智能阀门定位器的简要原理说明.doc

关于智能阀门定位器技术课题 QC 小组攻关报告 编制 组长 成员 审核 仪表车间 2006-12-08成立 QC 小组的目的与意义 随着工程设计实践与国际上的接轨，以及先进的控制系统和优化控制方案，越来越多的选择智能阀门定位器。我公司广泛使用了先进的智能阀门定位器，但由于没有中文资料，仪表维护人员缺少维护经验，造成处理故障不及时，从而在一定程度上影响了系统的稳定运行。尤其是近段时期出现智能阀门定位器的故障，给正常的生产运行带来了严重的影响，为了使员工尽快提高和掌握处理故障的能力，把公司提出的大学习大练兵落实到实处，仪表车间特成立智能阀门定位器 QC 攻关小组，通过展开深入细致的调查工作，查出隐患根源，制定整改措施，摸索出一套行之有效的维护和处理故障的方法，并针对重点阀门建立事故应急预案，做到及早防范，尽可能的把给生产带来的损失降到最小。智能阀门定位器简介 目前采用的智能定位器的结构原理，大致分三部分组成：微处理器电子控制的模件；电/气动转换器模件的压电阀；阀位传感器。模拟量的 420mA 控制信号传给微处理器，与阀位传感器的反馈进行比较，微处理器根据偏差的大小和方向进行控制计算（一级控制），向压电阀发出电控指令使其进行开、闭动作。压电阀依据控制指令脉冲的宽度对应于气动放大器输出压力的增量，同时气动放大器的输出又被反馈给内控制回路，再次与微处理器的运算结果进行比较运算（二级控制），通过两级控制输出信号到执行机构，执行机构内空气压力的变化控制着阀门行程。当控制偏差很大时，压电阀发出宽幅脉冲信号，使定位器输出一个连续信号，大幅度的改变至执行机构的信号压力驱动阀门快速动作；随着阀门接近要求的位置，命令要求的位置与测得位置的差值变小，压电阀输出一个较小脉宽的脉冲信号，断续、小幅度的改变至执行机构的信号压力，使执行机构接近新命令位置的动作平缓。当阀门到达要求的位置（进入死区）时，压电阀无脉冲输出，定位器输出保持为零，使阀门稳定在某一位置不动。 特点： 1 液晶显示面板可指示操作状态或警告工况，具有诊断、监测功能。 2 耗气量非常小，对气源压力的变化不敏感； 3 采用同一型号既可用于直行程又可用于角行程； 4 “紧闭”功能默认设置起始风压，确保执行机构对阀座适宜的定位压力，使调节阀在不同工况下保证零位“紧密关闭”； 5 使用 HART 通讯协议，与定位器进行双向通信； 6 能够改善调节阀的流量特性和性能； 7）安装简单连接牢固，调校工作方便快捷，调校的线性好，精度高，响应速度和死区适中可设定，稳定性好； 具有可选的或可编程的输出特性。我公司使用情况 热电车间燃机供电采用德国西门子 SIPART PS2 智能阀门定位器，共计5 台。 空分车间使用情况如下： 采用美国富斯 Flowserve 旗下的 PMV 公司 D3 智能定位器，共计 60 台； 采用德国西门子 SIPART PS2 智能阀门定位器，共计 14 台； 采用芬兰美卓 METSO9000 型智能阀门定位器，共计 1 台。 气化车间采用德国西门子 SIPART PS2 智能阀门定位器，共计 24 台。 醋酸车间采用的是 FISHER 阀门配套提供的 6010 及 6020 型智能阀门定位器，共计 99 台。 我公司使用智能阀门定位器总计 203 台。使用过程中出现的故障及其原因分析 空分 PMV D3 阀门定位器故障 6 台； 空分主空压机入口导叶 METSO 9000 型智能阀门定位器故障； 醋酸 FISHER 阀门成套的 6010 智能阀门定位器故障 1 台。 故障原因分析： 1、在安装阶段由于安装原因 PMV D3 阀门定位器进水，导致内部电路 板损坏，有三台出现该故障。 2、在使用阶段由于 PMV D3 阀门定位器压电阀块故障导致阀门不动作， 原因由于仪表气质量差使阀块气路堵塞，有两台出现该故障。 3、在使用阶段由于 PMV D3 阀门定位器控制信号与输出偏差大，影响 正常操作，先后有 3 台出现该问题，一台无法修复，另外两台经重新 调试后正常投用。4、METSO 9100 智能阀门定位器因位置传感器故障而使导叶无法控制， 引起了重大停车事故。5、德国西门子智能阀门定位器在使用时出现由自动模式转换到手动模 式，使阀门无法正常调节，恢复后正常使用，一台。6、FISHER 阀门成套的 6020 智能阀门定位器损坏一台，故障现象是 50 以下开度不线性，50以上不动作，原因是由于阀门定位器进水导致 电板故障。 智能定位器的维护及使用注意事项一、 西门子 SIPART PS2 智能阀门定位器 1 工作原理 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器主要由微处理器、A/D、D/A 转换器，执行机构行程检测系统和压电阀模块等部分组成。微处理器对给定值与实际阀位的电子信号进行比较，如果微处理器检测到偏差，立即根据偏差（即给定值 W 与控制输出 X 之间的偏差）的大小和方向输出一个电控指令给压电阀，压电阀进而调节进入执行机构气室的空气流量，也就是说，压电阀将控制指令转换为气动位移增量。当控制偏差很大时（高速区），定位器输出一个连续信号；如偏差不大（低速区），定位器将输出脉冲信号。当控制偏差很小时（自适应或可调死区状态），则设有定位信号输出。当 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器与二级制系统连接时，它完全从 420mA 给定信号中获取电源。SIPART PS2 智能型电气阀门定位器有单作用定位器和双作用定位器两种，分别用于弹簧加载的执行机构和无弹簧执行机构。参看图 1-1。 图 1-1 SIPART PS2 型智能电气阀门定位器原理图 SIPART PS2 有关参数： 2 调校步骤 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器的调校步骤： （1）检查安装在阀门执行机构上的 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器的安装方式是否正确，固定螺丝、传动轴螺丝、气路接头等是否上紧，传动比选择器（90°/ 33°）位置是否正确。 （2）检查电路板接触是否良好，检查电气接线是否正确（图 1-2）。 SIPART PS2 电 气 定 位器（二线制定位器） 6DR50.、6DR51.输入 电路 图 1-2 二线制接线图 （3）按仪表检定规程通气、通电。 （4）连按键数次，至显示“36.PRST NO”，当预设置成功后显示“36.PRSTOCAY”。这时定位器自理“未初始化”状态。 （5）按需要执行机构工作的方式要求修改有关程序的参数值。一般需要修改的参数有：执行机构类型、反馈角度、给定电流范围、阀门特性、工作方式（正反作用）等。 （6）按键，直到显示“4.INIT NO”，然后按“”键大于 5S，定位器进入初始化状态。 （7）在初始化运行 RUN1RUN5 过程中，可能检测出操作过程中发生的问题（一般在 RUN1RUN2），当初始化运行到 RUN3 时，可能出现“NOZZLE U”或“NOZZLE D”时，按“-”键手动泄压（排气），初始化继续，当初始化完成时显示“FINISH”。 （8）完成了初始化设置后， SIPART PS2 定位器程序投入 把 “AUT（自动）”运行状态。 3 操作技巧 由于在安装过程中会发生不可预见的误操作，或该定位器是经过检修后需要重新投运的，那么在初始化运行 RUN1RUN5 过程中，就会检测出操作过程中发生的问题。若初始化时出现无法继续，则必须按键，停止初始化。这时，可以通过 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器面板上的 LCD 和按钮，手动操作气动执行机构。 当初始化到 RUN1（确定执行机构作用方向）不能继续时，按“”或“-”键，使得执行器处于工作范围内（即不要把阀门开或关过头，让执行机构移动到最好的位置），必要时也可检查压电阀模块。 当初始化到 RUN2 （核对执行机构行程并校正零位和行程范围）不能继续时，检查传动比选择器位置是否正确或拨动校正轮。以阀门工作方式为正作用为例，按“”键，阀门开度增大；按“-”键，阀门开度减小。这时，可以通过观察LCD 上显示的反馈阀位信号（0100）是否与阀门的实际开度（0100）相一致。若不一致，则可以通过拨动校正轮来实现。通常，首先是按“”或“-”键，把阀门开度手动位移至 50，然后拨动校正轮，直至 LCD 上显示的反馈信号为50。接着按“”键使阀门全开（开度 100），观察 LCD 上显示的反馈阀位信号是否在 85左右；按“-”键，使阀门全关（开度 0），观察 LCD 上显示的反馈阀位信号是否有 8左右。若满足以下 3 个条件，再把阀门开度手动位移至 50左右（这样可缩短调校时间），按调校步骤重新对 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器进行初始化。若无法同时满足以上 3 个条件，则必须反复拨动（凭经验可推断应该是顺时针或逆时针拨动）校正轮，以求得较好的调校初始位置。 当初始化运行到 RUN3（测定向上/向下两个方向的定位速度）时，若出现“NOZZLE U”或“NOZZLE D”，则说明定位时间太短，如果你认为确定定位时间太短，可以通过调节压电阀模块上的节流装置延长定位时间，否则按“-”键可手动泄压（排气），使初使化继续。 初始化的第 4 步（RUN4）为微处理器自动确定最小的定位增量。 初始化的第 5 步（RUN5）为微处理器对瞬时响应的最佳优化，不再用手动调整放大值和衰减值。 需要指出的是，手动拨动校正轮时几乎无法达到阀门开度（0100）与反馈阀位信号（0100）相一致。就算手动调校很精确了，往往反而初始化不了。因此，手动调校时只要求线性好即可。当 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器进入自动调校后，只要初始化成功，则阀门开度与反馈阀位信号是会严格一致的。 4 检修与维护 SIPART PS2 智能型电气阀门定位器在我公司的使用中的故障是排气不通 。解决的办法是，稍微旋畅，憋压，导致“要开阀门开不了，要关阀门关不掉”松定位器输出工作口的气路接头，使其留有微小的泄气量（根据该定位器的特点，基本不会增加系统的耗气量），这样就可排除，并预防憋压。 振动引起的故障，电路板与压电阀模块接触不良，校正轮连接件开裂、松脱，导致定位器不能工作。当电路板与压电阀模块接触不良时，可以把压电阀模块上的接触弹簧片适当地掰起一点。校正轮连接件开裂、松脱可试用乐泰 406 瞬干胶修复。 由于气源夹带水分引起的故障，可自己试着分解、清洗压电阀模块，并用电吹风对各部件进行烘干处理。 值得注意的是：日常维护时，应特别注意检查是否有水顺着信号线进入接线端，做好防水处理。信号线下垂的最低点（也就是水珠的滑落点）不得高于定位器的进线端口。若信号线是套上金属软管的，应在金属软管上垂的最低点剪开一个口子用于排水，预防金属软管内充满水后灌入接线端，另一种方式可采用隔缆头密封，来防止进水。二、 PMV D3 阀门定位器 D3 是一种数字式阀门定位器，拥有出色的性能和较好的性价比。经计算机优化设计而制造出来的气动继电器内有压电阀，具有极好的动态特性和极小的稳态气耗量。它可以安装在单作用或双作用执行器上，适用于直行程和角行程两种型式。D3 组件有反馈模块、限位开关和压电阀等，其反馈模块可选（包括开关、Namur 传感器、420mA 变送器） 。全部信息呈现在一个图形窗口之中，使用面板上的五个按键或通过 HART 和 Profibus PA 通讯器即可进行参数配置。 所有这些特性使 D3 具有了低能耗和极大节约开支的特点，同时维持了高质量的阀门性能。 1. 工作原理 图 2-1 为 D3 的工作原理图。 图 2-1 D3 工作原理图 双作用工作原理：两个压电阀在上图中处于关闭状态，这就不会影响阀门 A和 D。来自空气过滤器的空气从的阀门 A（处于开启状态）到 B（处于开启状态）流动，随即气压通过阀门 B 经 H 到达执行器，而后执行期沿图示箭头方向运动。与此同时，通过阀门 A 的空气使得阀门 C 开启，执行器由此排气。 当两个压电阀均开启，阀门 A 关闭，阀门 D 开启并控制阀门 E 和 F，执行器沿与图示箭头相反的方向运动。当只有压电阀 1 开启时，执行器保持静止。 单作用工作原理：阀门 B 用来供气，阀门 F 用来排气，其它同上。 2. D3 配置菜单结构 对 D3 的日常维护主要集中在装配校准、参数设置以及故障分析等方面，而这些又都是通过 D3 的软件功能来实现的，因此在此主要说明一下它的软件（菜单）结构及其主要特点。 菜单结构分为两大部分：Basic menu 和 Full menu。Basic menu 提供了装配及应用所需和自动校准的功能，Full menu 让我们可以对控制参数做进一步的校准或自定义报警设置。 将 D3 安装到一台执行器之后，只需要启动自动校准程序（Basic menu 上的Calibrate 功能） D3 就会自动调整并最优化控制参数， ， 使之达到最好的动态特性。专门为反馈传感器设计的摩擦离合器保证了反馈元件始终处于正确的位置。 使用键盘锁定功能可以防止未经允许的个人行为引起 D3 设置产生变化，还可以在访问不同层次的菜单时设置密码。在任何情况下，D3 都能够恢复到出厂设置状态，方法是在 Full menu 中选中 FACT SET 功能。 D3 所有的信息都能通过一个屏幕显示出来，仅通过面板上的五个按键就能实现组态过程。其部分参数有： Out of service 取消设定点和允许对定位器参数进行修改； Manual 允许手动选择设定点，按 ESC 保持阀位； Unprotected 该定位器未处于写保护状态，所有的参数可以被修改； Heading Position 显示当前位置（在一定范围内）； OK 参数改变确认键，相当于 ENTER； UP and Down buttons 菜单换行，键入数值，以手动模式操作阀门； ESC 退出菜单，不进行任何未确认的改变； FUNC 应用于标题或功能选择，按 FUNC 键激活参数编辑 。下面给出 Basic menu 和 Full menu 的基本结构示意图，见图 2-2。 基本菜单（Basic menu） 完整菜单 （Full menu）主要参数的基本含义：（1） READ 读取当前测量值，对部分参 数值进行设置；（2） MAN/AUTO 在手动与自动模式之 间切换；（3） CALIBRATE 校准功能；（4） SHIFT MENU 在 Basic menu 和 Full menu 之间切换；（5） PROTECTION 用于保护所有基本设 置，no/yes 两种选择，选 yes 则开启 写保护，改变任何值都需要输入密 码；（6） STATUS 选择定位器是否处于工作 状态（在使用中） ；（7） SETUP 进行多种设置；（8） TUNING 关于调谐曲线的设置；（9） ALARMS 定义报警的触发条件；（10） FACT SET 恢复到默认的出厂设置。 图 2-2 Basic menu 和 Full menu 的基本结构示意图下面两页给出全部菜单及其选项的树形图。 3. 常见故障及解决办法 故障特征 解决办法 1. 检查气源压力、空气清洁度、改变输入到定位器的信号，执行机构不 定位器与执行器的连接情况；动作 2. 检查输入到定位器的信号； 3. 检查定位器和执行器的安装与 连接情况。改变输入到定位器的信号，执行机构全 1. 检查输入信号；关 2. 检查定位器和执行器的安装与 连接情况。校验错误 1. 执行自动校验，检查有无任何 泄露； 2. 不均匀的气源压力； 3. 不稳定的输入信号； 4. 使用的执行器不匹配； 5. 执行器或阀门内部摩擦； 6. 执行器或阀门内过度动作； 7. 执行器或阀门的安装过程中过 度动作； 8. 不干净或潮湿的气源。动作迟缓，调节不稳定 1. 执行自动校验； 2. 调整压力调节螺丝； 3. 增大死区（Tuning 菜单）； 4. 调整性能（Calibrate 菜单）。三、美卓（MESTO）Neles ND9000 型智能化阀门控制器 ND9000 是一种先进的智能化阀门控制器，用于所有工业领域的各种控制阀执行器，适用于直行程或角行程阀门的气动薄膜式和气缸式执行器。借助无与伦比的诊断技术和独一无二的特征，可确保最终产品在各种运行条件下的质量在美卓 Neles FieldCare 终生服务系统的支持下，ND9000 已成为一种可确保未来发展的性能可靠的设备。其良好的设计和独一无二的诊断功能，为性能优化和前瞻性服务业务奠定了坚实的基础。 ND9000 是系列代号，“9”指的是 ND9000 系列，“10”指的是外壳安全级别为“Standard IP66/NEMA 4×”，“H”指的是支持 HART 通讯协议和所定义的输入信号范围（4-20mA）。我公司使用控制器的具体型号是 ND9100H/K05，配以 ND9106H/K05 限位开关。下面就某些方面做进一步的说明。 1. 工作原理 ND9100H 是一种基于微处理器技术的智能阀门控制器，采用 4-20mA 的供电回路，使用 HART 手操器操作设备时支持最低 3.6mA 输入信号。就地操作可以使用控制器的本地用户界面，远程操作需要一台安装有 FieldWare 软件的电脑，且须连接到 ND9100H 本体或控制回路中。 阀位由功能强大的 32 位微处理器控制，相关的测量参数有输入信号、带无触点传感器的阀位、执行器压力（2 个独立的测量值）、气源压力、滑阀（spoolvalve）、设备温度。 先进的自诊断技术保证全部测量功能正常工作。当输入信号和阀位测量均正常时，其它任意测量的失灵不会导致阀门失灵。电气信号连接和到气缸的气源连接完成之后，微处理器（C，参看图 3-1，下同）读取输入信号、位置传感器测量值（）、压力传感器测量值（Ps、P1、P2）和滑位传感器测量值（SPS）。嵌入 C 中的控制算法检测到输入信号与 发生偏差后，以分别来自输入信号和传感器的数据为依据，计算一个新值并送入前置级（PR）线圈电路。改变输入到PR 的电流相应改变通向滑阀的控制压力。减小了的控制压力使滑阀阀芯产生位移，相应地改变了执行器的压力。阀芯开启后，气体流向双薄膜执行器的驱动侧，并从执行器另一侧排出。逐渐增大的压力就会使薄膜产生位移，驱动执行器和反馈杆或轴顺时针旋转。位置传感器（）测量旋转量并送到 C 中。运用控制算法，C 开始调整 PR 中的电流，从一种稳态开始，直到产生的新值使得执行器状态达到输入信号值应对应的状态为止。请参看图 3-1 所示。 图 3-1 ND9100H 工作原理图 2. 安装方式和电气连接 （1） 安装方式 ND9100H 适应性强，有四种安装方式，分别是安装于 EC/EJ 执行器、通过VDI/VDE 安装于 Metso 自动化执行器、安装于 NelesCV 球阀的直行程执行器、通过 IEC60534 安装于直行程执行器，具体的装配图见图 3-2 所示。 图 3-2 ND9100H 的四种安装方式的装配图 管道的布置以及管材的规格均有详细的规定，以双作用执行器为例，如图3-3 所示。 图 3-3 双作用执行器 图 3-4 安装于 EC/EJ 执行器 连接气源到（G1/4）S，连接 C1、C2（G1/4）到执行器。如 ND9100H 安装于 EC/EJ 执行器，C1、C2（G1/4）必须塞紧以保证安全，必要时（EJ05）可以使用装配衬板。 （2） 电气连接 ND9100H 采用标准 4-20mA 供电回路，与 HART 手操器相同。输入信号线采用 M20×1.5 电缆，导线连接到接线端子（图 3-5）上，输入信号线的保护接地建议只使用由 图 3-5 接线端子DCS 末端引出的。 需要外部供电的位置变送器连接到 PT 的两个接线柱上。ND9100H 和位置变送器可保持绝缘于 600V 交流电。 （3） 检修与维护 ND9100H 阀门定位器所需维护取决于工作环境及条件，如气源质量等因素，正常工况下无需维护。 检修 ND9100H 前，确保气源已断开且压力业已释放。ND9100H 阀门控制器包括以下可换模块，分别是前置级单元、带传感器的滑阀组件单元、带可选择位置变送器的通讯电板。这些模块被固定在盖壳之下，如果某个模块发生故障导致失灵，就必须更换新模块，且须在清洁干燥的环境中进行装配。重新装配后，把螺丝涂上防松螺纹油（如乐泰 243），并牢牢地紧固。 a. 前置级 前置级拆除要十分小心，尤其当去掉外壳后，拆下来的部分不能乱动。用螺丝刀卸下 M4.