基于阀门定位器的闭环回路控制系统

【专论综述】阀门定位器工作原理及三断保护功能应用赵建伟郑丽珍宁波市化工研究设计院有限公司浙江宁波315040【摘要】阀门定位器作为气动调节阀的关键附件，在工业过程控制领域得到广泛应用。

本文介绍了阀门定位器的工作原理；根据特定场合工艺过程安全生产中阀门定位器的类型不同，使用与调节阀相应的功能应用方式，实现三断保护要求。

【关键词】电气阀门定位器；I/P转换器；喷嘴-挡板；压电阀；三断保护中图分类号：TP211文献标识码：A1概述阀门定位器作为气动调节阀关键附件，在提高系统控制品质等方面发挥重要作用。

其工作原理是根据控制信号与阀位反馈信号的偏差，控制进入执行机构的气动信号，从而改变调节阀开度。

阀门定位器实现了阀门自身阀位调节的闭环负反馈控制，使控制回路形成以被控对象的过程变量控制为主回路，阀门自身阀位控制为副回路的“串级控制”。

其控制方框图如图1。

图1控制方框图2阀门定位器工作原理2.1气动阀门定位器气动阀门定位器基于力平衡控制原理，主要包括：力矩控制系统（由波纹管、杠杆2、喷嘴-挡板、气动放大器等部件组成）和平衡力矩负反馈系统（由摆杆、轴、偏心凸轮、滚轮、杠杆1、弹簧等部件组成）。

其结构原理如图2。

当输入波纹管输入压力控制信号增大时：1杠杆2绕支点转动，档板靠近喷嘴，喷嘴背压增大，并经气动放大器放大后进入执行机构气室，使调节阀向下动作；2调节阀阀杆带动反馈杆（摆杆）绕支点转动，偏心凸轮逆时针转动，通过滚轮使杠杆1绕支点转动，并将反馈弹簧拉伸；图2气动阀门定位器结构原理图3弹簧对杠杆2的拉力与波纹管的压力达到平衡时，阀门处于稳定状态，此时输入压力控制信号与阀门位置相对应。

喷嘴-挡板作为阀位定位器的重要部件，具有信号转换、信号放大和控制作用。

喷嘴-挡板可看作由恒气阻R1（恒节流件）、变气阻R2（喷嘴、挡板）、气室组成。

其结构原理如图3。

图3喷嘴-挡板结构原理图挡板与喷嘴之间的距离△L 发生变化时，喷嘴-挡板将距离信号转换成固定气容（室）及喷嘴背压的压力信号，即△P D =△L 。

阀门定位器的工作原理和系统结构1.1 工作原理阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。

如正作用的气动薄膜阀，来自调节器或输出式安全栅的4～20mA直流信号输入到转换组件中的线圈时，由于线圈两侧各有一块极性方向相同的永久磁铁，所以线圈产生的磁场与永久磁铁的恒定磁场，共同作用在线圈中间的可动铁芯即阀杆上，使杠杆产生位移。

当输入信号增加时，杠杆向下运动（作逆时针偏转），固定在杠杆上的挡板便靠近喷嘴，使放大器背压增高，经放大后输出气压也随之增高。

此输出气压作用在调节阀的膜头上，使调节阀的阀杆向下运动。

阀杆的位移通过拉杆转换为反馈轴和反馈压板的角位移，并通过调量程支点作用于反馈弹簧上，该弹簧被拉伸，产生一个反馈力矩，使杠杆作顺时针偏转，当反馈力矩和电磁力矩相平衡时，阀杆就稳定于某一位置，从而实现了阀杆位移与输入信号电流成正比例的关系。

调整调量程支点于适当位置，可以满足调节阀不同杆行程的要求。

1.2 系统结构阀门定位器与阀门配套使用，组成一个闭合控制回路的系统。

该系统主要由磁电组件、零位弹簧、挡板、气动功率放大器、调节阀、反馈杠杆、量程调节机构、反馈弹簧组成。

其系统方框图如图1所示。

I - 输入电流；H - 调零弹簧长度；M1- 输入电流所产生的电磁力矩；M o- 零位弹簧所产生的调零点力矩；M f - 反馈弹簧所产生的反馈力矩；h - 挡板微小位移；P - 气动功率放大器的输出压力；L - 调节阀的行程为了分析的方便，我们假设阀门定位器为线性的，则在一般情况下，各环节均可近似为线性环节，那么系统的方框图如图2所示。

图2 线性化的系统方框图K o - 零位弹簧的弹性系数；K4 - 反馈弹簧的弹性系数；K1，K2，K3，K5，K6，K v - 磁电组件、挡板、放大器、量程调整机构、反馈杠杆和调节阀的放大系数由图2可知，令：K c= K2K3K v（1）K F=K4K5K6（2）则L=K c（K o H+K1I）/（1+ K c K f）= [K G K1/（1+K G K f）]*I+K c K o H/（1+K c K f）（3）由（3）式可知：K c K o H/（1+K G K f）为阀门定位器的零点。

图书分类号：密级：课程设计说明书阀门定位控制系统设计学生学号20210501107学生姓名张颖学院名称徐州工程学院专业名称电气工程及其自动化指导教师于蕾2021年7月4日摘要在现代工业自动化控制中，工业过程控制的质量很大程度上取决于过程控制仪表性能的上下。

气动调节阀是工业过程控制的重要调节机构，本文研究的智能阀门定位器是气动调节阀的核心附件，它能够显著改善阀门的动态特性，提高阀门的响应速度、定位精度以及控制灵活性。

阀门定位器从二十世纪中期产生至今，经历了几个不同的开展阶段.目前智能式阀门定位器是国内外研究和使用的重点。

1.根据目前国内、外对智能阀门定位器的研究，通过深入分析典型智能阀门定位器的结构，工作原理及其实现的功能，制定了以LPC2290为定位器核心的硬件系统方案，并预测了所设计的定位器硬件系统到达的性能指标。

2.对智能阀门定位器硬件系统进行了特性分析。

根据所制定的定位器硬件系统设计方案，在数学建模的根底上详细分析了所设计的智能阀门定位器硬件系统主要模块的动、静态特性、工作原理及其对定位器控制系统的作用和影响。

关键词：智能阀门定位器；系统硬件特性；LPC2290；电路设计目录第一章电动阀门主要概述 (3) (3) (4) (5) (5) (6)第二章阀门智能控制器的总体设计方案 (7)2.1 硬件系统整体设计方案及性能指标 (7)2．2智能式阀门控制器的硬件组成及实现功能 (8)控制器硬件组成 (8)2．2．2智能阀门控制器主要实现的功能 (9)第三章软件电路设计 (11)3．1编程语言的选择 (11)3．2上位机软件中主要功能环节的实现 (11) (11)第四章阀门控制器硬件电路设计 (15)4．1所设计智能阀门控制器硬件系统方案 (15) (15) (19)4．3A/D转换电路 (23) (24) (28) (28) (28) (28) (28)5．2展望 (28) (28) (28) (28) (29)参考文献 (30)第一章 电动阀门主要概述五十多年前，工业生产中控制回路都是气体驱动的，变送器、调节器和执行单元(如调节阀)被连接在一起并通过一个3-15psi(1个标准大气压=14．69psi)的气动信号相互通讯，这个信号同时也是驱动执行机构动作的动力源睁7。

基于HART协议的智能电气阀门定位器解析本文首先对HART协议以及智能电气阀门定位器进行详细的介绍，然后从硬件、软件两个方面分析基于HART协议进行智能阀门定位器研制分析，事实也证明了这种定位器比传统的阀门定位器性能优良。

标签：HART协议；智能电气阀门；定位器随着我国工业技术的发展，阀门定位器经历了几次改革，由最初的气动阀门，到机械力平衡式阀门定位器，然后再到现在电气阀门定位器。

同时在我国科学技术的带动下，阀门定位器逐渐向着自动化、数字化的方向发展，与当今全数字化工业生产相适应。

HART协议具有模拟信号与数字信号兼容的特点，因此基于HART协议的电气阀门也比传统的阀门性能更加优良。

1 HART协议与智能阀门定位器概述1.1 HART协议所谓的HART协议，就是可寻址远程传感器高速通道开放通信协议，该协议最早出现于美国，用于控制室设备与现场智能仪表之间的通信协议。

该协议中，HART装置具有合适的响应时间以及较低宽带，经过数十年的发展，发达国家的HART技术也已经十分成熟，并广泛应用于工业生产中。

HART协议主要利用FSK频移键控信号，该信号采用标准为Bell202，也就是在4～20毫安的低频模拟信号之上，叠加幅度为0.5毫安的音频信号，实现双向的数字通信，具有1.2Mbit/s数据的传输率。

加上FSK平均信号值一般为0，因此在信号传输过程中不会对系统模拟信号造成影响，确保模拟信号与现实信号的兼容性。

这种通信协议利用半双工通信方式，在模拟信号上实现数字化通信，同时采用统一的描述语言（DDL），通过这种语言对设备的特性进行描述，同时完成对描述语言的等级，并将其编写成描述字典。

但是HART技术采用混合模拟数字信号，给通信芯片的开发增加了难度。

HART才有的供电方式为总线供电，基本上满足安全防爆需求。

1.2 智能阀门定位器作为调节阀中关键的附件，阀门定位器的性能直接影响调节阀整体的使用性能。

通常来说，阀门定位器运行原理主要是闭环控制，即对调节信号的控制或者是对调节器进行直接调节，同时将执行器反馈的信号与控制信号进行对比，根据两种信号之间的差异性对相关动作进行调节，保证阀门芯位置准确，实现准确定位。

定位器（valve positioner）阀门定位器按结构分：气动阀门定位器、电气阀门定位器及智能阀门定位器，是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。

（一）结构阀门定位器按其结构形式和工作原理可以分成气动阀门定位器、电－气阀门定位器和智能式阀门定位器。

阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后的情况发生，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。

（二）定位器分类1、阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能阀门定位器。

（1）气动阀门定位器的输入信号是标准气信号，例如，20~100kPa 气信号，其输出信号也是标准的气信号。

（2）电气阀门定位器的输入信号是标准电流或电压信号，例如，4~20mA电流信号或1~5V电压信号等，在电气阀门定位器内部将电信号转换为电磁力，然后输出气信号到拨动控制阀。

（3）智能电气阀门定位器它将控制室输出的电流信号转换成驱动调节阀的气信号，根据调节阀工作时阀杆摩擦力，抵消介质压力波动而产生的不平衡力，使阀门开度对应于控制室输出的电流信号。

并且可以进行智能组态设置相应的参数，达到改善控制阀性能的目的。

2、按动作的方向可分为单向阀门定位器和双向阀门定位器。

单向阀门定位器用于活塞式执行机构时，阀门定位器只有一个方向起作用，双向阀门定位器作用在活塞式执行机构气缸的两侧，在两个方向起作用。

3、按阀门定位器输出和输入信号的增益符号分为正作用阀门定位器和反作用阀门定位器。

正作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号也增加，因此，增益为正。

反作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号减小，因此，增益为负。

4、按阀门定位器输入信号是模拟信号或数字信号，可分为普通阀门定位器和现场总线电气阀门定位器。

阀门定位器的工作原理与结构(很详细的介绍)-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII阀门定位器的工作原理与结构阀门定位器是气动调节阀的关键附件之一，其作用是把调节装置输出的电信号变成驱动调节阀动作的气信号。

它具有阀门定位功能，既克服阀杆摩擦力，又可以克服因介质压力变化而引起的不平衡力，从而能够使阀门快速的跟随，并对应于调节器输出的控制信号，实现调节阀快速定位，提升其调节品质。

随着智能仪表技术的发展，微电子技术广泛应用在传统仪表中，大大提高了仪表的功能与性能。

阀门定位器(图1)阀门定位器的原理：反馈杆反馈阀门的开度位置发生变化，当输入信号产生的电磁力矩与定位器的反馈系统产生的力矩相等，定位器力平衡系统处于平衡状态，定位器处于稳定状态，此时输入信号与阀位成对应比例关系。

当输入信号变化或介质流体作用力等发生变化时，力平衡系统的平衡状态被打破，磁电组件的作用力与因阀杆位置变化引起的反馈回路产生的作用力就处于不平衡状态，由于喷嘴和挡板作用，使定位器气源输出压力发生变化，执行机构气室压力的变化推动执行机构运动，使阀杆定位到新位置，重新与输入信号相对应，达到新的平衡状态。

在使用中改变定位器的反馈杆的结构(如凸轮曲线)，可以改变调节阀的正、反作用，流量特性等，实现对调节阀性能的提升。

智能阀门定位器结构如下图所示，其中虚线内为定位器部分，右侧为气动执行机构。

控制和驱动电路，以及位置反馈传感器的数据采集电路，均位于定位器内的电路板中。

控制电路主要完成控制信号和位置反馈信号的数据采集与处理工作，同时形成稳定输出电压。

驱动电路用于PWM电流滤波后的功率放大。

喷嘴挡板、喷嘴以及相应组件构成了I/P 转换器，实现电气转换。

调节喷嘴挡板和喷嘴的间距，通过气体放大器，完成对输出气体的调节。

反馈杆和位置反馈传感器，完成气动执行机构位移的检测，并组成完整的闭环控制系统。

智能阀门定位器结构图(图2)。

基于微控制器的智能阀门定位器控制系统的设计【摘要】本文主要围绕着基于微控制器的智能阀门定位器控制系统展开分析，探讨了智能阀门定位器控制系统的设计思路和具体的设计方法，以期可以为智能阀门定位器控制系统的设计提供参考。

【关键词】微控制器；智能阀门定位器；控制系统；设计一、前言智能阀门定位器控制系统的设计必须要符合其使用的需要，目前，从微控制器的角度出发，对智能阀门定位器控制系统进行设计是较为科学和有效的方法，值得探讨。

二、智能阀门定位器控制系统设计概述气动系统因其结构简单、价格低廉、以空气为介质，不污染环境等特点，使气动调节阀成为工业过程控制中的一种重要的执行部件，但由于空气介质的压缩性大、精度小，获得高精度的位置控制是当前气动技术的一大难点。

阀门定位器是气动调节阀的核心控制附件。

它的智能化可以显著改善阀门的特性，提高控制精度、速度和灵活性。

目前该产品因其低功耗、总线供电、本质安全等要求大多采用进口。

该器件原理为将电信号转化为气信号结合气动执行机构最终来控制阀门。

此外，定位器有总线供电，本质安全等要求，其关键技术为如何实现低功耗。

定位器能够增大执行器的输出功率,减少调节信号的传递滞后,加快阀杆的移动速度,提高调节速度,克服阀杆移动中产生的摩擦力和阀芯不平衡力,以提高调节阀的精度。

通过更换反馈元件可以实现对调节阀整体流量特性的变换。

三、智能阀门定位器的特点1、智能阀门定位器的控制精度较高可以实现控制阀的精确控制，从而提高系统的控制水平。

另外，智能阀门定位器可以方便设置阀门特性曲线，比如等百分比特性，西门子PS2系列就提供了1：25、1：33、1：50三种特性，ABB公司提供了1：25、1：50两种特性。

另外，如果用户对定位器内置阀门特性不满意或有特殊要求，可以通过自定义特性曲线功能进行自定义阀门特性曲线的设置。

各公司智能阀门定位器提供10~20段曲线的设置。

2、省气、节约能耗，保持气源压力的稳定常规定位器的稳态耗气量在350升/小时，智能定位器稳态耗气量在30升/小时，一方面可节约运行成本，另一方面保持仪表风压力的稳定，保证装置的可靠运行。

阀门定位器工作原理阀门定位器是一种用于控制阀门位置的装置，它可以帮助阀门实现自动化控制，提高工作效率，降低人工成本。

那么，阀门定位器是如何工作的呢？接下来，我们将详细介绍阀门定位器的工作原理。

1. 传感器检测阀门位置。

阀门定位器的工作原理首先依赖于传感器的检测。

传感器可以实时监测阀门的位置，将位置信息传输给控制系统。

传感器通常采用霍尔传感器或者编码器，能够准确地感知阀门的开度和闭合情况。

2. 控制系统接收信号。

传感器传输的阀门位置信号会被控制系统接收并处理。

控制系统根据传感器反馈的位置信息，通过内部的算法和逻辑判断，确定阀门的当前状态，并根据设定的参数进行相应的控制。

3. 电动执行器调节阀门位置。

一旦控制系统确定了阀门的当前状态，它会通过信号输出给电动执行器，电动执行器根据接收到的信号，通过驱动装置调节阀门的位置。

电动执行器通常采用电动螺杆或者电动阀门执行器，能够精确地控制阀门的开合程度。

4. 反馈信号闭环控制。

阀门定位器的工作原理中，还包括了反馈信号的闭环控制。

一旦电动执行器调节完阀门的位置，它会再次通过传感器获取阀门的实际位置，并将实际位置信息反馈给控制系统。

控制系统会将实际位置与目标位置进行比对，进行闭环控制，确保阀门达到预期的位置要求。

通过以上的工作原理介绍，我们可以清晰地了解到阀门定位器是如何工作的。

它通过传感器检测阀门位置，控制系统接收信号并进行处理，电动执行器调节阀门位置，最终实现了阀门的自动化控制。

阀门定位器的工作原理简单清晰，但实现了阀门的精准控制，为工业生产提供了便利和效率。