智能閥門(mén)定位器的研究與設計

　　閥門(mén)定位器是閥門(mén)的關(guān)鍵附件。智能閥門(mén)定位器運用人工智能技術(shù)，實(shí)現電氣化信號的智能處理，是具有高靈敏度、高可靠性和參數可選擇性的數字系統�？梢蕴岣唛y門(mén)動(dòng)態(tài)響應特性，減少閥門(mén)位移測量的死區。利用通訊協(xié)議，具有數字通訊功能，有很大的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。

一、智能閥門(mén)定位器及其工作原理

　　(一)閥門(mén)定位器的定義和特點(diǎn)

　　閥門(mén)定位器是一種用于調節閥上的主要附件。通常來(lái)說(shuō)又稱(chēng)為氣動(dòng)閥門(mén)定位器。一般來(lái)說(shuō)必須與氣動(dòng)調節閥配套使用，才能正常運作。它的工作原理是接受調節器所輸出的信號，然后利用這一信號去控制氣動(dòng)調節閥。當調節閥根據信號的指示做出一定的動(dòng)作后，調節閥上的閥桿位置有一定的位移，這一位移的動(dòng)作也會(huì )通過(guò)機器的機械裝置反饋到閥門(mén)的定位器，這時(shí)閥門(mén)的狀況通過(guò)這一個(gè)回合的電信號傳給上位系統。閥桿位置移動(dòng)的信號傳輸至它，然后經(jīng)過(guò)它的反饋，它將這種信號作為反饋信號�？刂破魍瑯訒�(huì )輸出一種信號，這種是一種輸出信號。這兩種信號作為比較。如果這兩種信號出現了某種偏差，使其足以改變機械操作的執行動(dòng)作，輸出了執行動(dòng)作的輸出信號，會(huì )建立一種閥桿位置移動(dòng)與控制器輸出信號之間的對應關(guān)系。這時(shí)，閥門(mén)定位器能夠組成一組以閥桿位置移動(dòng)為測量信號，以控制輸出為設定信號的反饋控制系統。一般來(lái)說(shuō)，閥門(mén)的定位器結構按照其結構形式和工作原理可以分氣動(dòng)閥門(mén)定位器、電氣閥門(mén)定位器和智能式閥門(mén)定位器。閥門(mén)定位器的作用是增大調節閥的輸出功率，對于調節信號快速傳遞很反映。對于閥桿來(lái)說(shuō)，可以增加閥桿的移動(dòng)速度，閥桿移動(dòng)是所產(chǎn)生的摩擦力帶來(lái)的平衡性問(wèn)題有很大改善。閥門(mén)的線(xiàn)性度可以通過(guò)定位器裝置的反應有很大的提高。對于閥門(mén)的正確定位和機器的有效運行有巨大作用。

　　(二)智能閥門(mén)定位器的定義和工作原理

　　智能閥門(mén)調節定位器是一種不需要人工矯正和調整的，可以自動(dòng)檢測所帶的調節閥零點(diǎn)、滿(mǎn)度、摩擦系數、自動(dòng)設置控制參數的閥門(mén)定位器。它的工作原理又和傳統的閥門(mén)定位器工作原理有所區別。一般來(lái)說(shuō)，后者接受的是來(lái)至控制系統的4～20mA模擬信號，然后通過(guò)驅動(dòng)力，使電動(dòng)機產(chǎn)生一定的電磁力，這種電磁力會(huì )作用于主杠桿。閥門(mén)器上閥位的變化一般來(lái)說(shuō)主要經(jīng)過(guò)反饋桿、凸輪、副杠桿和反饋彈簧傳遞到要做出反應的主杠桿上。主杠桿上的平衡直接影響擋板噴嘴機構，這一機構受它的影響，經(jīng)過(guò)氣動(dòng)放大器來(lái)控制氣動(dòng)執行機構的進(jìn)氣與排氣這一一進(jìn)一出的氣體反應。然后才最終達到已經(jīng)設定的參數，及設定點(diǎn)。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，后者的主要工作原理主要是利用物理上的力平衡理論，來(lái)達到對于閥門(mén)的操控。

　　對前者，即智能閥門(mén)調節定位器來(lái)說(shuō)。它的工作原理顯然與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求相關(guān)。它的工作原理主要是通過(guò)電子化、數字化的信號控制。這也是人工智能做明顯用于工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)。它接受的是來(lái)自于控制系統的4～20mA閥位設定信號，然后通過(guò)軟件裝置和計算機系統進(jìn)行高精確度的A/D采樣轉換，得到一個(gè)設定值的變量數字元素。閥門(mén)位置的變化在經(jīng)過(guò)了閥門(mén)位置所設置的反饋機構的閥門(mén)位置的電信號后，也需要經(jīng)過(guò)A/D采樣轉換，計算出設定值的變量數字元素和閥門(mén)位置移動(dòng)所產(chǎn)生的變量數值。這兩個(gè)數值經(jīng)過(guò)微處理器的處理，最后匯集成一個(gè)關(guān)于閥門(mén)位置變動(dòng)的信號。通過(guò)電子和電氣二者的轉換，來(lái)達到氣動(dòng)機構空氣狀態(tài)控制的目的。實(shí)際上這就是不同于力平衡原理的數字平衡原理來(lái)對閥位進(jìn)行位移控制。

　　實(shí)際上，整個(gè)智能閥門(mén)定位器是一個(gè)控制回路，它是由兩線(xiàn)和一個(gè)4～20mA信號來(lái)控制的�；�于HART協(xié)議的雙向數字通信，是經(jīng)過(guò)HART模件的送出然后接收和4～20mA疊加覆蓋在一起的數字信息，可以實(shí)現跟微處理器雙向交流的數字通信。首先，模擬量的4～20mA信號會(huì )傳送給微處理器，在微處理器當中進(jìn)行處理，與閥位處的傳感器返回來(lái)的反饋信息加以對比。微處理器經(jīng)過(guò)科學(xué)的計算，根據二者的偏差數值和方向變化進(jìn)行控制計算，這就是所謂的一級控制。然后向壓電閥發(fā)出相應的電控指令。壓電閥根據這一指令做出開(kāi)與合的動(dòng)作。壓電閥同時(shí)會(huì )使氣動(dòng)放大器的輸出反饋給內控制系統，再次與微處理器處理的信息進(jìn)行比較，這是二級控制。通過(guò)兩級控制的輸出信號會(huì )傳遞給執行機構，執行機構內空氣壓力的變化會(huì )指引閥門(mén)運動(dòng)的行程。

二、智能閥門(mén)器的特點(diǎn)

　　調節閥作為控制裝置的關(guān)鍵附件。要求改善和提高機器執行的性能。整個(gè)儀表裝置的發(fā)展使最能夠提高控制水平的地方。所以把人工智能運用到閥門(mén)控制當中，是必然要求。智能閥門(mén)定位器能夠集通訊能力、電氣轉換于一體。通訊協(xié)議能夠方便的獲取操作需要操作的處理信息。通訊協(xié)議的另外一個(gè)好處即為可以隨時(shí)隨地進(jìn)行信號與數據庫的對比，用來(lái)診斷發(fā)生故障的原因。與傳統的閥門(mén)定位器來(lái)比較，智能閥門(mén)定位器有較高的敏感度，能夠比較快速有效的捕捉到閥門(mén)位置移動(dòng)的變化，有比較穩定的可靠性。計算機設定的科學(xué)性參數比之傳統人工設定的參數值同樣具有比較代表性的可選擇性。閥門(mén)控制最容易出現的死區的問(wèn)題，也能夠合理的處置死區狀態(tài)下閥門(mén)控制狀態(tài)。與常規的定位器相比，通過(guò)比較精確的位置檢測裝置和定位器內部的人工智能計算機軟件，對于儀表本身和隨之相關(guān)調節閥動(dòng)作有一定的診斷功能。

　　由于在智能閥門(mén)定位器中引入了微處理器的技術(shù)，實(shí)現了人工智能。得益于電腦軟件的強烈支持，可以實(shí)現以下功能。第一，人工智能能夠支持自動(dòng)調節，自動(dòng)調節意味著(zhù)可以實(shí)現儀表本身、機器本身、通訊處理器和電腦登一系列相關(guān)裝置的零點(diǎn)和控制進(jìn)程的自我矯正。第二，智能數字閥門(mén)定位器具有與現場(chǎng)總線(xiàn)系統配置的功能，可以通過(guò)設定地址的參數來(lái)達到對地址的數字化控制。第三，智能閥門(mén)控制器由于實(shí)現了智能控制，所以可以實(shí)現大規模的兼容模擬量、基于HART協(xié)議的信號、FF信號和其他通訊規程。同時(shí)由于實(shí)現了基于這些協(xié)議的信號出利空，能夠根據HART通訊方式和電腦查到所需檢測儀表的出廠(chǎng)信息和參數。第四，由于利用的是電信號而不是力平衡的原理來(lái)實(shí)現控制，大大提高了信號的可靠性和穩定性。能夠對控制時(shí)間的滯后性有迅速有效的處理。

三、智能閥門(mén)控制器的運用

　　與傳統的利用力平衡原理的機械式定位器不同，它是電子科學(xué)、信息軟件、機械物理、科學(xué)計算法、流體力學(xué)、現代通訊等多門(mén)高端現代科學(xué)技術(shù)相結合的產(chǎn)品。中國自動(dòng)化行業(yè)一直在追求引進(jìn)和模仿國外先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，但是同時(shí)也一直強調自主創(chuàng )新能力。但是國內的工藝水平并不高，因為科學(xué)技術(shù)的門(mén)檻，國內的自動(dòng)化行業(yè)機械式國產(chǎn)閥門(mén)定位器有一定的行業(yè)規模。但是對于科學(xué)技術(shù)要求較高的智能閥門(mén)定位器的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，少數比較優(yōu)秀的國際品牌所占據。比如電子技術(shù)發(fā)達的西門(mén)子公司生產(chǎn)的電氣智能閥門(mén)定位器一直被視為行業(yè)的頂尖水平。在不同的場(chǎng)合和環(huán)境運用不同的智能閥門(mén)定位器。智能閥門(mén)定位器可以分為單獨供電的和不單獨供電的兩種，因為定位器自帶一個(gè)24VDC和一個(gè)4—20mA的電流信號，以便實(shí)現自檢。但是有的電位器就不需要提供供電即前者，只需要后者電流信號即可。在爆炸性氣體的使用環(huán)境下，以便精確度的確認和安全，比較適合用電氣智能閥門(mén)定位器。

　　智能閥門(mén)定位器的發(fā)展方向是，儀表生產(chǎn)水平快速發(fā)展，各個(gè)廠(chǎng)家之間生產(chǎn)的各自的配套儀表出現一定的可以替代性�；蛘呤浅霈F類(lèi)似于HART協(xié)議的新的通訊協(xié)議。多種協(xié)議的出現和并存，或者是出現一種公用的統一標準的協(xié)議。

　　智能閥門(mén)定位器并不能完完全全消除調節閥偏離度中的死區，從某種意義上來(lái)說(shuō)，死區并不可能完完全全的消除，因為理論和實(shí)踐總是有差距的。更何況實(shí)踐和理論都存在死角，所以作為衡量調節閥偏離度的主要指標需要進(jìn)一步的消除。利用電氣測量閥位的方法可以消除反饋桿自身存在的死區。系統一體化在定位器中是另一一個(gè)智能閥門(mén)定位器發(fā)展的方向，在定位器之中加入各種控制功能，不需要經(jīng)過(guò)CPU的處理就可以達到直接接受信號就可以達到系統控制的目的。在智能閥門(mén)定位器中加入遙感技術(shù)，特別是在儀表之中安裝中運用，可以減少儀表中電線(xiàn)裸露的時(shí)間，減少安全隱患，提高可以應用的范圍。

　　智能閥門(mén)定位器性能比之傳統閥門(mén)定位器比較穩定，能夠實(shí)現軟件檢測，調整方便。并且基于HART協(xié)議可以實(shí)現總線(xiàn)裝置的通訊功能。對于維修的安全性能考慮，可以降低人工維修的費用和保障維修的安全性，維護量相當于零。從長(cháng)遠發(fā)展來(lái)看，市場(chǎng)對于此類(lèi)的智能閥門(mén)定位器的需求量是巨大的，在工業(yè)生產(chǎn)中使用智能定位器是一種趨勢。加強智能定位器的技術(shù)研究和設計，更有甚至，出現一種統一的通訊協(xié)議，實(shí)現各種閥門(mén)配套設置的統一，實(shí)現自動(dòng)化控制系統的綜合作用。完善診斷功能和診斷功能，在石油、化工、機械、鋼鐵等基礎性工業(yè)生產(chǎn)中大量應用在裝置上，必定會(huì )創(chuàng )造更多的經(jīng)濟效益。