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摘  要：大流量气动定位器在火力发电、石油冶炼等行业均有广的使用，目前该技术为中国高端定位器的“卡脖子”技术。传统定位器技术对气源品质要求较高，气温低会导致气源品质急剧恶化，受冰渣影响，故障率高，维护量及维护费用较高。此外，传统定位器功能单一，极少能够实现三断保护，快开、快关及保位功能一体，需要加装额外的复杂气动回来实现，提高了安装工作量及施工费用。鉴于此，特开展多余度、大气量智能气动定位器的研发工作，以期实现技术突破，助力相关领域的发展。

关键词：多余度；大气量；气动定位器

引言

大流量气动定位器（可调流量0.5—200L）目前世界上只有意大利STI可以设计生产，大流量气动定位器在火力发电、石油冶炼、煤化工及水电等行业均有广泛的使用，目前中国没有企业能够设计生产，单个定位器采购单价为10万元/套。该技术为中国高端定位器“卡脖子”技术。传统定位器技术由于采用高精度气动元器件，对气源品质要求较高，特别在冬季，由于气温较低，会导致气源品质急剧恶化，传统定位器由于受冰渣的影响，故障率较高，维护量及维护费用较高。传统定位器功能较单一，极少能够实现三断保护，快开、快关及保位功能一体，需要加装额外的复杂气动回来实现，加大了气耗量及故障率，提高了安装工作量及施工费用[1]。传统定位器在故障时，只能停运设备进行定位器整体更换，维护费用较大。鉴于此，特开展多余度、大气量智能气动定位器的研发工作，以期实现技术突破，助力相关领域的发展。

一、研究方法

1.查阅信息

本项目启动后，项目团队在国内外期刊上查阅相关技术的技术文献，收集有用的重要科技信息，并收集国内外气动定位器厂家大流量定位器的产品信息。

2.理论分析

对上阶段收集到的有用的文献信息及产品信息进行研究分析，并研究清楚大流量定位器的理论原理、技术路线及关键技术。同时确认本课题需要采用的技术路线、关键技术攻关课题等。

3.数值模拟

建立本课题相关技术及控制对象的数学模型，并在Fluent仿真软件上进行数值仿真模拟，确定采用技术路线的可行性。

4.核心技术

（1）高度集成的气动逻辑回路的研发设计，将三断保护、快开、快关、保位功能、力矩输出保护功能高度集成到气动逻辑板上；

（2）气动逻辑回路的多余度技术、多通道气动回路技术及单通道的独立隔离技术的研发和设计；

（3）高度集成的气动逻辑板的加工工艺技术的选择，在保证正常气动逻辑功能的前提下，尽量保持高度的紧凑性；

（4）高频电磁阀的驱动技术的研发设计，定位器在阀位调整的过程中，动作频率会达到30—50HZ/S，电磁阀是一个感性负载，如此高的开关动作频率会引起较大的感性负载浪涌冲击，我们设计了一套基于COMS技术的小功率高频驱动板，解决了此问题；

（5）控制算法的研究，采用模糊控制算法自动调整控制参数，采用BP神经网络自动识别控制对象，采用正负PID进行精确的位置反馈调整，保证能够自动适应任何类型、体积的气缸，实现快速的精确位置调整；

（6）电源的配置技术研究，由于该定位器存在大量的高次谐波，如何合理地设计电源也是关键技术。

5.原型机生产

在上一阶段研究设计的基础上，进行各零部件的采购及生产，并在实验室组装原型机。

6.实验室及现场应用测试

在实验室搭建测试平台，并用相关的标准仪器仪表测试出相关的技术指标。实验室测试完成并满足实验要求后，在现场设备上进行产品安装测试及应用。

7.产品优化

收集实验室及现场应用过程中的不足，并采集一线使用人员及评审专家的产品改进意见，对该项目进行优化设计。

二、研究内容

大流量气动定位器（可调流量0.5—200L）目前世界上只有意大利STI可以设计生产，大流量气动定位器在火力发电、石油冶炼、煤化工及水电等行业均有广泛的使用，目前中国没有企业能够设计生产，该技术为中国高端气动定位器卡脖子技术。 传统定位器技术由于采用高精度气动元器件，对气源品质要求较高，特别在冬季，由于气温低，气源品质会急剧恶化，传统定位器受冰渣的影响，故障率高，维护量及维护费用较大。传统定位器功能较单一，极少能够实现三断保护，快开、快关及保位功能一体，需要加装额外的复杂气动回路来实现，加大了气耗量及故障率，提高了安装工作量及施工费用[2]。为掌握大流量气动定位器技术，本文对实现大流量气动定位器的关键技术开展了深入研究。

1.技术路线

目前国外大流量气动定位器采用的技术路线为：采用多级电/气伺服滑阀放大器技术实现较大气动流量调节及控制方向切换，采用微功耗芯片作为控制基础，接收DCS的阀位控制指令，实时检测气缸的阀位反馈，通过PID对阀位反馈及控制指令偏差进行计算，得出多级电/气伺服滑阀放大器驱动电压指令，进而实现对气缸阀位的快速精确闭环位置调整。国内外小流量气动定位器的主要技术路线有：以ABB为代表的微线圈滑阀伺服技术路线，以西门子为代表的压电阀技术路线。

该项目的一个关键问题就是技术路线的选择，如果和国外一样选用多级电/气伺服滑阀放大器技术路线，中国目前在该领域的精密加工工艺技术不过关，无法生产出可靠的多级电/气伺服滑阀放大器。随着对大流量气动定位器原理的进一步深入研究，我们选用了市场上通用的二位二通高频电磁阀加三位五通换向阀组合的技术路线。二外二通高频电磁阀阀体采用独特的平衡提升设计，动作频率可以达到300HZ/S，可利用高频电磁阀的高频特性，实现对气路的快速开关，进而精确控制气缸的进气量，但高频电磁阀只能控制气路的通断，无法控制气路的进/排气方向，本项目我们引入了三位五通电磁阀，利用三位五通电磁阀的三个位置状态（1：A侧得电，B侧失电：A口进气、B口排气、P口为气源；2：A侧失电，B侧得电：A口排气、B口进气、P口为气源；3：A侧失电，B侧失电：A口关闭、B口关闭、P口为气源；）来实现对起来的进/排气方向，进而控制气缸的开关方向。通过二位二通高频电磁阀加三位五通换向阀组合技术路线实现了对气缸的精确行程位置控制。

高端大流量气动定位器由于控制的气缸容量大，使用的场合比较关键，例如：火力发电厂气动高、低旁，高、低加逐级疏水调阀，给水旁路等，所以对安全性及可靠性的要求极高，如何实现高安全性及可靠性也为我们的主要课题，并对该课题进行了详细研究并取得技术突破，采用多通道设计、每个通道进出气口分别用针型阀隔离设计、二位二通高频电磁阀及三位五通电磁阀多余度配置方案解决了高安全性及可靠性，我们设计了两个阀组，一个阀组为主阀组，另一个阀组为副阀组，每个阀组配备有一个三位五通电磁阀，三位五通电磁阀的A口、B口分别连接有大、中、小个3高频个电磁阀，每一个高频电磁阀既为一个单独工作的通道，这些配置可以实现多余度，任何元器件的故障均不会引起系统异常（图1）。

二位二通高频电磁阀（断电闭合）及三位五通电磁阀（断电保持）的断电特性，加上上述气动回路逻辑拓扑结构，可以实现阀位三断保护功能，当所有高频电磁阀动作配合上三位五通电磁的开关动作方向，可以实现阀门的快开、快关功能。同时每个通道可以单独隔离，使其能支持在线更换故障气动元器件的功能。

高频电磁阀技术路线的引入会带来一个问题，众所都知，电磁阀由感性线圈驱动，高频电磁阀在高速动作瞬间会带来大量的浪涌及高次谐波，如果不采取措施，会在短时间内烧毁控制器控制高频电磁阀的输出通道。我们的解决技术方案：采用基于COMS元器件，控制回路和动力回路用光耦隔离的驱动设计技术，每个COMS元器件在输出端采用续流二极管（图2），通管续流二极管吸收高频电磁阀在高速动作瞬间产生的浪涌及高次谐波，另外COMS元器件具有高频动作能力，可以非常完美的匹配高频电磁阀，使其能以0-300HZ/S频率精确动作。

由于该设计使用了12的高频电磁阀及2个三位五通电磁阀，如何进行高度集成化设计也为该项目的关键核心问题，我们采用的方案为先设计出气动回路逻辑拓扑图，采用solidworks3D软件进行气路板的详细设计，最后采用微孔加工工艺按加工图纸进行开孔加工，出来的产品为一个高度集成化的气路板（图3）。

2.控制算法

前面已经对硬件结构进行了深入探讨及研究，该技术的控制算法也为关键研究内容，算法的优劣直接会影响该定位器的主要参数指标，该课题深入研究各类气缸的气动控制特性，开发基于模糊控制的控制律，提高定位器的响应速度及控制精度，采用BP神经网络技术识别控制对象特性，在阀位自动定位过程中自动识别气缸的大小及类型，自动调整过程控制参数，使其自动适应控制对象的要求控制策略及整定算法，本文由于篇幅问题不对该项目中用到的模糊控制及BP神经网络技术展开深入探讨，仅对阀位控制算法及整定算法进行介绍。

根据高频电磁阀的特性，提出一种按给定值阶跃大小来划分范围的控制算法。具体分为进气控制算法和排气控制算法。进气和排气均分为大范围（给定值阶跃较大，含有B—B控制，用大流量高频电磁阀进行B-B控制）与小范围控制算法（给定值阶跃较小，无B—B控制，用小流量电磁阀进行PWM控制），因为B—B（大流量高频电磁阀）控制后阀的速度较大，需要用小流量高频电磁阀降速处理，以避免超调，小范围则不施加B—B控制，直接用小流量电磁阀进行PWM脉宽调制控制。以反行程阀门为例说明，图4为大范围排气控制算法示意图，先进行B．B排气，迅速减小误差。当误差大于e1时，判断速度大小，若速度较大，则用小流量高频电磁阀进行降速处理，大流量高频电磁阀停止动作[3]；当速度较小时，采用小流量电磁阀进行PWM脉宽调制控制。由于气动执行机构本身就是一个非线性环节，为了克服执行机构的非线性特性，需要分段处理，体现在排气微调区不同段所采用的排气占空比是不同的。

图5为小范围排气控制算法示意图，即给定值阶跃变化较小，直接微调至死区内。另外，在小范围内，如果阀门动作的速度很小或者不动时，则加入积分环节，对误差进行积分，减小第4路占空比，即增大排气VI，可以加速阀门的启动，以减少调节时间。进气控制算法与排气控制算法类似，只是误差符号以及阀门的运动方向相反。控制算法的示意简图如图6所示。

3.参数整定算法

（1）各段的微调占空比

排气各段的微调占空比：以反行程为例说明，从100％FSR 处开始以10％FSR的阶跃排气，选择合适的线性排气占空比，使得每一个 10％阶跃下降的速度不超过6mV／100ms（安全速度v1），过冲量小于8mV；记录这9个点的占空比，再将整个行程分为三段：0-40％、40％-70％、70％一100％FSR，根据前一步所得的90％FSR 10％FSR这9个点对应的占空 比进行线性拟合，得出这三段的排气微调占空比与给定值的函数关系。实际中，对于非线性严重的阀门，可以适当增加分段数，以优化控制效果。进气各段的微调占空比的获取过程与排气类似。从0FSR处开始以10％FSR阶跃进气，记录9个点的占空比；然后，分段得 出各段微调占空比与给定值的函数关系。同样，对于非线性严重的阀门可增加分段数。

（2）B-B 调节与微调区的分界点

分界点的选取是依据阀门的最大过冲量。在B．B进气或者排气情况下， 测试阀位在各个位置关闭进气 口和排气 口后（即保持）的滑行距离，其中最大的值即为最大过冲量。P1和P2可选为排气和进气过程B．B调节与微调区的分界点。

（3）速度分界点的确定

即控制过程 中判断是否需要引入积分环节的速度分界点，v1为进气的速度分界点，一v2为排气的速度分界点。在实际控制中，若误差还在死区范围以外，而速度又低于V1，或者大于一v2时，需要增大进气口或者是排气口，以减少调节时间。当行程满量程在lv左右时，可选择vl=v2=2mV／100ms。

控制策略及整定算法确定后，需要设计一个人机交互性能良好的操作界面，该项目采用触摸彩屏交互技术，对涉及的状态参数显示、模式选择、故障报警、趋势历史、参数设置等功能进行集中显示及操作。采用触摸彩屏的好处就是人机交互性能较好，能够快速地读取参数、运行状态及故障状态，并能够方便地进行参数设置及模式选择。主要人机界面有：主控页面（图7）、整定界面（图8）、模式选择界面（图9）、模式选择界面（图10）、参数设置界面（图11）。

定位器的实验室测试：我们用气缸搭建了一个简易的测试平台（图12），用最严格的测试手段对该产品进行实验测试，我们的实验设备为：0.5L的气缸一个（由于该定位器为大流量气动定位器，气缸越大控制效果越好），测试气源压力为6Bar，测试负载为一个30KG的重锤，模拟真实的现场执行条件，测试的各项性能指标超出预期（图13），图13中绿线为指令，蓝线为反馈，可见阀位曲线跟踪及响应效果良好，无超调情况出现。

定位器的现场测试及应用：该定位器在电厂现场进行了测试及应用，安装地点为锅炉SOFA风一号角SOFA1及SOFA2，原定位器为进口ABB定位器，运行曲线如图14，安装图为图15。

三、研究结果

1.知识产权

专利名称：双冗余气动定位器气路板，专利号：201922298983.2。

2.性能指标

（1）采用多余度设计及多通道隔离设计，支持在线故障维护；（2）采用多余度设计及多通道隔离设计，支持故障冗余切换功能；（3）有上下气缸压力检测传感器，具备气缸力矩输出检测保护功能；（4）耗气量：360L/h（6bar）；（5）支持全触摸屏交互操作及直观故障提示；（6）灵敏度：±0.1%；（7）滞后+死区：±0.18%；（8）重复性：±0.22%；（9）漂移：±0.35%；（10）防护等级：IP65；（11）操作温度：­-30℃到+90℃；（12）调节流量：在6bar时300Nm3/h（CV3.8）。

3.评定结果

利用高频电磁阀的高速开关响应特性控制进入气缸的进气量，采用三位五通电磁阀控制气缸的开关方向，通过高频电磁阀及三位五通电磁阀的合理动作配合，实现对阀门阀位的精确行程控制。

深入研究各类气缸的气动控制特性，开发基于模糊控制的控制律，提高定位器的响应速度及控制精度，采用BP神经网络技术识别控制对象特性，在阀位自动定位过程中自动识别气缸的大小及类型，自动调整过程控制参数，使其自动适应控制对象的要求。合理设计了一套气路板，利用微孔加工工艺进行气路板精密加工，将所有的气动逻辑回路全部集成在气路板上。气动元器件采用多余度配置（即每个控制气动元器件采用多余度配置）、气路采用独立多通道设计（既每个气路独立工作，各气路之间相互独立，互不影响）、每个气路通道独立隔离设计（即每个气路通道采用出气及进气口采用微型针形阀隔离），具有非常高的安全性及可靠性，当气动元器件出现故障时，自动故障侦测系统检测到故障后会自动进行冗余切换，保证系统能够正常工作。这些独特的气路逻辑设计可以支持在线故障气动元器件更换，例如：当系统检测到高频电磁阀故障后，系统会自动切换到冗余气动元器件，关闭该故障高频电磁阀的前后手动针形阀，可以对其进行在线更换，而不会引起定位器的异常。

该定位器气路板上同时集成了三断保护、快开、快关、保位功能、力矩输出保护、基地控制功能，相比国外同类型定位功能更加强大。人机界面采用彩色触摸屏一体显示控制技术，全中文界面及故障提示功能，可使调试及维护变得更加简单。

参考文献：

[1] 王海东. 气动阀门定位器创新应用的探索与实施[J]. 仪器仪表用户，2022，29（02）：1-3+112.

[2] 吴凯飞，谢力民. 分析气动智能阀门定位器设计与实现[J]. 化工管理，2017（36）：195.

[3] 倪平，赵四海，王晓俊. 气动执行器分体定位器在火力发电厂中的应用[J]. 硅谷，2015，8（02）：259+251.

作者简介：谢德清（1981.12—），汉，山西运城人，工程师，研究方向：智能气动定位器的研发应用。