李宝华
摘要：数字式阀门定位器是新一代高性能的电气阀门定位器，采用在板微处理器、应用软件和功能模块，可实现定位功能的自校准、自适应、阀位控制和控制阀的在线自诊断及离线测试，或附加更多功能，以及数字通信和集成到控制系统，还具有免维护运行特征。以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案，极大提升了控制阀使用性能，使向来在回路中薄弱的最终控制元件有一个质的飞跃，进而成为流程工业现场的智能设备。本文介绍部分知名厂家的数字式阀门定位器。 装备指挥技术学院
关键词：控制阀；数字式阀门定位器；技术特点；性能分析。
一、引言
六价铬阀门定位器是控制阀的重要附件，按设计结构和工作原理可分为气动型和电气型两大类，生产厂商很多，系列及型号繁杂。近年来出现的数字式阀门定位器是新一代高性能的电气阀门定位器，采用在板微处理器、应用软件和功能模块，可实现定位功能的自校准、自适应、阀位控制和控制阀的在线自诊断及离线测试，或附加更多功能，以及数字通信和集成到控制系统/资产管理系统，还具有免维护运行特征。以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案，极大提升了控制阀使用性能，使向来在回路中薄弱的最终控制元件有一个质的飞跃，进而成为流程工业现场的智能设备。
目前能提供高性能数字式阀门定位器的，基本上还是国外厂商，进入中国市场的主要有：
· EMERSON-Fisher的DVC2000/DVC5000/DVC6000
· DRESSER-Masoneilan的SVI II/SVI II AP
· Flowserve-Valtek的Logix 1200/1400
· SAMSON的378x型和3730/3731系列
· Foxboro-Eckardt的SRD960/991
· ABB（H&B）的TZID-C
· Metso-Neles的ND9000
· Siemens的SIPART PS2
· Yamatake的SVP3000
· Yokogawa的FVP
图1给出部分厂商制造的数字式阀门定位器的外观照片。
SIEMENS PS2FOXBORO YOKOGAWA
FISHER
DVC6000
METSO-NELES
众多控制阀制造厂商在研发数字式阀门定位器时，主要是为本公司的控制阀产品配套，也考虑到遵从相关的阀门定位器与控制阀连接的IEC60534-6-1/-6-2标准或行业标准，使不同厂商的阀门定位器与控制阀/执行机构之间组合连接成为可能；而在设计上都是基于定位功能的自校准、自适应、阀位控制和执行机构性能的自诊断功能及免维护运行，并尽量适应各种通信类型（HART、Profibus-PA、FF，等等）和集成各种工程工具软件；由此引出其产品系列、型号比较繁杂，结构原理、功能组合、集成的自诊断软件和实现方式各有特点，且不断融入新的功能。这些都是业界关注的热点。那一代人的读书功夫
二、技术特点分析
对于不同数字式阀门定位器的技术特点，仅就以下几点细节作初步分析比较：
（一）定位控制
数字式阀门定位器首要完成的是和传统阀门定位器一样的定位控制功能。其输入信号或模拟电流信号或数字信号，作为定位控制的给定值；通常采用传感器测量阀位（行程），电量的阀位值为反馈信号，最终输出气动信号给气动执行机构。正常时，定位控制是闭合回路控制，当阀位传感器故障时，可由初始化校准结果实施开环定位控制或以输出压力反馈进行应急的回路控制。
厂商选择阀位传感器各有不同，有霍尔应变（如SVI II AP）、铜滑线电阻（如DVC6000）、导电橡胶滑动电阻（如3730/3731、SRD960）、感应式（如TZID-C）等等，以电阻式传感器应用最多。为了应对环境温度较高场合，一些厂商推出分体式阀位传感器，只将阀位传感器安装在温度较高（环境温度不超过120℃）的控制阀上，阀门定位器则安装在环境温度低一些的地方，一般可距离10米。
多数数字式阀门定位器产品设计为数字PID控制，即由在板微处理器进行PID运算或非线性PID 运算完成定位控制。从控制系统来的输入控制信号需A/D转换或由通信接口模块接入，在控制运算后，或直接为数字脉冲输出去控制压电阀单元的气动组件，或经D/A转换为模拟信号给I/P电气转换器加气动放大器的气动组件。
有的产品（3730/3731）没有将定位控制全部放在微处理器中进行，而是另外设计了数字和模拟相结合的定位控制电路，微处理器主要用于信息处理和自诊断，输入控制信号经A/D（或通信接口模块）
、微处理器、D/A加到一个模拟PD控制电路，并直接采集阀位传感器信号。这两个信号在PD控制电路比较后，按特定运算规律直接输出一个电流控制信号给I/P电气转换器，再到气动放大器。若阀位反馈因故障失灵，将按照存储的初始化关系曲线给PD控制电路开环输出维持运行。采用PD模拟控制电路实现定位控制，阀位反馈及时一些，也能减少一些微处理器的运算任务。
（二）气动部分
现有数字式阀门定位器的气动部分主要有两大类：一大类是压电阀结构，一大类是I/P电气转换器加气动放大器结构。
摩尔多瓦
压电阀方式便于数字控制，且体积小、结构简单。典型压电阀结构的气动部分，初期使用时，普遍感觉效果较好，运行一段时间或在控制信号急剧波动时，压电阀易出现控制不稳定、气动输出波动，甚至损坏失灵的状况。这是因为压电阀接受数字信号进行开关动作，一个压电阀控制气源进气口，一个压电阀控制输出气路排气口，虽然有PWM脉宽调制技术调整动作脉冲，但定位时交替动作比较频繁。动作瞬间对压电阀和简易气动功放的节流限流处冲击力较大，易造成脉动畸形或关闭不严的结果。若气动执行机构的气密性差，有漏气情况时，压电阀极易振荡和性能变差。气源质量不好时，对压电阀影响也很大。使用压电阀技术的定位器耗气量比较低，理论上压电阀在稳态时不耗气，但在定位控制运行期间压电阀保持关闭不动作的几率很小。
针对压电阀的具体使用情况，一些厂商对此部分做有一些改进，如ND 9000也是利用压电阀先导，去控制一个耐冲击性能较好的气动滑阀进行功率输出，并且气动滑阀有位置回馈监测。
而大多数厂家采用的是传统的I/P电气转换器与气动放大器相结合的成熟技术，在结构上复杂一些，耗气量也相对高一些。但电气转换器线性转换、信号平滑，气动放大器稳定可靠，动态输出气量大，工程实践效果好一些。DVC 6000有两档气动放大器可选，满足气动执行机构大小的需要。
数字式阀门定位器的这两种类型的气动部分对于气源的仪表空气质量要求都比较高，也造成国内一部分用户感到有些不适应。
（三）本机显示和组态
早期的数字式阀门定位器只考虑了通信功能，并没有本机显示和组态功能，只能依靠上位控制系统、PC机或现场通信器来调看参数、组态、查看和故障诊断。
目前多数产品都设计了本机显示，多行LCD字符或图形符号/代码，实时显示阀位行程和状态监测报警，也有部分产品还带有发光二极管进行状态指示。普遍机型都可以进行本机组态，就地使用本机面板的单键或多键，在LCD上调用菜单和修改参数。初始化简单、快捷，易于掌握。
个别产品还设计有单独的本机串口（3730/3731），主要考虑出厂组态调试或工作间维修通信、调
（四）监测传感器
基于诊断和状态监测需求，数字式阀门定位器内部除了必须的阀位传感器之外，各厂商普遍设计了多个传感器，常见的有输出压力传感器（若为双输出则设计有两个输出压力传感器）和气源压力传感器。也有可提供最多5个压力传感器的（SVI II AP），也有只设计仅一个阀位传感器的（3730/3731），还有的带气动放大器位置传感器的（DVC 6000）、或带气动部分中气动滑阀阀位传感器的（ND 9000）。（五）增强功能
将数字式阀门定位器扩展增强符合IEC61508/IEC61511标准的ESD功能后，可用于SIS安全仪表系统和使ESD参数化，具有的PST部分行程检测功能只使ESD控制阀在线按预定周期预置范围完成一个小的行程动作，获取相关数据进行测试分析，就可解决长期静态不动作的设备热待命和在线监视难题，保障了ESD控制阀的安全可用性。目前，具有ESD功能的数字式阀门定位器产品有DVC 6000SIS、VG800、VG9000、SVI II ESD 、3730-2/-3/-4/-5/-3ESD，等。
一些数字式阀门定位器产品还可在同一壳体内扩展增强功能，如：带有阀位变送器（二线制、模拟输出）；带有阀位开关（数字输出）；内置电磁阀（联锁作用，强制输出排空）；等。
基金会现场总线（FF）通信的数字式阀门定位器具有实现基本自动化功能的功能块（至少要具有AI、AO、DI、DO、PID功能块），或带有链路活动调度器（LAS），或具有主站功能。这些增强的功能使
数字式阀门定位器更趋向数字控制器、智能化控制设备。
（六）报警和性能诊断
数字式阀门定位器都具备用户可设置的报警，各厂商也开发有各自的诊断软件，Fisher有使用上位机的AMS ValveLink（阀门定位器软件有多种层次选择）；Masoneilan有Valvue；Foxboro有V ALcare TM；SAMSON有TROVIS-VIEW（阀门定位器软件有EXPERT和EXPERT+及最新的EXPERT Plus）；Yamatake有Valstaff；等。都可利用HART通信或现场总线技术或本机串口，在现场通信器、上位机或控制系统进行控制阀性能监视和故障诊断：运行计时、过程参数监测（行程/给定/输出/偏差）、硬件和数据出错监视、阀位传感器监测和数据备份、运行监视、行程累计、行程方向改变次数统计和分析、摩擦力和动态受力分析、迟滞性测试分析、零点变化分析、校验和初始化次数、离线特性测试，等等。多数产品支持EDDL、FDT/DTM，可集成工程工具软件。
三、DVC 6000数字式阀门定位器
艾默生过程管理费希尔阀门部（EMERSON-Fisher）最早开始研发数字式阀门定位器，称之为数字阀门控制器（Digital Valve Controllers，简写为DVC），特别强调其具有的扩展控制功能。DVC 6000系列是其最早推出的产品，并在1994年开始出现HART通信的类型，近年来也不断改进、增强功能和派生型号，支持现场总线通信协议，扩展PST功能和SIS应用，系列品种齐全。后续的各厂商的数字式
阀门定位器或多或少都受到DVC 6000的影响和效仿其功能。DVC 6000在全球保有量最大，2008年已突破75万台，在国内也有广泛引进和良好业绩。图2为DVC 6000的原理图，图3是其结构图，图4是方块图。
DVC 6000为模块化结构，部件数量少并可快速更换组合；有着坚固的外壳、隔离的接线盒、密封的印刷电路板部件，适应苛刻的现场环境，有本安、隔爆认证；采用微处理器技术和传统的I/P电气转换器加气动放大器的结构，有3个压力传感器和气动放大器位置反馈，定位控制在±0.5%的独立线性度内；适合连接到各种直行程（0-102mm）和角行程（0-90O）执行机构上；并有多层次定位器软件（AC、HC、AD、PD、SIS、ODV）可选，结合HART通信和现场总线通信以及AMS ValveLink软件，可实现组态、调试和性能诊断、高级诊断；故障率比较低；是控制阀业内和用户都比较熟悉的一款产品，是数字式阀门定位器的代表作。
DVC 6000可自校准和现场快速校验、自定义特性、自动进行监测和诊断。通过提高正向增益（快速响应阀位变化，减少死区和延迟时间）和小回路反馈增益（以阀位响应速度反馈来调整超调量）来提高对执行机构/控制阀的动态响应以及控制精度。在阀位传感器失效故障时，可启动压力反馈继续进行控制。
DVC 6000由于开发较早，没有本机显示，不能本机组态，也不能在壳体内集成阀位变送器、阀位开
关、电磁阀等，也没有软开关输出。只能借助HART（现场通信器375）或上位机、现场总线通信进行组态、调试（但不支持Profibus-PA现场总线）。控制阀的预测性维护只能由AMS ValveLink软件处理完成诊断、数据处理。不支持FDT/DTM。
相比其它公司后来开发的数字式阀门定位器，DVC 6000体积也较大，也较重（铝壳为3.5kg、不锈钢壳为7.7kg），阀位反馈连接部分也繁杂一些。再就是其静态耗气量大一些（140kPa气源时为0.38Nm3/h、550kPa气源时为1.3Nm3/h），且随气源压力变化而变化。
阀位传感器
提供阀位反馈 图2 DVC 6000数字式阀门定位器原理图
鲑鱼降钙素（图中以双输出为例，单输出时可选择输出A或输出B）
接线盒
接线盒盖子
壳体
阀位传感器
印刷电路板组件
气动放大器
压力表
盖子
基本模块组件
I/P转换器
图3 DVC 6000数字式阀门定位器结构图
四、SIPART PS2数字式阀门定位器
SIPART PS2数字式阀门定位器是西门子公司产品，其气动部分为典型的压电阀结构，有本安、隔爆、无火花类型，可选塑壳、铝壳、不锈钢壳，支持连接标准，可适配各厂家气动执行机构/控制阀，且价位较低，在国内市场推得较广。图5、图6分别是SIPART PS2的结构图和原理图。 SIPART PS
2基于全数字化工作原理，没有传统阀门定位器的痕迹。采用微处理器对外来的控制信号（给定）和反馈的阀位行程信号进行比较，若出现偏差，微处理器用一个五步开关程序来控制压电阀单元，给出适当的数字脉冲信号，进而调节输出到执行机构的气压，实现定位控制。当偏差为零或在允差范围内，没有控制脉冲给压电阀，进气和排气的压电阀都在闭合保持状态。
SIPART PS2也是采用二线制，接受4-20mADC 信号，支持HART 通信，可选现场总线通信类型（Profibus-PA 或FF ）。现场操作使用本机LCD 和3个按键完成，自动、手动和组态可通过按键进行切换。也可使用预装SIMATIC PDM 软件的PC 机进行远程操作、监控和组态、以及故障诊断。
SIPART PS2现场配置快捷，初始化很方便，自校准零点、最大行程、作用方向和自适应执行机构，确定动作时间和死区及控制脉冲速率。
敦煌学十八讲
图4 DVC 6000数字式阀门定位器方块图
图5 SIPART PS2数字式阀门定位器结构图1 模块盖 2 基本电子单元
2.1 固定螺丝 3 I y
模块5(有带状电缆) 4 报警模块6(有带状电缆)
7 SIA 模块 7.1 特殊螺丝
8 滑动夹紧装置的调整轮
9 变送比率选择器 10 隔离盖板
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