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浅析智能型阀门定位器诊断
一、概述
在过程控制系统中,气动薄膜调节阀(以下简称调节阀)作为控制系统中的最终控制单元,起到了极其关键作用。传统概念上的阀门定位器作为调节阀的一个主要附件,主要用于提高调节阀控制精度。随着现场总线技术的发展,与之相匹配的现场智能化仪表也得到了加速发展,对于调节阀要实现智能化,就必备智能化阀门定位器,也就是说智能型阀门定位器是实现调节阀智能化的重要组成部分;另外从功能上来讲智能型阀门定位器与模拟阀门定位器也有本质区别,智能型阀门定位器除了实现对调节阀控制功能外,还有一个更重要的方面就是对调节阀实现的诊断功能。并通过诊断软件,分析和判别调节阀的"健康"状况,从而改变了传统观念上调节阀的维护,减少了调节阀在运行期间的事故发生,延长了调节阀的使用寿命。
二、调节阀的维护
典型的调节阀的维护有以下三种方法:被动性维护(Reactive Maintenance);预防性维护 (Preventive Maintenance);预测性维护(Predictive Maintenance)。
被动性维护一一当调节阀发生故障后,对调节阀进行检修。在使用过程中,调节阀自身或者某些附件出现故障,造成调节阀不能正常工作,更严重的情况导致整个系统不能正常工作,造成很大的事故发生。
预防性维护一一按照过去的生产过程经验,有计划地安排某些调节阀进行维护或检修,以防止调节阀的事故发生。它对前者来说是一个有计划安排,虽然能避免一些调节阀事故的产生,但由于没有现场使用的调节阀的许多信息,在安排上不能避免的造成某些调节阀工作正常也被安排在检修行列,而某些不适用的调节阀仍被使用在过程控制系统中。
预测性维护一一通过智能仪表或其它诊断设备获取调节阀的信息。气动调节阀不能存贮自身任何信息,而智能型阀门定位器开发使用,它们除了提高调节阀的调节品质外,对调节阀的诊断功能也逐步加强。下面对智能型阀门定位器的自身诊断及对调节阀诊断功能作一些分析。
三、智能型阀门定位器的自身诊断
由于智能型阀门定位器是安装在气动调节阀上,其工作环境相对恶劣,如环境温度、管道振动等因素都会对智能型阀门定位器正常工作带来不利影响。智能型阀门定位器在设计过程中,考虑到这些不利因素,设计了一些自身的诊断功能。另一方面,大多数智能型阀门定位器都具有通讯功能,如HART、FF、PROFIBUS等通信协议,控制系统通过这些通信协议可以获得所需的现场仪表管理信息、以及故障报警信息。
1、智能型阀门定位器的自诊断
智能型阀门定位器的自诊断是它的基本功能之一,自诊断在不影响正常工作情况下进行,常见的诊断有开机诊断、周期性诊断。
2、输入信号超量程
当规定智能型阀门定位器输入信号设定后,如果控制信号超出设定值,智能型阀门定位器发出超量程报警信号。
3、传感器故障
由于智能型阀门定位器直接安装在调节阀上,受到调节阀振动的影响造成智能型阀门定位器反馈部件失灵,如反馈杆松脱、线路故障、位置传感器自身故障等,智能型阀门定位器检测不到正常的反馈信号,它会发出一个报警信号。
以上1、2两种情况智能型阀门定位器仍然可以正常工作,但它会发出报警信号;但对于3种情况,定位器将出现不正常工作,并发出报警信号,仪表工程师根据报警内容,做出相应判断并及时加以处理,减少不必要的停产。
四、智能型阀门定位器对调节阀的诊断
智能型阀门定位器对调节阀的故障诊断是通过附加传感器来完成的。定位器内部的微处器通过定时采集各种传感器的数据,并对各种数据进行运算、比较、分析、组态,将出现异常的信息通过组态软件输出报警信号。智能型阀门定位器对调节阀的诊断分为在线诊断、离线诊断;在线诊断包括:调节阀的动作次数、行程累加、填料函泄漏诊断、噪声诊断、环境温度诊断等,离线诊断包括:执行机构及气路的密封性、静特性、阶跃过渡及频率响应特性。
1、在线诊断
a.动作次数,行程累加
在同一系统中,由于调节阀处于不同的工作位置,它的动作频率、行程位移大小都是不一样,通过检测位置传感器,很方便获得调节阀的动作次数及
行程累加值。采集这些数据我们可以判断调节阀的"健康"状况",并通过组态软件对采集的数据分析调节阀的工作点,画出柱状形图可以清楚看出阀门正常工作区域。从图一可以清楚地看出阀门处于正常工作区域内,而图2阀门长期处于小开度工作,不利于正常工作。另外根据采集的数据可进行动态应力分析。
b.填料函泄漏诊断
通过安装在调节阀的填料处泄漏检测器,实时检测填料函在工作中是否存在外泄漏情况。因此特别适用于对剧毒、贵重的易挥发和有放射性的介质等场合使用,可以防止资源浪费或引起环境污染。
c.噪声诊断
噪声对人类的危害是极其严重的,它能使人的听觉减弱,甚至损伤,对人类带来心理和生理性的不良影响,它是继大气污染和水质污染之后,成为威胁人类的第三种公害。在现代工业生产中,控制阀已成为最主要的噪声源。智能阀门定位器可外接声音传感器,可以检测调节阀噪声大小。通过检测的数据可以作一些分析:如噪声频率小于1500Hz为机械振动、噪声频率高达100OOHz时,调节阀产生空化。因此通过噪声的频率可以判别调节阀不正常工作的原因;另外,如在阀门关闭情况下噪声比正常工况要大,还可以判断阀门有内漏。
d.环境温度诊断
通过温度传感器,随时测量定位器的外壳表面温度,在防爆场合如外壳的表面温度超出防爆要求的设定值,定位器发出报警信号。另外定位器还记录在线过程中最大/最小的温度值。每个温度段的工作时间,如果调节阀长期处于高温下工作,我们必须考虑定位器及调节阀内的塑料件、橡胶件的老化情况。
2、离线诊断
a.执行机构及管路的气密性
执行机构诊断通过接入一个压力传感器,实时检测输入执行机构的压力。
每一台智能型阀门定位器安装在任何一台调节阀上后,先进行定位器的自诊断工作,以保证智能型阀门定位器的正常工作,通过定位器的自诊断,得到正、反行程特性曲线如图3。当调节阀工作一些时间后,智能型阀门定位器再一次对调节阀进行测试。
曲线的下移说明存在执行机构的膜片老化、密封气室外泄漏、连接气管由于振动等原因出现漏气问题;另外在调节阀关位出现行程值偏大,可以判断阀芯或阀座产生磨损,调节阀泄漏量变大,严重情况下智能阀门定位器发出报警信号。
b.静特性测试
静特性是调节阀的行程与输入信号之间的静态关系,它包括:基本误差、始终点偏差、额定行程偏差、回差、死区、重复性、再现性、线性度误差。
c.阶跃过渡的测试
阶跃过渡过程是在调节阀没有负荷的情况下,当输入信号从一个定值突然改变成另一个定值时,输出跟随变化的过程。一般包括时间常数、时滞、上升时间、稳定时和过冲。
d.频率响应特性的测试
频率响应特性是在调节阀在没有负荷的情况下,输入到定位器的输入信号是一个无崎变的正弦波,输出值稳定后,系统的输出也是一个频率相同的正弦,但输出的振幅、相位与输入不一定相同,而是随输入信号频率的变化而变化。频率响应特性是反应调节阀灵敏度的标志之一,动态特性好就意味着调节阀反应灵敏、快速,而且稳定性好。
五、结束语
由此可见智能型阀门定位器的故障诊断是通过安装在执行机构和阀体上的附加传感器来完成的。定位器获得了现场的许多原始数据,微处理机通过对这些数据的分析、运算、判断等处理,分成若干逻辑组,易于快速辨识所有的变量,发现异常情况立即采取应急措施并报警。通常离线诊断被安排在调节阀预防性维护过程中,对预防性维护计划中的调节阀的诊断记录与调节阀第一次投用的全性能原始数据相比较,可以发现调节阀什么地方出现了问题,问题的严重性,怎么样解决问题,提出专家性的建议,以帮助仪表工程师做出正确的选择。目前,有些智能型阀门定位器的生产厂家设法将离线诊断逐步移植到在线诊断过程中,通过先进的诊断软件,完成阀门/执行机构的摩擦力、执行机构的信号范围、弹簧刚度及阀座的关闭力,以及阶跃诊断测试包括:静特性测试、阶跃过渡过程测试、频率响应特性测试。使调节阀的预防性维护转向预见性维护,减少了停车时间,降低生产运行成本,提高了生产力。


 
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电磁阀和电动阀的区别
1.开关形式:
电磁阀通过线圈驱动,只能开或关,开关时动作时间短。
电动阀的驱动一般是用电机,开或关动作完成需要一定的时间模拟量的,可以做调节。
2.工作性质:
电磁阀一般流通系数很小,而且工作压力差很小。比如一般25口径的电磁阀流通系数比15口径的电动球阀小很多。电磁阀的驱动是通过电磁线圈,比较容易被电压冲击损坏。相当于开关的作用,就是开和关2个作用。
电动阀的驱动一般是用电机,比较耐电压冲击。电磁阀是快开和快关的,一般用在小流量和小压力,要求开关频率大的地方电动阀反之。电动阀阀的开度可以控制,状态有开、关、半开半关,可以控制管道中介质的流量而电磁阀达不到这个要求。
电磁阀一般断电可以复位,电动阀要这样的功能需要加复位装置。
3.适用工艺:
电磁阀适合一些特殊地工艺要求,比如泄漏、流体介质特殊等,价格较贵。
电动阀一般用于调节,也有开关量的,比如:风机盘管末端。
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电磁阀产品具有四大性能特性
一. 安全性:

  1.腐蚀性介质:宜选用塑料王电磁阀和全不锈钢;对于强腐蚀的介质必须选用隔离膜片式。例CD-F. Z3CF。中性介质,也宜选用铜合金为阀壳材料的电磁阀,否则,阀壳中常有锈屑脱落,尤其是动作不频繁的场合。氨用阀则不能采用铜材。
  2.爆炸性环境:必须选用相应防爆等级产品,露天安装或粉尘多场合应选用防水,防尘品种。
  3.电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力。
二. 适用性:
  1.介质特性
  1.1质气,液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀,例ZQDF用于空气,ZQDF—Y用于液体,ZQDF—2(或-3)用于蒸汽,否则易引起误动作。ZDF系列多功能电磁阀则可通通于气.液体。最好订时告明介质状态,安装用户就不必再调式。
  1.2介质温度不同规格产品,否则线圈会烧掉,密封件老化,严重影响寿命命。
  1.3介质粘度,通常在50cSt以下。若超过此值,通径大于15mm用ZDF系列多功能电磁阀作特殊订货。通径小于15mm订高粘度电磁阀。
  1.4介质清洁度不高时都应在电磁阀前配装反冲过滤阀,压力低时尚可选用直动膜片式电磁阀作例如CD—P。
  1.5介质若是定向流通,且不允许倒流ZDF—N和ZQDF—N单需用双向流通,请作特殊要求提出。
  1.6介质温度应选在电磁阀允许范围之内。
  2、管道参数
  2.1根据介质流向要求及管道连接方式选择阀门通口及型号。例如,用于一条管道向两条管道切换的,小通径的选CA5和Z3F,中等或大通径请选ZDF—Z1/2。又如控制两条管道汇流的,请选ZDF—Z2/1等。
  2.2根据流量和阀门Kv值选定公称通径,也可选同管道内径。请注意有的厂家未标有Kv值,往往阀孔尺寸小于接口管径,切不可贪图价低而误事。
  2.3工作压差最低工作压差在0、04Mpa以上是可选用间接先导式;最低工作压差接近或小于零的必须选用直动式或分步直接式。
  3、环境条件
  3.1环境的最高和最低温度应选在允许范围之内,如有超差需作特殊订货提出。
  3.2环境中相对湿度高及有水滴雨淋等场合,应选防水电磁阀
  3.3环境中经常有振动,颠簸和冲击等场合应选特殊品种,例如船用电磁阀。
  3.4在有腐蚀性或爆炸性环境中的使用应优先根据安全性要求选用耐发蚀
  3.5环境空间若受限制,请选用多功能电磁阀,因其省去了旁路及三只手动阀且便于在线维修。
  4、电源条件
  4.1根据供电电源种类,分别选用交流和直流电磁阀。一般来说交流电源取用方便。
  4.2电压规格用尽量优先选用AC220V、DC24V。
  4.3电源电压波动通常交流选用+10%、-15%,直流允许±%10左右,如若超差,须采取稳压措施或提出特殊订货要求。
  4.4应根据电源容量选择额定电流和消耗功率。须注意交流起动时VA值较高,在容量不足时应优先选用间接导式电磁阀。
  5、控制精度
  5.1普通电磁阀只有开、关两个位置,在控制精度要求高和参数要求平稳时请选用多位电磁阀;Z3CF三位常开电磁阀,具有微启,全开和关闭三种流量;ZDF—Z1/1组合多功能电磁阀具有全开、大开、小开、全开四种流量。
  5.2动作时间:指电信号接通或切断至主阀动作完成时间,只有专利产品多功能电磁阀可对开启和关闭时间分别调节,不仅可满足控制精度要求,还可防止水锤破坏。
  5.3泄漏量样本上给出的泄漏量数值为常用经济等级,若嫌偏高,请作特殊订货。
三、可靠性:
  1、工作寿命,此项不列入出厂试验项目,属于型式试验项目。为确保质量应选正规厂家的名牌产品。
  2、工作制式:分长期工作制,反复短时工作制和短时工作制三种。常规产品均为长期工作制,即线圈允许长期通电工作。对于长时间阀门开通只有短时关闭的情况,则宜选用常开电磁阀。用在短时工作制而批量又很大时,可作特殊订货以降低功耗。
  3、工作频率:动作频率要求高时,结构应优选直动式电磁阀,电源听优选交流。
  4、动作可靠性严格地来说此项试验尚未正式列入我国电磁阀专业标准,为确保质量应选正规厂家的名牌产品。有些场合动作次数并不多,但对可靠性要求却很高,如消防、紧急保护等,切不可掉以轻心。特别重要的,还应采取两只连用双保险。
四、经济性:
  不经济就是对资金,精力乃至生命的浪费它选用的尺度之一,但必须是在安全、适用、可靠的基础上的经济、经济性不单是产品的售价,更要优先考虑其功能和质量以及安装维修及其它附件所需用费用、更重要的是,一只电磁阀在整个自控系统中在整个自控系统中乃至生产线中所占成本微乎其微,如果贪图小便宜而错选早造成损害群是巨大的。
    总之,经济性不单指产品价格,而是产品的性能价格比综合费用价格比。
 
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电磁阀故障处理
1、建议使用单位指派专人负责,使用和维护。
2、每年1-2次的定期检修是电磁阀可靠工作和长寿的最佳方法。
电磁阀内部的下列4种情况,是妨碍电磁阀正常工作与缩短寿命的原因。 
2.1、使用过程中介质发生变化  
2.2、接管内生锈
2.3、空压机的油氧化,产生碳粒焦油等杂物,混入管道
2.4管道中有尘粒污垢等杂质
3、电磁阀安装后或长时间停用后再次投入运行时,须通入介质试动作数次,工作正常后方可正式使用
4、蒸汽阀长时间停用后再次投入运行时,应排净冷凝水后试动作数次,工作正常后方可投入运行。 5、在检修维护之前,必须切断电源,卸去介质压力.
6、电磁阀线圈组件不宜拆开
7、拆开电磁阀清洗时,可使用煤油、三氯乙烯等溶液,但应注意橡胶件可能会溶涨,因此要更换橡胶件。
8、拆开清洗时,各零部件要按顺序放好,以便恢复安装。
故障分析与排除方法
故障原因分析处理方法
      通电不动作 电源接线接触不良电源电压变动不在允许范围内线圈短路或烧坏 接好电源线调整电压在正常范围内更换线圈
开阀时流体不能通过 流体压力或工作压差不符合流体粘度或温度不符合阀芯与动磁芯周围混入杂垢、杂质阀前过滤器或导阀孔堵塞使用时工作频率太高或寿命到期 调整压力或工作压差或更换适合的产品更换适合的产品对内部进行清洗,阀前必须安装过滤阀及时清洗过滤器或导阀孔改选产品型号或更换新产品
      关阀时流体不能切断 流体粘度不符合流体温度不符合弹簧变形或寿命到期阀座有缺陷或粘附赃物密封垫脱出`缺陷或变形平衡孔或节流孔堵塞使用时工作频率太高或寿命到期 更换合适的产品更换合适的产品加垫片或更换弹簧清洗、研磨或更新更新、 重新装配及时清洗则改选产品型号或改换新产品
      外漏 管道连接处松动管道连接外密封件损坏 拧紧螺栓或接管螺纹更换密封件
内泄漏严重 流体温度不符合导阀座与主阀座有杂质或缺陷导阀与主阀密封垫脱出或变形弹簧装配不良、变形或寿命到期使用时工作频率太高 调整流体温度或更换如有则清洗或研磨修复或更换更换密封垫更换弹簧改选产品型号或更换新产品
        通电时噪音过大  紧固件松动电压波动,不在允许范围内流体压力或工作压差不适合流体粘度不符合衔铁吸合面有杂质  拧紧调整到正常范围内调整压力或工作压差或更换产品更换适合的产品及时清洗 
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