智能閥門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，充分適應(yīng)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(tǒng)機械式閥門定位器功率損耗大、響應(yīng)速度慢、易發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點。智能閥門定位器應(yīng)用氣動先導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)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大閥門，從而實現(xiàn)被控介質(zhì)的流量控制，這種分級控制的思想通過壓電閥應(yīng)用得以實現(xiàn)。

工業(yè)過程控制不斷向網(wǎng)絡(luò)化、分布智能化發(fā)展，適應(yīng)了設(shè)備管理數(shù)字化的要求，調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)重要的執(zhí)行部件，控制調(diào)節(jié)閥運行的分布智能化解決方案應(yīng)運而生。智能閥門定位器具有數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別、故障診斷、在線和離線測試、雙向通信等功能。過程控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥通過現(xiàn)場總線控制，使管理者實現(xiàn)了對調(diào)節(jié)閥的預(yù)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(yù)估診斷技術(shù)的發(fā)展，要求智能閥門定位器必須適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通訊與供電共線，其核心部分氣動控制部件必須實現(xiàn)超低能耗運行，保證網(wǎng)絡(luò)總線控制系統(tǒng)運行安全可靠。 
    傳統(tǒng)的氣動閥中大量使用了電磁原理作為電能-機械能的轉(zhuǎn)換級，應(yīng)用線圈和電磁鐵的電磁力效應(yīng)將控制的電信號轉(zhuǎn)換位機械的動作來推動閥芯的動作，從而實現(xiàn)氣路的切換或氣體壓力、流量的控制。盡管電磁鐵和線圈具有價格低廉，加工方便的優(yōu)點，但其功率損耗大、響應(yīng)速度慢、發(fā)熱、機械磨損、電磁干擾等缺點同時存在，通過改變電磁鐵材料和閥的加工工藝來避免以上問題的同時，造成了成本的大幅增加和加工工藝的日趨復(fù)雜，并且無法從根本上解決問題。實現(xiàn)低功耗、智能集成、高精度、快速響應(yīng)和長壽命的氣動控制成為迫切需求。

    1 智能閥門定位器定義

    根據(jù)國標(biāo)GB/T22137.2-2008《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用閥門定位器第2部分：氣動輸出智能閥門定位器性能評定方法》，智能閥門定位器(IntelligentValvePositioner)是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字化技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理、決策生成和雙向通信的智能過程控制儀表。智能閥門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(tǒng)閥門定位器存在問題

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

    2.2 因調(diào)節(jié)閥規(guī)格、填料的摩擦情況各異，調(diào)節(jié)閥硬件組合難以實現(xiàn)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(dāng)出現(xiàn)故障時，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(xù)供給壓縮空氣，能耗較大；

    2.6 行程和零點調(diào)整，需反復(fù)調(diào)整，調(diào)校麻煩；

    2.7 功能單一，可擴充性差。

    3 智能閥門定位器優(yōu)點

    3.1 定位精度和可靠性高。機械可動部件少，輸入信號和閥位反饋信號直接進行數(shù)字比較，不易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性好，不存在機械誤差造成的死區(qū)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。智能閥門定位包括直線、等百分比、快開特性功能模塊，可以通過按鈕或上位機、手持式設(shè)定器進行數(shù)據(jù)設(shè)定；

    3.3 零點、量程調(diào)整簡單。零點調(diào)整與量程調(diào)整互不干涉，調(diào)整過程簡單快捷；

    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(diào)節(jié)閥實際動作相對應(yīng)的反饋信號，用于遠距離監(jiān)控調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)。接收數(shù)字信號的智能閥門定位器，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行閥門定位器的組態(tài)、調(diào)試和診斷。

    4 智能閥門定位器工作原理

圖1 智能閥門定位器工作原理圖

    智能閥門定位器系統(tǒng)主要由控制單元、電氣轉(zhuǎn)換I/P單元、閥位檢測反饋單元組成。定位器和執(zhí)行器構(gòu)成一個反饋回路。輸入單元接受來自控制器的4-20mA電流信號。調(diào)節(jié)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行比較，其偏差通過主控制板的輸出口發(fā)出不同長度的脈沖，調(diào)節(jié)充排氣速度和動作，達到控制驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作和確定位置過程。

    5 氣動先導(dǎo)技術(shù)

    圖1中，控制閥A和B用來控制壓縮空氣進出氣動調(diào)節(jié)閥，閥A是進氣閥，閥B是排氣閥，這兩個閥門都只有開關(guān)兩種狀態(tài)。這種控制思想實際上是用小閥來控制壓縮空氣流量，再用壓縮空氣推動大的閥門，控制被控介質(zhì)的流量，這種分級控制的思想即為氣動先導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。

    在任意時刻，閥A、B之中只能有一個開通，另一個開關(guān)。當(dāng)A開通時，由于壓縮空氣壓力大于膜頭內(nèi)壓力，壓縮空氣進入調(diào)節(jié)閥，閥桿向下移動；反之，當(dāng)B開通時，調(diào)節(jié)閥氣室內(nèi)壓縮空氣經(jīng)B排入大氣，閥桿在彈簧作用下向上移動。在智能閥門定位器中，為了能與控制電路接口，閥A和B的開通與關(guān)閉必須能夠用電量來控制，實際使用中閥A和B有傳統(tǒng)電磁閥、壓電閥等多種類型。因為壓電閥的電能-機械能轉(zhuǎn)換具有低功耗、超快響應(yīng)、無電磁干擾、無自發(fā)熱現(xiàn)象、無機械磨損、長壽命、結(jié)構(gòu)簡單、承受大震動沖擊等優(yōu)點，而取代了傳統(tǒng)電磁閥被廣泛應(yīng)用。利用微型壓電閥作為先導(dǎo)級，將流量和壓力進行進一步放大，從而實現(xiàn)氣動控制。

    6 壓電閥工作原理

    6.1 壓電效應(yīng)

    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)非對稱中心的構(gòu)造，可逆轉(zhuǎn)換電能和機械能，外力可致該晶體形變產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，外加電場可致該晶體產(chǎn)生電極化和出現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力的逆壓電效應(yīng)。壓電閥正是基于壓電逆效應(yīng)，具有節(jié)能低功耗(驅(qū)動電流僅10微安)、精密微型化、高速響應(yīng)和耐用性好的顯著特點，也易于閥門定位器全數(shù)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(dǎo)腔連通，形成整體。當(dāng)壓電閥通電時，陶瓷片變形上翹，堵住噴嘴口3，噴嘴2和1聯(lián)通。

    6.3 結(jié)構(gòu)原理

    壓電閥在I/P轉(zhuǎn)換單元中起先導(dǎo)閥的作用，每一個I/P轉(zhuǎn)換單元同時應(yīng)用兩個壓電閥，壓電閥I控制I/P轉(zhuǎn)換單元的輸出（進氣閥），壓電閥II控制I/P轉(zhuǎn)換單元（排氣閥）。

    由于壓電閥壓電陶瓷片彈力有限，所以先導(dǎo)腔室內(nèi)氣壓必須小于1.2kg，要想控制調(diào)節(jié)閥動力氣，必須實現(xiàn)壓力放大。在先導(dǎo)腔室一側(cè)是一個大面積膜片，在控制進入和排除調(diào)節(jié)閥動力氣一側(cè)連桿面積較小。當(dāng)先導(dǎo)氣壓達到1.2kg時，施加在先導(dǎo)腔室膜片上的力，大于作用在充氣和排氣腔室一側(cè)面上的壓力，這將使充氣閥芯或排氣閥芯移動，使動力氣充入或排除調(diào)節(jié)閥氣囊中，使氣囊中氣體壓力提升和降低，與氣囊另一側(cè)彈簧達到新的位置平衡，達到控制閥門開度的功能。

    當(dāng)控制電路聯(lián)通電源后，壓電閥I上無電壓，壓電閥II加電壓控制，氣源P2進入壓電閥II的先導(dǎo)腔室中，形成120KPA氣壓力，導(dǎo)壓推動排氣閥芯向下移動，排氣口關(guān)閉。這時，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通過噴嘴口1進入壓電閥I導(dǎo)壓腔室，形成120KPA左右的氣壓力，推動移動閥芯向下移動，氣源P1通過進氣口進入到氣動調(diào)節(jié)閥的膜室中，驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥位置調(diào)節(jié)，當(dāng)達到設(shè)定位置，壓電閥I的電壓變?yōu)?，其導(dǎo)壓腔室氣壓變?yōu)?，復(fù)位彈簧推動移動閥芯關(guān)閉輸出口，氣動調(diào)節(jié)閥膜室中的氣壓就會保持在相對恒定壓力下。當(dāng)要減小氣動調(diào)節(jié)閥膜室中的氣壓時，壓電閥I控制電壓為0，壓電閥II控制電壓也為0，其導(dǎo)壓腔室的氣壓也變?yōu)?，排氣閥芯在排氣彈簧的作用下，打開排氣口排氣，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(zhuǎn)換單元不斷地輸出氣體壓力和排氣，從而驅(qū)動氣體調(diào)節(jié)閥對流過閥體的介質(zhì)進行流量調(diào)節(jié)。

    7 智能閥門定位器的應(yīng)用    

1過濾器；2可調(diào)節(jié)流器；3壓電閥I；4移動閥芯；5復(fù)位彈簧

6壓電閥II；7排氣閥芯；8排氣彈簧；9氣動調(diào)節(jié)閥

圖4 結(jié)構(gòu)原理圖    

    隨著 DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的推出和運用，智能閥門定位器及其它智能現(xiàn)場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，完全能適應(yīng)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(yīng)用前景。

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

    7.2 石化系統(tǒng)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(tǒng)，增加安全性和經(jīng)濟性；

    7.3 對于已使用常規(guī)調(diào)節(jié)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(tǒng)，以提高控制精度或克服工藝過程管線震動大的影響；

    7.4 遇到安裝空間小且又要求調(diào)節(jié)閥帶有輔助功能時，可使用智能閥門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現(xiàn)普通定位器加閥位變送器的功能；

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

    結(jié)語

    氣動先導(dǎo)技術(shù)和壓電技術(shù)的應(yīng)用使智能閥門定位器的控制變成現(xiàn)實。隨著工業(yè)現(xiàn)場越來越多應(yīng)用新技術(shù)新型號的智能設(shè)備，從用戶實際需求及現(xiàn)場工況出發(fā)，幫助用戶使用好智能閥門定位器成為產(chǎn)品設(shè)計和改進的重點，不斷在結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)上提升，讓智能閥門定位器更好地發(fā)揮定位控制、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別、預(yù)測性維護、雙向通信的功能，實現(xiàn)安全、有效的長周期運行。