一、引言
在流程工業(yè)過程強化、功能安全和現(xiàn)場設(shè)備資產(chǎn)管理的強勁需求下，控制閥數(shù)字解決方案成為近年來控制閥制造廠商研發(fā)的重點，市場上數(shù)字式閥門定位器不斷涌現(xiàn)，多數(shù)產(chǎn)品實際算不上智能閥門定位器，只有一部分產(chǎn)品是真正具有數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別和故障智能診斷的決策生成、在線和離線測試、雙向通信等功能的智能閥門定位器，可以實現(xiàn)控制閥預(yù)測性維護和資產(chǎn)管理。同時也注意到，在計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能預(yù)估診斷技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，智能閥門定位器的固件易于研發(fā)和技術(shù)提升。固件包含硬件和軟件，且已經(jīng)是固件依存功能、硬件依存軟件的局面，在板微處理器、應(yīng)用軟件、專家軟件及功能模塊和接口，都有不俗的設(shè)計和組合，且緊隨新技術(shù)發(fā)展而固件版本升級不斷。但要看到，智能閥門定位器內(nèi)部最終產(chǎn)生控制閥氣動驅(qū)動壓力的氣動部件性能和表現(xiàn)也是影響高可用性和安全可靠性的重要因素。
二、閥門定位器市場
源自ARC咨詢機構(gòu)2007報告,2006年全球用于控制閥的各類閥門定位器產(chǎn)品銷售6.576億美元，占有市場份額85%的公司排名前11位見圖1，其余眾多公司僅占有市場份額巧％。發(fā)展到2009年，全球閥門定位器市場格局并沒有發(fā)生大變化。同時，排名前11位的公司也是智能閥門定位器的領(lǐng)軍廠商，中國市場上常見的智能閥門定位器也主要出自這11家公司。在中國市場上，用于控制閥的智能閥門定位器主要的國外品牌有：艾默生一費希爾(EMERSON一Fisher)的DVC6000/DVC2O00、福斯(Flowserve)的Logix3000/5000/1400、PMV-D3、美卓一耐萊斯(Metso-Neles)的ND9000、德萊賽一梅索尼蘭(DRESSER-Masoneilan)的SVIIIAP、西門子(Siemens)的SIPARTPS2、薩姆森(SAMSON)的3730-2/-3/-4/-5和3731-3/-5、英維思一?？怂共_一?？?IPS一Foxboro-Eckardt)的SRD960/991、ABB一H&B的TZIDC、阿自倍爾(azibil(山武Yamatake))的SVP3000等。

三、智能閥門定位器
根據(jù)國標(biāo)GB/T22137.2一2008(等同IEC61514一2:2004)《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用閥門定位器第2部分：氣動輸出智能閥門定位器性能評定方法》中3.1條的定義:
智能閥門定位器(intelligentvalvepositioner)，是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)字化技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理、決策生成和雙向通信；它可以通過配備附加的傳感器和附加的功能來補充其主要功能。
在智能閥門定位器的常規(guī)模型中，氣動部件屬于“輸出子系統(tǒng)”，用于將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為控制執(zhí)行機構(gòu)的氣動信號。GB/T22137.2-2008第4.1.7條“輸出子系統(tǒng)”對氣動部件基本設(shè)計做了描述。
四、智能閥門定位器的氣動部件
智能閥門定位器的氣動部件一般為先導(dǎo)部分和功放部分的組合，先導(dǎo)部分主要使用兩類技術(shù)：一個是基于非對稱構(gòu)造晶體的壓電逆效應(yīng)材料的壓電閥技術(shù)，通常是接受數(shù)字信號(電脈沖)兩位動作氣動輸出；一個是基于電磁原理和氣動噴嘴/檔板機構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器技術(shù)，通常接受模擬電信號連續(xù)動作氣動輸出。在先導(dǎo)部分之后都有氣動放大器或氣動滑閥一類的功率放大輸出部分。前一類的壓電閥片或壓電閥＋氣功放組合件多為外購件或OEM定制，而后一類的I/P轉(zhuǎn)換器＋氣動放大器組合件多是自有技術(shù)生產(chǎn)的。
4.1壓電閥組件
壓電晶體是一種陶瓷功能材料，晶體為非對稱中心的構(gòu)造，可逆轉(zhuǎn)換電能和機械能，外力可致該晶體形變和正壓電效應(yīng)，外加電場可致該晶體產(chǎn)生電極化和出現(xiàn)應(yīng)變或應(yīng)力的逆壓電效應(yīng)。壓電閥正是基于壓電逆效應(yīng)，具有節(jié)能低功耗(驅(qū)動電流僅10微安)、精密微型化、高速響應(yīng)和耐用性好的顯著特點，也易于閥門定位器全數(shù)字化。目前，智能閥門定位器氣動部件中的壓電閥組件大都來自德國賀爾碧格(hoerbiger)自動化技術(shù)公司，主要是P9系列壓電閥片(先導(dǎo)部分)和OEMP2O系列壓電閥組件,PS2使用的壓電閥組件也是向賀爾碧格定制的。賀爾碧格壓電閥工作原理參見圖2。

圖2(a)是先導(dǎo)用的P9系列壓電閥片的工作原理。結(jié)構(gòu)為極薄彈性金屬片兩面粘結(jié)壓電晶體，在壓電片的兩個工作面上真空鍍膜形成兩個電極，利用壓電片在電場作用下的變形，來實現(xiàn)微型氣路兩位式開關(guān)換向。不通電時壓縮空氣輸入孔1被封閉，輸出孔2和通大氣孔3相通，輸出氣壓為大氣壓，相當(dāng)于閥關(guān)；通電時上層晶體收縮，下層晶體伸長，上翹機械變形可有幾十微米，通大氣孔3封閉，壓縮空氣由孔1流向孔2，輸出氣壓信號，相當(dāng)于閥開。壓電片彎曲度與輸入電壓有關(guān)，響應(yīng)時間小于2ms，兩位開關(guān)動作的滯環(huán)約為電壓4V。壓電閥也可制成比例輸出型，但因其上下行存在較大滯環(huán)(動作電壓約相差2V左右)，故很少有在智能閥門定位器氣動部件使用比例型壓電閥的。
圖2(b)是P20系列壓電閥組件的工作原理。P20由P9先導(dǎo)壓電閥片、氣功放(或稱主閥)、微減壓器和30um過濾器組成，對外呈氣路兩位三通特征。工作電壓24VDC、響應(yīng)時間小于20ms、氣源壓力120-800kPa、最大氣量7.8Nm3/h。左側(cè)是斷電狀態(tài)，右側(cè)是通電狀態(tài)。當(dāng)P9動作接通先導(dǎo)氣路孔2時，作用在氣功放的膜片上推動主閥打開并關(guān)閉排氣口，形成大的氣量輸出。當(dāng)P9動作封住氣路孔1，孔3通大氣，氣功放膜片上作用力為0(大氣壓)，主閥關(guān)閉主氣路和輸出連通排氣口。
壓電閥結(jié)構(gòu)的智能閥門定位器通常是采用兩個P20系列壓電閥組件(PV1、PV2)和兩個單向閥(RV1、RV2)組成氣動部件，如圖2(c)所示。氣動組件可有三種氣路邏輯狀態(tài)：
PV1通電、PV2通電、RV1打開、RV2關(guān)閉：輸出氣壓信號到控制閥氣動執(zhí)行機構(gòu)，如圖2c；
PV1斷電、PV2通電、RV1關(guān)閉、RV2關(guān)閉：氣路封閉狀態(tài)，封住通到氣動執(zhí)行機構(gòu)的氣路氣壓；
PV1斷電、PV2斷電、RV1關(guān)閉、RV2打開：排氣，氣動執(zhí)行機構(gòu)膜室經(jīng)壓電閥氣路通大氣。
這類智能閥門定位器一般采用PWM(Pulse Width MOdulation)脈寬調(diào)制方法驅(qū)動壓電閥組件，PWM軟件自適應(yīng)調(diào)整，以滿足氣動輸出需求。當(dāng)定位偏差大時，CPU發(fā)出寬幅脈沖指令，當(dāng)定位偏差小時，CPU發(fā)出脈寬窄的脈沖指令，當(dāng)定位偏差在允許值內(nèi)時，CPU沒有脈沖指令，壓電閥組件封住外氣路。定位控制可達到1%基本偏差，壓電閥組件功耗非常低，穩(wěn)態(tài)耗氣量也相當(dāng)?shù)停珜嚎s空氣質(zhì)量要求高一些。另一方面，對氣動執(zhí)行機構(gòu)以及外部氣管路的氣密性要求很高，當(dāng)有膜室或氣管路泄漏大時，壓電閥組會頻繁動作，有時PWM也難以適應(yīng)，常導(dǎo)致閥位振蕩或造成壓電閥組件故障。
4.2 I/P轉(zhuǎn)換器組件
I/P轉(zhuǎn)換器基于傳統(tǒng)的電磁技術(shù)和氣動噴嘴檔板機構(gòu)，技術(shù)成熟，靈敏度高，信號有一定功率且平滑線性好；機械零部件較多些，開放式噴嘴持續(xù)排氣的耗氣量也比壓電閥片大一些，電磁線圈也要考慮電磁干擾問題。噴嘴擋板機構(gòu)先導(dǎo)信號(噴嘴背壓)送給氣動放大器進行進一步功率(壓力x氣量)放大，以便長距離輸送和驅(qū)動氣動執(zhí)行機構(gòu)。氣動放大器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，輸出氣量也大，對壓縮空氣質(zhì)量要求也略低一些。智能閥門定位器通常是CPU模糊PID運算結(jié)果經(jīng)D/A給I/P轉(zhuǎn)換器模擬電信號進行轉(zhuǎn)換并由氣動放大器連續(xù)氣動輸出的；或者CPU之外的定位控制電路直接輸出電信號給I/P轉(zhuǎn)換器；也有CPU輸出數(shù)字信號讓I/P轉(zhuǎn)換器兩位動作帶動多位多通滑閥進行氣動輸出的。 圖3(a)是一種低功耗(小于5mW)微型I/P轉(zhuǎn)換器(用于SAMSON3730/3731系列)的工作原理圖。體積很小(22x22x12mm)，沒有磁鋼單元。氣源通過減壓定值和恒節(jié)流孔經(jīng)線圈中心的氣管路從噴嘴與擋板間隙流出。電信號接到線圈產(chǎn)生電磁力，使銜鐵(檔板)微位移，使噴嘴與檔板間隙改變，使噴嘴背壓即I/P輸出改變并與電信號成比例。由于對I/P轉(zhuǎn)換器氣源設(shè)計有微型減壓定值器，所以不受定位器外部氣源壓力的影響，穩(wěn)態(tài)耗氣量基本為定值。對擋板有阻尼防抖動設(shè)計，穩(wěn)定性好。圖3(b)是一種杠桿(擋板)力平衡結(jié)構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器(用于ABB TZIDC)的工作原理圖，靠近線圈一端帶有磁鐵的杠桿繞中心支點偏轉(zhuǎn)，電信號接到線圈在輛架空氣間隙處產(chǎn)生電磁場，施加給磁鐵一個力使杠桿偏轉(zhuǎn)即使擋板靠近或偏遠(yuǎn)噴嘴，使噴嘴背壓改變，再經(jīng)氣功放輸出。圖3(c)是一種比較傳統(tǒng)的I/P轉(zhuǎn)換器(用于azibil武SVP3000(AVP 30x)，仍是磁單元結(jié)構(gòu)，體積和功耗都比較大，線圈接通電信號后，在與磁鋼磁場的共同作用下使可動擋板位移，靠近或遠(yuǎn)離噴嘴致使噴嘴背壓變化，并影響到氣動放大器輸出?？紤]到電氣防爆，在線圈和磁單元之間加有隔板。
4.3氣動信號功率放大
壓電閥或噴嘴擋板機構(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器都是將微小位移轉(zhuǎn)換為氣壓信號，但由于氣源流過氣孔或恒節(jié)流孔，功率很小，需要進一步氣動信號功率(壓力x氣量)放大，配置氣功放或氣動放大器以及氣動多位多通滑閥等。氣功放實質(zhì)是一個有一定流通能力的開關(guān)閥，而氣動放大器品種繁多，結(jié)構(gòu)各異，基本原理都是采用繼動式彈性元件力平衡、雙閥控制進氣和排氣，一般不會采用耗氣大的節(jié)流式氣動放大器。繼動式氣動放大器在穩(wěn)態(tài)時，彈性元件(單膜片或膜片組)上的力相互平衡，進氣閥和排氣閥基本處于關(guān)閉狀態(tài)，耗氣較??；力平衡發(fā)生變化時，動作反應(yīng)快，動態(tài)形態(tài)性能好，輸出氣量也大。傳統(tǒng)的氣動放大器應(yīng)用已久，簡單可靠，本文不再贅述。
五、智能閥門定位器氣動部件的部分技術(shù)數(shù)據(jù)
對于智能閥門定位器氣動部件的技術(shù)數(shù)據(jù)，主要查找了全球閥門定位器市場排名前11名廠商中的部分智能閥門定位器的產(chǎn)品樣本手冊，匯總的部分技術(shù)數(shù)據(jù)見表1，僅供參考，更多數(shù)據(jù)請見相關(guān)廠商的各自產(chǎn)品資料。

六、結(jié)束
語智能閥門定位器為控制閥提供了數(shù)字解決方案，有效地提升了控制性能以及完善預(yù)測性維護和資產(chǎn)管理，滿足了過程控制的需求。隨著工業(yè)現(xiàn)場越來越多應(yīng)用新技術(shù)新型號的智能設(shè)備，如何使用好智能閥門定位器應(yīng)是用戶面臨的實際問題，用戶儀表空氣的現(xiàn)狀也需要更好的閥門定位器氣動部件。從結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)認(rèn)識智能閥門定位器，了解和比較智能閥門定位器的氣動部件，讓智能閥門定位器更好地發(fā)揮定位控制和數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別、預(yù)測性維護、雙向通信功能，安全有效地長周期運行。