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氣動閥門定位器創新應用的探索與實施

來源:上海自動化儀表有限公司作者:發表時間:2022-02-11 14:57:30

 摘 要 :根據定位器冗余配置這個思路,以西門子單作用定位器為研究對象進行深入的分析,反復在實訓基地測試研究,最終實踐出 4 種創新型應用 :①在線更換定位器 ;②定位器與兩位三通電磁閥配合使用 ;③定位器與手動閥門配合使用 ;④定位器與止回閥配合使用,其中定位器與兩位三通電磁閥配合使用,具有非常大的使用價值及推廣價值。

 
引言
在鶴壁煤化工 BDO 裝置,閥門 PV3722,此閥門的作用 是 將 4.0 Mpa 的 中 壓 蒸 汽 減 壓 至 次 中 壓 1.9 Mpa, 為后續裝置使用,閥門為單臺定位器。在正常生產中,出現過定位器故障導致閥門開度異常,最終導致后續裝置全部停車的事故,給公司造成巨大的損失。定位器為西門子SIPART PS2 智能型,出現故障后導致閥門開度異常,如何能夠改變這樣現狀,一種方案是重新設計管道,增加支路,在支路增加一臺調節閥,兩臺調節閥一開一備。當一臺出現故障后,切換到另外一路工作。但這種方案需要增加投入比較大,另外需要變更設計。另一種方案是從閥門附件的穩定性入手,研究如何使定位器降低故障率以及定位器故障以后,如何將損失降低。
 
1 定位器的工作原理
西 門 子 SIPART PS2 系 列 電 氣 閥 門 定 位 器 屬 于 智 能范疇,核心組成部分為微處理器,利用新型的壓電閥來實現對輸出壓力的調節控制。針對壓電閥的控制,CPU 需要借助 5 個流程,實現程序控制的目的,精準度較高,速度較快,達到對輸出氣源壓力增減幅度的有效控制。對于其控制算法,引入了數字 PID 調節手段,結合輸入信號的大小,綜合考慮閥門偏差,在明確方向的前提下,對 PID 進行計算,實現 PWM 脈寬調制脈沖信號的形成,達到對壓電閥開關的有效控制。由于脈沖的寬度與定位器輸出氣源壓力大小息息相關,因而實現對氣源壓力輸出值的針對性改變,速度較快,準確度較高。一旦偏差值較大,定位器會輸出連續性質的信號,促使輸出氣路壓力值出現大幅度變化,呈現快速與連續狀態。如果偏差較小,定位器輸出的脈沖信號較小,呈現斷續態,幅度有限,在此基礎上對氣路壓力進行改變。此時,不存在脈沖輸出現象,維護了閥位工作的穩定性。
 
依托壓電閥器件,能夠增強控制的精準度。在壓電閥之中,核心元件為壓電柔韌開關閥,質量不大,慣性較小,支持較高的開關頻率。因此,被定義為高頻率脈沖閥,達到對氣路壓力的有效控制,發揮對執行機構的驅動作用,在根本上提升了閥門定位的精準性。
 
閥位反饋元件結構并不復雜,精度超高,可靠性突出,是先進的導電塑料電位器,促使執行機構的直線或轉角位轉化為電阻信號,滿足閥位精準定為的需求,在根本上適應閥門流量特性曲線的定位要求。
 
2 定位器調試方法
2.1 自動整定
合理進行執行機構的移動,與中心位置分割,實現初始化發展。①對手型鍵進行下按操作,時間為 5s,而后構建組態方式 ;②對方式鍵進行短時間操作,隨后出現第二參數,同時參數需要保障與杠桿比率開關的設定值相統一 ;③對手型鍵進行切換操作,此時顯示為 OFF。在初始化結束之后,如果需要借用 mm 表示沖程量,這步操作必不可少,需要保證顯示屏的參數與刻度桿上驅動的設定值一致 ;④借助手型鍵完成切換操作,顯示 INITA。此時,操作下按“+”鍵,時間在 5s 以上,進入初始化階段。在這個過程中,“RUN1”至“RUN5”逐一顯示在顯示屏的下行位置。初始化需要以執行機構為基礎,一般需要 15min 左右。如果出現顯示“finish”字樣,代表初始化結束。此時,需要下按手型鍵超過 5s,促使組態方式得以結束。在 5s 之后,方式鍵松開,手動方式運行,然后根據情況使用自動。
 
2.2 手動整定
①借助手工驅動,操作直行程執行機構,促使全部沖程得以全面覆蓋。也就是說,將顯示電位設定在 P5.0 和P95 的區間之內 ;②按住手型鍵 5s,組態方式運行,顯示為 WAY ;③按下手型鍵,采取短時間操作的方式,切換到第二參數狀態,角度選擇為 33°或 90°,參數值需要匹配傳送速率選擇器設定值 ;④借助手型鍵,調整到 OFF 狀態,如果需要借助 mm 表示全沖程,在顯示器中選擇與驅動銷釘在桿刻度上相同的設定值 ;⑤操作下按手型鍵兩次,此時,顯示為顯示 INITM,按增加鍵 5s 以上,初始化開始。下按增加鍵 5s 以上,開始初始化 ;
 
⑥持續 5s 之后,顯示參數發生變化,為 P32.9。此時,借助增加與減少鍵,促使執行機構發生運行,直到達到目標終端的首個位置。而后,下按手型鍵。借助這種方式,終點位置 1 取代了當前位置,同時下一步開始執行。一旦出現 RANGE,同時處于下行,終點位置此時處于規定區間之外,需要借助幾種手段進行修正 :對摩擦夾緊單元進行調整,直到出現 OK顯示。隨后,再次按住手型鍵。借助增加與減少鍵調整到另一結束位置。下按手型鍵,初始化操作出現中斷,此時手動方式形成,結合第 1 步進行行程的校正,界定測量位置 ;
 
⑦在以上步驟結束之后,顯示數值為 P22.4,再用增加(+)和減少(-)鍵,驅動程序得以執行,抵達第二終點位置。隨后,下按手型鍵,終點位置 2 取代當前位置 ;
 
⑧對于初始化的停止,其以自動的方式呈現,同時,此時RUN1 到 RUN5 順序呈現在顯示屏的下行。在初始化程序全部完成之后,會顯示 FINISH。如果 3YWAY 參數輸入設置了桿長,首行會出現以 mm 表示的規定沖程。短按手型鍵,下行會再次出現 5INITM,這就代表此時處于重來一次組態方式的狀態之下。下按方式鍵 5s 以上,退出組態方式。在接近 5s 的時候,軟鍵顯示將出現。松開之后,將處于Manual 方式。
 
3 定位器創新應用
3.1 在線更換定位器
當單臺定位器在正常運行時故障后,可以通過以下方法在不停車的時候更換定位器。定位器故障后,閥門不受定位器控制,此時需要機械限位卡子或者機械手輪將閥門固定在一個位置上,用 Hart 475 手操器與有問題的定位器進行通訊。連接好后,選擇“Online”右鍵進入,寫允許,選擇“yes”,然后點擊“確認”鍵。只有寫允許打開以后,后面的一些參數才可以讀取更改。選擇“configure項 ” 右 鍵 進 入, 第 一 項“initial setup” 與 第 二 項“setpoint value” 有 用( 初 始 設 置 與 設 定 點 值 ), 里面 會 涉 及 到 直 行 程 還 是 角 行 程, 選 擇 33 ° 還 是 90 °,0mA ~ 20mA 還是 4mA ~ 20mA,以及電流 4mA 關,還是4mA 開,共 4 項參數,需記錄好里面的數據。返回到主菜單, 進 入 第 五 項( 診 斷 ), 再 進 入“Initialization”,進 入“loading init data”, 開 始 加 載 初 始 化 數 據, 加載完成后,返回上一級菜單,然后選擇第 4 項(初始參數清單),右鍵進入。一共有 17 項參數,分別進入每一項參數,然后記錄里面的數據,加上之前的 4 項參數,一共是 21 項參數,記錄未拆定位器之前的閥門行程,將有問題的定位器拆下,然后更換新的定位器。定位器安裝好后,先不要開氣源,將比率選擇器按照拆卸的定位器選好,同時鎖緊裝置選擇正確。按照剛才讀取舊定位器的方法,將參數一項一項地寫進新定位器。需注意 :475 與安裝的新定位器連接后,第一步是更改讀寫允許,改為 yes,然后才可以寫參數,否則參數無法寫入。把這 21 項參數寫到新的定位器里面,定位器便可直接工作,誤差不會超過1%。除了初始化的 17 項參數外,其余的 4 項也可以用定位器按鍵手動修改。初始化參數全部寫完后,定位器上的NOINI 將會消失,定位器選擇到自動狀態,打開氣源后,通過手輪或者去掉限位,將閥門行程調到與拆定位器之前的一樣,定位器便可正常工作。
 
應用價值 :新安裝的定位器需要重新整定后才能正常工作,在正常生產時,對于關鍵的閥門,一般不允許閥位從 0 ~ 100 反復調整,通過此方法可以將原定位器整定的參數復制到新的定位器上。這樣定位器在不整定的情況下便能夠正常工作,多了一種解決定位器故障的方法,降低了閥門對裝置造成的影響。
 
3.2 定位器與兩位三通電磁閥配合使用
兩臺單作用閥門定位器分別安裝在同一臺調節閥上,主進氣分為兩路,分別進入定位器 1 與定位器 2。兩臺定位器的出氣,分別進入兩位三通電磁閥的進氣口 P 與排氣口 R,電磁閥的出氣口進入到閥門的氣缸,在 DCS 側增加一分二安全柵,定位器同時接收 4 mA ~ 20 mA 信號,定位器反饋信號同時送至 DCS。電磁閥選用直流 24 V,當電磁閥帶電時定位器 1 排氣,通過兩位三通電磁閥進氣口P 進入,從 A 出氣口排出進入閥門氣缸,此時定位器 1 起作用,定位器 2 因氣路不通,屬于備用狀態。當電磁閥失電時,定位器 2 的排氣通過兩個三通電磁閥排氣口 R 進入,從 A 出氣口排出進入閥門氣缸,此時定位器 2 起作用,定位器 1 因氣路不通,屬于備用狀態,如圖 1 定位器與兩位三通電磁閥氣路圖所示。
定位器與兩位三通電磁閥氣路圖
應用價值 :對于重要的工況,重要的閥門可以配置雙定位器,目前化工裝置基本全部是單臺定位器,當定位器故障時,無法及時處理,導致系統波動或者停車??梢赃x擇安裝兩臺定位器,將定位器 1 與定位器 2 分別校驗。定位器選用帶閥位反饋,將閥位信號送至 DCS 系統,在 DCS系統做邏輯運算。當閥門給定的指令開度與閥位反饋的偏差過大時,或者系統能夠判斷閥門異常時,通過電磁閥的得電與失電,自動將定位器切換到另外一臺,這樣便達到了冗余的目的,增加了化工生產的穩定性、安全性。
 
3.3 定位器與手動閥門配合使用
兩臺單作用閥門定位器分別安裝在同一臺調節閥上,主進氣分為兩路,分別進入定位器 1 與定位器 2,兩臺定位器的出氣口分別增加手閥 1 與手閥 2,閥后兩路氣匯合后進入閥門氣缸。在 DCS 側增加一分二安全柵,定位器同時接收 4 mA ~ 20 mA 信號,如圖 2 定位器與手動閥門氣路圖所示。
定位器與手動閥門氣路圖
應用價值 :在自動化要求不高或閥門異常后不是十分緊急的場合,可以用增加手動閥的方式,定位器可以配置不帶反饋。在正常使用時,手閥一個打開一個關閉,關閉的一路定位器備用。當定位器故障后,將關閉的手閥打開,打開的手閥關閉 ;在切換定位器時,閥位會有小幅度的波動。
 
3.4 定位器與止回閥配合使用
兩臺單作用閥門定位器分別安裝在同一臺調節閥上,主進氣分為兩路,分別進入定位器 1 與定位器 2。兩臺定位器的排氣分別增加止回閥 1 與止回閥 2,止回閥后氣路匯合后進入到閥門氣缸,在 DCS 側增加一分二安全柵,定位器同時接收 4 mA ~ 20 mA 信號,定位器反饋信號同時送至 DCS,如圖 3 定位器與止回閥氣路圖所示。
定位器與止回閥氣路圖
應用價值 :兩臺定位器同時進氣到閥門氣缸,會出現兩臺定位器無法找到反饋位置的情況,導致定位器喘動,將定位器的死區設置大一些能夠解決喘動的問題,一般設置在 5% 以上,設置后兩臺定位器能夠同時工作,但是降低了閥門的控制精度。當一臺定位器故障后,另外一臺定位器能夠立馬起作用工作,閥門會有微小的喘動,對于要求調節品質不是很高的可以考慮此種方式,總的來說此種應用形式使用價值不大。
 
4 小結
本文通過實際的研究探索,摸索出了一些創新應用。其中,兩臺西門子單作用定位器與一臺兩位三通電磁閥組合在一起,已經在實踐中得到了很好的應用效果,其它用戶可以直接借鑒應用。本文選用的定位器是西門子壓電閥式,對于其它原理形式定位器的雙冗余用法起著拋磚引玉的作用,希望能夠激發更多的定位器應用方式,同時能夠讓定位器廠商更清楚地知道用戶的痛點,激發研發者開發出更好的產品。
 
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