控制阀是工业生产过程控制应用最多的终端控制元件，其调节类型考虑按控制指令准确定位及改进性能，通常配置阀门定位器。传统的阀门定位器采用机械式的模拟技术，结构复杂、功能单一且故障率高。近年来，智能电气阀门定位器迅速兴起，经过其数字化数据处理、控制定位、双向通信以及人工智能应用，使控制阀成为智能现场设备并得以功能强化、整体性能提升和具有高可用性。市场和用户的需求推动着制造厂商的产品研发和技术创新，针对2009~2013年间全球主要智能电气阀门定位器生产商发布和供货的新产品，本文加以透视分析。

随着中国经济的连续增长，流程工业的控制阀市场快速成长，同时现有存量巨大，技术改造升级和新的设备投资都使得智能电气阀门定位器需求量很大，国内外相继出现开发研制智能电气阀门定位器的热潮，该细分市场充满了竞争和风险。市场和用户的需求推动着制造厂商的产品研发和技术创新，在2009~2013年间，全球主要智能电气阀门定位器生产商EMERSON-Fisher、ABB、Siemens、SAMSON均有新产品发布和供货，本文对此加以透视分析。

性能卓越的FIELDVUE DVC 6200系列

艾默生过程管理费希尔阀门部（EMERSON-Fisher）是研发数字式智能阀门定位器的领军厂家，20年前推出第一款数字阀门控制器FIELDVUETMDVC，重点在定位控制及其扩展控制和诊断功能，先后有DVC 5000系列、DVC 6000系列、DVC 2000系列，目前市场占有量超过100万台。Fisher于2009年发布、2010年供货的新一代高性能FIELDVUE DVC 6200系列，用以响应市场需求和替代DVC 6000系列，其综合已有系列的技术特长，采用经5万台DVC 2000系列验证的非接触式阀位反馈测量和DVC 6000系列隔爆/本安壳体以及气动架构，解决了DVC 6000系列阀位反馈机械连接结构复杂且故障率高和DVC 2000系列仅有本安型致使GX型控制阀无一体化隔爆型阀门定位器的问题，同时延续DVC 6000系列现有在板微处理器、应用软件和功能模块的电子部件和I/P电气转换器、气动放大器的气动部件，并且能适应所有控制阀安装连接模式和直行程范围0~6.35~606mm、角行程范围0~45~90°；支持HART（包括使用无线技术Wireless HART）、FOUNDATION现场总线（FF）、Profibus现场总线通信和FDT/DTM及使用嵌入式AMS ValveLink进行预测性维护，便于系统集成，有着高适用性和高可靠性，可为用户提供更多的利益。2013年3月，Fisher推出经认证的FIELDVUE DVC 6200 SIS，满足过程安全功能。

图1  DVC 6200系列阀门定位器

DVC 6200系列为模块化结构，部件数量少并可快速更换组合，其组成（见图1）：有独立隔离的接线盒、坚固的壳体（带阀位测量槽和霍尔传感器）、塑封的电子模块（在板微处理器的印刷电路板部件）、模块基座组件、传统的I/P电气转换器、单双输出的气动放大器、有3个压力传感器和气动放大器位置反馈，压力表（最多3只）和外盖。DVC 6200系列将原DVC 6000系列中DVC 6010、DVC 6020、DVC 6030优化合成为GX型控制阀专用外壳和其他通用外壳两种，与阀杆连接的阀位反馈磁铁组件（有9个规格可选）在测量槽内滑动，非接触式测量，最大直行程可达606mm。

DVC 6200型为4~20mA DC+HART二线制回路供电并提供控制信号（等效阻抗550欧姆，最大端电压11V DC）；DVC 6200f型用于FOUNDATION（FF）现场总线和DVC 6200p型用于Profibus现场总线，均为9~32V DC总线供电和受控数字信号。DVC 6205型及DVC 6205f型和DVC 6205p型为分体式结构，配用独立安装的DVC 6215型阀位传感器。DVC 6200系列壳内选装最多三只压力表，还可选集成空气过滤减压阀、集成限位开关、集成阀位变送器。另有DVC 6200SIS专门认证用于安全仪表系统。DVC 6200系列的定位控制指标为±0.5%的独立线性度。图2以DVC 6200系列4~20mA DC+HART型双作用输出的阀门定位器为例说明其工作原理。

图2  DVC 6200系列阀门定位器工作原理图

从控制器或控制系统来的输入控制信号（4~20mA DC+HART）经过传输信号电缆接到接线盒，二线制回路供电并控制。控制阀阀杆或转轴上连接的阀位反馈磁铁组件在壳体测量槽中滑动由霍尔传感器检测出阀位信号。电子模块的在板微处理器读取输入控制和阀位反馈信号，经数字运算处理并转换成模拟量的控制驱动信号给I/P电气转换器的电磁线圈。当输入控制信号增加，出现定位量值偏差，运算后使驱动信号增加、I/P电气转换器的气动输出增大，并由气动放大器功率放大，提供两路气动输出，输出A的气压增加而输出B的气压减小。输出A为正向输出，被用于双作用和单作用的正作用场合。阀门定位器的气压输出加到气动执行机构上推动控制阀动作，阀杆位置变化（例如向下移动），阀位反馈磁铁组件随之在壳体测量槽向下滑动，霍尔传感器检测出阀位变化，信号送给电子模块。直到阀位到达与输入控制信号相一致的正确阀位上，偏差趋零，I/P电气转换器上驱动信号随之稳定，气动放大器输出气压随之稳定，一个定位控制过程结束。若用于正向单作用时，只使用输出A，而输出B堵住。

图3进一步说明I/P电气转换器的工作原理。干净无油的仪表空气经恒节流孔（恒定气阻）到喷嘴，衔铁连接的挡板与喷嘴间的缝隙为可变气阻。当增加驱动信号流经电磁线圈时，吸引衔铁动作，衔铁带动挡板使其靠近喷嘴，引起喷嘴背压增加即送到气动放大器的气压信号增加，最终阀门定位器输出气压增加（双作用时输出A增加和输出B减小）；反之亦然，当减少驱动信号时，通过电磁线圈使衔铁/挡板远离喷嘴，使其背压减少，气动放大器输出减少。

DVC 6200系列的气动放大器有三种选项：A为双作用输出，C为单作用正向输出、B为单作用反向输出。气动输出能力和稳态耗气量都与气源压力有关，随其变化而变化。气动输出能力较大，气源压力140kPa时为10Nm3/h、550kPa时为29.5Nm3/h。稳态耗气量也较大，气源140kPa时为0.38Nm3/h、550kPa时为1.3Nm3/h，相比其他厂家的智能型阀门定位器的稳态耗气量大了许多。

图3  DVC 6200系列I/P电气转换器工作原理图

DVC 6200系列内置有3个压力传感器，用于气源压力、输出A压力、输出B压力的测量，还有气动放大器的位置反馈，都用以及阀门定位器状态监测、故障诊断和预测性维护。

DVC 6200系列可自校准和现场快速校验、自定义特性、自动进行监测和诊断。通过提高正向增益（快速响应阀位变化，减少死区和延迟时间）和小回路反馈增益（以阀位响应速度反馈来调整超调量）来提高对执行机构/控制阀的动态响应以及控制精度。在阀位传感器失效故障时，DVC 6200系列可启动压力反馈继续进行控制。

DVC 6200系列可方便地集成安装在Fisher GX型控制阀的执行机构上、直接安装或分体式安装到Fisher直行程和角行程执行机构上、也可以安装到符合IEC 60534-6-1、IEC 60534-6-2、VDI/VDE 3845标准和 NAMUR规范的其他品牌气动执行机构上。根据安装需要和不同行程范围，提供两种阀门定位器壳体和4个式样的9种阀位反馈磁铁组件，以及不同的安装底板和长行程用的转换机构。

DVC 6200系列的调试可使用点对点的现场通信手操器、通过AMS ValveLink软件的点对点通信和系统集成方式的通信，用户界面可选择现场通信手操器375型/475型、ValveLink Mobile移动版、ValveLink标准版和AMS ValveLink Snap-ON以及其他系统集成。

强大输出的PositionMaster EDP 300

ABB的工业自动化产品系列中并没有完整的控制阀，但可以提供执行机构和阀门定位器产品及其解决方案，其阀门定位器技术和产品及电气转换技术主要来自旗下的H&B和SENSYCON，先后有气动阀门定位器AV、电气阀门定位器TZIM和TZID、智能电气阀门定位器TZIDC。ABB在2011年8月发布推出的新一代智能电气阀门定位器，是在TZIDC系列智能电气阀门定位器基础上设计和开发的PositionMaster EDP 300，具有紧凑的模块化结构、完整的安装方式适用于气动直行程（反馈轴角度25~60°）和角行程（反馈轴角度25~270°）执行机构、喷嘴-挡板I/P转换器和气动三位三通换向阀的气动部件且设计有四种规格可选（单作用、双作用、故障-安全、故障-保位）、很高的输出气量能力（气源1MPa时最大达40Nm3/h）和极低的稳态耗气量（0.024Nm3/h）、二线制4~20mA DC或4~20mA DC+HART大于3.8mA启动、自适应自调整、定位控制偏差0.5%、本机显示操作、HART通信和集成诊断功能并支持FDT/DTM及EDD、环境适应性强、本安防爆认证（包括NEPSI认证Ex ia II C T6）和用于SIL 2安全回路、断电/断信号保位、可选扩展功能（如选择3个压力传感器及其诊断模块）等特点。

PositionMaster EDP 300为紧凑型的模块化结构，铝制涂漆壳体或可选不锈钢壳体，防护等级IP65，壳内由阀位传感器（标准版为非接触式，可选电位器式或分体式阀位传感器）、在板微处理器和LCD显示及操作按键的电子组件、喷嘴-挡板I/P转换器和气动三位三通换向阀的气动组件构筑基本组成，由反馈轴/杆传递控制阀行程角位移，有带/不带机械式阀位指示器的两种盖子。另有多种功能部件可选升级，结构组成方块图参见图4。

图4  PositionMaster EDP 300智能电气阀门定位器

可选功能部件有：模拟阀位输出，二线制4~20mA DC；数字阀位输出，2路信号电路符合DIN 19234/NAMUR，信号“0”为电流小于1.2mA、信号“1”为电流大于2.1mA；通用输入模块接受外部4~20mA DC信号（阻抗400欧姆），用于控制阀高级诊断，如连接超声传感器监测阀门阀座的信号、连接声压级传感器监测空化气蚀的信号、或其他用途的信号；紧急停车模块隔离连接外部电压信号并独立运行，24V DC时正常，小于5V DC时动作，对控制阀进行紧急停车处理至安全阀位；3个压力传感器用于基于输出和气源压力的控制阀诊断，如初生值测试、摩擦力监测等；阀位开关可提供2点阀位限值报警信号，或选用机械式微动开关的干接点、或选用接近开关（SJ2-SN的NC或SJ2-S1N的NO）的NAMUR信号；集成在阀门定位器盖子上的机械式阀位指示器与反馈杆轴直接连接，直观指示阀位。

此外，需在订购时选择输入控制信号4~20mA DC（代码A）或4~20mA DC +HART（代码H），以及气动部件的单作用、双作用、故障-安全、故障-保位的确认。其他还有阀门定位器附件：安装适配套件、带压力表（最多3只）的气动连接块、空气过滤减压阀等。

PositionMaster EDP 300的气动部件是源自SENSYCON多年验证的电气转换技术的喷嘴-挡板I/P转换器和气动三位三通换向阀，高输出气量、低稳态耗气，原理图参见图5。

图5  气动部件原理图

65%~100%时换向阀气路接通气源向控制阀气动执行机构充气加压、信号0%~35%时断开气源充气同时气动执行机构经换向阀气路排气、信号35%~65%时换向阀在中间位置封住气路既不充气也不排气。由于换向阀气路通径较大，所以产品具有强大的输出气量，气源压力140kPa时输出气量5.5Nm3/h、气源压力1MPa时输出气量最大达40Nm3/h，可满足大型气动执行机构的驱动需求。当阀位达到设定值时，换向阀封住气路，故有很低的稳态耗气量（0.024Nm3/h）。

根据用户需求，气动部件可选单作用、双作用、故障-安全、故障-保位四种，对于单作用和双作用的气动执行机构都可有故障-安全和故障-保位的选择。

PositionMaster EDP 300可以方便地安装到符合IEC 60534-6-1（GB/T 17213-6）的气动直行程执行机构上（铸造支架NAMUR凸缘或杆式支架柱形的安装，安装到符合IEC 60534-6-2（GB/T 17213-13）和VDI/VDE 3845标准的气动角行程执行机构上，也能安装在有集成安装支架的气动直行程执行机构。安装件与TZIDC系列的安装件通用。对于特殊安装需求，可提供特定安装配件。

PositionMaster EDP 300内置LCD显示器带4个按键（见图6），显示内容丰富、界面友好，按键调用多级菜单，支持操作监控、组态调试、手动操作、显示诊断信息。

图6  LCD显示及操作按键和操作举例

经济低价的3725型

SAMSON（萨姆森）生产全系列、多品种的阀门定位器，涵盖机械式的气动阀门定位器和电气阀门定位器、数字式的电气阀门定位器包括模拟输入和支持各主流现场总线通信的智能型以及本机集成专家诊断软件和可集成到上位控制系统，全面满足不同用户需求。SAMSON 于2011年发布、2012年3月供货的3725型数字式电气阀门定位器，是一款低价位、高性能、紧凑型的新品。3725型利用该公司现有成熟技术，结合了3730-1型的固件及功能与3738-20型非接触的磁阻式（AMR）传感器和3760型的尺寸，结构简洁，经济配置，定位为主，辅有诊断，适用行程3.75~50mm和24~100°旋转角。3725型采用塑壳和透明盖子；使用三个电容式触摸按键和LCD易于操作和调看参数，代码组态和出错显示。与控制阀的连接有集成安装或按IEC 60534-6-1/-6-2安装方式，通用的安装件便于连接到各种气动执行机构和控制阀；稳态耗气量0.10Nm3/h且不受气源压力影响。尺寸小巧、重量轻，适用于流程工业的常规应用，面向控制阀中低端市场。

3725型数字式电气阀门定位器的结构部件有带透明盖子的塑壳、反馈杆及传动轴、磁阻式阀位传感器、带微处理器的电子单元、LCD显示器和电容式触摸按键、低功耗的电气转换器和气动放大器，以及气动连接件和所需安装件等（参见图7）。

图7  3725型数字式电气阀门定位器结构

3725型数字式电气阀门定位器的工作原理及功能如图8所示，是回路供电的二线制仪表，接受控制系统或控制器的4~20mA DC模拟信号，与磁阻式传感器测量的阀位信号进行比较，根据偏差和预置算法改变控制输出，对气动执行机构/控制阀进行闭环的定位控制。回路供电3.8mA DC阀门定位器启动。

阀门定位器安装连接到气动控制阀（1）上，输入控制信号（4~20mA DC）为给定值w和来自磁阻式传感器（2）的阀位信号（行程或转角）即测量值x，经模/数转换器（3）送给微处理器（4），经内部数字运算后的控制信号经数/模转换器（5）转换为模拟量给低功耗的电气转换器（6），比例地产生先导气压信号，再经气动放大器（7）形成驱动气压信号输出y。根据微处理器对偏差按预置算法运算的输出变化，电气转换器和气动放大器输出的气动信号，给气动执行机构增加（充气压）或减少（排气）输出气压信号，从而完成定位功能。可以通过组态由软件限制气动放大器的输出信号压力到240kPa。压力定值器（8）的作用是稳定电气转换器喷嘴-挡板机构的气源压力使其工作稳定，也使阀门定位器的稳态耗气量不受外部气源压力波动的影响。固定气阻（9）保持一定的向壳内排气量，使气动放大器快速启动，也使壳内保持一定的正压，阻止壳外有害气体或灰尘进入内部。为了适应不同尺寸的气动执行机构，输出气量调整Q（10）用于优化调整，可有两种选择。

图8  3725型工作原理图

3725型数字式电气阀门定位器可以方便地装配到带集成安装连接的控制阀、装配到符合IEC 60534-6-1标准（NAMUR）的直行程控制阀、装配到符合IEC 60534-6-2标准和符合VDI/VDE 3845（2010-9）的角行程控制阀。阀位（行程/旋转角）测量为非接触的磁阻式传感器，阀位反馈连接为随动的机械连接，使用反馈杆和连接销钉。内部非接触连接与外部机械连接的结合，简化了安装连接和提高了反馈环节的可靠性。

3725型数字式电气阀门定位器配有LCD显示器和3个电容式触摸按键，状态显示和组态操作简单便利。显示器读数方向可以改变，由组态设置换向，避免由于安装位置等原因使显示倒置的尴尬（参见图9）。

图9  显示器和电容式触摸键

显示器上直接指出阀位数值和偏差棒图及状态符号，定义字母显示的状态有：ESC-退出、Err-出错、LOW-给定值太低、MAN-手动模式、MAX-最大行程、RST-复位、INIT-初始化、ON/OFF-激活/停止、ZERO-零点校准。若阀门定位器还没有初始化，显示的对应反馈杆轴的偏转角度，棒图示出对应每个格5o角度。初始化后，显示实际阀位/旋转角，棒图示出回路偏差，每个格代表1%的偏差。

结语

通过针对EMERSON-Fisher的FIELDVUE DVC 6200系列和ABB的PositionMaster EDP 300、SAMSON的3725型的透视分析，进一步了解近年来智能电气阀门定位器新品，更好地认识和应用智能电气阀门定位器，推广控制阀智能化，维持和提升控制阀性能，使过程控制和能效管理安全可靠、强化有效。