環顧您的家庭或辦公室，很明顯，世界已經變得數字化。實際上，數字化不再是一個“流行語”，因為我們周圍的許多事物已經變成了數字化。您是否將汽車中的收音機稱為“數字收音機”？不，您只是說“收音機”。為什么？因為除非它是老爺車，否則假定收音機是數字的，因此形容詞是不必要的。實際上，您可能發現自己不得不將某些東西描述為“模擬”，因為這不再是常態。

圖1.三種典型的控制閥安裝。遷移到數字定位器的過程在左側情況下最容易，而在右側情況下最具挑戰性。

近年來，隨著各種各樣的新數字設備的出現，過程控制也正在進行類似的轉變，并且安裝了越來越多的設備。但是，過渡仍在進行中。

例如，某些過程控制設施只是在采用數字閥門定位器時稍慢一些，因為它們希望對這種不熟悉的技術更加滿意。其他人則轉向數字設備，但保持了“模擬心態”，并像使用其模擬前身一樣使用數字定位器。回到汽車收音機的類比，他們擁有最新的支持藍牙，衛星和MP3的系統，但僅使用它收聽六個本地廣播電臺。

無論哪種情況，結果都是相同的。維持現狀并使用技術來幫助工廠操作員節省時間，金錢和挫敗感，同時潛在地提高產品質量和增強安全性，這些技術要么未被采用，要么未被充分利用。

過渡到數字式閥門定位器的第一步是了解如何在工廠中輕松，經濟地實施它們。本文將通過回顧可用的各種技術并重點介紹應采取的步驟來幫助確保成功過渡，從而彌合這一差距。此外，它將解釋工廠操作員如何實現許多人認為是“不可能完成的任務”，即“熱切換”，或在過程工作流繼續不間斷的情況下切換到數字閥門定位器。

為什么要轉向數字閥門技術？

將過程控制工廠從模擬控制技術領域轉移到數字控制技術領域應該被視為永久性的舉措。正如本文所強調的那樣，這種永久的過渡可以帶來巨大的好處。但是，在考慮采取任何永久措施時，工廠人員應確保在進行下一步操作之前清楚地了解其優缺點。

圖2.此圖說明了DVP的數字反饋與閥門的真實機械位置之間的關系。DVP具有可用于測量閥門排量的可用范圍。該可用范圍的一部分將由DVP使用。

考慮數字化是一個非常簡單的理由-在當今完全互聯的世界中具有競爭力。無論是生產動力，原材料還是制成品的加工廠，在全球經濟緊密聯系的情況下，都承受著不斷提高其卓越運營（盈利能力，工廠效率，質量和安全性的結合）的持續壓力。數字閥門定位器可以通過快速而精確地向他們提供所需信息來幫助加工廠應對這些挑戰。

性能不佳的$ 3,000控制閥會因停機，生產損失，效率降低和不安全事件而造成重大損失。使用數字式閥門定位器可以減少此類損失，因為它們的移動部件更少，可以自動校準并且可以提供診斷信息，使工廠人員可以更輕松地監控閥門的健康狀況。結果是提高了控制閥的可靠性，可重復性和可持續的性能，并在影響過程之前和更容易糾正的情況下檢測到閥的退化。

數字閥門定位技術：選件

數字式閥門定位器（DVP）可以分為兩類：混合式和全數字式。

混合定位器將模擬信號（電流）用作命令信號，同時在該信號上疊加允許雙向通信的頻率。HART協議是混合協議的一個示例。

在全數字實現中，命令信號以二進制形式提供，該二進制形式由通信協議進行編碼和解碼。基金會現場總線和Profibus PA協議是DVP的全數字技術的示例。

混合定位器：利弊

混合DVP為希望使用數字技術而不用全神貫注的最終用戶提供了許多好處。

圖3.任何任務的成功都取決于擁有正確的工具和可靠的執行計劃。此“熱切換”過程的流程圖確定了需要回答的基本問題，過程中的關鍵步驟以及必要的工具。

與保留全數字設備相比，實現混合定位器的破壞性較小，因為保留了現有資產和基礎設施，例如控制器，機柜和接線。最終用戶可以通過增加的正常運行時間和可靠性迅速受益，而所需的工程工作量更少，資本投資也更少。

可持續性是混合動力裝置的另一個主要優勢，因為控制閥門的模擬信號不變，并且熟悉度意味著對DVP進行故障排除，改造或更換所需的培訓較少。

同樣，與模擬定位器不同，DVP可以指導最終用戶進行設置和故障排除過程，因為它可以提供有關其狀況的連續信息。因此，花在猜測可能導致問題的原因上的時間更少，因此團隊可以更快地著手解決問題。

在不利的一面，混合技術最終將成為過時技術，因此，是否過渡到全數字設備不是問題，而是何時。

全數字化：優缺點

全數字實現需要完全替換過程控制器，因為發給DVP的控制信號不再是模擬信號，而是嚴格數字信號。因此，升級到完全數字化是一個更大的飛躍，但也可以帶來其他好處。

全數字DVP實現的主要優點是信息在通信總線上來回無縫移動。在混合系統中，信息僅在定位器和控制器之間傳播。在全數字實現中，它也可以在設備之間傳播。結果，該信息可以被控制結構內的所有資產所使用，從而有助于使過程控制變得智能而強大。

對過程和控制系統資產的完整無阻的了解是未開發（或新建）項目的設計人員考慮使用完全數字系統的原因之一。在混合安裝中，每個閥都單獨接線，并且在調試過程中必須分別測試每個導線。在工廠中可能有數百個閥門時，該過程可能非常耗時。但是，在全數字實現中，幾個控制閥可以從一個主通訊干線中排出，因此只需要一個測試裝置即可測試多個閥。簡化了調試過程，并加快了設備的啟動和運行時間。

此外，完全數字化的實現方式可以進行預測性維護。根據ARC咨詢小組的一項研究，“現場總線的真正價值是與運營支出（OpEx）相關，而不是與資本支出（CapEx）相關。最終用戶報告說，預測性維護是使用現場總線帶來的最大的節省。”（“《過程工業全球展望》中的現場總線解決方案，”寶拉·好萊塢，2007年）。

當您認為控制閥是工廠效率的重要因素，并且占設備維護預算的很大一部分時，這才有意義。全數字DVP可以提供警報和關鍵閥門健康指示器，使工廠人員可以使用可行的信息來提前計劃。

這些是強大的優勢，但確實帶來了其他挑戰。全數字定位器的缺點是它是全數字的。因此，操作員必須了解字節和位的影響。他或她不需要知道“ 111101010”代表什么來使DVP與控制回路一起工作，而是需要附加的軟件和計算機技能來設置和調試全數字設備，因為它是支持通訊的軟件在DVP和其他數字資產之間。如果數字定位器沒有正確設置并與其他資產集成在一起，它將無法響應命令信號。

結果，還有更多的參數需要理解和正確設置。平均而言，全數字DVP具有500個參數，每個參數平均有四個可能的設置–或2,000個可能的組合。相比之下，典型的混合設備（具有HART通訊）具有120個參數，每個參數平均三個選項–僅有360種可能的組合。換句話說，設置全數字DVP是一個更復雜的過程，雖然它不是火箭科學，但確實需要適當的培訓。

邁出第一步：走向數字化

圖4.數字閥門定位器可在惡劣服務應用中提供可靠的過程控制，例如此照片中所示的安裝。

經過充分的準備，可以在過程運行（在線）或停機（離線）期間成功完成向數字技術的遷移。混合實現可以在現有控制系統到位的情況下完成，而全數字化情況則需要安裝能夠進行數字通信的全新控制系統，例如FOUNDATION Fieldbus或PROFIBUS。

情況1：脫機–過程關閉或閥門被隔離時

當安裝混合DVP（帶HART的4-20mA）時，重要的考慮因素是在閥上或閥附近是否有可用的4-20mA信號。如果現有信號傳送到電流-壓力轉換器（I / P轉換器）或電動氣動定位器，則只需很少的工程設計。在大多數情況下，涉及的工程將與變更管理（MOC）有關，因為DVP將使用現有的布線代替模擬定位器。

如果過程正在運行，但是可以隔離（旁路）閥門，則最好利用遠程數字通訊。機械安裝完成后，人員可以移至安全區域進行校準，從而避免不必要地暴露于潛在危險的過程環境中。

在全數字實施中，由于DVP將與過程控制系統進行數字集成，因此在安裝之前需要進行其他工程設計。該工程通常包括：

• 確定通信段上DVP是否有可用地址。網段上的每個設備必須具有自己的數字地址，以便它可以與網段上的其他每個設備交換信息。

• 量化循環的總執行時間。在大多數控制回路中，需要一秒鐘的時間來處理所測量的變量并將命令信號提供給最終控制元件。但是某些循環（例如流量和壓力）需要更快地執行。在這些情況下，添加多個DVP可能無法提供強大的控制。

• 識別DVP中每個過程控制循環所需的功能塊。例如，有必要確定過程PID是否將駐留在DVP或通信網段的其他位置。如果PID將駐留在DVP中，則必須事先仔細檢查和確定用于過程控制的參數。

情況2：在線–運行過程時（又稱“熱切換”）

圖5.此處顯示的功能將混合定位器和改進后的閥門與保留原始模擬定位器的閥門組合在一起。

如果無法關閉該過程，則用數字設備替換模擬定位器仍然相對容易。這種技術稱為“熱切換”或“在線安裝”。

許多工廠操作人員仍然認為熱切換是“不可能完成的任務”，而當用一個傳統的模擬定位器替換另一個時，的確如此。但是，一些煉油廠和石化廠在工廠運行期間已成功用混合設備取代了模擬定位器，從而避免了因工廠停產而造成的大量生產損失。

最終用戶還成功完成了“不可能完成的任務2” –在工廠運行時從完全氣動的控制系統遷移到完全數字化的系統。此功能的關鍵在于，使用DVP時，幾乎不需要機械調整，并且可以預設零位和跨度。這樣就可以用DVP代替氣動定位器，而無需移動閥門進行校準。

在這種情況下，必須將閥門隔離，鎖定在其現有位置或保持其故障安全（打開或關閉）位置。因此，建議在閥開始工作之前對DVP進行配置和校準，從而最大程度地減少隔離閥或手動鎖定閥的時間。

使熱切換成為可能的原因是DVP的零位和跨度不是機械的。設置與0％到100％行程相對應的起點和終點時，沒有螺釘可以轉動，梁不需平衡或彈簧可以調節。數字化零位和跨度，并調整DVP的反饋機制以匹配閥門的實際位置。例如，如果在設置零和跨度后閥門的機械位置讀數為25％，則可以輕松調整DVP的反饋系統，使其報告25％。

圖2說明了DVP的數字反饋與閥門的真實機械位置之間的關系。DVP具有可用于測量閥門排量的可用范圍。該可用范圍的一部分將由DVP使用。

當然，任何任務的成功都取決于正確的工具和可靠的執行計劃。圖3中的流程圖確定了需要回答的基本問題，流程中的關鍵步驟以及在流程“上線”時升級到數字技術所需的工具。

成功過渡到數字設備的注意事項

無論是升級到混合技術還是全數字技術，以下都是要牢記的一些主要注意事項。

接線/電源：模擬定位器需要2-3 Vdc，而DVP可能需要12 Vdc。并非所有的傳統控制系統都能夠向需要12 Vdc的DVP提供4-20mA的命令信號。在DVP替代串聯的兩個模擬定位器的分程控制閥應用中，更可能出現這種功率不足的情況。

指定DVP時，在拆除舊的模擬定位器之前，工廠人員應核實控制器輸出能夠承受的最大負載，并相應地選擇DVP。如果電壓仍然不足，尤其是當串聯安裝兩個定位器時，則需要一個電壓更高的信號調節器。

在全數字實現中，正確的布線至關重要，因為它會大大影響數字信號的質量。如果接線沒有正確接地和端接，信號質量將受到損害，設備之間的通信將變慢，從而影響通信總線上的每個設備。

DVP數量：在同一條線上安裝的DVP數量越多，如果該總線斷電或該總線的主干線斷開，則多個控制閥將退出服務的風險就越大。一個好的經驗法則是，每個段不超過三個閥，并且在關鍵應用和極其快速的過程控制回路中，每個閥只有一個閥。

培訓/人員：計劃升級到全數字系統時，工廠人員必須分配足夠的時間和資源來培訓內部團隊。否則，一旦安裝完成并且供應商已進入下一個項目，他們可能會很快意識到他們不具備支持和維護新系統所需的知識。因此，有必要在升級計劃中包括詳細的培訓計劃，并且該計劃包括正在進行的培訓，直到團隊對設備進行舒適的使用為止。

大多數DVP制造商都提供產品培訓計劃，許多學院和美國儀器學會（ISA）都提供出色的課程。這些程序教與會人員如何安裝和設置DVP，如何使用手持設備調試DVP以及如何進行故障排除。

使用混合動力裝置所需的培訓更加簡單，因為命令信號類似于模擬設備的信號，并且不需要特殊的系統配置即可使閥門與控制系統一起工作。

支持工具：基本的4-20 mA信號發生器和電壓表不足以支持帶DVP的混合或全數字安裝-尤其是全數字安裝。

當配備LCD或用于設置和校準的本地按鈕時，可以在設備上本地設置一些4-20mA HART定位器，而其他一些則需要具有HART調制解調器或能夠與DVP通信的便攜式手持校準器的軟件。與設置模擬定位器相比，數字定位器的用戶友好界面和提供故障排除信息的能力大大簡化了設置過程。

全數字DVP還需要專用電源，具有數字通信功能的手持設備或計算機，調制解調器，軟件和通信分析儀。這些工具隨時可用，在開發項目范圍時，僅是對此類工具進行計劃和預算的問題。

回路調整/控制系統調整：想象中型汽車中的四缸發動機。您已經駕駛這輛車多年，并且習慣于在經過另一輛車或完全停止后啟動時在油門踏板上施加一定的壓力。現在，在同一輛汽車上安裝功率更大，效率更高的八缸發動機。如果您以同樣的方式踩油門踏板，輪胎很有可能會發出刺耳的聲音。更糟糕的是，您可能會撞到面前的汽車。

在工廠中已安裝的控制閥上改裝DVP時，適用相同的理論。直到信號變化1％或2％或什至更大時，老式的模擬定位器才可能響應，并且在閥門定位時可能沒有那么快和準確。但是，基于這些性能特征對環路進行了調整和優化。相反，具有精確反饋傳感器，較少機械運動部件和快速控制算法的DVP可以響應低至0.1％的命令信號，并更快，更準確地移動閥門。控制閥的動態響應已經發生了巨大變化，因此，對于這種新的控制閥性能，回路調節可能過于激進。

對這個問題最糟糕的反應是使DVP失諧并使它像四缸發動機一樣運轉。這樣做將挫敗遷移到數字設備的目的之一–提高工廠性能。最佳實踐是讓過程控制工程師從模擬設備轉移到數字設備時，要團隊合作，以最大限度地提高控制閥的整體性能。

使DVP的數據正常工作

如前所述，最終用戶報告說，進行預測性維護的能力是使用現場總線所帶來的節省的最大貢獻。關鍵是DVP能夠輕松訪問診斷信息。

在較舊的控制系統上的混合安裝中，使用無線技術可以經濟高效地將DVP和資產監控工具鏈接在一起。新型控制器可以與混合DVP通信，而無需無線技術的介入。全數字化DVP可以將數TB的過程信息放在工廠人員的指尖。

但是，當數據與可操作的信息一起交付使用時，這些數據才最有價值。在升級為數字閥門技術時，工廠還必須投資于工具，例如工廠資產管理軟件和在線閥門監控工具，這些工具以可行的格式捕獲，合并和顯示信息。

工廠人員還必須調整他們的工作流程（并經常改變觀念）以使用這些新工具。經常會安裝數字設備，然后由于習慣保持不變并且無法訪問可用數據并采取行動而收集灰塵。

他周圍的世界已經變得數字化。從很多方面來說，移民使我們變得更有生產力和效率，使我們的日常生活更加輕松，并使我們每天使用的東西功能更強大，更可靠，更友好。得益于當今的數字閥門定位技術，在過程控制領域中可能會發生同樣的事情。它所需要的只是一點計劃和開始旅程的意愿。