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FF阀门定位器应用实践
liubingrui 发表于 2008/9/28 8:38:13 752 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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基金会现场总线(FF)技术自推出第 一批注册产品至今的9年来，在流程性行业中受到越来越明显的关注。据有关方面的统计，在国内已经有上百套中小系统在运行，其大规模的应用也有了示范性的项目开始运行。
FF的最大特点是控制策略直接在现场设备中运行，这一指导思想直接体现在其用户层独特的"功能块"和"功能块连接"上。在通过一致性测试和互可操作性测试的基础上，许多独具特色的现场仪表除了在测量、转换等硬件方面有自己专有的技术之外，往往在功能块技术上还有许多独到之处。FY302现场总线阀门定位器(以下简称为"FY302")就是一台很有特点的阀门定位器。
一 性能特点
控制阀是调节回路的最终环节，在调节回路中具有举足轻重的地位。一台性能欠佳的控制阀不仅会影响过程发挥其全部的潜能，更有甚者，它可能使过程控制性能恶化。有人通过实际调查和统计，30～67％的先进控制应用没有达到预期的性能，实际上许多已经停用。其中执行环节的影响尤为重要。
众所周知，磨擦阻力是造成控制阀动作死区的主要原因。阀门定位器可以看作是整个执行机构的一部分，它的主要作用就是减小控制阀的动作死区，提高控制阀动作精度，因此其性能就直接影响着调节回路的控制特性。大多数定位器与阀门之间是通过机械连接传递阀门动作位置的。因此，该连接处的间隙以及位置转换部件的弹性变形又造成位置传递死区。而FY302最大的特点之一就是它与执行机构的运动部件之间没有机械连接，而是依靠霍尔元件对磁场的感应来确认执行机构动作的实际位置。这就从根本上消除了位置转换过程中机械连接所产生的误差，在很大程度上减少了执行机构的死区。
FY302对控制阀的定位精确度在同类产品中是较高的。
1. 结构
该定位器的转换部分与大多数定位器不同，其电-气转换部分采用压电挡板-喷嘴加滑阀的二级放大电-气转换结构。位置反馈采用无机械连接的磁场-霍尔传感的检测方法。其简化的原理如图2所示。
它的信号是由FF H1数字信号处理的主电路板给出的一个阀位期望值模拟信号和一个控制信号组成。该阀位的期望值与霍尔传感器测量到的实际阀位值经控制单元计算后，给出一个使压电挡板产生形变的电压。压电挡板-喷嘴组件将这个动作信号转换成气压信号，然后通过滑阀放大后输出给执行机构(膜片或气缸)。执行机构在定位器输出气压的变化下，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钢的动作使霍尔传感器感受到磁场的变化。霍尔传感器所感受的新阀位同时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。
2. 硬件特性
FY302既能用于直行程执行机构，也能用于角行程执行机构。定位器本体上无需作任何改动，只需改变位置反馈磁钢的形式(组态中也改变一个选项)；角行程执行机构采用一种磁钢即可实现30°～120°转角的行程；直行程执行机构在3～100mm之间也只需在4种(最近增加了30mm行程规格，之前为3种)不同的磁钢中选配即可，使用非常方便。
FY302的能耗较低，静态电流为12mA。也就是说，在提供100mA电流的FISCO本质安全栅的网段中能挂接8台与其相同功耗的现场仪表。这对需要较多仪表组成复杂控制回路的本安应用来说，优势是明显的。
近期FY302已有远传阀位传感器的分体结构形式，通过电缆可使定位器安装于距离控制阀最远达20m的地方。这样能使定位器远离高温、潮湿、粉尘、油污或剧烈振动等恶劣环境，也能为安装在特殊地点的阀门提供一个较好的现场观察点。
FY302的另一个特点是以专用磁性工具进行的现场调整功能。这个功能不仅提供了一种特殊情况下通过定位器上液晶显示器进行设置的可能性，同时还能避免随意的现场改动和保持主电路板腔室与外部恶劣环境的隔离。
3. 软件特性
从现场总线的角度看，其现场设备并不是由传感器、电子元件和外壳组合而成的一台仪表，而是在其网络中的一个可相互识别和协同工作，并包含多个功能块的现场节点。
现场总线基金会定义了应用层的3类"模块"：资源块、传送块(也称为"转换块")和功能块。每台现场设备所能利用的"模块"由生产商作为该设备的可用资源，写入其固件中。阀门定位器的主要特点由"阀门定位器传送块"决定。FY302中的传送块有许多特点：
(1)基金会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，为减小阀门的密封磨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，这3个参数整定得好还可用来减弱或消除阀门的谐振现象。
(2)定义的另一个十分有用的功能是通过ACT_FAIL_ACTION参数实现的，它用于指定当出现故障(除气源之外)时执行机构的动作--保持原位、全开还是全关。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。
(3)制造商为FY302定制了阀门流量特性改变的功能。它能用来改变控制阀原有的流量特性，以最好地适应工艺过程的实际需要。它可通过选择与控制阀固有流量特性不同的流量特性代号来实现，也可通过用户设定一个最多20点坐标的曲线来实现所需的特殊流量特性。
(4)制造商还为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。
(5)FF H1现场设备有两种：一种是主设备，能作为后备LAS(链路活动调度器)；另一种是基本设备，不能作为后备LAS。FY302内置了主设备功能，可设置为后备LAS(一般情况下，只要同一网段中另有主设备，建议不在阀门定位器中设置这一功能)。
如前所述，FF的最大特点就是基本上不依赖控制室设备，而直接在现场设备中实现控制策略。也就是说，其现场设备具有很强的自主性。这就需要现场设备能提供尽可能多的备选功能，以适应不同应用环境的复杂控制的需要。
一个复杂的控制回路往往需要采用较多的功能块来"搭建"。有的FF H1现场设备中只有很少几种功能块，且同类型功能块(如PID)往往只有一个。这样，组态一个串级控制就需要调用其它现场设备或主站中的功能块，而低速的总线传输速率(31.25kb/s)在周期性信息传输量较大时会导致宏周期增大，使回路的响应时间随之增大。
FY302具有功能块"示例化"的功能。这就是说，它具有一个较大的"功能块库"，其中有较多种类的功能块可供用户调用。即使是同类型功能块，也能够多次调用。这就使用户在组态复杂控制回路时有更多的灵活性，可以最大限度地压缩设备间的周期性通信，以缩短宏周期，加快网段中回路的响应速度。例如图3所示的串级控制回路，如果在FY302中调用两个PID功能块，就减少了两个需在网段上传送的周期性通信，能使宏周期缩短70～150ms左右。
二 应用
用户与"现场总线"的角度不同，他们看重的不是"全数字信号"、"双向、多点通信"、"功能块"等"技术的先进性"，而是这些"先进技术"对实际应用所带来的效益。
1. 实例
笔者使用的均是国产控制阀，采用FY302能否带来效益呢？在多套FF控制系统的许多案例中选取了以下3个经多次印证的实例。
a. 实例1
采用FY302，配合适合工艺的控制策略达到提高调节品质目的。2001年4月苯甲酸提纯新工艺试验装置试车，一直未获得预期效果。鉴于之前其他装置上的成功经验，公司决定采用FF技术。笔者在系统中采用了FY302，其中一个温度-温度串级控制回路的功能块连接如图4所示。7月下旬再次试车，由FY302定位的控制阀灵敏度达到了行程(25mm)的0.1%以上。总线设备到货一周内就生产出含量达99.97％以上的产品。从此，该系列产品的质量达到了国际上的最高品质。
b. 实例2
通过FY302中"先进定位器传送块"的伺服PID解决阀门谐振问题。笔者曾在公司一扩产项目中采用FY302等FF H1现场设备组织了一套3种物料的质量流量配比调节回路，且该工艺对3种物料之间的配比要求十分苛刻。在运行一段时间后，发现在某些工况下其中一种物料调节品质变差。历史趋势上可见明显锯齿状波动。反馈阀位曲线也呈锯齿状，明显是阀门谐振现象。这时即使切换到手动，阀位也仍然跳动。在FY302的先进定位器传送块中，有很多参数只要不组态即为默认值状态(FF功能块特征之一)。笔者对其中的SERVO_GAIN(伺服增益)参数和SERVO_RESET(伺服积分)参数重新整定，使其错开谐振频率，反馈阀位明显稳定，实时趋势基本平稳。长期运行中该物料的质量流量均能控制在650±6kg/h之内。
c.实例3
通过FY302输出的目标阀位和反馈阀位历史趋势分析，参考其他工艺参数诊断出工艺装置故障。某装置操作人员曾反映FRC-501回路控制阀阀位偏大，且流量偏低。仪表维修人员检查目标阀位与反馈阀位一致性很好，参考其他检测和控制参数后确认为阀内及下游工艺管道局部堵塞。停车清除阀门和管道内污垢后开车，该回路阀位即恢复正常开度，介质流量也恢复正常。
2. 体会
笔者应用FY302阀门定位器多年的体会是：
(1)阀门定位精确度高。其技术指标为≤0.1% F.S，在实际使用中只要安装正确就能达到。安装固定较好的控制阀在回路调节过程中，所达到的最佳实际阀位在万分位上都很稳定。这时，定位器输出阀位与执行机构反馈阀位的动态偏差平均仅为±0.05％左右。FY302的应用能较大程度地提高控制回路的调节品质。
(2)在小开度下工作。由于FY302的伺服PID能提高阀位的稳定性，这就使控制阀能够稳定地工作在小开度下。笔者的实际使用中，安装FY302的控制阀能在0.3％的开度下使回路保持平稳。
(3)增大了可调范围。由于装配FY302的控制阀在小开度下能具有很好的稳定性，因此使原设计可调范围为50∶1的控制阀的实际可调范围能提高到200∶1以上。
(4)缩短工程周期。FY302实现了阀位行程的的自动标定，只需正确地安装即可很快投入使用。
(5)减少日常维护量。由于FY302中的"先进定位器传送块"有较多用于设备维护和诊断的参数，通过这些参数的状态、记录的观察和分析可以了解定位器、控制阀乃至工艺装置的工作状态(见实例3)，得出是否需要进行维护和修理，甚至大约什么时候之前必须进行的结论，减少了大量盲目的定期检修。
(6)延长控制阀的使用寿命。由于定位精确度的提高，减少了阀门大量的无效行程，使控制阀运动部件的磨损减小，阀门及其密封件可长期保持良好工作状态。
3. 要点
FY302自身的故障率很低，但最好的东西也需应用得当才能发挥出其特点和优势。在实际的应用中，除了常规定位器的使用条件以及上述组态、调整上的一些技巧之外，还应着重注意以下几点：
(1)环境温度。从FY302的性能指标中可知，其环境的温度对于行程的影响是0.8%/20℃。这个影响对于普通定位精确度低于1%的定位器来说并不高，而对于FY302来说则是相当大的。因此在安装时应重视其环境温度。在高温或环境温度变化较大的场合应考虑采取保温隔热措施或直接选用远传位置传感器形式。另外，其LCD显示器在-10℃以下和60℃以上也将不能正常显示。
(2)潮湿、粉尘和油污。对于定位器来说，其排气口的通畅直接关系其是否能正常工作。普通定位器排气口较小，排气时流速较高不易堵塞。而FY302共有6个排气口，并采用了大面积微孔的降噪结构，排气流速很低，极易堵塞。实际运行中，大多数FY302的故障是潮湿和粉尘堵塞其排气口造成的。因此应予以充分的重视。
(3)现场巡查和日常维护。虽说现场总线的一大优势就是"在控制室内即可看到一个'透明的'现场"，但还是不可能"一览无余"到不需要现场巡查；其所具备的诊断功能也不能做到无须日常维护。虽然FY302这样的现场总线设备故障率确实很低，但切实的现场巡查和认真的日常维护仍然是现场设备"长治久安"的一大法宝。