| Тип позиционера | Принцип работы | Входной сигнал | Область применения |
|---|---|---|---|
| Пневматический | Механическая система сопло-заслонка с пневматической обратной связью | 0,2-1,0 бар (3-15 psi) | Установки без электроснабжения, взрывоопасные зоны |
| Электропневматический | Преобразование токового сигнала в пневматическое давление через сопло-заслонку | 4-20 мА | Стандартные промышленные установки |
| Интеллектуальный (смарт) | Микропроцессорное управление с цифровой обработкой сигналов | 4-20 мА с протоколами HART, PROFIBUS, Foundation Fieldbus | Высокоточные процессы, системы с расширенной диагностикой |
| Параметр | Стандартные позиционеры | Интеллектуальные позиционеры |
|---|---|---|
| Зона нечувствительности | 1-2% от полной шкалы | 0,5-1% от полной шкалы |
| Гистерезис | ±1-2% от полной шкалы | ±0,5-1% от полной шкалы |
| Повторяемость | ±0,5-1% от полной шкалы | ±0,2-0,5% от полной шкалы |
| Давление питания | 1,4-6,0 бар | 1,4-10 бар (в зависимости от модели) |
| Расход воздуха при позиционировании | 0,08-0,15 нм³/ч | 0,05-0,12 нм³/ч |
| Рабочий ход | 3,6-300 мм (линейные), 24-100° (поворотные) | 3,6-300 мм (линейные), 24-100° (поворотные) |
| Температура эксплуатации | от -20 до +80°C | от -40 до +85°C (до -52°C с опциями) |
| Протокол | Стандарт | Скорость передачи | Особенности |
|---|---|---|---|
| HART | IEC 61158-2 | 1200 бит/с | Совместимость с токовой петлей 4-20 мА, двусторонняя связь |
| PROFIBUS PA | IEC 61158-2 | 31,25 кбит/с | Искробезопасность, питание от шины, профиль Process Automation |
| Foundation Fieldbus | IEC 61158-2 | 31,25 кбит/с | Полностью цифровая передача, поддержка сложных функциональных блоков |
Содержание статьи
Принцип работы позиционера
Позиционер представляет собой устройство управления, обеспечивающее точное соответствие положения регулирующего клапана входному сигналу от системы автоматического управления. Основная задача позиционера — компенсация несоответствия между заданным и фактическим положением запорного элемента, вызванного трением уплотнений, изменением давления среды, износом деталей и гистерезисом пневмопривода.
Функциональный принцип основан на системе обратной связи: позиционер непрерывно сравнивает управляющий сигнал с действительным положением штока или вала клапана. При возникновении рассогласования устройство изменяет давление воздуха, подаваемого в пневмопривод, до тех пор, пока клапан не займет положение, строго соответствующее входному сигналу. Такая схема управления значительно повышает точность регулирования и позволяет реализовать сложные характеристики расхода — линейную, равнопроцентную, быстрого открытия.
Применение позиционера существенно снижает влияние гистерезиса клапана с 10-15 процентов (для изношенных клапанов без позиционера) до 1-2 процентов, что критически важно для прецизионных технологических процессов в нефтегазовой и химической промышленности.
Система сопло-заслонка
Классические позиционеры используют пневматический усилитель типа сопло-заслонка, который преобразует малые механические перемещения в значительные изменения пневматического давления. Устройство состоит из сопла малого диаметра (типовое значение 0,6-0,8 миллиметра), через которое под постоянным давлением подается воздух, и заслонки, которая может приближаться к соплу или отходить от него. Воздух поступает через дроссельное отверстие диаметром около 0,25 миллиметра, создавая постоянное сопротивление в системе.
Когда заслонка находится в рабочем диапазоне на расстоянии от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров от сопла, изменение зазора всего на несколько сотых миллиметра вызывает значительное изменение противодавления в камере между соплом и дросселем питания. Это давление усиливается пневматическим реле и подается на привод клапана. Система обладает высоким коэффициентом усиления: перемещение заслонки на 0,01 миллиметра может вызвать изменение выходного давления на 0,07 бар.
Механизм обратной связи
Система обратной связи реализована через рычажный механизм, соединяющий шток клапана с заслонкой позиционера. При перемещении штока рычаг поворачивается, изменяя положение заслонки относительно сопла. Входной сигнал (пневматический в пневмопозиционерах или электромагнитный в электропневматических) создает противодействующий момент на этом же рычаге. Система достигает равновесия, когда моменты от входного сигнала и обратной связи уравновешиваются, что соответствует заданному положению клапана.
Электропневматические позиционеры
Электропневматический позиционер преобразует стандартный токовый сигнал 4-20 миллиампер в пневматическое давление для управления приводом. В конструкции используется электромагнитный преобразователь с подвижным якорем, который механически связан с заслонкой системы сопло-заслонка. Изменение силы тока в катушке вызывает пропорциональное перемещение якоря и заслонки, что приводит к изменению давления на выходе устройства.
Современные электропневматические позиционеры, такие как Samson серии 3730 или Fisher DVC6200, оснащены встроенными редукторами давления, которые стабилизируют давление питания независимо от колебаний в линии подачи воздуха. Выходное давление регулируется в диапазоне от 0 до максимального значения, определяемого настройками (обычно 1,4-6,0 бар). Двухступенчатая конструкция пневматического усилителя обеспечивает быстрый отклик на большие изменения сигнала и точное регулирование при малых отклонениях.
Воздух питания должен соответствовать классу чистоты не ниже 4:3:3 по ISO 8573-1: максимальный размер частиц 5 микрометров класса 4, содержание масла не более 1 миллиграмм на кубический метр класса 3, точка росы под давлением класса 3 или на 10 градусов Кельвина ниже минимальной ожидаемой температуры окружающей среды. Несоблюдение этих требований приводит к засорению сопла и нестабильной работе позиционера.
Интеллектуальные позиционеры
Интеллектуальные или смарт-позиционеры представляют собой микропроцессорные устройства с расширенными функциями диагностики и самонастройки. Основное отличие от традиционных электропневматических моделей — наличие цифрового контроллера, который обрабатывает сигнал обратной связи и управляет i/p-преобразователем (преобразователем ток-давление) по оптимальному алгоритму регулирования.
Бесконтактные датчики положения
Современные интеллектуальные позиционеры используют бесконтактные системы измерения положения на основе датчиков Холла или индуктивных датчиков. Магнитная сборка крепится к штоку клапана, а датчик установлен в корпусе позиционера. Такая конструкция исключает механический износ элементов обратной связи и обеспечивает высокую точность измерения положения с разрешением до 0,1 процента от полного хода.
Протоколы цифровой связи
Интеллектуальные позиционеры поддерживают протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), который позволяет передавать цифровую информацию одновременно с аналоговым токовым сигналом 4-20 миллиампер. Частотная модуляция со сдвигом частоты (FSK) накладывается на токовую петлю без влияния на основной сигнал управления. Скорость передачи данных составляет 1200 бит в секунду, чего достаточно для обмена параметрами настройки, диагностическими сообщениями и статусной информацией.
Альтернативные протоколы — PROFIBUS PA и Foundation Fieldbus — обеспечивают полностью цифровую передачу данных со скоростью 31,25 килобит в секунду. Эти протоколы базируются на физическом уровне IEC 61158-2 и позволяют реализовать искробезопасную передачу данных с питанием от шины в зонах с повышенной взрывоопасностью. Позиционеры с поддержкой Foundation Fieldbus могут выполнять функциональные блоки управления непосредственно в устройстве, снижая нагрузку на контроллер верхнего уровня.
Настройка и калибровка
Процедура настройки позиционера начинается с автоматической инициализации, которая выполняется после установки устройства на клапан. Во время инициализации позиционер определяет диапазон хода, направление действия привода (прямое или обратное), усилие пружины возврата и динамические характеристики клапана. Процесс занимает от 2 до 5 минут в зависимости от размера привода и может выполняться в автоматическом режиме без вмешательства персонала.
Режимы инициализации
Интеллектуальные позиционеры предлагают несколько режимов инициализации. Инициализация по максимальному диапазону (MAX) использует полный физический ход привода от крайнего закрытого до крайнего открытого положения. Инициализация по номинальному диапазону (NOM) выполняется в пределах технологически допустимого хода клапана, что предотвращает нежелательное полное открытие или закрытие во время настройки действующего процесса.
Режим замещающей инициализации (SUB) позволяет запустить позиционер без изменения текущего положения клапана. Это критически важно для аварийной замены позиционера на работающей установке. Устройство сохраняет параметры предыдущей инициализации из энергонезависимой памяти EEPROM и сразу переходит в рабочий режим.
Настройка характеристик регулирования
Позиционер позволяет программировать зависимость между входным сигналом и положением клапана. Линейная характеристика обеспечивает пропорциональное изменение расхода при равномерном изменении сигнала. Равнопроцентная характеристика создает логарифмическую зависимость, когда одинаковое изменение сигнала вызывает изменение расхода, пропорциональное текущему значению расхода. Характеристика быстрого открытия обеспечивает максимальное изменение расхода в начале хода клапана.
Параметры пропорционального, интегрального и дифференциального регулирования настраиваются автоматически во время инициализации. Оператор может скорректировать эти параметры через HART-коммуникатор или программное обеспечение, если требуется оптимизация под специфические условия эксплуатации.
Калибровка нулевой точки
Периодическая калибровка нулевой точки компенсирует температурные дрейфы датчиков и старение компонентов. Процедура выполняется автоматически при нажатии кнопки инициализации или по команде через интерфейс связи. Позиционер перемещает клапан в крайнее закрытое положение, регистрирует показания датчика положения и сохраняет новое значение нуля. Калибровка не допускается, если смещение нуля превышает 5 процентов от диапазона, что может указывать на механическую неисправность.
Диагностика клапана
Современные интеллектуальные позиционеры оснащены встроенными системами диагностики, которые контролируют состояние клапана в режиме реального времени без прерывания технологического процесса. Диагностика выполняется путем анализа параметров работы привода, измерения сил трения, определения герметичности седла и контроля динамических характеристик перемещения штока.
FIELDVUE Performance Diagnostics
Система диагностики Fisher FIELDVUE, интегрированная в позиционеры серии DVC6200, выполняет онлайн-мониторинг параметров клапана. Устройство регистрирует время хода штока, давление в камерах привода, отклонение фактического положения от заданного и количество циклов реверсирования. Анализируя эти данные, система выявляет признаки повышенного трения уплотнений, износа седла, разбалансировки привода или отложений на затворе.
Программное обеспечение ValveLink обеспечивает расширенный анализ данных диагностики. Графики сигнатуры клапана показывают зависимость давления привода от положения штока, позволяя визуально оценить качество работы узла. Отклонения от эталонной кривой, полученной при первичной настройке, указывают на изменение технического состояния. Система автоматически генерирует предупреждения о необходимости обслуживания на основе предустановленных пороговых значений.
EXPERTplus от Samson
Диагностическая система EXPERTplus, применяемая в позиционерах Samson серий TROVIS 3730 и 3731, использует аналогичный подход к мониторингу состояния. Система выполняет оперативный контроль ключевых параметров: расхода воздуха при позиционировании, времени отклика на ступенчатое изменение сигнала, величины управляющего давления в установившемся режиме и гистерезиса клапана.
Встроенный регистратор данных сохраняет историю работы позиционера для последующего анализа. Запись ведется по событиям (превышение пороговых значений, изменение режима работы) или по команде оператора. Данные передаются через HART-протокол на верхний уровень или считываются локально через SSP-интерфейс с помощью программы TROVIS-VIEW.
Тест частичного хода
Для запорных клапанов систем безопасности, сертифицированных по IEC 61508 для применения в SIL 2 и SIL 3, позиционеры выполняют периодический тест частичного хода (Partial Stroke Test). Во время теста клапан перемещается на небольшое расстояние (обычно 10-20 процентов от полного хода) из закрытого положения и возвращается обратно. Система фиксирует усилие, необходимое для начала движения, время отклика и качество посадки на седло после возврата.
Тест выполняется автоматически по расписанию или по внешней команде от системы управления. Результаты сохраняются в памяти позиционера и передаются в систему управления функциональной безопасностью. Выявление отклонений параметров теста позволяет спланировать техническое обслуживание до возникновения отказа в аварийной ситуации.
Позиционеры для применения в системах безопасности должны иметь сертификат соответствия IEC 61508. Модели TROVIS SAFE 3730-6 и TROVIS SAFE 3731-3 от Samson сертифицированы для уровней SIL 2 при работе в качестве одиночного устройства с вероятностью отказа по требованию в диапазоне 10⁻³ - 10⁻² и SIL 3 при применении в резервированной схеме с вероятностью отказа 10⁻⁴ - 10⁻³. Интервал доказательных испытаний определяется проектной документацией и обычно составляет от 1 до 12 месяцев.
Монтаж согласно IEC 60534-6
Международный стандарт IEC 60534-6 определяет требования к креплению позиционеров на пневматические приводы. Часть 1 стандарта (IEC 60534-6-1) регламентирует монтаж на линейные приводы, часть 2 (IEC 60534-6-2) — на поворотные приводы. Стандартизация интерфейсов монтажа обеспечивает взаимозаменяемость оборудования различных производителей.
Монтаж на линейные приводы
Для линейных приводов стандарт определяет монтажное ребро NAMUR с двумя резьбовыми отверстиями M10, расположенными на расстоянии 50 миллиметров друг от друга. Ребро устанавливается на корпусе привода параллельно оси перемещения штока. Позиционер крепится к ребру с помощью монтажного кронштейна, входящего в комплект поставки. Магнитная сборка системы обратной связи фиксируется на штоке привода через соединительную муфту.
Альтернативный способ монтажа по VDI/VDE 3847 предусматривает быстросъемное крепление позиционера на специальной монтажной пластине. Такая конструкция позволяет заменить позиционер без остановки процесса и разборки привода. Пластина постоянно закреплена на приводе, а позиционер фиксируется поворотом эксцентрикового зажима.
Монтаж на поворотные приводы
Для поворотных приводов применяется схема монтажа VDI/VDE 3845 (соответствует IEC 60534-6-2). Стандарт определяет универсальный кронштейн с регулируемым межосевым расстоянием, который крепится к корпусу привода. Обратная связь осуществляется через рычажный механизм, соединяющий вал привода с датчиком положения позиционера. Длина и положение рычага регулируются для согласования с углом поворота привода от 24 до 100 градусов.
При монтаже критически важно правильно установить магнитную сборку в пределах диапазона считывания датчика положения. Магнит должен перемещаться в зоне индексной метки на корпусе позиционера на протяжении всего рабочего хода. Выход магнита за пределы зоны считывания приводит к потере управления клапаном. Производители предоставляют монтажные шаблоны для точного позиционирования элементов обратной связи.
↑ Наверх