（薩姆森控制設備（中國）有限公司，北京 100176）李寶華
                            
    李寶華（1952-）男，北京人，工程師，從事儀表自控技術(shù)工作，現任職于薩姆森控制設備（中國）有限公司。

    摘要：在流程工業(yè)過(guò)程強化、功能安全和現場(chǎng)設備資產(chǎn)管理的強勁需求下，控制閥數字解決方案成為近年來(lái)控制閥制造廠(chǎng)商研發(fā)的重點(diǎn)，市場(chǎng)上數字式閥門(mén)定位器不斷涌現，其中一些是具有數據處理、數字通信、狀態(tài)識別和故障智能診斷、在線(xiàn)和離線(xiàn)測試等功能的智能閥門(mén)定位器。在計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能預估診斷技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，智能閥門(mén)定位器的固件易于研發(fā)和技術(shù)提升，但其氣動(dòng)部件性能和表現卻成為影響高可用性和安全可靠性的重要因素。本文試對中國市場(chǎng)常見(jiàn)的智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件進(jìn)行探討和細節分析。

    關(guān)鍵詞：智能閥門(mén)定位器；氣動(dòng)部件；壓電閥；i/p轉換器；氣動(dòng)放大器；細節分析

    Abstract: Under the strong demand of industrial process intensification,functional safety and on-site equipment asset management, the digital solution of control valves has become the focus of research and development for the valve manufacturers in recent years. Digital positioners are continuously emerging in the market, some of which are intelligent valve positioners with the functions of data processing, digital communication, status recognition and intelligent fault diagnosis as well as online and off-line testing. Under the general environments of rapid development of computer technology, electronic technology, communication technology and intelligent predicted diagnostic technique, it is easy to develop the firmware of the intelligent valve positioners and to improve the related techniques. However, the capability and performance of pneumatic components has become an important factor to influence its high availability and safe reliability. This article attempts to discuss and analyze in detail the pneumatic components of the common intelligent valve positioners in Chinese market.

    Key words: Intelligent valve positioner; Pneumatic components; Piezoelectric valve; i/p converter; Pneumatic relay; Detailed analysis

    1 引言

    在流程工業(yè)過(guò)程強化、功能安全和現場(chǎng)設備資產(chǎn)管理的強勁需求下，控制閥數字解決方案成為近年來(lái)控制閥制造廠(chǎng)商研發(fā)的重點(diǎn)，市場(chǎng)上數字式閥門(mén)定位器不斷涌現，多數產(chǎn)品實(shí)際算不上智能閥門(mén)定位器，只有一部分產(chǎn)品是真正具有數據處理、狀態(tài)識別和故障智能診斷的決策生成、在線(xiàn)和離線(xiàn)測試、雙向通信等功能的智能閥門(mén)定位器，可以實(shí)現控制閥預測性維護和資產(chǎn)管理。

    同時(shí)也注意到，在計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能預估診斷技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，智能閥門(mén)定位器的固件易于研發(fā)和技術(shù)提升。固件包含硬件和軟件，且已經(jīng)是固件依存功能、硬件依存軟件的局面，在板微處理器、應用軟件、專(zhuān)家軟件及功能模塊和接口，都有不俗的設計和組合，且緊隨新技術(shù)發(fā)展而固件版本升級不斷。但要看到，智能閥門(mén)定位器內部最終產(chǎn)生控制閥氣動(dòng)驅動(dòng)壓力的氣動(dòng)部件性能和表現也是影響高可用性和安全可靠性的重要因素。

    2 閥門(mén)定位器市場(chǎng)

    源自ARC咨詢(xún)機構2007報告[1]，2006年全球用于控制閥的各類(lèi)閥門(mén)定位器產(chǎn)品銷(xiāo)售6.576億美元，占有市場(chǎng)份額85%的公司排名前11位見(jiàn)圖1，其余眾多公司僅占有市場(chǎng)份額15%。發(fā)展到2009年，全球閥門(mén)定位器市場(chǎng)格局并沒(méi)有發(fā)生大變化。同時(shí)，排名前11位的公司也是智能閥門(mén)定位器的領(lǐng)軍廠(chǎng)商，中國市場(chǎng)上常見(jiàn)的智能閥門(mén)定位器也主要出自這11家公司。
                         
                                  圖1  閥門(mén)定位器全球市場(chǎng)格局/份額
    在中國市場(chǎng)上，用于控制閥的智能閥門(mén)定位器主要的國外品牌有：艾默生—費希爾（EMERSON-Fisher）的DVC6000/DVC2000、福斯（Flowserve）的Lo g i x 3000/5000/1400、PMV-D3、美卓—耐萊斯（Me t s o-Ne l e s）的ND9000、德萊賽—梅索尼蘭（DRESSER-Masoneilan）的SVI II AP、西門(mén)子（Siemens）的SIPART PS2、薩姆森（SAMSON）的3730-2/-3/-4/-5和3731-3/-5、英維思—?？怂共_—?？ǎ↖PS-Foxboro-Eckardt）的SRD960/991、ABB-H&B的TZIDC、阿自倍爾（azibil（山武Yamatake））的SVP 3000等。

    3 智能閥門(mén)定位器

    根據國標GB/T22137.2-2008（等同IEC 61514-2:2004）《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》中3.1條的定義[2]：智能閥門(mén)定位器（intelligent valve positioner），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；它可以通過(guò)配備附加的傳感器和附加的功能來(lái)補充其主要功能。

    在智能閥門(mén)定位器的常規模型中，氣動(dòng)部件屬于“輸出子系統”，用于將數字信息轉換為控制執行機構的氣動(dòng)信號。GB/T22137.2-2008第4.1.7條“輸出子系統”對氣動(dòng)部件基本設計做了描述。

    4 智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件

    智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件一般為先導部分和功放部分的組合，先導部分主要使用兩類(lèi)技術(shù)：一個(gè)是基于非對稱(chēng)構造晶體的壓電逆效應材料的壓電閥技術(shù)，通常是接受數字信號（電脈沖）兩位動(dòng)作氣動(dòng)輸出；一個(gè)是基于電磁原理和氣動(dòng)噴嘴/擋板機構的I/P轉換器技術(shù)，通常接受模擬電信號連續動(dòng)作氣動(dòng)輸出。在先導部分之后都有氣動(dòng)放大器或氣動(dòng)滑閥一類(lèi)的功率放大輸出部分。

    前一類(lèi)的壓電閥片或壓電閥+氣功放組合件多為外購件或OEM定制，而后一類(lèi)的I/P轉換器+氣動(dòng)放大器組合件多是自有技術(shù)生產(chǎn)的。

    4.1 壓電閥組件

    壓電晶體是一種陶瓷功能材料，晶體為非對稱(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和正壓電效應，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。目前，智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件中的壓電閥組件大都來(lái)自德國賀爾碧格（hoerbiger）自動(dòng)化技術(shù)公司，主要是P9系列壓電閥片（先導部分）和OEM P20系列壓電閥組件[3]，PS2使用的壓電閥組件也是向賀爾碧格定制的。賀爾碧格壓電閥工作原理參見(jiàn)圖2。
                         
                                    圖2  壓電閥工作原理
    圖2（a）是先導用的P9系列壓電閥片的工作原理。結構為極薄彈性金屬片兩面粘結壓電晶體，在壓電片的兩個(gè)工作面上真空鍍膜形成兩個(gè)電極，利用壓電片在電場(chǎng)作用下的變形，來(lái)實(shí)現微型氣路兩位式開(kāi)關(guān)換向。不通電時(shí)壓縮空氣輸入孔1被封閉，輸出孔2和通大氣孔3相通，輸出氣壓為大氣壓，相當于閥關(guān)；通電時(shí)上層晶體收縮，下層晶體伸長(cháng)，上翹機械變形可有幾十微米，通大氣孔3封閉，壓縮空氣由孔1流向孔2，輸出氣壓信號，相當于閥開(kāi)。壓電片彎曲度與輸入電壓有關(guān)，響應時(shí)間小于2ms，兩位開(kāi)關(guān)動(dòng)作的滯環(huán)約為電壓4V。壓電閥也可制成比例輸出型，但因其上下行存在較大滯環(huán)（動(dòng)作電壓約相差2V左右），故很少有在智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件使用比例型壓電閥的。

    圖2（b）是P20系列壓電閥組件的工作原理。P20由P9先導壓電閥片、氣功放（或稱(chēng)主閥）、微減壓器和30μm過(guò)濾器組成，對外呈氣路兩位三通特征。工作電壓24VDC、響應時(shí)間小于20ms、氣源壓力120～800kPa、最大氣量7.8Nm3/h。左側是斷電狀態(tài)，右側是通電狀態(tài)。當P9動(dòng)作接通先導氣路孔2時(shí)，作用在氣功放的膜片上推動(dòng)主閥打開(kāi)并關(guān)閉排氣口，形成大的氣量輸出。當P9動(dòng)作封住氣路孔1，孔3通大氣，氣功放膜片上作用力為0（大氣壓），主閥關(guān)閉主氣路和輸出連通排氣口。

    壓電閥結構的智能閥門(mén)定位器通常是采用兩個(gè)P20系列壓電閥組件（PV1、PV2）和兩個(gè)單向閥（RV1、RV2）組成氣動(dòng)部件，如圖2（c）所示。氣動(dòng)組件可有三種氣路邏輯狀態(tài)：

    PV1通電、PV2通電、RV1打開(kāi)、RV2關(guān)閉：輸出氣壓信號到控制閥氣動(dòng)執行機構，如圖2c；

    PV1斷電、PV2通電、RV1關(guān)閉、RV2關(guān)閉：氣路封閉狀態(tài)，封住通到氣動(dòng)執行機構的氣路氣壓；PV1斷電、PV2斷電、RV1關(guān)閉、RV2打開(kāi)：排氣，氣動(dòng)執行機構膜室經(jīng)壓電閥氣路通大氣。

    這類(lèi)智能閥門(mén)定位器一般采用PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調制方法驅動(dòng)壓電閥組件，PWM軟件自適應調整，以滿(mǎn)足氣動(dòng)輸出需求。當定位偏差大時(shí)，CPU發(fā)出寬幅脈沖指令，當定位偏差小時(shí)，CPU發(fā)出脈寬窄的脈沖指令，當定位偏差在允許值內時(shí)，CPU沒(méi)有脈沖指令，壓電閥組件封住外氣路。定位控制可達到1%基本偏差，壓電閥組件功耗非常低，穩態(tài)耗氣量也相當低，但對壓縮空氣質(zhì)量要求高一些。另一方面，對氣動(dòng)執行機構以及外部氣管路的氣密性要求很高，當有膜室或氣管路泄漏大時(shí)，壓電閥組會(huì )頻繁動(dòng)作，有時(shí)PWM也難以適應，常導致閥位振蕩或造成壓電閥組件故障。

    4.2 I/P轉換器組件

    I/P轉換器基于傳統的電磁技術(shù)和氣動(dòng)噴嘴擋板機構，技術(shù)成熟，靈敏度高，信號有一定功率且平滑線(xiàn)性好；機械零部件較多些，開(kāi)放式噴嘴持續排氣的耗氣量也比壓電閥片大一些，電磁線(xiàn)圈也要考慮電磁干擾問(wèn)題。噴嘴擋板機構先導信號（噴嘴背壓）送給氣動(dòng)放大器進(jìn)行進(jìn)一步功率（壓力×氣量）放大，以便長(cháng)距離輸送和驅動(dòng)氣動(dòng)執行機構。氣動(dòng)放大器結構簡(jiǎn)單、穩定可靠，輸出氣量也大，對壓縮空氣質(zhì)量要求也略低一些。智能閥門(mén)定位器通常是CPU模糊PID運算結果經(jīng)D/A給I/P轉換器模擬電信號進(jìn)行轉換并由氣動(dòng)放大器連續氣動(dòng)輸出的；或者CPU之外的定位控制電路直接輸出電信號給I/P轉換器；也有CPU輸出數字信號讓I/P轉換器兩位動(dòng)作帶動(dòng)多位多通滑閥進(jìn)行氣動(dòng)輸出的。
                         
                                                 （a）
                          
                                                    （b）
                      
                                               （c）
    圖3（a）是一種低功耗（小于5mW）微型I/P轉換器（用于SAMSON 3730/3731系列）的工作原理圖[4]。體積很?。?2×22×12mm），沒(méi)有磁鋼單元。氣源通過(guò)減壓定值和恒節流孔經(jīng)線(xiàn)圈中心的氣管路從噴嘴與擋板間隙流出。電信號接到線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁力，使銜鐵（擋板）微位移，使噴嘴與擋板間隙改變，使噴嘴背壓即I/P輸出改變并與電信號成比例。由于對I/P轉換器氣源設計有微型減壓定值器，所以不受定位器外部氣源壓力的影響，穩態(tài)耗氣量基本為定值。對擋板有阻尼防抖動(dòng)設計，穩定性好。

    圖3（b）是一種杠桿（擋板）力平衡結構的I/P轉換器（用于A(yíng)BB TZIDC）的工作原理圖，靠近線(xiàn)圈一端帶有磁鐵的杠桿繞中心支點(diǎn)偏轉，電信號接到線(xiàn)圈在軛架空氣間隙處產(chǎn)生電磁場(chǎng)，施加給磁鐵一個(gè)力使杠桿偏轉即使擋板靠近或偏遠噴嘴，使噴嘴背壓改變，再經(jīng)氣功放輸出。

    圖3（c）是一種比較傳統的I/P轉換器（用于azibil山武 SVP3000（AVP 30x）），仍是磁單元結構，體積和功耗都比較大，線(xiàn)圈接通電信號后，在與磁鋼磁場(chǎng)的共同作用下使可動(dòng)擋板位移，靠近或遠離噴嘴致使噴嘴背壓變化，并影響到氣動(dòng)放大器輸出?？紤]到電氣防爆，在線(xiàn)圈和磁單元之間加有隔板。

    4.3 氣動(dòng)信號功率放大

    壓電閥或噴嘴擋板機構的I/P轉換器都是將微小位移轉換為氣壓信號，但由于氣源流過(guò)氣孔或恒節流孔，功率很小，需要進(jìn)一步氣動(dòng)信號功率（壓力×氣量）放大，配置氣功放或氣動(dòng)放大器以及氣動(dòng)多位多通滑閥等。氣功放實(shí)質(zhì)是一個(gè)有一定流通能力的開(kāi)關(guān)閥，而氣動(dòng)放大器品種繁多，結構各異，基本原理都是采用繼動(dòng)式彈性元件力平衡、雙閥控制進(jìn)氣和排氣，一般不會(huì )采用耗氣大的節流式氣動(dòng)放大器。繼動(dòng)式氣動(dòng)放大器在穩態(tài)時(shí)，彈性元件（單膜片或膜片組）上的力相互平衡，進(jìn)氣閥和排氣閥基本處于關(guān)閉狀態(tài)，耗氣較??；力平衡發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)作反應快，動(dòng)態(tài)形態(tài)性能好，輸出氣量也大。傳統的氣動(dòng)放大器應用已久，簡(jiǎn)單可靠，本文不再贅述。
        

                   
           表1全球閥門(mén)定位器市場(chǎng)排名前11名,部分職能閥門(mén)定位器產(chǎn)品樣本的部分技術(shù)數據

      5 智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件的部分技術(shù)數據

    對于智能閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件的技術(shù)數據，主要查找了全球閥門(mén)定位器市場(chǎng)排名前11名廠(chǎng)商中的部分智能閥門(mén)定位器的產(chǎn)品樣本手冊，匯總的部分技術(shù)數據見(jiàn)表1，僅供參考，更多數據請見(jiàn)相關(guān)廠(chǎng)商的各自產(chǎn)品資料。

    6 結束語(yǔ)

    智能閥門(mén)定位器為控制閥提供了數字解決方案，有效地提升了控制性能以及完善預測性維護和資產(chǎn)管理，滿(mǎn)足了過(guò)程控制的需求。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，如何使用好智能閥門(mén)定位器應是用戶(hù)面臨的實(shí)際問(wèn)題，用戶(hù)儀表空氣的現狀也需要更好的閥門(mén)定位器氣動(dòng)部件。

    從結構和細節認識智能閥門(mén)定位器，了解和比較智能閥門(mén)定位器的氣動(dòng)部件，讓智能閥門(mén)定位器更好地發(fā)揮定位控制和數據處理、狀態(tài)識別、預測性維護、雙向通信功能，安全有效地長(cháng)周期運行。

    參考文獻：

    [1] ARC Advisory Group. The Worldwide Control Valve Market [R]. Five Year Market Analysis and Forecast through 2011, 2007.

    [2] 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[S].

    [3] hoerbiger. 3/2 way valve with Piezo-pilot valve Series P20. AAT4PT009X,2009(03).

    [4] SAMSON. 3730系列數字式閥門(mén)定位器 3730-3型. EB 8384-3 ZH, 2009,(10): 10.

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期