metso-neles-NDX系列智能阀门定位器原理和应用

Metso-nelesNDX系列智能阀门定位器原理和应用李宝华摘要：metso（美卓）旗下的neles（耐莱斯）在阀门定位器领域有着超过五十年的研发和生产经验，智能阀门定位器高端产品方面已有ND9000系列和ND7000系列，而技术研发始终以市场需求为导向，根据工业领域各应用客户的需求和建议来推动新品研发，美卓于2016年新推出一款NDX系列智能阀门定位器，主要针对应用HART通信的一般用户，适用于各个工业领域的单作用气动执行机构/控制阀，为不同用户提供通用的解决方案和设备智能管理的技术支持。关键词：NDX；智能阀门定位器；原理；结构；应用引言metso（美卓）旗下的neles（耐莱斯）在阀门定位器领域有着超过五十年的研发和生产经验，参见图1，从1961年生产第一台NP系列气动阀门定位器开始，又先后推出NE系列电气阀门定位器和ND800系列智能阀门定位器，之后在ND800基础上研发新一代智能阀门定位器，2003年发布ND9000系列智能阀门定位器，2010年推出增强的故障诊断、在线诊断以及具有鲁棒性、控制性能改善的ND9000系列新版本，随后在2013年推出ND9000固件简化后的ND7000系列智能阀门定位器，ND9000系列和ND7000系列均属智能阀门定位器高端产品，得到市场广泛认可。美卓的技术研发始终以市场需求为导向，根据工业领域各应用客户的需求和建议来推动新品研发，于2016年新推出一款NDX系列智能阀门定位器，主要针对应用HART通信的一般用户，具有超群的性能、独特的增强版诊断、高可靠性和高可用性，适用于各个工业领域的单作用气动执行机构/控制阀，易于安装和组态，可为不同应用提供通用的解决方案、可靠服务和设备智能资产管理的技术支持。NDX系列与ND9000/7000系列形成产品层级搭配，有利于多品种差异化选择对比营销。NDX系列智能阀门定位器图1metso-neles阀门定位器的发展历程图2metso-nelesNDX系列智能阀门定位器NDX系列智能阀门定位器参见图2，结构分解图参见图3。NDX系列基于模块化设计，树脂涂层铝合金外壳和聚碳酸酯盖子，本安防爆IEC/ATEX（Exi）和NEPSI（Exi），防护等级IP66/NEMA4X（可选IP67），温度范围-40至+85℃，重1.9kg。支持VDI/VDE3845和IEC60534-6安装连接标准，安装套件全新设计并向下兼容，可方便地替换NE700或ND9000，同样可以方便地安装到众多第三方厂家的单作用气动执行机构/控制阀（直行程5-120mm，角行程30-160º）。NDX系列为二线制4-20mADC回路供电和信号传输，最小控制电流3.8mA，负载电阻485Ω（20mA时9.7VDC），有反接保护和过电流保护，电子电路完全封装；阀位信号测量设计为非接触式；基于微处理器的智能阀位控制，优秀的动态和静态控制性能，带平稳持续负荷执行机构时的线性度为0.5%、死区为≤0.2%、迟滞性为0.5%，重复性为0.2%；具备本机用户界面（LUI），可以根据安装位置的不同旋转显示方向，4个电容触摸按钮，无需打开外盖即可组态和操作调试；系统支持HART通信协议版本6/7和具备开放性结构，本机/远程操作，增强版的诊断功能，自诊断、在线诊断、通信诊断，在线/离线测试和提供历史数据，支持FDT/DTM、EDDL，兼容主流DCS及资产管理系统。NDX系列可选内部集成阀位变送器，外部供电12-30VDC，输出4-20mA，线性度0.05%FS，故障安全输出3.5mA或22.5mA，最大外部负载690Ω。NDX系列的气动部件由前置先导级（I/P转换）和输出级的气动滑阀组成，供气压力140-800kPa（1.4-8bar），输出气量大，在400kPa供气压力下输出达到80Nm3/h，气动性能可适配大小规格的执行机构，无需外配气动继动器；稳态耗气量小（小于0.1Nm3/h）；配置有输出压力和气源压力传感器；可选压力表模块及排气塞。图3NDX系列结构分解图图4NDX系列工作原理工作原理NDX系列的工作原理如图4所示。当输入信号/电源和气源接通后，微处理器µC开始连续读取输入控制信号（设定值）、非接触式阀位传感器检测的行程/转角信号、压力信号（气源压力Ps、输出1的P1）、本机温度，自诊断功能用来保证所有检测操作的正确性。微处理器根据预置的定位控制算法对设定值与输入信号的偏差进行运算，计算出一个新的控制信号值给气动部件的前置先导级执行I/P转换，从而控制输出级气动滑阀动作和气动输出，改变的气动输出压力使气动执行机构驱动推杆/控制阀杆产生新的位移，进而改变阀位。阀位传感器检测到新的阀位变化并将测量信号送到微处理器中，形成一个闭环控制。微处理器则运用控制算法不断调整控制输出，直到阀位符合输入控制信号所要求的设定值为止。本机用户界面（LUI）显示阀位和状态信息以及进行本机操作。安装连接NDX系列提供多种安装套件，可安装连接到nelesVD型直行程执行机构、B系列角行程执行机构和符合VDI/VDE3845和IEC60534-6安装连接标准的控制阀/执行机构上，参见图5、图6和表1。表1.NDX系列的安装套件NDX系列用于NelesVD系列直行程执行机构的安装套件（包括支架和反馈磁铁）代码VD系列直行程执行机构行程（mm）材料部件号MS51VD2520AISI316H134414MS52VD2920-40AISI316H134388MS53VD3720-50AISI316H134392MS54VD48/55_R40-80AISI316H134368NDX系列用于直行程执行机构的安装套件（包括支架和反馈磁铁）代码直行程执行机构行程（mm）材料部件号MS61安装接口符合IEC60534-610-120AISI316H134584MS62Masoneilan37/38，尺寸9--15AISI316H138350MS63Masoneilan87/88，尺寸6--2312-64AISI316H134156MS64Fisher657/667，尺寸30--3419-29AISI316H134202MS65Fisher657/667，尺寸40--5038-51AISI316H138348MS66Fisher657/667，尺寸70--8776-102AISI316H138349NDX系列用于角行程执行机构的安装套件（包括支架和反馈磁铁）代码角行程执行机构安装尺寸部件号MS81安装接口符合VDI/VDE3845MetsoB系列BICU/B1JU6--2080X30-20（VDI1）H141553MS82安装接口符合VDI/VDE384580X30-30（VDI2）H141561MS83安装接口符合VDI/VDE3845130X30-30（VDI3）H141563MS84安装接口符合VDI/VDE3845130X30-50（VDI4）H141562安装连接的关键点是磁铁支架和反馈磁铁的正确装配，确保阀位检测正常可靠。在装配到直行程执行机构时，定位器和阀位反馈磁铁之间的位置要使磁铁放置在中间位置上，横向误差不超±3mm，磁铁中心点纵图5NDX系列的安装件图6NDX系列的阀位反馈磁铁向不可超出行程范围限制，磁铁距定位器端面应4.5mm±3mm（1.5-7.5mm），保证垂直和平行。在装配到角行程执行机构时，使用专门的安装套件，支架和固定螺丝的材料应该具有较低的导磁率。磁铁安装包括机械阀位指示器，注意用螺栓锁紧指示盘防止其翻转，磁铁拧紧需4Nm的力。磁铁位置的操作点不需调整，定位器支架装上即可，也不需机械调整。需要注意的是在阀位反馈磁铁周围一定范围内禁止有磁材料。对于nelesVD系列直行程执行机构，首先将磁铁支架和反馈磁铁安装到执行机构的连接器并拧紧螺丝，再将定位器支架安装件松动着装在执行机构上，使用专用的磁铁位置对齐工具检查磁铁能否在其槽内平缓滑动并固定对齐工具，调整好定位器支架位置并紧固螺栓，然后拿下磁铁位置对齐工具，将NDX安装到定位器支架上。对于符合IEC60534-6安装接口的直行程执行机构，先将相应的定位器支架安装件装在执行机构支架的凸缘上，把专用的磁铁位置对齐工具和磁铁支架装到一起，将磁铁支架松动着装在执行机构连接器上，再将磁铁位置对齐工具固定到定位器支架的中心孔位，调整磁铁支架的位置以及定位器支架，使得磁铁能在对齐工具的槽内平缓滑动，然后上紧磁铁支架螺丝，紧固定位器支架，取下磁铁位置对齐工具，将NDX安装到定位器支架上。NDX系列的气动连接如图7所示。气源接口S，1/4″NPT内螺纹，带压力表模块的S接口为G1/4″内螺纹；输出气压接口1，1/4″NPT内螺纹，带压力表模块的输出接口为G1/4″内螺纹；排气接口有两个，ExhI/ExhII，3/8″NPT内螺纹，带压力表模块的排气接口为G3/8″内螺纹。选有排气塞时需注意，ExhI和ExhII的排气塞规格有所不同，不要装错位置。连接时气源管接头时，可能要暂时将排气塞拆卸移开，最后再重新装上。NDX系列配有电气连接接口两个，标准为1/2″NPT，或M20X1.5加转换头，见图8。推荐使用屏蔽电缆，最大导线尺寸为2.5mm2/14AWG，并注意每根电缆的屏蔽线接地仅在一侧进行。本机操作和组态NDX系列本机用户操作界面（LUI）如图9所示，包括显示器和4个电容触摸按键，上箭头键和下箭头键可翻看显示和菜单及任何活跃的活动、选择按确认键进入菜单或选择更改参数、返回键取消动作或回到上一级。显示器的主显示可选单屏显示或3屏滚动显示，阀位可以用数值格式或图形格式进行显示，输入控制信号可以用百分数或mA值表示，气动压力值默认单位为bar，或选择psi，若有激活的事件/信息，显示其活动数量和说明信息，所有标识符都是显示在显示器右上角。LUI的操作无需拆下外盖；可选PIN密码锁住以防非受权或意外操作；设置有启动引导，方便进入组态；多语言显示，可选英文或中文；能够实施自动/手动/单点校准和3点测量线性化；控制阀组态包括执行机构类型及阀型、阀门死角（角行程控制阀）、安全切除范围、输入信号方向、阀门安全位置以及控制性能设置；图7NDX系列的气动连接图8NDX系列的电气连接LUI能够监测阀位、目标阀位、输入控制信号、本机温度、气源压力、去执行机构的压力；可通过LUI手动调节控制阀位。当按下LUI的确认键，可打开主菜单，包括启动引导（GuidedStartup）、校准（Calibration）、参数（Parameters）、线性化（Linearization）、手动控制（ManualControl）、用户指南（UserGuide）、关于..（About）。——启动引导会提供一种快速简便的方式，帮助用户完成启动NDX设备时的所有必要的步骤。当参数都已设置完毕，有指导的启动会引导进行校准流程。参见图11。当“启动引导”处于高亮显示时，按下确认键，进入菜单，按下后查看参数选项，进行正确选择，再按下接受新的值，出现“校准”菜单时，选择自动或手动校准。同时按和键启动校准，期间NDX会为阀位控制寻求最优的内部控制参数，确定开启和关闭点，校准完成后显示校准成功（Finish），此时按下返回菜单，或等待60秒后自动跳转到监视显示。图9NDX系列的本机用户界面（LUI）图10NDX系列的LUI显示图11NDX系列LUI“启动引导”——校准有手动校准和自动校准两个选项，打开主菜单，选择“校准”确认后校准菜单，选择手动或自动校准确认执行，此期间若按下返回键可中断校准进程并返回校准菜单。如果校准中断或校准失败，校准参数不会被修改。——参数菜单有14项细目，可对系统相关的最重要参数进行配置，以及一些用户界面的调整参数，参见图12。参数菜单细目分别为：1.语言。可选英文或中文；2.控制阀类型。可选直行程或角行程，若选角行程后，会弹出死角选择，用于补偿阀门固有死角；3.定位器故障动作。可选故障开或故障关；4.性能级。可选最大稳定、稳定、最优、快速、最快，出厂默认设置最优；图12NDX系列LUI的参数菜单”