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定位器在气动阀工作原理

  • 发布日期:2019-07-11      浏览次数:1029
    • 之前介绍SY42AX煤矿水管路减压阀应用案例,现在介绍定位器在气动阀工作原理智能阀门定位器具有高可靠性、高控制精度、功能易扩展、可通讯等特点,充分适应工业控制体系间网络化、集成化、智能化发展方向的要求,从根本上克服了传统机械式阀门定位器功率损耗大、响应速度慢、易发热、机械磨损、电磁干扰等缺点。智能阀门定位器应用气动先导技术实现内部气路控制,即以小阀控制压缩空气流量再用压缩空气推动大阀门,从而实现被控介质的流量控制,这种分级控制的思想通过压电阀应用得以实现。 
      工业过程控制不断向网络化、分布智能化发展,适应了设备管理数字化的要求,调节阀是过程控制系统重要的执行部件,控制调节阀运行的分布智能化解决方案应运而生。智能阀门定位器具有数据处理、状态识别、故障诊断、在线和离线测试、双向通信等功能。过程控制系统对调节阀通过现场总线控制,使管理者实现了对调节阀的预测性维护和科学管理。计算机技术、电子技术、通信技术、智能预估诊断技术的发展,要求智能阀门定位器必须适应网络通讯与供电共线,其核心部分气动控制部件必须实现超低能耗运行,保证网络总线控制系统运行安全可靠。 
      传统的气动阀中大量使用了电磁原理作为电能-机械能的转换级,应用线圈和电磁铁的电磁力效应将控制的电信号转换位机械的动作来推动阀芯的动作,从而实现气路的切换或气体压力、流量的控制。尽管电磁铁和线圈具有价格低廉,加工方便的优点,但其功率损耗大、响应速度慢、发热、机械磨损、电磁干扰等缺点同时存在,通过改变电磁铁材料和阀的加工工艺来避免以上问题的同时,造成了成本的大幅增加和加工工艺的日趋复杂,并且无法从根本上解决问题。实现低功耗、智能集成、高精度、快速响应和长寿命的气动控制成为迫切需求。 


      1定位器在气动阀工作原理智能阀门定位器定义 
      上海申弘阀门有限公司主营阀门有:蒸汽减压阀,减压阀(气体减压阀,可调式减压阀根据国标GB/T22137.2-2008《工业过程控制系统用阀门定位器第2部分:气动输出智能阀门定位器性能评定方法》,智能阀门定位器(IntelligentValvePositioner)是以微处理器技术为基础,采用数字化技术进行数据处理、决策生成和双向通信的智能过程控制仪表。智能阀门定位器按供电方式可分为单独供电和不用单独供电;按隔爆级别可分为隔爆和不隔爆。单作用气动执行器通常都采用薄膜式设计。采用这种设计方式,使用的弹簧可以减少阀座负荷,也可以承受全部闭合压力。典型的双作用气动执行器采用活塞设计。采用这种设计方式,与薄膜式设计型不同,供应压力不需要进行限制,为了达到较高的闭合压力,可以应用全负荷供应压力。对于活塞设计型,压力越高,阀门的稳定性与控制灵敏度就越好。

      2传统阀门定位器存在问题 
      2.1采用采用喷嘴挡板技术即机械力平衡工作原理,可动部件较多,易受温度、振动影响; 
      2.2因调节阀规格、填料的摩擦情况各异,调节阀硬件组合难以实现控制状态; 
      2.3信号的流向是控制仪表单向流入定位器的,当出现故障时,不能自诊断故障位置或原因; 
      2.4喷嘴孔易被灰尘堵塞气源,使定位器不能正常工作; 
      2.5喷嘴需连续供给压缩空气,能耗较大; 
      2.6行程和零点调整,需反复调整,调校麻烦; 
      2.7功能单一,可扩充性差。 


      3定位器在气动阀工作原理智能阀门定位器优点 
      3.1定位精度和可靠性高。机械可动部件少,输入信号和阀位反馈信号直接进行数字比较,不易受环境影响,稳定性好,不存在机械误差造成的死区影响,具有更高的定位精度和可靠性; 
      3.2流量特性修改方便。智能阀门定位包括直线、等百分比、快开特性功能模块,可以通过按钮或上位机、手持式设定器进行数据设定; 
      3.3零点、量程调整简单。零点调整与量程调整互不干涉,调整过程简单快捷; 
      3.4具有诊断和检测功能。除一般的自己诊断功能之外,可输出与调节阀实际动作相对应的反馈信号,用于远距离监控调节阀的工作状态。接收数字信号的智能阀门定位器,具有双向的通讯能力,可以就地或远距离地利用上位机或手持式操作器进行阀门定位器的组态、调试和诊断。 
      4智能阀门定位器工作原理 
      智能阀门定位器工作原理图  智能阀门定位器系统主要由控制单元、电气转换I/P单元、阀位检测反馈单元组成。定位器和执行器构成一个反馈回路。输入单元接受来自控制器的4-20mA电流信号。调节阀位置反馈信号作为被控变量与给定信号值在微处理器中进行比较,其偏差通过主控制板的输出口发出不同长度的脉冲,调节充排气速度和动作,达到控制驱动调节阀动作和确定位置过程。  气动阀门定位器是气动控制阀重要的气动附件之一,实现着接收控制信号准确定位阀门行程位置的作用。
      气动阀门定位器功能:气动阀门定位器与气动执行机构共同构成自控单元和各种调节阀连接经过调试安装后,组合成气动调节阀。气动阀门定位器用于各种工业自动化过程控制领域当中。利用压缩空气推动执行器内多组组合气动活塞运动,传力给横梁和内曲线轨道的特性,带动  气动阀门结构图
      空芯主轴作旋转运动,压缩空气气盘输至各缸,改变进出气位置以改变主轴旋转方向,根据负载(阀门)所需旋转扭矩的要求,可调整气缸组合数目,带动负载(阀门)工作。
      两位五通电磁阀通常与双作用气动执行机构配套使用,两位是两个位置可控:开-关,五通是有五个通道通气,其中1个与气源连接,两个与双作用气缸的外部气室的进出气口连接,两个与内部气室的进出气口接连,具体的工作原理可参照双作用气动执行机构工作原理。 由于现在的控制方式和手段越来越多,在实际工业生常和工业控制中,用来控制气动执行机构的方法也很多,常用的有以下几种。
      智能显示仪
      智能显示仪是用来监测阀门工作状态,并控制阀门执行期工作的仪器,它通过两路位置传感器监视阀门的工作状态,判断阀门是处于开阀还是关阀状态,通过编程记录阀门开关的数字,并且有两路与阀门开度对应的4~20mA输出及两足常开常闭输出触点。通过这些输出信号,控制阀门的开关动作。
      控制系统
      PLC在控制系统中的应用越来越广泛,由于本方案是在OMRON的PLC上面作的开发,所以以OMRON的PLC来作介绍。
      硬件组成:1台计算机,1套PLC(包括CPU,I/O模块,ID212,OC224,AD003模块),2个继电器,2个电磁阀,1个气动阀门执行器。
      气动控制阀出厂时,定位器与控制阀都做过标定,但是阀门装到管线上后往往需要再进行一次标定,常规的标定方法是:标定5点即4mA,8mA,12mA,16mA,20mA,在12mA时定位器反馈杆处于水平位置,其它几组信号时阀门位置应分别在0,25%,75%,99%的行程处,且反馈杆的转动角度小于正负45度。对于零点和满度的偏差可单独调整相应螺钉进行修正,正常情况下如果阀门行程和给定信号一一对应则表示标定完成。
      阀门关闭时产生的一个主要问题是如何达到使阀门严密关闭的阀座全负荷。通常的方法是对阀门进行标定,从而使闭合部件(如阀塞、隔膜、阀板等)恰好定位在阀座上,而不是确认闭合部件是否*靠在阀座上。为了保持设计泄漏量,避免密封表面受到腐蚀,必须设计适当的密封负荷。
      1、生产的气动阀规格及类别,应符合管道设计文件的要求。
      2、气动阀的型号应注明依据的国标编号要求。若是企业标准,应注明型号的相关说明。
      3、气动阀工作压力,要求≥管道的工作压力,在不影响价格的前提下,阀门可承受的工压应大于管道实际的工压;气动阀关闭状况下的任何一侧应能承受1.1倍阀门工压值而不渗漏;阀门开启状况下,阀体应能承受二倍阀门工压的要求。
      4、气动阀制造标准,应说明依据的国标编号,若是企业标准,采购合同上应附企业文件。


      5定位器在气动阀工作原理气动先导技术 
      控制阀A和B用来控制压缩空气进出气动调节阀,阀A是进气阀,阀B是排气阀,这两个阀门都只有开关两种状态。这种控制思想实际上是用小阀来控制压缩空气流量,再用压缩空气推动大的阀门,控制被控介质的流量,这种分级控制的思想即为气动先导技术的应用。 
      在任意时刻,阀A、B之中只能有一个开通,另一个开关。当A开通时,由于压缩空气压力大于膜头内压力,压缩空气进入调节阀,阀杆向下移动;反之,当B开通时,调节阀气室内压缩空气经B排入大气,阀杆在弹簧作用下向上移动。在智能阀门定位器中,为了能与控制电路接口,阀A和B的开通与关闭必须能够用电量来控制,实际使用中阀A和B有传统电磁阀、压电阀等多种类型。因为压电阀的电能-机械能转换具有低功耗、超快响应、无电磁干扰、无自发热现象、无机械磨损、长寿命、结构简单、承受大震动冲击等优点,而取代了传统电磁阀被广泛应用。利用微型压电阀作为先导级,将流量和压力进行进一步放大,从而实现气动控制。 


      6定位器在气动阀工作原理压电阀工作原理 
      6.1压电效应 
      压电晶体是一种陶瓷功能材料,晶体为图2A压电阀初始状态非对称中心的构造,可逆转换电能和机械能,外力可致该晶体形变产生正压电效应,外加电场可致该晶体产生电极化和出现应变或应力的逆压电效应。压电阀正是基于压电逆效应,具有节能低功耗(驱动电流仅10微安)、精密微型化、高速响应和耐用性好的显著特点,也易于阀门定位器全数字化。 
      图2A压电阀初始状态 
      图3B压电阀通电状态 
      6.2动作原理 
      压电阀的初始状态如图A,陶瓷片作用在喷嘴口上,喷嘴2和3先导腔连通,形成整体。当压电阀通电时,陶瓷片变形上翘,堵住喷嘴口3,喷嘴2和1联通。 
      6.3结构原理 
      压电阀在I/P转换单元中起先导阀的作用,每一个I/P转换单元同时应用两个压电阀,压电阀I控制I/P转换单元的输出(进气阀),压电阀II控制I/P转换单元(排气阀)。 
      由于压电阀压电陶瓷片弹力有限,所以先导腔室内气压必须小于1.2kg,要想控制调节阀动力气,必须实现压力放大。在先导腔室一侧是一个大面积膜片,在控制进入和排除调节阀动力气一侧连杆面积较小。当先导气压达到1.2kg时,施加在先导腔室膜片上的力,大于作用在充气和排气腔室一侧面上的压力,这将使充气阀芯或排气阀芯移动,使动力气充入或排除调节阀气囊中,使气囊中气体压力提升和降低,与气囊另一侧弹簧达到新的位置平衡,达到控制阀门开度的功能。 
      当控制电路联通电源后,压电阀I上无电压,压电阀II加电压控制,气源P2进入压电阀II的先导腔室中,形成120KPA气压力,导压推动排气阀芯向下移动,排气口关闭。这时,如果控制电路发出输出气压力的脉冲,压电阀II则保持状态,压电阀I加控制电压,功能陶瓷片向上弯曲,陶瓷片堵住压电阀喷嘴3,气源P2通过喷嘴口1进入压电阀I导压腔室,形成120KPA左右的气压力,推动移动阀芯向下移动,气源P1通过进气口进入到气动调节阀的膜室中,驱动气动调节阀位置调节,当达到设定位置,压电阀I的电压变为0,其导压腔室气压变为0,复位弹簧推动移动阀芯关闭输出口,气动调节阀膜室中的气压就会保持在相对恒定压力下。当要减小气动调节阀膜室中的气压时,压电阀I控制电压为0,压电阀II控制电压也为0,其导压腔室的气压也变为0,排气阀芯在排气弹簧的作用下,打开排气口排气,达到膜室减压的目的。 
      这样不断地对压电阀I,II的控制,I/P转换单元不断地输出气体压力和排气,从而驱动气体调节阀对流过阀体的介质进行流量调节。 


      7智能阀门定位器的应用 
      1过滤器;2可调节流器;3压电阀I;4移动阀芯;5复位弹簧 
      6压电阀II;7排气阀芯;8排气弹簧;9气动调节阀 
      图4结构原理图 
      随着DCS和现场总线控制系统(FCS)的推出和运用,智能阀门定位器及其它智能现场仪表由于其具有高可靠性、高控制精度、功能易扩展、具有通讯功能等特点,完适应工业控制体系间网络化、集成化、智能化发展方向的要求,具有广阔的应用前景。 
      7.1用于控制精度较高的石化生产过程,如乙烯裂解、催化裂化反应再生系统等生产过程,以提高产品质量; 
      7.2石化系统有很多新建或改建生产装置采用智能定位器,可集成智能控制系统,增加安全性和经济性; 
      7.3对于已使用常规调节器等仪表控制的生产装置,可使用智能定位器,改善控制系统,以提高控制精度或克服工艺过程管线震动大的影响; 
      7.4遇到安装空间小且又要求调节阀带有辅助功能时,可使用智能阀门定位器的扩展功能模块,如采用带阀位变送模块的智能定位器就能实现普通定位器加阀位变送器的功能; 
      7.5除石化系统外,智能阀门定位器还可用于石油、化工、冶金、电力、水处理、橡胶等工业过程中。 
      结语 
      气动先导技术和压电技术的应用使智能阀门定位器的控制变成现实。随着工业现场越来越多应用新技术新型号的智能设备,从用户实际需求及现场工况出发,帮助用户使用好智能阀门定位器成为产品设计和改进的重点,不断在结构和细节上提升,让智能阀门定位器更好地发挥定位控制、数据处理、状态识别、预测性维护、双向通信的功能,实现安全、有效的长周期运行。与本文相关的论文:自力式煤气调压阀组​