當(dāng)前，流程工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢越來越體現(xiàn)在過程控制和資產(chǎn)管理日益智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。構(gòu)成控制回路的傳感器（變送器）、控制器（控制系統(tǒng)）和執(zhí)行器（控制閥）都是其重要的環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)的測量手段和先進(jìn)的控制策略最終要由現(xiàn)場執(zhí)行器來完成有效的操作。控制系統(tǒng)、測量儀表應(yīng)用新技術(shù)換代升級達(dá)到了前所未有的高性能，而執(zhí)行器則更顯現(xiàn)出薄弱的短處。
智能調(diào)節(jié)閥定位器的出現(xiàn)提升了控制閥的使用性能，并具有高可靠性和免維護(hù)的特征，但也不能保證其不會出現(xiàn)故障和損壞，尤其在工業(yè)現(xiàn)場使用環(huán)境下也會有不可預(yù)知的突發(fā)事件或外部原因造成智能閥門定位器出現(xiàn)故障或遭到破壞。智能閥門定位器連接到控制閥后首先要做的初始化是一個自適應(yīng)自校準(zhǔn)過程，需要幾分鐘到十幾分鐘的時間，控制閥從全關(guān)到全開要反復(fù)動作幾次并記錄存儲下基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在線工況不允許全開全關(guān)的反復(fù)動作，正常的初始化過程不能滿足用戶在突發(fā)事件下快速平穩(wěn)處置故障的要求。西門子（SIEMENS）的SIPART PS2系列帶通信功能的智能閥門定位器和薩姆森（SAMSON）的3730/3731系列智能閥門定位器，設(shè)計(jì)上考慮了在線更換問題，提供了緊急情況下在線更換功能的處理預(yù)案。
氣動控制閥是使用最多的執(zhí)行器，配置電氣閥門定位器接駁控制系統(tǒng)，接受控制指令并實(shí)現(xiàn)閥位（行程）的一致性定位。電氣閥門定位器這一氣動控制閥的重要附件，長期采用機(jī)械式的模擬技術(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一且故障率高，使得氣動控制閥整體性能低下。近年來，以數(shù)字式電氣閥門定位器的控制閥數(shù)字解決方案扭轉(zhuǎn)了氣動控制閥落后的局面，提升了終端執(zhí)行元件的使用性能和信息處理能力，使之變身成為現(xiàn)場智能設(shè)備。
數(shù)字式電氣閥門定位器作為新一代高性能智能閥門定位器，采用在板微處理器、應(yīng)用軟件和功能模塊，實(shí)現(xiàn)定位功能的自校準(zhǔn)、自適應(yīng)、行程控制以及控制閥的在線狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和離線性能測試，可以帶本機(jī)顯示、操作組態(tài)或附加更多功能，雙向數(shù)字通信和集成到控制系統(tǒng)/資產(chǎn)管理系統(tǒng)，開展預(yù)測性維護(hù)和輔助預(yù)防性維護(hù)的計(jì)劃安排。
數(shù)字式電氣閥門定位器與傳統(tǒng)的模擬式機(jī)械結(jié)構(gòu)的電氣閥門定位器有很大不同，對用戶使用者的技術(shù)要求高，同時在現(xiàn)場維護(hù)上也出現(xiàn)一些新的問題，如在線更換智能閥門定位器。
在線更換智能閥門定位器
智能閥門定位器本機(jī)具有高可靠性和免維護(hù)特征，但也不能保證其不會出故障和損壞，尤其在工業(yè)現(xiàn)場使用環(huán)境下，也會有不可預(yù)知的突發(fā)事件或外部原因，例如猛烈碰撞、氣源嚴(yán)重不符合質(zhì)量要求、閥門定位器殼內(nèi)進(jìn)水等等，造成智能閥門定位器出現(xiàn)故障或遭到破壞。流程工業(yè)的大型生產(chǎn)裝置的主流程管道、帶熱夾套管道和一些不允許有物料靜止殘留的管道，往往是沒有控制閥前后截止閥和旁路閥的。在維持生產(chǎn)運(yùn)行和避免停車處理的情況下，如何使氣動控制閥保持在線操作閥位并能快速更換智能閥門定位器和完成初始化調(diào)試，盡可能地減小對工藝裝置的影響、恢復(fù)正常的過程控制和降低經(jīng)濟(jì)損失，是用戶必定要考慮的問題。采用機(jī)械的方法如強(qiáng)制固定閥桿位置或采用直接加一定氣壓到氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動再用機(jī)械固定，是可以臨時保持控制閥在一定閥位，但自動控制回路的作用中斷了。解決問題的關(guān)鍵還是要在不影響生產(chǎn)過程的前提下快速更換已故障的智能閥門定位器，不能拖延。但是，智能閥門定位器初次配置連接到控制閥首先要做的初始化是一個自適應(yīng)自校準(zhǔn)過程，需要幾分鐘到十幾分鐘的時間，控制閥從全關(guān)到全開要反復(fù)動作幾次并記錄存儲下基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。顯然，在線工況不允許全開全關(guān)的反復(fù)動作，正常的初始化過程不能滿足用戶在突發(fā)事件下快速平穩(wěn)處置故障的要求。目前為止，僅有個別廠商的智能閥門定位器在設(shè)計(jì)上考慮了在線更換問題，提供了緊急情況下的處理預(yù)案。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)過的主要有西門子的SIPART PS2系列帶通信功能的智能閥門定位器和薩姆森的3730/3731系列智能閥門定位器，它們各自具備了不同預(yù)案的在線更換功能。
SIPART PS2系列智能閥門定位器的在線更換
西門子的SIPART PS2系列是壓電閥氣動部件的智能閥門定位器，可以實(shí)現(xiàn)在線更換功能的限于該系列中支持現(xiàn)場總線通信（HART、Profibus-PA、FF）功能的型號（訂貨號6DR51./52./55./56.），其在線更換功能基于復(fù)制初始化數(shù)據(jù)的初始化模式。
測量控制閥行程/轉(zhuǎn)角的閥位傳感器是一個精密電位器，通過摩擦調(diào)整輪與反饋軸連接（反饋軸由反饋桿與閥桿剛性連接），最大90轉(zhuǎn)角，對于直行程控制閥的閥位轉(zhuǎn)換，5~20mm行程配短桿選擇轉(zhuǎn)換比率33；25~35mm配短反饋桿、40~130mm配長反饋桿選擇轉(zhuǎn)換比率90，見圖1。電位器阻值為P，確定行程后的工作下限與上限分別為P0和P100。由于連接等因素，配置到每臺控制閥上相對應(yīng)的電位器P0和P100及跨距都有所不同。正常初始化后，電位器工作在P0和P100間的跨距范圍對應(yīng)已自適應(yīng)的閥位，微處理器據(jù)此跨距范圍信號計(jì)算行程，進(jìn)而控制定位和信息處理并在LCD上顯示。連接到控制閥后自適應(yīng)自校準(zhǔn)的每臺智能閥門定位器的電位器P0和P100都不同，也使得初始化數(shù)據(jù)有差別。
SIPART PS2智能閥門定位器在未初始化時的顯示如圖2，這是P-manual mode（P手動模式）顯示層面，右下的NOINI閃動說明還未做初始化。此時顯示當(dāng)前電位器的百分比數(shù)值，用于檢查電位器行程適應(yīng)情況和調(diào)整反饋桿/電位器的中間位置。按減少鍵或增加鍵可使閥門定位器輸出變化，讓氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，觀察電位器測量范圍是否在行程范圍內(nèi)，再使執(zhí)行機(jī)構(gòu)位于50%行程/閥位時，調(diào)整外部的反饋桿連接件或殼內(nèi)的調(diào)整輪使顯示值為P 50左右，完成初始檢查和調(diào)整。
除上述層面外，顯示還有五個可選的層面：Initialization mode（初始化模式）、Configuration（組態(tài)）、Manual mode （MAN）（手動模式）、Automatic （AUT）（自動模式）、Diagnostics（診斷）。顯示下面有三個按鍵用于調(diào)看層面、查找數(shù)據(jù)和操作組態(tài)：為操作模式鍵、減少鍵、增加鍵。LCD為兩行字符顯示，上行為間隔有小數(shù)點(diǎn)的5個大字符主要顯示閥位/數(shù)據(jù)/說明，下行左側(cè)有2個字符主要顯示故障信息/診斷代碼，下行右側(cè)有5個字符主要顯示模式狀態(tài)/故障說明/參數(shù)名/給定值/診斷名。
同時按三個按鍵保持5s以上即可進(jìn)入診斷層面，用增加鍵翻頁，調(diào)到20代碼看P0數(shù)值，翻到21代碼看P100數(shù)值。
SIPART PS2智能閥門定位器的初始化模式具有自動初始化模式、手動初始化模式、復(fù)制初始化數(shù)據(jù)模式三種類型，其中的復(fù)制初始化數(shù)據(jù)模式就是支持現(xiàn)場總線通信型號所具有的在線更換功能。
起用在線更換功能的前提是必須擁有被換SIPART PS2智能閥門定位器的全部初始化數(shù)據(jù)（電位器P0/P100值、閥門開、脈沖寬度、關(guān)運(yùn)行時間、死區(qū)自適應(yīng)時間等等），事先把數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)（如PDM）、PC機(jī)、現(xiàn)場通信器進(jìn)行保存，或被換的尚能數(shù)據(jù)通信并能即時讀出所有數(shù)據(jù)，這樣才有可能復(fù)制初始化數(shù)據(jù)下載到新?lián)Q上的SIPART PS2智能閥門定位器，省略掉初始化動作過程，完成替換，步驟為：
用機(jī)械的固定閥桿方法或氣動加壓到氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動再用機(jī)械固定的方法，使閥位維持在過程需要的當(dāng)前位置；
讀取并記錄被換智能閥門定位器的顯示數(shù)值，若已失電，則記錄當(dāng)前實(shí)際閥位；
拆卸下故障的SIPART PS2，按原有安裝方式、反饋桿連接、轉(zhuǎn)換比率換裝新的備臺，并下載事先讀取的初始化數(shù)據(jù)；
接通控制信號（送電），檢查所顯示的閥位，通過調(diào)整輪改變電位器的初始位置使LCD上的閥位與記錄下的實(shí)際閥位相符；
將自動控制信號或手動操作信號置于對應(yīng)當(dāng)前閥位的數(shù)值，取下機(jī)械固定，使閥桿回歸控制，此時，新的SIPART PS2可以替換工作，自動投運(yùn)了。
采用復(fù)制全部初始化數(shù)據(jù)和核對調(diào)整電位器值的方法進(jìn)行在線更換，定位精度和動態(tài)優(yōu)化可能會有不足，但被換和替換之間的行程差別也不會很大，對于緊急處理來說是可行的。若出現(xiàn)下一個可能進(jìn)行初始化的機(jī)會，再完成正常的初始化。
3730/3731系列智能閥門定位器的在線更換
薩姆森（SAMSON）的3730/3731系列是I/P加氣動放大器氣動部件的智能閥門定位器，擁有模塊化、集成化和智能化結(jié)構(gòu)，具有自適應(yīng)、自校準(zhǔn)和自診斷功能，本機(jī)顯示、診斷、通信、一鍵操作，包括4~20mA信號基本型、4~20mA+HART通信型、Profibus-PA和FF現(xiàn)場總線型。3730-2/-2/-4/-5型和3731-3/-5型固件具有在線更換功能的SUb初始化模式，不管是否使用現(xiàn)場總線通信，也不必考慮復(fù)制原有初始化數(shù)據(jù)。
3730/3731系列的閥位測量傳感器采用集成在印刷電路板上具有高分辨率的導(dǎo)電橡膠滑動電阻，弧長約90mm，反饋軸轉(zhuǎn)角最大66，由外部反饋桿或轉(zhuǎn)換輪適配到不同行程或轉(zhuǎn)角，可用于行程范圍3.6~200mm（直行程）和24~100°轉(zhuǎn)角（角行程）。
3730/3731系列可有四個初始化模式：MAX最大行程初始化模式、NOM額定工作行程初始化模式、MAN手動行程初始化模式、再就是緊急情況下的SUb替換初始化模式，參見圖4。
SUb替換初始化模式專門用于在線更換新的同主型號備臺，初始化過程只進(jìn)行模式估算行程及參數(shù)，不需控制閥反復(fù)動作，應(yīng)急突發(fā)事件。因不必事先保存或讀取原有在用臺的初始化數(shù)據(jù)，所以SUb替換模式在更換過程還需對替換臺有針對性地輸入相應(yīng)參數(shù)和確認(rèn)相關(guān)組態(tài)內(nèi)容。
當(dāng)生產(chǎn)運(yùn)行過程中需要更換3730/3731系列智能閥門定位器時，在線的控制閥已經(jīng)臨時用機(jī)械的固定方法（如氣開閥型在閥桿連接夾塊下面加墊金屬物將閥桿卡住）或氣動加壓到氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動再用機(jī)械固定的方法，使閥位維持在過程需要的一定位置，使生產(chǎn)得以繼續(xù)運(yùn)行。在線更換的步驟是：
拆卸下故障的智能閥門定位器，按原有安裝方式、反饋桿連接換裝新的備臺，并使定位器上的氣開/氣關(guān)選擇、輸出氣量限值保持原樣。
接通控制信號（送電），新裝的智能閥門定位器工作后，用代碼3確認(rèn)允許組態(tài)（用旋鈕按鍵選擇到代碼3，按下進(jìn)入，代碼閃動，選擇YES后按鍵，LCD左下出現(xiàn)允許組態(tài)符號），用代碼36進(jìn)行復(fù)位使參數(shù)恢復(fù)到缺省值。選擇代碼6為SUb模式，參見圖5。
必須輸入相應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)：代碼4的連接銷釘位置、代碼5的額定工作行程、代碼7的作用方向、代碼34的反饋軸轉(zhuǎn)動方向。此外，代碼11缺省100%行程組態(tài)為NO。
代碼35固定位置用旋鈕按鍵輸入當(dāng)前閥桿被固定的閥位（從行程刻度盤上量出指針?biāo)傅膍m數(shù)值）。
按下INIT初始化按鍵，啟動SUb替換功能，此時智能閥門定位器自動地以當(dāng)前固定閥位、反饋軸轉(zhuǎn)動方向和其他輸入?yún)?shù)為基礎(chǔ)計(jì)算初始化數(shù)據(jù)。
SUb替換初始化自動切換到手動（MAN）模式，LCD顯示被固定的閥位值（mm數(shù)），可改變手動輸出閥桿稍脫離到固定位，以便拆除機(jī)械固定物，恢復(fù)閥桿為受控狀態(tài)。使控制信號相當(dāng)于當(dāng)前閥位，將操作模式切換到自動（AUTO），顯示行程百分?jǐn)?shù)或角度，恢復(fù)控制回路的上位控制及正常運(yùn)行。
在線更換后，根據(jù)控制閥動作情況若需要優(yōu)化定位控制的響應(yīng)，可對代碼17（增益）和代碼18（時間常數(shù)）進(jìn)行設(shè)置適當(dāng)調(diào)整。
3730/3731系列智能閥門定位器本機(jī)具有單獨(dú)的SSP串行通信接口，可通過RS 232或USB連接到裝有SAMSON TROVIS-VIEW監(jiān)控軟件的PC機(jī)，可以使用軟件圖形界面進(jìn)行組態(tài)（離線和在線）、操作（如啟動初始化）、狀態(tài)監(jiān)視、性能和故障診斷，也能上傳數(shù)據(jù)并存儲文件和下裝組態(tài)數(shù)據(jù)并在線修改。
采用SUb替換初始化模式進(jìn)行智能閥門定位器在線更換，可以解決緊急狀態(tài)下的事件處理，盡管初始化的優(yōu)化效果不如正常初始化模式，或許閥位零點(diǎn)還會有些偏差，但作為應(yīng)急預(yù)案是有實(shí)際意義的。在先行保證過程運(yùn)行之后，若出現(xiàn)下一個可能進(jìn)行初始化的機(jī)會，再完成正常的初始化（可選NOM、MAX、MAN模式）。
結(jié)論
在多數(shù)智能閥門定位器不具備在線更換的情況下，SIPART PS2系列和3730/3731系列智能閥門定位器從服務(wù)用戶出發(fā)，考慮突發(fā)事件下的智能閥門定位器在線更換，分別在功能上提供了緊急情況在線更換的處理預(yù)案，或利用現(xiàn)場總線通信復(fù)制初始化數(shù)據(jù)，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)SUb替換初始化模式都獲得了成功的應(yīng)用實(shí)踐，維護(hù)了用戶的經(jīng)濟(jì)利益，對智能閥門定位器市場也有一定的示范作用。
SIPART PS2是基于測量閥位的電位器單獨(dú)可調(diào)，為滿足在線更換而提出復(fù)制初始化數(shù)據(jù)的操作方法，僅限支持現(xiàn)場總線通信的類型且以能保存有或能讀出待換閥門定位器的初始化數(shù)據(jù)為前提，是在相同固件上進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)原樣復(fù)制。3730/3731系列是設(shè)計(jì)時就考慮了在線更換，使固件專門具備替換功能的初始化模式，功能覆蓋在用量最大的4~20mA信號類型，不受現(xiàn)場總線通信限制適應(yīng)面更大，也不需掌握原有閥門定位器的內(nèi)部數(shù)據(jù)，但需做一些組態(tài)設(shè)置。
