隨著能源效率成為可持續(xù)性的支柱之一，現(xiàn)在更加重視對(duì)與熱交換系統(tǒng)相關(guān)的壓力和溫度變量進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。通過(guò)緊密控制那些系統(tǒng)中加熱和冷卻介質(zhì)的壓力和溫度，使用自動(dòng)控制閥可以幫助確保有效的熱傳遞。
自18世紀(jì)以來(lái)，控制閥的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)內(nèi)流體的概念就已經(jīng)存在。特別地，在過(guò)程中已經(jīng)使用了上升桿，線性調(diào)節(jié)類型來(lái)精確控制流體的流量和壓力。但是，根據(jù)下游系統(tǒng)需求變化手動(dòng)設(shè)置和更改閥門(mén)位置變得不切實(shí)際。在引入可靠的執(zhí)行器設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制器之后，通過(guò)遠(yuǎn)程信號(hào)的氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行器得到了普及。根據(jù)控制器的設(shè)定點(diǎn)自動(dòng)移動(dòng)閥門(mén)的位置，從而提高了系統(tǒng)精度。這極大地影響了產(chǎn)品質(zhì)量并減少了與制造過(guò)程相關(guān)的浪費(fèi)。當(dāng)將特定的傳感器添加到與制造過(guò)程有關(guān)的“反饋”信息到控制器中并控制變量后，系統(tǒng)精度再次提高?，F(xiàn)在，控制器，傳感器和自動(dòng)閥之間的控制回路已關(guān)閉。
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盡管通過(guò)使用閉環(huán)控制系統(tǒng)可以提高性能，但控制閥和執(zhí)行器的設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)的總體精度。執(zhí)行器內(nèi)滾動(dòng)或回旋的隔膜和低摩擦O形圈的設(shè)計(jì)有所幫助，但并未顯著改變控制精度。閥門(mén)定位器的添加從根本上改變了致動(dòng)控制閥在過(guò)程控制回路中的響應(yīng)方式。通過(guò)在閥門(mén)上添加氣動(dòng)或電動(dòng)氣動(dòng)定位器，可以精確定位和控制單作用和雙作用執(zhí)行器。閥門(mén)可以成為數(shù)控系統(tǒng)的組成部分，該系統(tǒng)可以中繼閥門(mén)健康狀況和診斷信息，以確保環(huán)路將設(shè)定點(diǎn)保持在所需的精度內(nèi)。
控制閥基礎(chǔ)
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| 圖1.與控制閥進(jìn)行熱交換。 |
控制閥的操作涉及將其塞子相對(duì)于閥內(nèi)的固定座進(jìn)行定位。致動(dòng)器通過(guò)閥桿直接連接到閥芯，并將閥芯移動(dòng)到所需的控制位置。通常使用氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)控制該閥芯的位置。氣動(dòng)控制閥具有氣開(kāi)或氣關(guān)功能。空氣打開(kāi)閥通常通過(guò)彈簧保持關(guān)閉狀態(tài)，并且需要?dú)鈮簛?lái)打開(kāi)，而空氣關(guān)閉閥通常通過(guò)彈簧保持打開(kāi)狀態(tài)，并需要?dú)鈮簛?lái)關(guān)閉它們。閥門(mén)和執(zhí)行器組合的機(jī)械設(shè)計(jì)確定了執(zhí)行器的運(yùn)行方式，但所需的故障安全條件則確定了采用哪種類型（如果工廠儀表出現(xiàn)空氣故障）。
計(jì)算機(jī)，控制器，PLC，恒溫器或其他電氣控制設(shè)備將模擬電氣信號(hào)直接發(fā)送到電動(dòng)執(zhí)行器，或通過(guò)電流/電壓-氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器，或通過(guò)電動(dòng)氣動(dòng)定位器發(fā)送到氣動(dòng)執(zhí)行器。該信號(hào)基于所需的系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)，并線性地以更大程度或更大程度地調(diào)節(jié)閥門(mén)。通過(guò)以這種方式使閥自動(dòng)化，它們可用于直接和/或間接控制開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的溫度，壓力和流量。
熱交換器是一種常見(jiàn)的閉環(huán)控制應(yīng)用，其中氣動(dòng)和電動(dòng)控制閥均可用于調(diào)節(jié)水，蒸汽和冷凝水。圖1顯示了使用控制閥的典型熱交換器的部分圖形表示。
為了使氣動(dòng)閥與控制設(shè)備生成的電控制信號(hào)相接口，有三種控制閥位置的方法：
電流/電壓-氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器（I / P或E / P）
轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)定位器的組合
電動(dòng)氣動(dòng)閥門(mén)定位器
與僅使用變頻器相比，選擇閥門(mén)定位器進(jìn)行控制具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)。
閥門(mén)定位器
由于現(xiàn)代熱交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求更高的效率，因此它需要最佳的控制閥性能。熱交換器的性能與過(guò)程系統(tǒng)的要求緊密匹配，同時(shí)產(chǎn)生的廢料最少，可實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)省。閥門(mén)的精確調(diào)節(jié)和控制可在設(shè)定點(diǎn)的2％之內(nèi)提供快速響應(yīng)和準(zhǔn)確度，加起來(lái)減少了廢蒸汽和冷凝水的掉落和清除。使用閥門(mén)定位器的一些優(yōu)點(diǎn)包括以下功能：
響應(yīng)速度更快
控制跨閥的較高或可變壓差
大隔膜/活塞執(zhí)行器的控制
控制動(dòng)作變更
分范圍能力
控制閥流量特性的變化
有限的行程，降低的舉升
數(shù)字通信/診斷能力
響應(yīng)速度更快
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| 圖2.定位器信號(hào)與閥門(mén)行程之間的關(guān)系 |
諸如由于不正確地使用熱水或蒸汽閥或閥執(zhí)行器之類的簡(jiǎn)單原因，導(dǎo)致了對(duì)過(guò)程負(fù)荷變化/蒸汽系統(tǒng)故障造成的溫度變化反應(yīng)不夠快的熱交換器。從不良的系統(tǒng)或管道的重新設(shè)計(jì)，到設(shè)施擴(kuò)建引起的需求增加，一切都可能導(dǎo)致這種緩慢的響應(yīng)。如果換熱器仍能滿足設(shè)備容量的要求，從使用定位器的電動(dòng)閥切換為氣動(dòng)閥有時(shí)會(huì)有所不同。使用尺寸正確的氣動(dòng)執(zhí)行器，該閥的反應(yīng)比其電動(dòng)執(zhí)行器的反應(yīng)更快，并且可以適應(yīng)快速變化的熱水需求。
控制閥上更高或變化的壓差
如果閥塞上的較高壓差或變化的壓差導(dǎo)致閥位置發(fā)生變化，則定位器會(huì)根據(jù)控制信號(hào)自動(dòng)調(diào)整執(zhí)行器的氣壓，以“重新定位”閥芯。使用定位器時(shí)，該閥具有基于輸入信號(hào)和閥桿位置反饋的自身閉環(huán)控制。這是通過(guò)閥桿位置反饋連桿，氣動(dòng)放大繼電器以及根據(jù)輸入控制信號(hào)調(diào)節(jié)至執(zhí)行器的輸出壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該閉環(huán)控制電路是定位器必不可少的部分，因此可以保持一致的關(guān)閉力和打開(kāi)力（推力），該力由差速器和閥門(mén)位置決定。
大型隔膜/活塞執(zhí)行器的控制
較大的隔膜或活塞致動(dòng)控制閥可能需要增加風(fēng)量，增加正向和反向流量以及傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器（I / P或E / P）無(wú)法產(chǎn)生的增加的氣壓。例如，較大的氣動(dòng)膜片式執(zhí)行器可能具有0.30 ft3（立方英尺）的內(nèi)部容積，必須填充該內(nèi)部容積才能將閥完全移動(dòng)到打開(kāi)或關(guān)閉位置。如果使用的定位器的前進(jìn)和后退流量額定值為0.07 scfs（標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/秒），則該閥門(mén)將在4.3秒內(nèi)打開(kāi)或關(guān)閉。不使用定位器，打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)間大大減少。大多數(shù)I / P和E / P轉(zhuǎn)換器的額定正向流量?jī)H為0.02 scfs，反向流量甚至更低。
定位器還以等于或接近其供應(yīng)壓力的方式向執(zhí)行器供應(yīng)空氣壓力，以將閥門(mén)移至所需位置。無(wú)論執(zhí)行器需要多少空氣（PSI）以便將閥移動(dòng)到需要達(dá)到力平衡平衡的位置，它們都將成為“動(dòng)力”。I / P或E / P轉(zhuǎn)換器不能也不以這種方式運(yùn)行。轉(zhuǎn)換器僅基于線性電氣控制輸入信號(hào)提供輸出壓力。通常，它們的壓力范圍在30 PSI以內(nèi)，正常工作范圍為3-15、3-27或6-30。這些空氣輸送壓力只能通過(guò)2-3 PSI進(jìn)行更改。盡管電動(dòng)氣動(dòng)定位器可以接收相同類型的線性電氣控制輸入信號(hào)，但不受校準(zhǔn)的工作范圍限制的約束。
能夠提供這些較高的壓力非常有幫助，特別是在克服較大的執(zhí)行器和閥門(mén)組合中始終存在的磁滯和死區(qū)的負(fù)面影響方面。摩擦是造成這些負(fù)面影響的最常見(jiàn)原因，并且總是與動(dòng)態(tài)條件下控制信號(hào)產(chǎn)生的氣壓相反。定位器始終將所需的設(shè)定點(diǎn)與閥桿位置進(jìn)行比較，并調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣壓，以使摩擦效果最小。
控制動(dòng)作變更
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| 圖3.基于微處理器的控制閥定位器 |
通過(guò)考慮安裝有電動(dòng)氣動(dòng)定位器的氣動(dòng)打開(kāi)的氣動(dòng)控制閥，可以更容易地理解控制動(dòng)作的概念。在直接控制作用下，隨著到定位器的電輸入信號(hào)增加，從定位器到執(zhí)行器的氣動(dòng)輸出也將增加。閥門(mén)打開(kāi)并按比例調(diào)節(jié)，同時(shí)流經(jīng)閥門(mén)的流量相應(yīng)增加或減少。
在反向控制作用下，隨著定位器的電輸入信號(hào)增加，從定位器到執(zhí)行器的氣動(dòng)輸出減少。有時(shí)，由于管路重新路由或控制器，計(jì)算機(jī)或DDC內(nèi)的控制邏輯更改而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)更改時(shí)，需要控制閥以這種方式運(yùn)行。雖然使用定位器不能改變閥門(mén)的功能，但可以將其控制動(dòng)作從直接切換到反向，反之亦然。
分檔能力
許多家用熱水熱交換器在同一控制回路上安裝了兩個(gè)不同尺寸的控制閥，以應(yīng)對(duì)廣泛的系統(tǒng)流量需求變化。這些閥門(mén)的分檔設(shè)置是定位器使之成為可能的校準(zhǔn)和設(shè)置的常用方法。其靈活的跨度和零位調(diào)節(jié)使閥門(mén)的行程和沖程可在其范圍內(nèi)移動(dòng)。在正常操作中，控制閥的全行程將跟隨輸入控制信號(hào)的全量程。例如，接受4mA至20mA模擬輸入電流的電動(dòng)氣動(dòng)定位器通常會(huì)使控制閥的行程分別從行程的0％到100％。如果定位器是分量程的，則閥門(mén)將以僅4mA至12mA的相應(yīng)輸入電流行進(jìn)0％至100％。但是它也可以分段設(shè)置，以使閥在相應(yīng)的12mA至20mA輸入電流下行進(jìn)0％至100％。在兩個(gè)示例中，閥門(mén)的跨度都相對(duì)于輸入電流信號(hào)發(fā)生了變化。
如上所述，對(duì)閥門(mén)定位器進(jìn)行分量程，可以在系統(tǒng)需求較低時(shí)控制一個(gè)閥門(mén)（較小的閥門(mén)），而在系統(tǒng)需求較高時(shí)控制另一個(gè)閥門(mén)（較大的閥門(mén)）。
圖2顯示了兩個(gè)控制閥定位器分檔時(shí)定位器輸入信號(hào)與閥行程之間的關(guān)系。請(qǐng)注意，直到定位器的輸入信號(hào)達(dá)到量程的50％時(shí)，第二個(gè)閥才開(kāi)始打開(kāi)。
控制閥流量特性的變化
控制閥的安裝固有流量特性（設(shè)計(jì)特性）由所使用的閥塞，閥座，閥籠等的類型決定。有時(shí)，非線性流量特性的線性化是必需的，以便無(wú)論控制器輸出如何，過(guò)程閥增益都是恒定的。必須更改或調(diào)整流量曲線，以加強(qiáng)控制精度并提高性能。根據(jù)定位器的設(shè)計(jì)和類型，可以通過(guò)切換機(jī)械凸輪或通過(guò)數(shù)字/電子方式將新的性能曲線重新編程到定位器中來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化。與安裝新閥或更換閥內(nèi)件相比，使用定位器更改固有流量特性可能是一種更具成本效益的解決方案。
行程有限，升力降低
出于性能或安全原因，有時(shí)在控制系統(tǒng)中需要減少升程量或限制閥門(mén)行程。有時(shí)會(huì)錯(cuò)誤地將閥門(mén)過(guò)大，從而導(dǎo)致其行程的5-10％處于低效率狀態(tài)。類似于上一部分中所述，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分量程以匹配閥門(mén)的整個(gè)行程，定位器的氣動(dòng)輸出信號(hào)可以被壓縮以匹配整個(gè)電信號(hào)輸入。這允許將控制信號(hào)的完整輸入分辨率應(yīng)用于閥行程的前5％至10％。但是，在閥門(mén)響應(yīng)較小的控制信號(hào)變化的能力與具有更大的輸入跨度分辨率之間需要權(quán)衡。磁滯和死區(qū)效應(yīng)會(huì)大大放大，并且在如此高的“量程比”下可能會(huì)對(duì)控制閥性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
出于安全原因或過(guò)程保護(hù)的考慮，有時(shí)會(huì)限制閥門(mén)的行程或升程。如果由于這些原因改變了定位器的設(shè)置和校準(zhǔn)，則應(yīng)立即安裝機(jī)械行程限位器。機(jī)械限制行程，以確保閥門(mén)在定位器發(fā)生故障時(shí)不會(huì)超過(guò)此點(diǎn)打開(kāi)，并且不會(huì)引起不安全狀況。
數(shù)字通信/診斷能力
基于微處理器的電動(dòng)氣動(dòng)閥門(mén)定位器設(shè)計(jì)不僅使制造商擺脫了使用機(jī)械凸輪來(lái)確定沖程（和流量）特性的麻煩，而且還提供了將大量智能和通信嵌入電子設(shè)備的能力。當(dāng)將定位器與使用數(shù)字通信（例如HART，BACnet，Modbus或LonWorks協(xié)議）的控制系統(tǒng)接口時(shí)，這將非常有利。
定位器中的傳感器現(xiàn)在可以提供與閥門(mén)行程和推力，執(zhí)行器輸出壓力，外殼溫度，閥門(mén)座/閥塞磨損以及閥門(mén)性能相關(guān)的信息。車載診斷和警報(bào)在數(shù)字閥門(mén)定位器中是司空見(jiàn)慣的，同時(shí)還會(huì)記錄異常閥門(mén)性能事件的歷史數(shù)據(jù)。但是，增加智能確實(shí)會(huì)增加成本。
根據(jù)所選的數(shù)字定位器的類型，所增加的技術(shù)復(fù)雜性可能令人生畏。為了利用附加信息，有時(shí)操作，工程和維護(hù)人員現(xiàn)在必須熟悉更多的控制參數(shù)和過(guò)程變量。允許閥門(mén)定位器連接到中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或PC的軟件實(shí)用程序是監(jiān)視和更改這些參數(shù)的最常用方法。使用軟件實(shí)用程序可以通過(guò)顯示閥門(mén)參數(shù)的圖形視圖來(lái)減輕復(fù)雜性。該軟件可幫助最終用戶以交互方式設(shè)置，調(diào)整和維護(hù)控制閥/定位器，并將配置保存到軟件文件中，以供以后參考或下載。
典型的基于微處理器的閥門(mén)定位器如圖3所示。使用閥門(mén)定位器可以解決簡(jiǎn)單和復(fù)雜的控制閥問(wèn)題，同時(shí)還可以顯著提高控制系統(tǒng)的性能和精度。
