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牧骡人 -和老师一起摧残孩子的帮凶

煮仪表,红烧调节阀,烤全回路。保护地球,保护人类的家园-老雷的博客

 
 
 

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童年时我家有一头骡子,我的业余时间主要是放骡子,喂骡子,干农活也离不了骡子,我的大部分时间(除了上学)都是和它一起度过,所以我把自己的网名改为牧骡人,以示对童年伙伴的怀念。

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智能定位器在气动调节阀中的应用  

2014-01-11 07:59:07|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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阀门定位器经常会折磨我们仪表人员,这是我几年前写的一个总结,应该说有一些见解还是比较新颖的,请博友门拍砖。

摘要:介绍了智能定位器在气动调节阀中的优点和功能,并对调节阀的特性和扰动进行了分析,最后对更换智能定位器的方法做了详细描述。

关键词: 智能定位器   增益   死区   扰动

1  概述

气动调节阀是化工生产中最常见的执行元件,在控制系统中,调节阀是最薄弱的环节,它的性能往往决定了整个控制系统的性能。阀门定位器是控制阀的最重要附属装置,本质上它是阀门控制器,它与气动执行器配套使用,形成一个负反馈回路,回路如图1所示,他和远程信号组成一个串级回路,该系统作为副回路克服消除干扰信号对整个控制系统的影响。

智能电气阀门定位器是采用微处理技术和功能模块的新一代高性能电气阀门定位器,智能阀门定位器的生产厂商很多,系列/型号繁杂,但能提供高性能智能电气阀门定位器的主要有: Fisher的DVC5000/DVC6000/DVC6200、Siemens的SIPART PS2、Masoneilan的SVI II、ABB的TZID-C、Yamatake的SVP3000等。智能电气阀门定位器的气动部分主要有压电阀和I/P电气转换器加气动放大器类型,压电阀方式便于数字控制,且体积小结构简单,代表产品为Siemens SIPART PS2。智能电气阀门定位器的气动部分主要有压电阀和I/P电气转换器加气动放大器类型。

2  智能定位器几个突出的优点和功能

2.1 自动调校

也称自动初始化,传统定位器是通过反复调整零点和量程来调整设定值和阀位相对应,智能定位器只需操作人员手动输入基本参数即可自动完成这一目的。一般分五个关键步骤:

1)提示输入基本参数,如:执行机构的类型(角行程或直行程)、执行机构大小(决定了对象的时间常数)、气源压力。

2)自动确定动作的方向,以确定控制器的正反作用。

3)自动确定阀的行程。

4)提示操作人员将阀位调至反馈杆与阀杆的垂直位置,定位器对角度信号的非线性进行补偿。

(5)自动优化控制参数。

2.2 高性能

这是智能定位器最重要的一个优点,由于控制阀是整个控制回路中最薄弱的环节,控制阀的精度低是造成控制系统过程偏差度大的主要原因,笔者在整定PID参数时经常注意到,如果的控制阀性能好,投自动后过程变量的波动小,阀位的变化也小。智能定位器精度高的原因有:阀位传感器进行了特殊设计和控制算法优化。

大多数智能定位器有积分,智能定位器的控制精度一般能达到0.2%,性能更好的可以达到0.1%。对智能定位器来说,角行程执行机构相对简单,因为智能定位器的行程是通过一个角度变送器测量的,所以不存在变量的转换,而对直行程执行机构,必须将位移量(行程)转换为角度量。作为一个控制器的实例,阀门定位器的运用遵守简单控制系统振荡、发散的一般规律,在熟悉控制器功能的情况下,只有认真剖析广义对象的特性,才能更好的发挥智能定位器的性能。

3  调节阀特性的分析

对于一个气动薄膜执行机构,它的传递函数为一阶滞后;一个有弹簧的气缸执行机构的特性类似于气动薄膜式,而无弹簧的气缸执行机构的特性类似于一个液位对象;一个特定的执行机构由于弹簧的力已确定,反馈杆的位置由行程决定,所以它的增益是一定的。定位器的增益应该根据执行机构的增益确定,如果执行机构的增益大,定位器的增益应小,反之亦然。增益太小会造成阀的响应速度慢,余差增大,而增益太大则会造成系统等幅振荡甚至发散振荡,增益太大造成阀波动比较常见,多数情况是在离线时发现,有时会发生离线调校时正常,而在线运行时波动的现象,这往往是由于在线后增益变化引起的。需要说明的的是压电阀方式的定位器,它的增益以另一种形式表达。以SIEMENS SIPART2定位器为例,其控制原理如图2所示:根据偏差的大小,将控制方式分为快速移动区、短步区、死区。在较大的偏差时,位于快速移动区,定位器中的压电阀打开,使阀位快速接近设定值,进入短步区,在短步区,用PWM(脉冲宽度调节)的方式控制,脉冲的宽度由最小脉冲和偏差的乘积得到,短步区实际上是比例区; 在短步区相当于一个纯比例控制器。增加最小脉冲时间或增加短步区的宽度都将使增益增大。反之亦然。另外提高气源压力也会增益增大。如化肥二厂尿素装置高压放空阀扩改后长期波动,经分析是由于增益太大造成的,将定位器的短步区加大,最小脉冲时间减小后波动消除。经试验,减小气源压力也可以消除波动,两种方法各有优缺点。

 

图2

4  造成调节阀死区大的原因

纯滞后在过程控制中普遍存在,小的时滞对系统影响不大,当过程的纯滞后时间与对象的时间常数之比大于0.3时,称为大时滞过程。对大时滞,常规的控制算法很难达到满意的控制效果,最常见的现象为系统的震荡和死区较大。调节阀的时滞主要来自对象的死区,调节阀的死区大往往是整个控制系统广义对象时滞大的主要原因。所以,克服死区造成的影响是定位器的主要功能之一。

5 在线更换定位器的方法

在线更换(Hot swap)方便,当定位器出现故障时,传统的方法是将阀切至旁路或停车处理,即使在线更换,但精度很低,在实践中,我们总结出了在线更换的方法。由于一次成功更换定位器可以避免停车给企业带来的巨大损失,所以,有必要将在线更换智能定位器的方法详细描述,具体步骤如下: 

1) 用机械或气动的方法把执行机构固定在当前位置,这一步一般在发现定位器故障后已完成。

2) 获取要被更换的智能阀门定位器的数据参数。用PDM (Process Device Manager)软件,通过HART通信,把现场定位器的参数上传到系统中,或笔记本中;也可以用HART手操器直接读取。

3) 读取并纪录被更换的阀门定位器的显示值。如果已经失电,则记录当前实际阀位。

4) 拆卸定位器。拆卸时在反馈杆上做好标记,在新定位器上安装所有附件,然后把新定位器安装到调节阀上。根据做好的标记安装反馈杆。
    5) 接通仪表信号,调节反馈杆或调整轮,使新定位器显示的阀位置与远程信号相符。

6) 取下机械固定装置。新安装的智能阀门定位器可以投运了。

6 智能定位器使用时的注意的问题

智能定位器为一电子部件,使用时要注意高温对它的影响。由于它的积分功能和可调节的增益,阀门容易波动,另外定位器的一些功能使用时应该考虑其局限性,适当选择。

6.1 反相功能

智能定位器既可以对输入信号反相,也可以对反馈信号反相,无论怎样反相,自动调校时,都会将整个系统设为负反馈,但反相后应防止阀位在两个极限位置突变,尤其是故障开阀(FO),应尽量使4mA与弹簧力的方向一致,这是为了不使信号为零或短线时阀位突变。为了进一步理解,举例说明:有一台阀为气源故障时全开(FO),即气关阀,安装初始化完毕后发现4mA时为100%,20mA时为0%,假如对定位器反相,则4mA对应0%,但当信号小于定位器工作点极限电流时定位器失电,输出变为零,阀会突然全开,而DCS、PLC的功能已在传统调节器上得到扩展,可以将输出给到0以下,这时对应的信号为0~4mA,所以操作人员如果为了关死阀门将输出给到负值,就可能因阀突然全开造成事故。如果回路中确需反相,尽量在DCS或PLC中反相。

6.2 线性化

调节阀选型原则是尽量用阀内件的非线性补偿过程的非线性,是广义对象的特性为线性,如果阀内件的流量特性选择不当,可以用定位器中的线性化功能补偿,但这种补偿存在以下两个缺点:

1)定位器位于现场,组态,维护,修改都不如DCS中方便,功能一般不如DCS的线性化强大。

2)定位器的线性化没有通过改变阀门的内件彻底,改变阀门的内件更接近过程,严格的说,阀内件和对象才是构成广义对象的两大要素。如果单纯通过改变广义对象以外的控制器来改变特性,当扰动较大时,仍然可能因为增益较大造成系统的波动。仍以二氧化碳压缩机防喘振阀为例,如果改变了定位器的特性为等百分比,似乎可以将广义对象的特性改为线性,假如有一个较大的扰动使阀位变化1%,流量仍然有较大变化,造成过程的压力有较大变化,引起波动。相对于定位器特性改变,如果将阀内件改为等百分比,假如有一个较大的扰动使阀位变化1%,流量变化较小,引起新的扰动较小,系统容易克服扰动。

6.3 微分功能

微分一般用于大滞反对象的超前调节,如果发现调节阀的滞后较大,应找到滞后大的原因。由于微分会造成输出气信号的大幅波动,所以尽量不加微分。

6.4 分程

智能定位器提供的分程功能应谨慎使用。在气动定位器中,由于采用0~1Kg/cm2的气压信号,采用现场分程是比较经济的选择,而对电流信号,作分程时必须串联,这样做有两个缺点:

1)系统的可靠性降低,只要其中一个定位器断路,则整个回路断路。

2)智能定位器的等效电阻一般为400多欧姆,比传统定位器的250欧姆大很多,如果串联两台智能定位器,,将对DCS(PLC)的输出模块的驱动功能提出更高要求。所以应采用DCS分程:即从DCS输出两个4~20mA信号,在中控对信号做通用线性化。这样做的另一个优点是如果需要对某台阀单独操作,只需增加一个软的手自动模块即可实现。

8 结束语

阀门定位器的数字化智能化已是发展方向,气动控制阀配有智能电气阀门定位器进行性能数字化整合后,解决了终端控制元件(控制阀)性能长期落后于控制系统和现场仪表的难题,尤其是功能强大的自诊断技术维持和提升了控制阀性能,使控制系统和工业过程更加有效,使控制阀更加可靠更能满足过程控制的需要。随着更多厂商开发和改进智能电气阀门定位器,更多工业过程控制阀配用智能阀门定位器,必将使控制阀性能的数字化解决方案更加完善,大大提高控制阀的自动化水平。

参考文献:

[1] EMERSON process mangagement     control valve handbook   fourth edition

[2] Fisher Controls International LLC 2007 DVC6000 Series FIELDVUE Digital Valve Controllers  Instruction Manual

 

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