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。

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。可以選擇安裝兩臺定位器，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。

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。

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。

相關產品推薦：電磁流量計、渦街流量計、壓力變送器