標題ZPZD1000型智能閥門定位器的開發

     執行器作為控制系統的終端主近代元件，被廣泛地用于過程自動化控制中。氣動執行器由于具有本質安全防爆、結構簡單可靠、維修方便等突出的優點，一直是執行器的主流產品，廣泛應用于電力、冶金、石化、輕紡等行業。為了提高氣動執行器的性能，閥門定位器是其不可缺少的配套產品。

     目前，國內廣泛使用的電/氣閥門定位器一般是采用模擬信號和力平衡原理生產的傳統氣動儀表。近年來，隨著微電子技術的飛速發展，國外許多著名公司相繼推出了數字化、通信化、智能化以及支持現場總線的智能閥門定位器,大大提高了閥門定位器的控制性能,這是閥門定位器發展的主流。

     為此，我們在研究分析幾家國外著名公司智能閥門定位器產品的基礎上，綜合各家產品的先進技術及優點，投入科研力量開發了具有自主版權的ZPZD1000型智能閥門定位器。

      二、模塊

     ZPZD1000型智能閥門定位器內含CPU和智能控制模塊、包括主模塊、操作面板模塊、模擬反饋與報警模塊、通信模塊。主模塊執行閥控制功能，接受來自控制系統（如DCS、PLC等）的4~20mA模擬閥位設定信號，檢測當前的閥位，執行閥位控制軟件，控制氣動執行機構的動作。帶LCD顯示和按鍵的本地操作面板模塊，支持菜單式人機界面，可進行參數組態和功能調用。模擬反饋與報警模塊可向控制系統提供4~20mA的閥位反饋信號和上下限報警信號。通過模塊可通過RS-232或RS-485通信實現遠程配置和遠程監控。主模塊上的二級制電源模塊可使儀表僅由4~20mA信號線供電，二線制功能可節省工業自動化系統中的線纜數量和布線工作，并且使傳統閥門定位器的技術更新不需要增加或修改線纜，非常方便。

       三、工作原理

     智能閥門定位器與傳統閥門定位器在工作原理上有所不同。傳統閥門定位器接受來自控制系統的4~20mA模擬信號，直接驅動力矩電動機產生電磁力作用于主杠桿上；閥位變化經由閥位反饋桿、凸輪、副杠桿和反饋彈簧傳遞到主杠桿上；受主杠桿上的力平衡影響的擋板噴嘴機構經由氣動放大器控制氣動執行機構的進氣與排氣，使閥位到達設定點。也就是說，傳統閥門定位器是利用機構力平衡原理來實現閥位控制的。

     智能閥門定位器則采用新的電子化、數字化的工作原理。智能閥門定位器接受來自控制系統的4~20mA閥位設定信號，進行高精確度的A/D采樣轉換，得到數字設定值變量；閥位變化經由閥位反饋機構得到閥位電信號，同樣進行高精確度的A/D采樣轉換，得到數字設定值變量和閥位變量，兩者經過智能控制軟件的SP-PV處理模塊的計算處理，得到閥位控制信號，經由I/P控制與驅動去控制I/P模塊（電/氣轉換模塊）的動作，從而控制氣動執行機構氣室的進氣與排氣，使閥位到達設定點。也就是說，智能閥門定位器是利用數字平衡（或電平衡）原理來實現閥位控制的。

      四、硬件與軟件

      ZPZD1000型智能閥門定位器硬件原理框圖如圖1所示。
 


                           圖1 ZPZD1000型智能閥門定位器硬件原理框圖

     現對其主要部件作一些介紹。CPU包含了12KB的ROM、512B的RAM、512B的EEPROM，用于存放智能控制軟件、工作數據、組態參數。A/D采用24位的高精確度ADC。信號前處理對信號進行限壓保護，瞬時脈沖保護、共模干擾抑制、信號濾波等。LCD采用適合工業控制的寬溫寬屏的4位8段LCD，可顯示閥位、信號、偏差、操作菜單、組態參數。鍵盤采用簡潔的3個按鈕（SELECT-下減），可組合復用成OK-確定、CANCEL-取消、FASTUP-快增、FASDOWN-快減等諸多功能鍵。電源模塊實現二級制供電功能，從4~20mA信號線上取低于3.9mA的電流供給儀表。報警模塊實現無源泉的上下限報警和嚴重故障報警（斷電、斷氣等）。

      ZPZD1000型智能閥門定位器軟件原理框圖如圖2所示。
 


                              圖2 ZPZD1000型智能閥門定位器軟件原理框圖

     現對其主要模塊作一些介紹。A/D中斷模塊從A/D轉換器中讀取4~20mA設定信號值和當前閥位信號值。SP-PV處理模塊完成SP、PV和偏差的計算處理，實現分程控制、流量特性修正、非線性修正、關斷值操作、死區調節等功能。I/P控制模塊完成I/P模塊的控制，實現I/P的行程控制、速度調節等功能。4~20mA反饋模塊完成當前閥位的反饋。人機界面模塊實現菜單式操作的人機界面和LCD、鍵盤管理。鍵盤模塊完成鍵盤的去抖動、延時重復等功能。LCD模塊實現數值顯示、字符顯示等功能。自診斷模塊完成信號超量程、斷氣等故障的實量偵測診斷功能。自校正模塊完成定位器安裝時的自動校正功能。遠程通信模塊完成數據收發、鏈路層中幀的分析處理、應用層的命令的解釋處理等功能，實現與遠程組態軟件的通信。報警模塊完成開關量報警功能。

      五、特點

      與傳統的閥門定位器相比較，ZPZD1000型智能閥門定位器的主要優點為：

     （1）精確度高、可靠性好。傳統的閥門定位器根據機械的力平衡原理工作，由于機械制造誤差、機械傳動誤差導致其精確度較低，可動的機構零件較多，導致抗振性差，易磨損，可靠性差；智能閥門定位器采用電平衡原理，閥位反饋直接采用高精確度位置傳感器、經過高精確度A/D轉換為很精確的數字量閥位信號，閥位控制采用數字式開、關、停信號控制，抗振性好，可靠性高、最小行程分辨力可達0.05，控制精確高，因此智能閥門定位器可獲得較高的精確度和良好的可靠性。

     （2）易安裝、適應性強。傳統閥門定位器的儀表特性及工作參數（例如零點、量程、作用方向）由機械結構來確定，其調整通過調節螺釘等手段進行，并需要一定的測量校正裝置，安裝難且不精確，而且對氣源壓力變化較敏感，適應性弱，給過程自動化和生產技術的更新帶來很大的限制與障礙。智能閥門定位器的儀表特性及工作參數是以控制軟件中數字變量的存在為基礎，其調整只需鍵盤操作即可實現，在現場安裝時可自動校正零點與量程，并且可適應一定范圍的氣源壓力變化，符合現代過程自動化對儀表柔性化、適應性強的要求。

     （3）更好的控制性能。傳統閥門定位器由于死區值、上下行程速度等儀表參數在產品生產出來后就已確定且無法更改，不能很好地滿足過程自動化的要求，智能閥門定位器的死區值、上下行程速度等的儀表參數，可以根據系統要求，很方便地加以更改，對于需要獲得最優化的過程控制具有重要意義。

     （4）流量特性修正。傳統閥門定位器需要通過更改凸輪來調節流量特性曲線；智能閥門定位器采用軟件實現流量特性的修正，用戶可在不停機狀態下輸出任意的特性曲線，為生產過程自動化帶來極大的方便。

     （5）人機界面良好。傳統閥門定位器通過指針指示閥位，通過螺釘更改儀表參數；智能閥門定位器采用LCD顯示、按鈕和菜單操作界面來進行儀表參數的組態、閥位和信號顯示，簡潔直觀方便。

     （6）故障自診與報警。傳統閥門定位器沒有故障報警能力，當故障發生時只有在生產過程中反映出來后才能被系統測知和處理，缺乏實時性；智能閥門定位器能對故障作實時偵查和診斷，并采用LCD顯示報警、開關量報警、遠程通信報警等多方位手段向系統主動報警，以便及時作故障處理。

     （7）遠程通信。傳統閥門定位器要調整工作參數必須到現場進行；帶有遠程通信功能的智能閥門定位器要調整其工作參數，只需要在控制室的控制機上就可對遠處現場的多個設置進行工作參數的遠程配置，并可隨時查看現場儀表的狀態和參數。

     （8）低能耗。氣動執行器依靠壓縮氣體工作，節省氣源泉能耗很重要。傳統閥門定位器由于其工作原理及結構的原因，耗氣量很大；智能閥門定位器因為其工作原理先進，在控制信號不變時閥位進給處于停止，耗氣僅在很小的噴嘴處，耗氣量很小，這對于生產節能、降低成本有重要意義。

       六、結束語