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，使用自動控制閥可以幫助確保有效的熱傳遞。
自18世紀(jì)以來，控制閥的設(shè)計和控制系統(tǒng)內(nèi)流體的概念就已經(jīng)存在。特別地，在過程中已經(jīng)使用了上升桿，線性調(diào)節(jié)類型來精確控制流體的流量和壓力。但是，根據(jù)下游系統(tǒng)需求變化手動設(shè)置和更改閥門位置變得不切實(shí)際。在引入可靠的執(zhí)行器設(shè)計和自動控制器之后，通過遠(yuǎn)程信號的氣動或電動執(zhí)行器得到了普及。根據(jù)控制器的設(shè)定點(diǎn)自動移動閥門的位置，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程相關(guān)的浪費(fèi)。當(dāng)將特定的傳感器添加到與制造過程有關(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。現(xiàn)在，控制器，傳感器和自動閥之間的控制回路已關(guān)閉。
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盡管通過使用閉環(huán)控制系統(tǒng)可以提高性能，但控制閥和執(zhí)行器的設(shè)計決定了系統(tǒng)的總體精度。執(zhí)行器內(nèi)滾動或回旋的隔膜和低摩擦O形圈的設(shè)計有所幫助，但并未顯著改變控制精度。閥門定位器的添加從根本上改變了致動控制閥在過程控制回路中的響應(yīng)方式。通過在閥門上添加氣動或電動氣動定位器，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于閥內(nèi)的固定座進(jìn)行定位。致動器通過閥桿直接連接到閥芯，并將閥芯移動到所需的控制位置。通常使用氣動或電動執(zhí)行器來控制該閥芯的位置。氣動控制閥具有氣開或氣關(guān)功能。空氣打開閥通常通過彈簧保持關(guān)閉狀態(tài)，并且需要?dú)鈮簛泶蜷_，而空氣關(guān)閉閥通常通過彈簧保持打開狀態(tài)，并需要?dú)鈮簛黻P(guān)閉它們。閥門和執(zhí)行器組合的機(jī)械設(shè)計確定了執(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)備將模擬電氣信號直接發(fā)送到電動執(zhí)行器，或通過電流/電壓-氣動轉(zhuǎn)換器，或通過電動氣動定位器發(fā)送到氣動執(zhí)行器。該信號基于所需的系統(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。通過以這種方式使閥自動化，它們可用于直接和/或間接控制開環(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的閉環(huán)控制應(yīng)用，其中氣動和電動控制閥均可用于調(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。
為了使氣動閥與控制設(shè)備生成的電控制信號相接口，有三種控制閥位置的方法：
電流/電壓-氣動轉(zhuǎn)換器（I / P或E / P）
轉(zhuǎn)換器和氣動定位器的組合
電動氣動閥門定位器
與僅使用變頻器相比，選擇閥門定位器進(jìn)行控制具有許多明顯的優(yōu)勢。
閥門定位器
由于現(xiàn)代熱交換系統(tǒng)設(shè)計要求更高的效率，因此它需要最佳的控制閥性能。熱交換器的性能與過程系統(tǒng)的要求緊密匹配，同時產(chǎn)生的廢料最少，可實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)省。閥門的精確調(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，加起來減少了廢蒸汽和冷凝水的掉落和清除。使用閥門定位器的一些優(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.定位器信號與閥門行程之間的關(guān)系 |
諸如由于不正確地使用熱水或蒸汽閥或閥執(zhí)行器之類的簡單原因，導(dǎo)致了對過程負(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，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閥切換為氣動閥有時會有所不同。使用尺寸正確的氣動執(zhí)行器，該閥的反應(yīng)比其電動執(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，則定位器會根據(jù)控制信號自動調(diào)整執(zhí)行器的氣壓，以“重新定位”閥芯。使用定位器時，該閥具有基于輸入信號和閥桿位置反饋的自身閉環(huán)控制。這是通過閥桿位置反饋連桿，氣動放大繼電器以及根據(jù)輸入控制信號調(diào)節(jié)至執(zhí)行器的輸出壓力來實(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)閉力和打開力（推力），該力由差速器和閥門位置決定。
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）無法產(chǎn)生的增加的氣壓。例如，較大的氣動膜片式執(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到打開或關(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），則該閥門將在4.3秒內(nèi)打開或關(guān)閉。不使用定位器，打開或關(guān)閉時間大大減少。大多數(shù)I / P和E / P轉(zhuǎn)換器的額定正向流量僅為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，以將閥門移至所需位置。無論執(zhí)行器需要多少空氣（PSI）以便將閥移動到需要達(dá)到力平衡平衡的位置，它們都將成為“動力”。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2-3 PSI進(jìn)行更改。盡管電動氣動定位器可以接收相同類型的線性電氣控制輸入信號，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)面影響的最常見原因，并且總是與動態(tài)條件下控制信號產(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。
控制動作變更
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| 圖3.基于微處理器的控制閥定位器 |
通過考慮安裝有電動氣動定位器的氣動打開的氣動控制閥，可以更容易地理解控制動作的概念。在直接控制作用下，隨著到定位器的電輸入信號增加，從定位器到執(zhí)行器的氣動輸出也將增加。閥門打開并按比例調(diào)節(jié)，同時流經(jīng)閥門的流量相應(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增加，從定位器到執(zhí)行器的氣動輸出減少。有時，由于管路重新路由或控制器，計算機(jī)或DDC內(nèi)的控制邏輯更改而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計更改時，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的功能，但可以將其控制動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不同尺寸的控制閥，以應(yīng)對廣泛的系統(tǒng)流量需求變化。這些閥門的分檔設(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)使閥門的行程和沖程可在其范圍內(nèi)移動。在正常操作中，控制閥的全行程將跟隨輸入控制信號的全量程。例如，接受4mA至20mA模擬輸入電流的電動氣動定位器通常會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％。在兩個示例中，閥門的跨度都相對于輸入電流信號發(fā)生了變化。
如上所述，對閥門定位器進(jìn)行分量程，可以在系統(tǒng)需求較低時控制一個閥門（較小的閥門），而在系統(tǒng)需求較高時控制另一個閥門（較大的閥門）。
圖2顯示了兩個控制閥定位器分檔時定位器輸入信號與閥行程之間的關(guān)系。請注意，直到定位器的輸入信號達(dá)到量程的50％時，第二個閥才開始打開。
控制閥流量特性的變化
控制閥的安裝固有流量特性（設(shè)計特性）由所使用的閥塞，閥座，閥籠等的類型決定。有時，非線性流量特性的線性化是必需的，以便無論控制器輸出如何，過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)計和類型，可以通過切換機(jī)械凸輪或通過數(shù)字/電子方式將新的性能曲線重新編程到定位器中來實(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，有時在控制系統(tǒng)中需要減少升程量或限制閥門行程。有時會錯誤地將閥門過大，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，對輸入信號進(jìn)行分量程以匹配閥門的整個行程，定位器的氣動輸出信號可以被壓縮以匹配整個電信號輸入。這允許將控制信號的完整輸入分辨率應(yīng)用于閥行程的前5％至10％。但是，在閥門響應(yīng)較小的控制信號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)會大大放大，并且在如此高的“量程比”下可能會對控制閥性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
出于安全原因或過程保護(hù)的考慮，有時會限制閥門的行程或升程。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，以確保閥門在定位器發(fā)生故障時不會超過此點(diǎn)打開，并且不會引起不安全狀況。
數(shù)字通信/診斷能力
基于微處理器的電動氣動閥門定位器設(shè)計不僅使制造商擺脫了使用機(jī)械凸輪來確定沖程（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，這將非常有利。
定位器中的傳感器現(xiàn)在可以提供與閥門行程和推力，執(zhí)行器輸出壓力，外殼溫度，閥門座/閥塞磨損以及閥門性能相關(guān)的信息。車載診斷和警報在數(shù)字閥門定位器中是司空見慣的，同時還會記錄異常閥門性能事件的歷史數(shù)據(jù)。但是，增加智能確實(shí)會增加成本。
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)和過程變量。允許閥門定位器連接到中央計算機(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)用程序可以通過顯示閥門參數(shù)的圖形視圖來減輕復(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定位器如圖3所示。使用閥門定位器可以解決簡單和復(fù)雜的控制閥問題，同時還可以顯著提高控制系統(tǒng)的性能和精度。
