调节阀装上定位器后反而振荡,是现场最常见的"怪事"之一——原因不在定位器本身坏了,而在串级副环的增益匹配。本文把两篇经典技术文章的内容合并重组,一次讲清四件事:什么场合必须装定位器、定位器的七大作用、装了为什么可能振荡(及智能型如何消除)、智能定位器的特点/选型与常见故障处理。原文为技术探讨文章(刊于中国调节阀网论文库,约 2011 年前后),图 1~2 为原文插图(原扫描图深底反相处理)。
一、什么场合必须装定位器?(7 条)
- 摩擦力大、需要精确定位的场合:高温阀、低温阀或采用柔性石墨填料的调节阀;
- 需要改变调节阀流量特性的场合;
- 调节器比例带很宽,但要求阀对小信号有响应时;
- 缓慢过程需要提高响应速度的场合:温度、液位、分析等调节系统;
- 需要提高执行机构输出力和切断能力的场合:如 DN≥25mm 单座阀、DN>100mm 双座阀、阀两端压降 ΔP>1.0MPa 或入口压力 P1>1.0MPa;
- 分程调节系统、运行中需要改变气开/气关形式的场合;
- 采用无弹簧执行机构的调节阀,如比例式气动活塞执行机构。
二、定位器的七大作用
- 提高输出力:用于高压差、高压介质、高低温和大口径阀;
- 提高动作质量与速度:放大器和足够的气源压力作保证;
- 电气转换:计算机输出多为 4~20mA,由电气阀门定位器适配气动机构;
- 分程调节:一台阀接收 4~12mA、另一台接收 12~20mA,分别操作同一套设备;
- 改变流量特性:原阀固有特性可经定位器实现修改;
- 两位动作变比例动作;
- 实现阀门反向动作。
三、工作原理:一个以阀杆位移为被控变量的负反馈系统
以气动定位器为例:输入信号进入波纹管使杠杆靠近喷嘴,喷嘴背压增大,经放大器输出至膜头,阀杆移动;阀杆位移经连杆反馈转换为凸轮的转动,使杠杆离开喷嘴,在新的平衡点稳定。若阀杆位置与输入信号不对应,负反馈会改变进入膜头的气压,直到建立新平衡——本质是一个以阀杆位移为副被控变量的负反馈闭环。电气定位器原理与之相似,输入改为电信号(传统电气式由 4~20mA 输入线圈使动铁磁化,与永久磁钢磁场作用产生偏转力矩,挡板-喷嘴-放大器-膜头-反馈弹簧力平衡,实现信号电流与阀位成比例)。
图 1:阀门定位器原理框图(原文插图,深底图反相处理)
四、控制学本质:串级副环
加入定位器后,系统组成以阀杆位移为副被控变量的副环回路,与原单回路构成串级控制。由此带来三个好处:
- 副回路等效时间常数大大减小(波纹管气容远小于膜头气容),改善控制阀动态特性;
- 对进入副环的干扰——摩擦力、不平衡力、回差变化——有很强的克服能力,这正是"干摩擦大、高压差、悬浮液介质"场合装定位器的根本原因;
- 凸轮作为反馈环节可改变副环外特性增益、补偿对象非线性,还可改变全行程对应的输入信号范围(用于分程)。
五、⚠️ 为什么装了定位器反而振荡?
这是现场最常见的疑问,原文给出两条机理:
- 串级共振:副环按随动系统整定成衰减振荡状态后,等效副环可近似为二阶振荡环节——低频段近似 1:1 比例,但工作频率提高时发生谐振,相位移达 180° 而成为正反馈。被控对象时间常数较小时(典型:流量、快速压力系统),主副环时间常数匹配不当即出现输出振荡;
- 凸轮引入非线性:用凸轮改变流量特性时,副环被引入非线性环节——凸轮形状不合适、或气动放大器增益偏大不稳定,都会改变副环开环总增益,破坏稳定运行准则。典型现象是小流量时反而振荡;经验上更换定位器凸轮或放大器后系统即不再振荡,正是改变了副环总增益的缘故。
六、智能电气定位器的三大改进
图 2:智能电气阀门定位器原理框图(原文插图,深底图反相处理)
- 非线性补偿范围扩大:补偿环节设置在前向通道,补偿范围可按被控过程人工设定——连 pH 等非线性过程、压降比小于 1 造成的流量特性畸变都能补偿,这是一般定位器做不到的;
- 消除串级共振:可调整副环前向通道放大器、或在主环改变非线性补偿环节的增益,使主副对象时间常数错开,消除共振;
- 消除副环非线性:非线性补偿放前向通道、反馈通道改为线性环节(弃凸轮),让副环专心克服阀杆死区、摩擦等扰动,充分发挥串级副环的优势。
七、智能定位器的功能特点(A-G)
- A 改善阀与系统性能:控制精度高,可设置阀门特性曲线,支持自定义特性曲线;
- B 智能通信:常用 HART——全厂定位器参数可存入计算机,维护或更换时从信息库检索参数快速下载;
- C 二进制输入联锁开关阀;
- D 软件设置分程:起止点手动或软件设定,方便快捷;
- E 初始化极简:以西门子 PS2 为例,按 4 下按钮、设几个简单参数即自动完成初始化;
- F 丰富故障诊断:阀泄漏量、填料、阀磨损等诊断是主流厂家标配;
- G 省气降耗:正常工况节省仪表风约 0.3Nm³/h,总耗气大降,有助于稳定仪表风公网压力,保证装置安全。
八、智能定位器选型五要点
- 满足现场工况的前提下,智能化程度(通信、在线/离线故障诊断)是重要指标;
- 现场操作方便:设定过于复杂的产品影响实际使用效果,首选操作简便的;
- 性价比高,节约能耗与成本;
- 要求现场显示:部分产品无现场 LCD,调校必须借助手操器;选 LCD 还要注意极低环境温度下的显示效果;
- 远距离安装:大型石化企业联合中控室趋势下,控制室到定位器距离可能很远,电缆电压降必须核算,否则定位器不能正常工作。
九、常见故障处理四例
- 控制信号变化而阀不动作(排除阀体因素):重点检查阀位传送器是否运转自如、电信号是否连续;
- 阀位难以控制(小信号不动、大信号全开全关,反复调校无效):实例为 ND800 智能定位器反馈杆与内部信号转换部分是非接触感应连接,反馈杆可 360° 旋转,安装时与阀杆相差 180°——重新安装调校后正常;
- 小开度振荡:常规解法是避免小开度工作或流闭改流开(较麻烦);智能定位器只需简单设定参数即可显著改善;
- 手操器通讯失败:检查现场有效电压是否大于 12V、输出阻抗是否低于 250Ω、导线电容是否过高、输入信号是否小于 4mA。
十、结论
传统电气定位器在精确性、灵敏性和稳定性上也在不断提高,但国产电气定位器与国外智能产品仍有差距。与传统电气转换式相比,智能型阀门定位器在控制精度、响应速度、功能扩展和阀门自动化水平上有更广的应用前景,被看作阀门定位器的发展方向。
小结
- 七个场合记全:大摩擦、改特性、宽带小信号、缓慢过程、大输出力、分程/换向、无弹簧机构——命中任一条就该装;
- 振荡两个根源:串级共振(流量/快速压力系统高危)+凸轮非线性破坏总增益——智能型的"补偿前置+反馈线性化"正是对症下药;
- 选型抓三条:操作方便、带现场 LCD(留意低温)、远距离要算电压降。
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