，就是信號電流增加，輸出壓力亦增加；所謂反作用定位器，就是信號電流增加，輸出壓力則減少。一臺正作用執(zhí)行機構(gòu)只要裝上反作用定位器，就能實現(xiàn)反作用執(zhí)行機構(gòu)的動作；相反，一臺反作用執(zhí)行機構(gòu)只要裝上反作用定

3、位器，就能實現(xiàn)正作用執(zhí)行機構(gòu)的動作。本文主要介紹SAMSON 閥門定位器的工作原理和功能，通過列舉模擬和數(shù)字閥門定位器，使大家能夠比較全面地掌握閥門定位器，其目的為了我們更好地理解和應(yīng)用閥門定位器。雖然閥門定位器由最初的氣/氣閥門定位器、電/氣閥門定位器發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字閥門定位器、區(qū)域總線閥門定位器，但它們的基本原理和主要功能都沒有大的改變。SAMSON的閥門定位器也跟隨著控制技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了由氣動、電動、數(shù)字、發(fā)展到現(xiàn)在的區(qū)域總線閥門定位器。在世界同類產(chǎn)品中，SAMSON 的閥門定位器以它的結(jié)構(gòu)緊湊、耗氣量低、工作可靠、定位器中可選附加功能多等優(yōu)勢得到了大家廣泛的好評。為了便于大家討論，我

4、們首先復(fù)習(xí)一下定位器中的基本自控元件。- 1 -1定位器中基本自控元件介紹-電/氣轉(zhuǎn)換器原理隨著儀表技術(shù)的發(fā)展，氣動儀表領(lǐng)域已逐步被電動儀表和計算機控制所占領(lǐng)，現(xiàn)在只有在一些特殊的場合還在使用氣動儀表，作為儀表中的閥門附件“定位器”也由原來的氣動閥門（P/P）定位器逐步由電/氣（E/P）閥門定位器所代替。那么在電/氣閥門定位器中輸入的電信號是如何轉(zhuǎn)換成氣信號的呢？我們以SAMSON 6111 型電/氣轉(zhuǎn)換器為例介紹一下它的工作原理(見圖1)：圖1 Function Diagram of 6111圖1A Type 4763氣動功率放大器（8）在設(shè)計時；選用合適的彈簧力（8.2），使當(dāng)輸入信號為0

5、 mA 時保持輸出PA 在100mbar ，樣輸出的壓力通過恒節(jié)流孔（8.4）使噴嘴（7）內(nèi)有一定的背壓。當(dāng)輸入的信號增加時；通電的線圈（2）切割永久磁鐵（3）的磁力線，產(chǎn)生向上的力擋板（6）靠近噴嘴（7）使背壓（PK）增加膜片（8.3）打開閥芯（8.5）輸出PA。當(dāng)輸入信號減少時；擋板（6）離開噴嘴（7）背壓（PK）減少輸出壓力（PA）作用下膜片（8.3）閥芯（8.5）關(guān)死輸出壓力通過閥芯（8.5）釋放。當(dāng)PA 同PK 平衡時輸出壓力保持不變；這時電信號在線圈（2）中產(chǎn)生的力也同背壓（PK）取得平衡。這樣輸入的電信號就轉(zhuǎn)換成氣信號了。2定位器的組成以SAMSON 的4763 電/氣閥門定位器

6、（圖1A）為例，定位器主要組成部分見圖2。 - 2 -圖2 1.反饋桿（1） 2.反饋彈簧（6） 3.反饋風(fēng)箱（7） 4. 氣動功率放大器（7下部） 5.電/氣換器（21）3定位器工作原理1）. 模擬定位器我們還是以SAMSON的4763定位器為例（考圖3）。我們設(shè)：調(diào)節(jié)閥為FC（氣開）；定位器為正作用。A）閥位根據(jù)輸入信號成比例動作輸入信號Pe 點氣壓反饋風(fēng)箱中連桿（9）向左動作壓緊彈簧（6），擋板（10.2）靠近噴嘴（10.1）輸出風(fēng)壓閥桿（對于氣開閥）壓緊彈簧（6）反饋風(fēng)箱中連桿（9）向右動作擋板（10.2）離開噴嘴（10.1）輸出氣壓（Pst）。當(dāng)反饋彈簧的力與反饋風(fēng)箱的力平衡時，閥位

7、保持與輸入信號對應(yīng)的位置。B）定位當(dāng)輸入信號不變時：由于工藝條件變化導(dǎo)致閥桿壓緊執(zhí)行器彈簧壓緊彈簧（6）反饋風(fēng)箱中連桿（9）向右動作擋板（10.2）離開噴嘴（10.1）輸出氣壓由執(zhí)行器向下的彈簧力使閥位回到原來的地方。由于工藝條件變化導(dǎo)致閥桿放松執(zhí)行器彈簧放松彈簧（6）反饋風(fēng)箱中連桿（9）向左動作擋板（10.2）靠近噴嘴（10.1）輸出氣壓使執(zhí)行器向上運動使閥位回到原來的地方。2）.數(shù)字閥門定位器數(shù)字閥門定位器與模擬閥門定位器的主要區(qū)別是：偏差計算、反饋信號處理、輸入/輸出信號處理等采用了數(shù)字集成電路和微處理器進(jìn)行處理。以SAMSON TYPE 3780為例，參考圖4和圖5。定位器的輸入模擬信

8、號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后至微處理器（2）；閥門的變化信號經(jīng)過位置感應(yīng)傳感器（5）和A/D轉(zhuǎn)換也同時到達(dá)微處理器。微處理器根據(jù)輸入信號和閥位信號的偏差經(jīng)過計算和輸出控制信號使供氣電磁閥3和排氣電磁閥4工作，使閥位與輸入信號相對應(yīng)。通信用的HART信號是經(jīng)過解調(diào)器（1）后至微處理器。- 3 -圖3圖4 3780 Positinoer- 4 -圖5 Function Diagram of 37803）.HART 定位器HART定位器同模擬定位器的主要區(qū)別是：a）定位器在接收420mA 模擬信號的同時，還可接收到在420mA 模擬信號上疊加的一個帶有HART 傳輸協(xié)議的交流信號。b）模擬的420mA 信號用于

9、控制閥位，定位器可以用模擬信號發(fā)生器進(jìn)行閥位調(diào)校。 c）HART 信號主要用于定位器的設(shè)定和組態(tài)以及閥門的故障診斷（取決于定位器功能）。4）.PROFIBUS 和Fieldbus 定位器主要特點是：a）信號的傳輸是通過PROFIBUS 或Fieldbus 協(xié)議的區(qū)域總線進(jìn)行的。b）定位器不能直接接受420mA 的模擬信號。c）定位器中含有符合相關(guān)協(xié)議的輸入，輸出及PID 控制模塊。d）檢查和調(diào)校定位器；必須用能與定位器進(jìn)行通訊和含有應(yīng)用軟件的設(shè)備進(jìn)行。4定位器的基本功能1）. 比例動作和定位作用比例動作：根據(jù)輸入的信號，使閥門的閥位與輸入信號相對應(yīng)。定位作用：當(dāng)輸入信號固定時，閥位不受工藝條件

10、的變化而變化。2）. 功率放大針對氣動輸入信號而言，定位器可將輸入的氣信號；通過定位器中的氣動功率放大器進(jìn)行放大，使微小的信號就可以控制閥門動作。3）. 提高閥門的控制精度由于定位器是根據(jù)輸入信號與閥門位置的偏差對輸出信號進(jìn)行調(diào)整的，一旦輸入信號與閥門位置有偏差，定位器將自動調(diào)整輸出信號以改變閥位，直到閥位與輸入信號相對應(yīng)為止，這樣大大提高了閥門的控制精度。4）. 克服摩擦力由于定位器本身的定位閉環(huán)控制，當(dāng)摩擦力變化時（指閥桿的填料、執(zhí)行器的密封等部分的摩擦力）；定位器可以根據(jù)由摩擦力造成的位置偏差，自動增加或減少輸出到執(zhí)行器的壓力，以克服摩擦力對閥門開度造成的影響。- 5 -5）. 改變作用

11、方式通過定位器我們可以改變閥門的作用方式。6）.改變閥門特性曲線閥門的流量特性，除了在閥門制造時通過改變閥芯/座的形狀來實現(xiàn)外；我們還可以在定位器中，通過改變反饋量（模擬定位器）和設(shè)定參數(shù)（數(shù)字定位器）來改變閥門的流量特性。SAMSON 定位器中只有數(shù)字定位器（3730-2/3，3780，3785，3787）和在角行程應(yīng)用時的3767模擬定位器；可以通過定位器改變閥門的流量特性。用定位器改變閥門流量特性的實質(zhì)是：通過改變定位器輸入信號和閥位的關(guān)系來改變閥門的開度，實現(xiàn)不同的閥門流量特性。我們看一下通過閥芯形狀實現(xiàn)等百分比特性和通過定位器實現(xiàn)等百分比特性有何不同呢？ 當(dāng)利用閥芯形狀改變調(diào)節(jié)閥的流

12、量特性時，無論線性和等百分比特性的閥門，它們的開度（行程指示牌）同輸入的信號是相對應(yīng)的。（但實際閥門內(nèi)部的開度是不同的）而通過定位器實現(xiàn)等百分比特性的閥門開度；相對線性特性而言，其輸入信號同閥位的關(guān)系有明顯的不同，而且它們關(guān)系與閥門的結(jié)構(gòu)和類型以及閥門固有的流量特性有關(guān)。如果閥門的固有流量特性是線性特性，我們就可以利用定位器很方便地改變它們的特性，反之我們要慎重行事。7）.信號轉(zhuǎn)換/分程控制我們可以通過定位器實現(xiàn)電/氣轉(zhuǎn)換，也可以利用定位器來實現(xiàn)閥門的分程控制。8）. 閥門故障診斷（數(shù)字定位器）在數(shù)字定位器中，我們可以利用定位器實現(xiàn)對閥門的故障進(jìn)行診斷。9）. 整合其它功能（回訊開關(guān)，電磁閥，

13、位置變送器等）利用定位器我們可以將：回訊開關(guān)，電磁閥，位置變送器等整合在一起，這樣可使閥門的附件之間的連接更加緊湊和可靠，同時也可提高定位器的性能價格比。5定位器分類SAMSON 閥門定位器有多種類型和功能，我們按主要類型歸納如下：1）.氣動閥門定位器氣動閥門定位器有：Type 3760，4765，3766，3761。2）.電/氣閥門定位器模擬定位器有：Type 3730-1，3760，3761，3766，4763；數(shù)字定位器有：Type 3730-2，3730-3（HART），3780（HART），3785（PROFIBUS），3787（Fieldbus）。3）.電動閥門定位器模擬電動閥門定

14、位器：已經(jīng)整合在3274，5824 等電動執(zhí)行器中。結(jié)束語由于定位器在閥門使用中起著舉足輕重的作用，如何在實際應(yīng)用中選用好定位器，對閥門的性能價格比，過程控制的穩(wěn)定性有很大關(guān)系，我們只有充分理解和了解定位器，才能充分發(fā)揮它的作用。二、 調(diào)節(jié)閥 調(diào)節(jié)閥主要工作原理，是靠改變閥門閥瓣與閥座間的流通面積，達(dá)到調(diào)節(jié)壓力、流量等參數(shù)的目的。 本節(jié)主要介紹調(diào)節(jié)閥的閥體和閥芯的主要結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)閥的流量特性以及有關(guān)閥芯氣蝕噪音問題的解決方法。1 閥體結(jié)構(gòu)a 直通單座閥(GLOBE) 閥體內(nèi)只有一個閥座和密封面，結(jié)構(gòu)簡單,密封效果好,是使用較多的一種閥體類型。特點：泄漏量小，閥前后壓差小。圖2-1- 6 -圖2-

15、1直通單座閥 圖22直通雙座閥b 直通雙座閥(GLOBE) 圖22 閥體內(nèi)有兩個閥座和密封面，流通能力大,不平衡力小,但泄漏量大,切斷效果差,是使用較多的一種閥體類型。 變正裝為反裝極為方便。c 套筒閥(CAGE) 圖23 也叫籠式閥，閥體與一般直通單座閥相似，內(nèi)部有一個圓柱形套筒（籠子）導(dǎo)向 套筒上開有窗口用于決定流量與流量特性 閥芯上可開有平衡孔,減小不平衡力 套筒閥可調(diào)比大,振動小,不平衡力小,互換性好, 可適用于大部分單雙座閥的應(yīng)用場合 不適用于有顆粒及較臟污介質(zhì) 是使用最為廣泛的一種閥體類型 球閥、蝶閥、隔膜閥等都可以作為調(diào)節(jié)閥圖2-3 套筒閥- 7 -圖2-4 套筒閥閥芯圖2-5球

16、閥 圖2-6 蝶閥2調(diào)節(jié)閥流量特性 直線流量特性 等百分比流量特性 快開流量特性 拋物線流量特性圖2-7 特性曲線- 8 -直線流量特性 相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位行程引起的流量變化是常數(shù)等百分比流量特性 單位行程變化引起相對流量變化與該點的相對流量成正比，即放大系數(shù)是變化的，但是相對流量的變化是常數(shù)?？扉_流量特性 相對行程變化引起相對流量的變化與該點相對流量成反比，其作用與等百分比相反 拋物線流量特性 相對行程的變化引起相對流量的變化與該點相對流量的平方根成正比。 介于直線與等百分比之間彌補了直線特性小開度調(diào)節(jié)性能差的缺點流量特性與閥芯的關(guān)系 不同的閥芯形狀決定不同的流量特性 蝶閥

17、、球閥、隔膜閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥固有特性不能修改 套筒閥、柱塞閥、v形開口閥，可修改閥芯形狀改變流量特性 固有流量特性（壓差不變） 工作流量特性（壓差變化）見下表：- 9 -3 執(zhí)行機構(gòu)1) 氣動執(zhí)行機構(gòu)閥門氣動驅(qū)動裝置安全、可靠、成本低，使用維修方便，是閥門驅(qū)動機構(gòu)中的一大分支。氣動裝置在具有防爆要求的場合應(yīng)用較多。閥門氣動驅(qū)動裝置采用氣源的工作壓較低，一般為0.31.0MPa；結(jié)構(gòu)尺寸不大，閥門氣動驅(qū)動裝置的總推力也不很大。 氣動執(zhí)行機構(gòu)有氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)、氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)、長行程執(zhí)行機構(gòu)、側(cè)裝式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)等等。A 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)彈簧，正作用 多彈簧，反作用氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)是一種應(yīng)用最

18、廣泛的執(zhí)行機構(gòu)，它通常接受0.020.1MPa或0.040.2MPa當(dāng)信號壓力增加時推桿向下移動的叫正作用執(zhí)行機構(gòu)；信號壓力增加時推桿向上移動的叫反作用執(zhí)行機構(gòu)。較大口徑的調(diào)節(jié)閥都采用正作用式執(zhí)行機構(gòu)。工作原理：信號壓力通過波紋膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）進(jìn)入氣室，在波紋膜片上產(chǎn)生一定的作用力，使推桿移動并壓縮或拉伸彈簧，當(dāng)彈簧的反作用力與膜片上的作用力相平衡時，推桿就穩(wěn)定在一個新的位置。信號壓力越大，作用在波紋膜片上的作用力越大，彈簧的反作用力越大，即推桿的位移越大。正作用和反作用形式的執(zhí)行機構(gòu)一般從型號上可以分別，如國產(chǎn)正作用式執(zhí)行機構(gòu)的型號為ZMA型，反作用式的為ZMB型。-

19、 10 - （a） 正作用 （b ） 反作用 氣缸橫式執(zhí)行機構(gòu)雙作用（無彈簧） 單作用（彈簧返回）2) 電動執(zhí)行機構(gòu) 電動執(zhí)行機構(gòu)一般由電機、減速箱、手操機構(gòu)、機械位置指示機構(gòu)等一些部件組成。與其他閥門驅(qū)動裝置相比，電動驅(qū)動裝置具有動力源廣泛，操作迅速、方便等特點，并且容易滿足各種控制要求。所以，在閥門驅(qū)動裝置中，電動裝置占主導(dǎo)地位。4執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)試1)氣動頭調(diào)試氣動執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)試，主要是對定位器進(jìn)行調(diào)試。首先將閥門放至全關(guān)位置，為保證閥門關(guān)閉嚴(yán) 密，擰閥桿上連接螺母至擰不動為止，閥芯和閥座肯定接觸緊密了，此時調(diào)整閥桿行程刻度牌至 - 11 -零位，然后接通氣源，用減壓閥將氣源壓力調(diào)至所需壓力

20、，然后用信號發(fā)生器給定位器輸入4mA電流，調(diào)整定位器上的零點調(diào)整手輪至閥門剛剛開始動作為止，接著再輸入20mA電流，根據(jù)行程刻度，調(diào)整零點調(diào)整手輪和量程調(diào)整裝置使閥桿行程為全開，然后重復(fù)輸入4mA和20mA的步驟，直至閥門滿足4mA全關(guān)和20mA全開的要求。為了保證閥門在4mA的時候關(guān)緊，在調(diào)試時可以輸入4.104.15mA電流作為全關(guān)的信號，這樣在實際工作狀態(tài)下4mA電流肯定能將閥門關(guān)緊。2) 電動頭調(diào)試電動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)試時，用手輪將閥門開至中間位置，然后給開或關(guān)的信號，看閥門是否向正確方向動作，如果相反，則電機反轉(zhuǎn)，只需將電機三相電源的兩相調(diào)換即可。力矩開關(guān)出廠后已經(jīng)整定好，一般不需調(diào)整，如

21、需調(diào)整，則查找說明書對應(yīng)力矩開關(guān)上的刻度值調(diào)整。 行程開關(guān)的調(diào)整分關(guān)向和開向，關(guān)向調(diào)整時，將閥門手動致“全關(guān)”，用起子壓下頂軸，并旋轉(zhuǎn)90°可卡住為止，按關(guān)向箭頭旋轉(zhuǎn)關(guān)向調(diào)整螺母，直到關(guān)向轉(zhuǎn)動柱動作，使轉(zhuǎn)動柱上的凸臺與兩旁箭頭方向基本一致為止（非動作狀態(tài)，凸臺方向與箭頭方向垂直），旋回頂軸復(fù)位，開向調(diào)整時，手動將閥門致“全開”， 用起子壓下頂軸，并旋轉(zhuǎn)90°可卡住為止，按開向箭頭旋轉(zhuǎn)開向調(diào)整螺母，直到開向轉(zhuǎn)動柱動作，使轉(zhuǎn)動柱上的凸臺與兩旁箭頭方向基本一致為止，旋回頂軸復(fù)位。之后給出開、關(guān)信號，看閥門是否達(dá)到要求。5 調(diào)節(jié)閥的選型1) 型號編制說明- 12 -第一部分 第二部

22、分 尾注表示溫度表示公稱壓力。分別以“16”、“40”、“64”表示調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式。直通雙座以“N”表示，直通單座以“P”表示執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征，有彈簧直程正作用為“A”，有彈簧直程反作用為“B”氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)以“M”表示。該字母不變 執(zhí)行器大類，以“Z”表示，該字母不變用的確定調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)的選擇主要從工藝生產(chǎn)需要和安全要求考慮。原則時：當(dāng)信號壓力中斷時，應(yīng)保證工藝設(shè)備和生產(chǎn)的安全。如閥門處于全開位置時危險性小，則應(yīng)選擇氣關(guān)式，反之應(yīng)選氣開式。由于執(zhí)行機構(gòu)有正作用和反作用兩種，閥也有正裝和反裝兩種，因此，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)有4種組合方式，在確定了調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式后，必須根據(jù)閥的

23、這一形式來確定調(diào)節(jié)器的正作用和反作用。6PID參數(shù)的整定現(xiàn)場調(diào)試整定PID參數(shù)的原則：要使控制系統(tǒng)的過渡過程盡量短。最大偏差和超調(diào)量要小。擾動作用后，減幅振蕩的次數(shù)盡可能少。恒溫曲線要求盡可能平直。 靜差要小。 整定PID參數(shù)的經(jīng)驗口訣：整定參數(shù)尋最佳，從小到大順次查。 先是比例后積分，最后再把微分加。 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。 曲線漂浮繞大彎，比例度盤往下減。 曲線偏離回復(fù)慢，積分時間降下來。 曲線波動周期長，積分時間再加長。 曲線振動頻率快，先把微分降下來。 動差大而波動慢，微分時間應(yīng)加大。 理想曲線兩個波，調(diào)節(jié)過程質(zhì)量高。對于PID控制的場合，如果PID參數(shù)不確定需要采用自己編寫程序或人工方式調(diào)整，可以按照下面的步驟進(jìn)行：1）. 啟動裝置，觀察裝置運行情況，按下表逐步調(diào)整(表中數(shù)據(jù)為舉例)：- 13 -2. 一般情況下微分時間與積分時間的關(guān)系：D=I÷（46）。 3. 在電機、調(diào)節(jié)閥的控制場合，為了延長電機壽命，通常把D值設(shè)為0秒，即取消微分動作。 4. 成品儀表默認(rèn)的PID參數(shù)一般為：5，120s，30s。 2）. 裝置啟動后根據(jù)PV（測量值，即控制對象實際值）調(diào)整參數(shù)的方法：設(shè)定