摘要：调节阀是自控系统中的最终执行原件，一切控制方案的实施都由控制阀执行，因此控制阀回路的组态正确是自控系统正常工作的保证。本文通过对控制回路各个环节的讨论，明确了各环节的设置原则和方法，对实际工程项目具有指导意义。
关键词：调节阀;定位器;PID作用方式
1引言
调节阀作为最终控制原件最广泛的应用形式，在现代流程工业控制系统中起着十分重要的作用。所有控制回路中，都使用调节阀进行流量、液位、压力、温度的控制。调节阀与自动控制系统参数的正确设置是保证调节阀工作正常、满足控制目的的基本保证。
2调节阀
调节阀由执行机构和调节机构组成，接受调节器或控制系统的控制信号，用来改变被控介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到过程控制的自动化。
2.1调节阀的执行机构。执行机构按照驱动形式分为气动、电动和液动3种。执行机构不论是何种类型，其作用都是输出力去克服负荷的有效力(主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有关力的作用)。因此，为了使调节阀正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度密封和阀门的开启。
2.2调节阀的调节机构。调节阀门是调节阀的调节机构，它根据控制信号的要求而改变阀门开度的大小来调节流量，是一个局部阻力可以变化的节流元件。调节阀门主要由上下阀盖、阀体、阀瓣、阀座、填料及压板等部件组成。
2.3调节阀的作用方式。在炼化企业中，最常用的调节阀采用的是气动执行机构。在选用气动执行机构时，调节阀还有作用方式之分。其作用方式通过执行机构正反作用和调节阀门的正反作用组合形成。组合形式有4种，即正正(气关型)、正反(气开型)、反正(气开型)、反反(气关型)，通过这四种组合形成的调节阀作用方式有气开和气关两种。
对于调节阀作用方式的选择，主要从三方面考虑:(1)工艺生产安全;(2)介质的特性;(3)保证产品质量，经济损失最小。
3阀门定位器
阀门定位器是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，它接受调节器或自动控制系统的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀。
3.1阀门定位器的工作原理
阀门定位器是将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移量与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。
3.2阀门定位器的作用方式
按阀门定位器输出和输入信号的增益符号分为正作用阀门定位器和反作用阀门定位器。正作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号也增加，因此，增益为正。反作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号减小，因此，增益为负。
4控制系统
控制系统内与调节阀相关的组态主要包括两部分:AO通道的组态和控制回路PID的组态。
4.1AO通道的正向与反向。现代DCS集散控制系统中，针对AO通道都有操作输出值与实际输出电流对应关系的组态功能，用来明确操作输出值和实际输出电流的对应关系。
模拟量输出(AO)模块输出的4～20mA(或者1～5V)信号通常对应操作输出(MV)值的0～100%。但是，有时0～100%的操作输出值也可以对应20～4mA(或者5～1V)的模块输出。表示操作输出值(MV)和实际输出电流值的对应关系如图1所示。
4.2PID正反作用。PID调节器的正反作用如同定位器一样，是根据输出信号与输入偏差值的关系来确定的。其输出值随着偏差值的增大而增大，即为正作用;其输出值随着偏差值的增大而减少，即为反作用。
5控制回路各环节的设置与组态
对于控制回路组态，要按照先调节阀后控制器的顺序进行。
首先，在根据工艺安全、介质特性和经济的要求，选择调节阀的气开或气关形式。工艺生产流程确定了，调节阀的气开或气关形式就是确定的。将阀门定位器的作用形式设定为正作用，即阀门定位器的输入信号增加时，输出信号也增加，增益为正。
这样将调节阀与定位器作为一个整体(后文所述调节阀即包含定位器的调节阀整体)进行后续的考虑。
其次，对控制系统AO通道进行组态。通过第3节可知，系统的AO通道有正向、反向两种组态方法。组态原则是:对于气开阀将AO通道按照正向进行组态;对于气关阀将AO通道按照反向进行组态。以保证控制系统输出0%阀位，对应现场调节阀全关;输出100%阀位，对应现场调节阀全开。
图1操作输出值(MV)图与实际输出电流值对应关系
最后，确定控制系统PID的正反作用。
任何一个反馈控制系统都是由测量变送、控制器、调节阀、被控对零四个环节组成。PID调节器正反作用的选择，是以工艺的安全经济为前提来选择调节阀的开、关形式，然后再根据PID调节器、调节阀和对象的放大系数符号，以构成负反馈控制系统的原则来选择的。
先对控制系统组成四个环节的放大系数符号做些规定。测量变送环节的放大系数始终为正。PID调节器按其控制规律，其输出值随着偏差值的增大而增大，即正作用，其放大系数为正;其输出值随着偏差值的增大而减少，即负作用，其放大系数为负。调节阀的开度随输入信号增加而增加的气开调节阀，其放大系数为正;气关调节阀，其放大系数为负。对于被控对象，当被控参数与控制参数变化趋势相同时，其放大系数为正，当被控参数与控制参数变化趋势相反时，其放大系数为负。
为便于记忆，把以上规定简记为:将正作用PID调节器记为(+)，将反作用控制器记为(-)，将气开阀记为(+)，气关阀记为(-);将控制参数增加，被控参数亦增加的对象记为(+);控制参数增加，被控参数减少的对象记为(-)。
这时就可用以下PID调节器的正反作用判断式，来进行选择了。
•单回路PID调节器、串级控制系统的副回路控制器正反作用判断式:
(PID调节器±)×(调节阀±)×(对象±)=(-)
可知，当调节阀与被控对象符号相同时，PID调节器应选择反作用，相反时应选择正作用。
•串级控制系统的主回路PID调节器正反作用判断式:
(主控制器上±)×(主对象±)×(副对象±)=(-)
可知，当调节阀开大或关小，如主副参数同向变化时，主调节器应选择反作用，反向变化时应选择正作用。
总之，二个单环回路内所有环节的放大系数的连乘积为负，是判断该回路内PID调节器作用性质的依据。
6结语
本文通过对自控系统中调节阀、定位器、输出卡件以及PID作用形式的研究与讨论，明确了控制回路中各环节的设置与组态原则，对实际生产过程具有规范化和标准化的意义。
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论文作者:张兴永,刘红升
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/28
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