0 概述

      工業(yè)過程控制的工廠往往由成百甚至上千個(gè)控制回路組成，每一個(gè)控制回路都會接受或從內(nèi)部產(chǎn)生干擾，對過程變量產(chǎn)生決定性的影響。不同回路之間的相互作用也會產(chǎn)生影響過程變量的擾動。各種傳感器和變送器收集過程變量的信息，控制器接受這些信息并進(jìn)行處理，使得過程變量在負(fù)載擾動發(fā)生后恢復(fù)到它的正常范圍。所有的測量、比較、計(jì)算工作完成后，必須由終端控制元件來執(zhí)行控制器所選擇的控制策略�？刂苹芈分�*常用的終端控制元件就是控制閥�？刂崎y調(diào)節(jié)流動的流體，如氣體、蒸汽、水或化學(xué)混合物，以補(bǔ)償負(fù)載擾動并使得被控制的過程變量盡可能地靠近需要的設(shè)定點(diǎn)。

      閥門定位器與數(shù)字式控制系統(tǒng)一起作用時(shí)，可以提供很高的定位精度以及對過程干擾的更加迅速的響應(yīng)�；谖⑻幚淼亩ㄎ黄�，提供了與普通二級定位器相同的動態(tài)性能，并且具有閥門監(jiān)視和診斷功能，有助于確保*初的優(yōu)良性能不會隨著使用而下降。

      定位器可分為氣動式、模擬式、數(shù)字式3種類型。其中數(shù)字式定位器又分為數(shù)字不通信式、HART式和現(xiàn)場總線式3種。

      數(shù)字不通信式定位器輸入4～20mA電流信號輸入，驅(qū)動電子模塊并控制輸出。HART式與數(shù)字不通信式定位器相同，但它能夠在用于傳輸模擬信號的導(dǎo)線上進(jìn)行雙向數(shù)字通信。現(xiàn)場總線式定位器接受數(shù)字信號并使用數(shù)字式電子線路配合機(jī)械部件來定位閥門，全數(shù)字控制信號取代模擬控制信號，可進(jìn)行雙向數(shù)字通信。把軟件命令植入定位器存儲模塊的能力代表著數(shù)字式與模擬式I/P定位器層次之間的真正區(qū)別。

      這種能力可以實(shí)現(xiàn)閥門的自動組態(tài)和設(shè)置，實(shí)現(xiàn)雙向通信以進(jìn)行過程、閥門和儀表的診斷。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，現(xiàn)場總線式閥門定位器越來越多地出現(xiàn)在人們的視線中。

      1 數(shù)字智能定位器（DVC）的性能、結(jié)構(gòu)及工作原理

      1.1 數(shù)字智能定位器的性能特點(diǎn)

      許多廠商在DVC中嵌入各種各樣離散的和模擬的傳感器。例如艾默生過程管理的Fisher DVC包含一個(gè)離散輸出（DO）和4個(gè)離散輸入（DI），它們是符合基金會現(xiàn)場總線（FF）標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊。除了滿足符合FF標(biāo)準(zhǔn)的DI和DO功能條件外，F(xiàn)isher還用一個(gè)接近傳感器代替類似限位開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)DI（設(shè)置接近傳感器的優(yōu)點(diǎn)是在應(yīng)用過程中可知道*終控制設(shè)備的0和100%的位置，如實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)閉）。

      DVC用嵌入式傳感器和微處理器來管理診斷測試程序及與主系統(tǒng)間的數(shù)字通信，完成動態(tài)掃描及高級診斷等工作。其診斷程序包括：*終控制設(shè)備參數(shù)跟蹤，以監(jiān)視總計(jì)（累積）位移和轉(zhuǎn)換數(shù)量（周期）；DVC正常狀態(tài)參數(shù)測試，以提供存儲器、微處理器和/或傳感器問題的報(bào)警信號，并允許執(zhí)行機(jī)構(gòu)報(bào)警，如問題更為嚴(yán)重，則關(guān)閉單元或過程；發(fā)出*終控制設(shè)備報(bào)警信號；當(dāng)期望位移偏差、位移高/低限超過預(yù)先設(shè)定的累積位移和周期指標(biāo)時(shí)，動態(tài)誤差范圍測試，以核對*終控制設(shè)備的滯環(huán)和死區(qū)加回轉(zhuǎn)特性；驅(qū)動信號和輸出信號測試，以可控的速率改變傳感器設(shè)定點(diǎn)并繪制*終控制設(shè)備的運(yùn)行曲線來確定動態(tài)特性；預(yù)先規(guī)定的*終控制設(shè)備維護(hù)和特征圖形的測試。

      1.2 數(shù)字智能定位器（DVC）結(jié)構(gòu)

      艾默生過程管理（EMERSON Process Management）的Fisher DVC5000f系列數(shù)字智能定位器是采用基金會現(xiàn)場總線技術(shù)（FF）并具有互操作性、全數(shù)字通信、基于微處理技術(shù)的用于過程控制的數(shù)字化儀表。除了具有將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成氣動信號驅(qū)動氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本功能外，更由于采用了FF總線協(xié)議，容易提供操作和控制過程中調(diào)節(jié)閥和定位器的大量設(shè)備信息，并將這些信息傳送之上位機(jī)，使操作人員、維修人員和工程師能及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

      DVC 5000f系列定位器可以安裝在直通調(diào)節(jié)閥和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求靈活選擇。依據(jù)主要包括控制功能和診斷功能。標(biāo)準(zhǔn)控制功能（SC）用于常規(guī)的控制場合；現(xiàn)場總線邏輯控制功能（FL）用于實(shí)現(xiàn)邏輯控制的場合�，F(xiàn)場總線診斷功能（FD）可以被任何采用FF協(xié)議的主機(jī)系統(tǒng)接受；高級診斷和運(yùn)行診斷功能則用于相關(guān)的設(shè)備管理系統(tǒng)軟件（例如Fisher的AMS ValveLink軟件）以提供可視化提示和報(bào)警信息。

      DVC 5000f系列數(shù)字智能定位器采用FF總線模塊化結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝模塊包括資源塊（resource block）、傳輸塊（transducer block）和功能塊（function block），其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

      資源塊包括硬件規(guī)格及參數(shù)，不包括輸入和輸出參數(shù)，運(yùn)算功能可驅(qū)動和控制定位器中其他模塊的基本操作。

      傳輸塊用于模擬輸出（AO）與電/氣轉(zhuǎn)換器（I/P）、氣動組件、行程傳感器等定位器內(nèi)部硬件的連接。功能塊提供實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制和邏輯控制的功能。常規(guī)控制功能塊包括AO（模擬輸出）、PID和ISEL（輸入選擇）功能塊。AO可以接收來自其他功能塊（例如PID）的輸出信號，并轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器控制信號傳送給傳輸塊。PID用于實(shí)現(xiàn)控制回路的PID控制功能。ISEL提供4路輸入選擇功能，并將符合條件的信號作為PID功能塊的輸入信號。邏輯控制功能塊包括DI（離散輸入）和DO（離散輸出）功能塊。DI接收來自現(xiàn)場儀表的DI信號，將該信號傳送給其他功能模塊。用作限位開關(guān)和閥位檢測。DO將開關(guān)量設(shè)定值輸出到指定的I/O通道并生成輸出信號，提供常規(guī)開/關(guān)控制和5%增量定位的功能。

      1.3 工作原理

      DVC5000f系列數(shù)字智能定位器采用模塊式組件，主模件包括主控板、電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動組件等3個(gè)子模件。主模件在現(xiàn)場環(huán)境中無需拆/接電纜及氣動管路即可替換其工作原理圖如圖3所示。

      圖3DVC5000f系列數(shù)字智能定位器工作原理圖輸入信號通過雙絞線傳輸給主控板上的微處理器，經(jīng)運(yùn)算后由I/P將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成氣動信號，驅(qū)動氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)閥行程達(dá)到給定的位置。

      當(dāng)輸入信號增加時(shí)，I/P轉(zhuǎn)換器的輸出信號增加，通過氣動組件驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動閥桿向下運(yùn)動。同時(shí)連在閥桿上的行程檢測傳感器將閥桿的位置信號反饋給主控板上的微處理器并與給定信號進(jìn)行比較，直到閥桿處于要求的位置達(dá)到平衡。

      但輸入信號減小時(shí)，I/P轉(zhuǎn)換器的輸出信號減小，通過氣動組件驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動閥桿向上運(yùn)動。同時(shí)連在閥桿上的行程檢測傳感器將閥桿的位置信號反饋給主控板上的微處理器，與給定信號進(jìn)行比較，直到閥桿處于新的平衡位置。

      壓力傳感器用于檢測氣動信號管路是否有泄漏，如有泄漏發(fā)生，則由壓力傳感器將檢測到的信息經(jīng)微處理器產(chǎn)生警示或報(bào)警信號并通過數(shù)字通信通知操作人員或檢修人員及時(shí)處理。

      由于DVC5000系列數(shù)字智能定位器采用了微處理器技術(shù)和新型的傳感器技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)，使其不僅僅只是一只閥門定位器，而是智能數(shù)字控制器和閥門定位器集成的新型智能數(shù)字控制器。它大大提高了作為控制回路終端執(zhí)行元件—調(diào)節(jié)閥的精度，使其達(dá)到0.5%，極大地改善了控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)。同時(shí)它使控制功能下移至現(xiàn)場儀表，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)徹底分散。

      2 DVC應(yīng)用

      DVC技術(shù)取得重大應(yīng)用進(jìn)步的示例是用于緊急關(guān)閉（ESD）閥的部分行程測試。一些公司通過延長連續(xù)過程的運(yùn)行時(shí)間來增加利潤。延長包括安全儀表系統(tǒng)（SIS）的過程運(yùn)行時(shí)間常要求改變安全系統(tǒng)測試頻率，使用緊急關(guān)閉（ESD）閥的部分行程測試。部分行程測試可幫助運(yùn)行人員保證在安全系統(tǒng)范圍內(nèi)的ESD閥能按要求操作。將具有在板診斷程序和可獲得通信性能數(shù)據(jù)的主系統(tǒng)DVC用作ESD閥，使其成為部分行程測試解決方案的一部分，以滿足常規(guī)要求。

      部分行程動作測試可以確認(rèn)閥門工作正常與否，不會干擾工藝過程。由于試驗(yàn)期間不需要切斷工藝過程，測試可以更加頻繁地進(jìn)行。又由于整個(gè)測試過程可以用程序編入數(shù)字智能定位器中，所以部分行程動作測試能夠自動進(jìn)行而不需要操作員的關(guān)注。

      通過提供閥門性能惡化分析，數(shù)字智能定位器對于預(yù)見性維護(hù)是一個(gè)很大的幫助，這一點(diǎn)對于安全系統(tǒng)里的關(guān)鍵閥門是很重要的。在進(jìn)行部分行程動作測試時(shí)，如果由于某種原因閥門卡住了，有些數(shù)字智能定位器并不完全釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力。可以確保閥門解卡后不會突然關(guān)閉。而數(shù)字智能定位器會放棄測試并發(fā)出報(bào)警，告訴操作員閥門卡住了。

      總之，考慮到這些獨(dú)特的好處，使用數(shù)字智能定位器進(jìn)行部分行程動作測試是確保緊急停車安全系統(tǒng)可靠性的一種明智而經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。

      3 結(jié)束語

      隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、新型傳感器技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字智能定位器應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的數(shù)字智能定位器在工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)玫礁蟮陌l(fā)展。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司