现场总线阀门定位器——实现工业自动化的神器

气动阀门定位器可简称阀门定位器或定位器，它接受（气动）控制器的输出信号，然后成比例地输出信号至气动执行机构。当阀杆移动后其位移量又通过机械装置负反馈到阀门定位器，因此阀门定位器和气动执行机构构成了一个闭环系统。气动阀门定位器功能如图9-2-17所示。

来自控制器输出的信号P₀（如果是电信号，可经电/气转换器转换得到气压P₀）经阀门定位器比例放大后输出P_a，用以控制执行机构动作，位置反馈信号再送回阀门定位器，由此构成一个使阀杆位移与输入压力成比例关系的负反馈系统。

阀门定位器是气动执行机构的主要附件，它与气动执行机构配套使用，接受调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的输出信号控制气动执行机构。阀门定位器可用以解决以下问题：

1）改善阀的静态特性。使用阀门定位器后，只要调节器输出气压略有改变，经过喷嘴/挡板系统及放大器的作用，就可使通往执行机构膜片上气压有大的变化，以克服阀杆的摩擦和消除执行机构不平衡力的影响，从而保证阀门位置按调节器发出的信号正确定位。

图9-2-17 气动阀门定位器功能

2）改善阀的动态特性。定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小了时间常数，使之成为比例特性。

3）改变阀的流量特性。通过改变定位器反馈凸轮的形状，可实现执行机构的线性、快开、等百分比、抛物线等流量特性。

4）用于分程控制。用一个调节器控制两个以上的执行机构，使它们分别在信号的某一个区段内完成全行程移动。例如：使两个执行机构分别在（20～60kPa）及（60～100kPa）的信号范围内完成全行程移动。

FY302主要用于现场总线系统中驱动气动执行机构，它根据现场总线上送来或者由其内部控制功能块所产生的控制信号，产生一个气压信号，带动执行机构输出一个机械位移，并通过非接触的霍尔元件检测位移的大小，然后反馈到控制电路中去，以便实现精确的阀门位。

现场总线阀门定位器（FY302）的特点是实现了信息的数字传输，能够进行远程设定、自动标定、故障诊断，并提供预防性维修信息。例如，它可以累计阀门的行程和动作次数，当到达规定的数值时会发出提示信息。

在仪表内部可以实现控制、报警、计算以及其他一些数据处理功能。阀门的特性是通过软件组态实现的，不需要对凸轮、弹簧等部件进行任何改动，即可以方便地实现线性、等百分比、快开以及其他任意设置的阀门特性。

FY302硬件构成框图如图9-2-18所示。它主要由转换组件、主电路板和显示板组成。主电路板和显示板与LD302相同。

转换组件由气动转换部件和控制板组成，气动转换部件如图9-2-19所示。(www.xing528.com)

气动转换组件由节流装置、喷嘴挡板机构、滑阀等部分组成。来自主电路板的控制信号加到压电挡板上使压电挡板弯曲，造成流过喷嘴的气流改变，这样就会造成伺服腔室中的压力变化。在一定工作范围之内，伺服腔室中的压力变化与压电挡板的位移成线性关系。由于伺服腔室内的压力变化太小，无法提供足够的流量驱动能力，因此必须加以放大，这个任务由伺服机构来完成。伺服机构有一个膜片位于伺服腔室，还有一个比较小的膜片位于滑阀腔室。在稳态时，伺服腔室压力对膜片的作用力应该等于滑阀腔室的压力对小膜片的作用力。

当压电挡板靠近喷嘴时，伺服腔的压力就会增加，位于伺服腔的膜片受力增大，使滑阀向下移动，气源的压缩空气经滑阀凸肩和滑阀壁之间的空隙经输出孔2流入气动执行机构的一侧气室（如活塞式气动执行机构汽缸活塞一侧），使该侧的压力增加；同时，滑阀的下移又使输出孔1（如活塞式气动执行机构汽缸活塞另一侧）和排气孔1连通，气动执行机构（气动活塞式执行机构）另一侧的空气经输出孔1和排气孔1排出，执行机构（气动活塞式执行机构）两侧气室的压力差使执行机构产生位移。当压电挡板背离喷嘴时，气动转换部件的动作过程与上述相反。

图9-2-18 FY302硬件构成框图

执行机构位移经霍尔传感器和磁铁转换为电信号之后送往输出控制电路，当反馈信号与控制信号相平衡时，执行机构到达给定位置，此时喷嘴挡板机构和伺服机构到达一个新的稳态。

执行机构在定位器输出气压的作用下，通过阀杆的动作产生一个新的阀位。阀杆动作的同时，通过固定在阀杆上磁铁的动作使霍尔传感器感受到磁场的变化。霍尔传感器所感受新阀位的同时，将其反馈到模拟电路板和主电路板，如此反复直至满足预期的阀位为止。

FY302既能用于直行程执行机构，也能用于角行程执行机构。定位器本体上无须作任何改动，只需改变位置反馈磁铁的形式（组态中可改变选项）。角行程执行机构采用一种磁铁即可实现30°～120°转角的行程；直行程执行机构在3～100mm之间，只需在4种（在最新增加的30mm行程规格之前为3种）不同的磁铁中选配即可，使用非常方便。

FF为标准的阀门定位器传送块定义了一个十分有用的功能“伺服PID”。并同样设置了增益、积分时间和微分时间3个用户可设置参数，为减小阀门的密封摩擦造成的死区和执行机构动作的时滞提供了有力的工具。另外，FF还定义了另一个十分有用的功能，其通过ACT_FAIL_ACTION参数来实现，用于指定当出现故障（除气源之外）时执行机构的动作是保持原位还是全开或全关。它为操作人员维持生产和维修人员排除可恢复故障提供了一种可能性。

图9-2-19 气动转换部件

FY302具有改变阀门流量特性的功能，它能改变控制阀原有的流量特性，以适应工艺过程的实际需要。它可通过用户设定一个最多20点坐标的曲线来实现所需的流量特性。

FY302特制了一个自动标定执行机构行程的参数“SETUP”，激活该参数即可自动找到阀门全关和全开的位置。这个自动标定的过程既可在控制室中进行，也可在现场采用磁性工具通过自身的LCD显示来实现，整个过程只需2～5分钟，大大减少了人工标定行程的工作量。

当阀门定位器与现场总线之间的通信发生故障或者是上游其他仪表发生故障时，它可以进入故障安全状态，保持执行机构的位置不变或者到达用户预先组态的安全位置。