柳 曦,夏 鹏,夏 阳

(武汉拓优智能股份有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

数字阀门定位器是连接阀门和分布式控制系统(distributed control system,DCS)的智能终端设备。从阀门产业链来看，数字阀门定位器类似于汽车的发动机、电脑的中央处理器(central processing unit,CPU)，处于产业链的高端。由于多种原因和因素的交织，阀门产业链的高端市场一直以来被进口产品所垄断，如 Fisher、SAMSON、MASONEILAN、METSO、ABB、FLOESERVE、Foxboro、Azbil、SIEMENS、TYC、TISSIN 等美、欧、日、韩品牌，国内品牌普遍缺失。作为代表工业 4.0 和阀门数字化的关键设备，数字阀门定位器不仅关乎流程过程控制的产品品质和能源效率，还关乎我国阀门数据的安全。

本文通过总结、分析国内外品牌数字阀门定位器的技术路线和关键技术，结合国内厂家的技术储备、技术进步、行业规划和市场机遇，对数字阀门定位器实现中国制造的技术路径提出了有建设意义的观点。

1 国内外关键技术及技术路线分析

数字阀门定位器内置微处理器，采用数字化技术进行数据处理、决策生成、双向通信，实现阀门定位功能的自校准、自适应及精准控制，改善阀体两端的流量特性。数字阀门定位器更高级的功能是结合附加的传感器和专家算法，实现阀门在线或离线故障诊断，提供维修预报。因此，不同于其他仪器仪表产品，数字阀门定位器是复杂的小系统，技术门槛非常高，需要先进的传感技术、数据处理技术、低功耗电路设计技术、电-磁-气转换技术、特殊材料制造和加工技术、精密制造技术、自适应控制技术、参数自诊断技术、总线通信技术以及阀门故障诊断技术。本文将从数字阀门定位器的低功耗设计、自适应控制、故障诊断、喷嘴挡板放大器制造技术等方面展开讨论。

1.1 线路低功耗设计技术

数字阀门定位器的关键技术之一是低功耗设计技术。数字阀门定位器主流产品的供电能量取自DCS或者可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制信号线，没有外接电源。对于工业三型标准 4～20 mA 的信号线控制系统，需要解决在3.8 mA以下实现定位器的驱动、显示、采集、运算、输入、输出以及可寻址远程传感器高速通道(highway addressable remote transducer，HART)通信等全部功能。基于电磁转化的喷嘴挡板技术需要消耗大约1.5 mA的驱动电流，留给主控板的电流只有2.3 mA。因此，其电路的低功耗设计是富有挑战性的技术难题。国内众多厂家采用驱动电流只有10 μA的压电阀技术来研发数字阀门定位器也是试图绕开这一技术屏障。随着数字阀门定位器的功能越来越强大，尤其是高级功能的阀门在线故障诊断的提出，需要增加一路气路输入、四路输出压力检测和放大器位置检测这些传感器信号的采集。这需要多消耗大约四分之一的能量。因此，数字阀门定位器的低功耗设计将面临更大的技术挑战。

数字阀门定位器的低功耗设计可以从以下几个方面入手。

①提高输入回路阻抗。

②采用更低功耗的电路设计技术。

③进一步提高电源的转换效率。

④分时供电、分时采集、合理睡眠。

⑤优化软件设计，进一步降低能源消耗。

1.2 自适应控制技术

气动调节阀的种类繁多，具有大小不同、生产厂家工艺不同、装填料不同(如聚四氟乙烯填料、石墨填料等)的特点。因此，阀门的气阻、静摩擦力、动摩擦力、死区、行程、流量特性、故障状态等都千差万别。满足这些差异化控制，需要数字阀门定位器的控制策略和算法具有非常高的鲁捧特性和强大的自适应能力。业界典型的控制算法有积分分离的比例积分微分(proportional integral differential,PID)算法[1]、五点区间法、七点区间法[2]、斜率法[3]、模糊控制+PID[4]、灰色预测控制等。这些算法熟优孰劣，需要结合自身电/汽(current intensity/pneumatic,I/P)转换器结构作创新设计。典型的数字阀门定位器先进控制策略如图1所示。

图1 数字阀门定位器先进控制策略

典型的数字阀门定位器先进控制策略是将I/P放大器的位置以及阀位变化速率作负反馈纳入控制的内循环中，通过提高正向增益快速响应阀位的变化，减少死区和延迟时间。小回路反馈增益以阀位相应速度的反馈来调节超调量，从而提高执行机构/控制阀的动态响应和控制精度。

1.3 在线故障诊断技术

数字阀门定位器除了实现阀门的调节与控制以外，更重要的是对阀门提供在线故障诊断，实现阀门预测性维修管理[5-7]。这也是阀门数字化的发展趋势。以下结合 Fisher、SAMSON、Foxboro 控制阀诊断软件的技术原理和特点展开讨论，归纳数字阀门定位器中国制造的技术途径。

1.3.1 Fisher AMS ValveLink控制阀诊断软件

Fisher AMS VaIveLink早期版本是基于 Windows 的应用软件，识别和诊断不集成在数字阀门定位器内。这与当时的研发技术条件有关。几经迭代升级，后来的定位器软件版本PD、ODV 版具有在线性能诊断功能，通过定位器存储30 M/d的数据在线进行阀门的故障诊断。阀门故障分析是用平台软件来完成的。

AMS VaIveLink可以让用户随意访问由DVC系列数字阀门定位器得到的信息。尤其是 DVC6000 以上系列数字阀门定位器，可由用户监视控制阀状态和使用性能。AMS VaIveLink可在线诊断 I/P 和气动放大器的一致性、行程偏差、摩擦力死区以及趋势分析，从而直观显示特性曲线、动态死区与阶跃响应。AMS ValveLink还可记录跟踪程序和批处理运行以及观察控制阀性能的趋势。在AMS ValveLink 画面上有红、黄、绿的故障、报警、正常状态指示，直接反映问题的严重程度，可组态分类，非常实用。

1.3.2 SAMSON EXPERT/EXPERT+控制阀诊断软件

SAMSON对控制阀的预测性维护以故障识别、逻辑思维推理、鲁棒性的专家系统为起点，以数字阀门定位器本机为基础。其 3730/3731 系列出厂时集成有标准版专家诊断软件 EXPERT 和需另外购买激活码的增强版专家诊断软件 EXPERT+。

标准版EXPERT 在线自诊断包括运行时间计时、过程参数趋势图(行程x、给定值w、偏差e、输出y)、硬件和存储器的安全监视功能、行程传感器监视、初始化次数和零点校准次数、内置温度传感器的温度测量、最近的30次报警、行程累积、启动监视、零点和控制回路监视报警。

增强版EXPERT+自诊断在标准版的基础上增加了在线过程参数记录日志 、行程x和偏差e的短期和长期柱形图、输出控制信号y的短期和长期信号图表、行程方向改变次数统计和分析、终端阀位和摩擦力的监视等功能。增强版EXPERT+自诊断可在离线状态进行静特性测试、阶跃信号测试、全行程回差测试等。

由于3730/3731系列只设计一个阀位传感器，没有气源、输出压力传感器，定量分析不足，只能依靠残差理论和专家经验进行分析和推理。以初始化测试的输出基准曲线和运行阀位(行程)为对比，利用初始化基准、历史数据和经验进行识别预测。由于输出y信号取自 I/P前，该设计有一定局限性。

1.3.3 INVENSYS Foxboro VALcare控制阀诊断软件

INVENSYS Foxboro-Eckardt 是欧洲较大的阀门定位器制造商之一。其 SRD960/991型数字阀门定位器配用VALcare 控制阀诊断软件，支持现场设备工具(field device tool,FDT)/设备类型管理器(device type manager,DTM)集成到控制/管理系统，支持HART开放通信协议和过程现场总线-过程自动化(process field bus-process automation，Profibus-PA)、基金会现场(foundation field，FF)总线以及Foxboro 自有的FoxCom,通过HART通信，可使用 PACTware 开放平台进行性能诊断。诊断数据存储在数字阀门定位器中，数据收集可达 60 d，自检测和诊断监测符合 NAMUR 标准 NE107，阀位响应和摩擦力都采用柱形图进行分析。VALcare状态监测和故障诊断画面丰富、友好，调用方便。

1.3.4 数字阀门定位器中国制造的技术途径

实现数字阀门定位器中国制造，可以借鉴Foxboro的研发路线，即：在解决阀门调节和控制的前提下，硬件和软件一步到位规划出阀门在线故障诊断功能。

①在满足低功耗设计要求的前提下，数字阀门定位器除阀门位移传感器外，需要内置气路压力传感器、放大器位置传感器、温度传感器、振动传感器、噪声传感器，为阀门故障诊断提供技术支撑。

②数字阀门定位器需要结合硬件能力、低功耗设计要求以及诊断算法的先进性，合理规划数据存储容量、数据类型、数据时效。

③数字阀门定位器内置先进的故障诊断软件，在线进行运算、比较、分析、组态，完成调节阀的动作次数、行程累加、填料函泄漏诊断、噪声诊断、环境温度诊断、阀门/执行机构的摩擦力、执行机构的信号范围、弹簧钢度及阀座关闭力、静态测试、阶跃过渡过程测试、频率响应特性测试等阶跃测试，并将阀门的状态用状态标志符进行提示和报警输出。

基于数字阀门定位器的阀门在线故障诊断物联云平台如图2所示。

图2 基于数字阀门定位器的阀门在线故障诊断物联网云平台

基于数字阀门定位器的阀门在线故障诊断物联网云平台是阀门工业物联网云平台的雏形。该平台将数字阀门定位器作为智能节点，协同DCS完成阀门的调节、控制。数字运营基础设施(digtal operation infrastructure，DOI)利用同一线路，借助“第二通道”来实现阀门在线故障诊断[8]。若阀门的控制信号线是4～20 mA输入方式，则利用HART或Wireless第二通道来实现阀门故障诊断的数据采集。若阀门控制信号采用FF/Profibus-PA 现场总线，则可分时完成阀门控制和故障诊断数据采集。DOI端是基于Web只读客户端规划设计的，可以确保不更改设备配置。这既能有效避免和原有DCS的冲突，又能尽可能降低用户工艺数据泄密的安全担忧，从而为建立区域性或全国性的阀门状态监测数据中心创造了技术条件。

图2所示的物联网云平台可以为用户提供以下功能[8-9]：移动通知、数字化报告、增强现实(augmented reality,AR)、阀门在线故障诊断、射频识别(radio frequency identification，RFID)、基于工业物联网的远程专家服务、NAMUR组织的开放架构(network open agility，NOA)、支持企业资源计划(enterprise resource planning，ERP)、计算机化维护管理系统(computerized maintenance management，CMMS)的集成。

1.4 I/P 放大器技术综述

数字阀门定位器的基础功能是实现阀门的精准定位控制。因此，可靠性是前提，快速响应性是保障。可靠性保障的重要部件是I/P放大器。从原理分析，国内外数字阀门定位器I/P放大器大致可以分四种类型。国内外数字阀门定位器I/P放大器技术路线如表1所示。

表1 国内外数字阀门定位器I/P放大器技术路线

对于表1需作以下说明。

①静态线圈的喷嘴挡板有Fisher、SAMSON、ABB、Azbil、YTC、拓优、鹰创，属于国际主流。

②动态线圈喷嘴挡板有METSO、万讯。

③容积式放大器代表产品为Masoneilan的SVI II AP。其优点是易更换、耐用;不足是部件太多。

④缓冲阀式放大器代表产品为Fisher DVC62000。其优点是单双作用易实现;不足是可动部件不耐用。

⑤提升阀式放大器代表产品为MasoneilanFVP。其优点是气耗低、电耗低;不足是调节性能不好，不易检修。

由表1可知，喷嘴挡板结构I/P各厂家各具特色、技术不对外公开，如：喷嘴挡板结构有静态线圈和动态线圈之分；膜阀结构放大器有容积式、缓冲阀式和提升阀式三种。

1.4.1 压电阀技术

压电阀技术就是利用材料的压电特性，施加到材料一定的电压对应一定的材料形变。利用这个特性制做先导阀来调节膜阀或滑阀的气体流量是可行的方案。该技术的优点是：几乎不耗电，驱动电流只有10 μA，大大降低线路板的低功耗设计要求；抗振性好，振动大的现场，应用有优势；I/P部件，德国贺尔碧格全球可以订制，降低了基于该技术研发数字阀门定位器的技术门槛。国外的代表产品有SIEMENS、FLOESERVE 等。以SIEMENS 产品为技术蓝本，国内众多厂家纷纷推出了基于压电阀技术的定位器产品，如万讯、川仪、易捷、鹰创、博流、摩控等厂商。

压电阀技术缺点表现在：压缩空气含水、含油，尤其是含油，会导致压电材料的位移形变量发生变化，影响先导孔的大小，使定位器发生喘振，造成控制失效；驱动压电阀采用占空比可变的脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)来实现，执行机构气密性不好或气路管道的微泄漏也会引起喘振，导致控制效果变差。

SAMSON、YTC 停产了业已开发的压电阀技术的定位器，就是顺应市场的需要。目前有一个趋势：国内大型主流用户特别是高危石化行业，在多年对比使用定位器经验的基础上逐步倾向于喷嘴挡板技术的数字阀门定位器，开始排斥压电阀技术的定位器在大型项目上的应用。这一现象事关数字阀门定位器中国制造的技术路线问题，值得国内行业管理者、从事数字阀门定位器生产厂家的高度重视。

基于压电阀技术作先导阀，结合膜阀和滑阀结构，又派生出I/P放大器设计两大技术流派。

①压电阀+膜阀结构的I/P放大器。

典型的压电阀+膜阀结构的I/P放大器原理如图3所示。该放大器的设计亮点是利用安装在“随转阀”的磁芯，采用霍尔传感器来检测“随转阀”的位移，既可以参与 PID 内循环控制、改善阀门的控制效果，又可以为阀门在线故障诊断提供数据孪生。公开技术资料表明，目前 SIEMENS 市面的主流产品和国内压电阀定位器都还没有采用这个技术方案。如走高端技术路线，这个技术是必须的。

图3 典型的压电阀+膜阀结构的I/P放大器原理示意图

②压电阀+滑阀结构的I/P放大器。

典型的压电阀+滑阀结构的I/P放大器原理如图4所示。

图4 典型的压电阀+滑阀结构的I/P放大器原理示意图

对于滑阀结构的放大器，其优点是单或双作用在一个结构里实现；可以实现Cv大流量的输出；易于维护和清洁；滑阀的运动行程相比于膜阀结构的放大器更容易提取，稳定性好；配合三路气压监测，易于实现阀门的故障诊断。该放大器的缺点是气耗量大，以及气源质量不好时容易发生堵塞。

1.4.2 喷嘴挡板技术

喷嘴挡板技术是典型的电-磁-气转换技术。一定的线圈驱动电流，对应一定的喷嘴和挡板距离。要调整这个距离，就必须改变先导气室里背压的大小，从而调节膜阀或滑阀的气体流量，驱动气缸执行器动作，实现阀门开度控制和调节。该技术的优势是输出平滑，并且抗粉尘、油污的能力强，已经成为业界开发智能阀门定位器的主流技术。Fisher、SAMSON、METSO、ABB、Azbil、YTC、拓优等品牌定位器都采用喷嘴挡板技术方案。

(1)两种结构的I/P放大器。

喷嘴挡板技术结合膜阀或滑阀，派生出两种结构的I/P放大器。

①喷嘴挡板+膜阀结构的I/P放大器。

典型的喷嘴挡板+膜阀结构的I/P放大器原理如图5所示。

图5 典型的喷嘴挡板+膜阀结构的I/P放大器原理图

图5所示为业界的主流设计。国外的典型代表有Fisher DCV6200、SAMSON 3730/3731、Masoneilan SVI II AP、ABB TZID-C、 Azbil AVP300/AVP700、Foxboro SRD960/991、YTC YT3300。国内的典型代表有拓优、北方光电、鹰创等。目前，国内厂商各自从三种不同的结构作技术储备和创新设计，大大缩短了和进口品牌的技术差距。喷嘴挡板I/P关键的设计技术是如何提高喷嘴的电磁转化效率、如何提高喷嘴零件的灵敏度和可靠性、如何设计耐压高的放大器、如何保持随转阀的灵敏度以及如何做故障保位设计。这些都事关产品可靠性和产品性能，也是极富挑战性的技术。

②喷嘴挡板+滑阀结构的I/P放大器。

典型的喷嘴挡板+滑阀结构的I/P放大器原理如图6所示。线圈设计有静态和动态之分。 图6(a)结构的放大器线圈是静态的，挡板是活动的。这个结构可以设计出灵敏度非常高的喷嘴，利用喷嘴工作点的迁移，容易实现故障保位。ABB EDP300 、拓优TOP-5879F1-D51就是静态线圈设计的成功案例。图6(b)结构的放大器线圈是动态的。线圈通电后，在电磁作用下线圈上下运动，从而带动固定在线圈的挡板上下移动，实现喷嘴背压的调节。该结构容易实现紧凑型的喷嘴结构设计。METSO的ND9000、万讯的MVP5300 就是动态线圈设计的代表。

图6 典型的喷嘴挡板+滑阀结构的I/P放大器原理示意图

(2)国内喷嘴挡板技术研发现状分析。

喷嘴挡板技术的短板主要体现在技术设计层面上的高要求，具体表现在以下方面。

①驱动电流大，如进行保位控制需要预留最大1.5 mA的驱动电流，是压电阀驱动电流的150倍，大大提高了产品低功耗设计的技术门槛。

②喷嘴挡板技术利用喷嘴和挡板之间不到1 mm的位移来调节喷嘴背压，实现放大器大流量的气路调节，需要喷嘴挡板具有非常高的灵敏度、高效的电磁转换效率以及稳定的机械特性。

TORLEO系列智能阀门定位器结构如图7所示。

图7 TORLEO系列智能阀门定位器结构图

近年来，国内有些厂家运用电磁学、材料学、流体力学、结构学和精密加工技术，充分消化吸收进口产品的优点，从模仿到创新，走出了一条自具特色的道路。

①以日本山武 SVP3000 Alphaplus 为蓝本，从技术原理、结构设计、外形都坚持走模仿研发路线。当然，单纯模仿，一旦关键技术进入瓶颈就鲜有突破。

②以美卓METSO为蓝本，采用喷嘴+滑阀结构。其中，喷嘴的结构设计中，线圈设计成动态部件来带动挡板移动。该技术国内已经取得了突破。

③以 Fisher 为蓝本，推出的喷嘴+膜阀结构的智能阀门定位器。公开资料表明，该定位器创新了蓝牙操作设计，而其是否攻克了关键材料应用的所有问题仍有待市场应用观察。

④自主知识产权的TOP-5879F1系列产品智能阀门定位器。该产品采用模块化设计，反馈和HART功能方便用户选择；故障闭锁和故障安全功能方便用户定制；软件可以实现分程控制及短行程测试；独特的喷嘴挡板+膜阀结构，提高了气源抗粉尘和油污的能力；快速一键自整定让智能阀门定位器易于安装及调试；数据备份解决了故障定位器在线置换的应用难题；内置阀门上下限触点输出，方便和系统进行连锁控制。

2 数字阀门定位器实现中国制造的思考

根据盛智中研的报告，到2020年，我国智能阀门定位器市场容量达到 100 亿元的规模，85%依赖进口。基于数字阀门定位器的阀门在线故障诊断物联网技术成熟后，市场可以再贡献2 000 亿元以上规模，占2万亿元中国工业物联网规模的10%。阀门数据安全是行业痛点，事关国家安全。为此，中国仪器仪表行业“十四五”发展规划将智能阀门定位器纳入发展重点，并就发展途径指明了方向，即注重创新、精准定位、聚焦发展，培育具备独特核心优势的头部企业和隐行冠军企业[10]。

2.1 加大国家政策引导和产业政策扶持

①以市场做推手，出台相关政策(如税收优惠、国货补贴等)鼓励电力、冶金、化工、石油、煤化工、造纸等大行业用户在非重要生产环节，大量使用国产品牌数字阀门定位器，培育国产数字阀门定位器的成长环境。

②鼓励阀门行业换思维、变模式，参与并加持数字阀门定位器的中性品牌的运营和建设，做强阀门产业链。

③设立智能阀门定位器“中国制造”国家专项产业扶持资金，选择有初心、能创新、有技术基础的企业牵头，联合数家有专长的企业和高校参与，用两年时间攻克制约行业发展的技术瓶颈，实现高端智能阀门定位器中国造；再用三年时间，解决数字阀门定位器中国制造的“卡脖子”难题。

④鼓励国产DCS厂家、大型阀门企业参与阀门故障诊断系统的融合研发和设计。

⑤积极引导产业资本加持培育数字阀门定位器头部企业和隐性冠军企业，在资本市场上市运作，给政策、开绿灯。

2.2 模仿中注重持续创新

模仿是一种创新，尤其是对中小企业。但要注意，不能简单模仿，更不能抄袭，一定要充分消化产品的技术原理，站在巨人的肩膀上创新。这样才能弯道超车，尽快实现中国制造。

2.3 标准引领，专业化进行生产和制造

结合我国产业特点，从技术路线、产品设计、产品制造、产品测试到产品应用，形成行业标准或国家标准，从而指导数字阀门定位器产业健康发展。专业化才能品质化、大规模才能成本化。这是工业制造的必由之路。

3 结论

流程工业过程控制，由集中式控制向分散式增强型控制模式转变，建立智能工厂是行业发展趋势，基于工业物联网，配置智能传感、智能控制仪表、智能检测和智能分析装备实现中国制造是大势所趋。近年来，国产智能阀门定位器的研发已经取得了长足的技术进步，尤其是对技术含量非常高的喷嘴挡板式智能阀门定位器的研发与世界顶尖技术产品的差距正不断缩小。国产智能阀门定位器企业需以国际视野关注行业技术进步；以包容开放的胸怀，加强合作，共同进步；以匠心和情怀，做精产品、做优服务。只要行业政策精准到位，国内行业重点用户企业、行业设计院、阀门制造企业敢树标杆，坚持国货，数字阀门定位器全面实现中国制造一定为期不远。