环顾您的家庭或办公室，很明显，世界已经变得数字化。实际上，数字化不再是一个“流行语”，因为我们周围的许多事物已经变成了数字化。您是否将汽车中的收音机称为“数字收音机”？不，您只是说“收音机”。为什么？因为除非它是老爷车，否则假定收音机是数字的，因此形容词是不必要的。实际上，您可能发现自己不得不将某些东西描述为“模拟”，因为这不再是常态。
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| 图1.三种典型的控制阀安装。迁移到数字定位器的过程在左侧情况下最容易，而在右侧情况下最具挑战性。 |
近年来，随着各种各样的新数字设备的出现，过程控制也正在进行类似的转变，并且安装了越来越多的设备。但是，过渡仍在进行中。
例如，某些过程控制设施只是在采用数字阀门定位器时稍慢一些，因为它们希望对这种不熟悉的技术更加满意。其他人则转向数字设备，但保持了“模拟心态”，并像使用其模拟前身一样使用数字定位器。回到汽车收音机的类比，他们拥有最新的支持蓝牙，卫星和MP3的系统，但仅使用它收听六个本地广播电台。
无论哪种情况，结果都是相同的。维持现状并使用技术来帮助工厂操作员节省时间，金钱和挫败感，同时潜在地提高产品质量和增强安全性，这些技术要么未被采用，要么未被充分利用。
过渡到数字式阀门定位器的第一步是了解如何在工厂中轻松，经济地实施它们。本文将通过回顾可用的各种技术并重点介绍应采取的步骤来帮助确保成功过渡，从而弥合这一差距。此外，它将解释工厂操作员如何实现许多人认为是“不可能完成的任务”，即“热切换”，或在过程工作流继续不间断的情况下切换到数字阀门定位器。
为什么要转向数字阀门技术？
将过程控制工厂从模拟控制技术领域转移到数字控制技术领域应该被视为永久性的举措。正如本文所强调的那样，这种永久的过渡可以带来巨大的好处。但是，在考虑采取任何永久措施时，工厂人员应确保在进行下一步操作之前清楚地了解其优缺点。
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| 图2.此图说明了DVP的数字反馈与阀门的真实机械位置之间的关系。DVP具有可用于测量阀门排量的可用范围。该可用范围的一部分将由DVP使用。 |
考虑数字化是一个非常简单的理由-在当今完全互联的世界中具有竞争力。无论是生产动力，原材料还是制成品的加工厂，在全球经济紧密联系的情况下，都承受着不断提高其卓越运营（盈利能力，工厂效率，质量和安全性的结合）的持续压力。数字阀门定位器可以通过快速而精确地向他们提供所需信息来帮助加工厂应对这些挑战。
性能不佳的$ 3,000控制阀会因停机，生产损失，效率降低和不安全事件而造成重大损失。使用数字式阀门定位器可以减少此类损失，因为它们的移动部件更少，可以自动校准并且可以提供诊断信息，使工厂人员可以更轻松地监控阀门的健康状况。结果是提高了控制阀的可靠性，可重复性和可持续的性能，并在影响过程之前和更容易纠正的情况下检测到阀的退化。
数字阀门定位技术：选件
数字式阀门定位器（DVP）可以分为两类：混合式和全数字式。
混合定位器将模拟信号（电流）用作命令信号，同时在该信号上叠加允许双向通信的频率。HART协议是混合协议的一个示例。
在全数字实现中，命令信号以二进制形式提供，该二进制形式由通信协议进行编码和解码。基金会现场总线和Profibus PA协议是DVP的全数字技术的示例。
混合定位器：利弊
混合DVP为希望使用数字技术而不用全神贯注的最终用户提供了许多好处。
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| 图3.任何任务的成功都取决于拥有正确的工具和可靠的执行计划。此“热切换”过程的流程图确定了需要回答的基本问题，过程中的关键步骤以及必要的工具。 |
与保留全数字设备相比，实现混合定位器的破坏性较小，因为保留了现有资产和基础设施，例如控制器，机柜和接线。最终用户可以通过增加的正常运行时间和可靠性迅速受益，而所需的工程工作量更少，资本投资也更少。
可持续性是混合动力装置的另一个主要优势，因为控制阀门的模拟信号不变，并且熟悉度意味着对DVP进行故障排除，改造或更换所需的培训较少。
同样，与模拟定位器不同，DVP可以指导最终用户进行设置和故障排除过程，因为它可以提供有关其状况的连续信息。因此，花在猜测可能导致问题的原因上的时间更少，因此团队可以更快地着手解决问题。
在不利的一面，混合技术最终将成为过时技术，因此，是否过渡到全数字设备不是问题，而是何时。
全数字化：优缺点
全数字实现需要完全替换过程控制器，因为发给DVP的控制信号不再是模拟信号，而是严格数字信号。因此，升级到完全数字化是一个更大的飞跃，但也可以带来其他好处。
全数字DVP实现的主要优点是信息在通信总线上来回无缝移动。在混合系统中，信息仅在定位器和控制器之间传播。在全数字实现中，它也可以在设备之间传播。结果，该信息可以被控制结构内的所有资产所使用，从而有助于使过程控制变得智能而强大。
对过程和控制系统资产的完整无阻的了解是未开发（或新建）项目的设计人员考虑使用完全数字系统的原因之一。在混合安装中，每个阀都单独接线，并且在调试过程中必须分别测试每个导线。在工厂中可能有数百个阀门时，该过程可能非常耗时。但是，在全数字实现中，几个控制阀可以从一个主通讯干线中排出，因此只需要一个测试装置即可测试多个阀。简化了调试过程，并加快了设备的启动和运行时间。
此外，完全数字化的实现方式可以进行预测性维护。根据ARC咨询小组的一项研究，“现场总线的真正价值是与运营支出（OpEx）相关，而不是与资本支出（CapEx）相关。最终用户报告说，预测性维护是使用现场总线带来的最大的节省。”（“《过程工业全球展望》中的现场总线解决方案，”宝拉·好莱坞，2007年）。
当您认为控制阀是工厂效率的重要因素，并且占设备维护预算的很大一部分时，这才有意义。全数字DVP可以提供警报和关键阀门健康指示器，使工厂人员可以使用可行的信息来提前计划。
这些是强大的优势，但确实带来了其他挑战。全数字定位器的缺点是它是全数字的。因此，操作员必须了解字节和位的影响。他或她不需要知道“ 111101010”代表什么来使DVP与控制回路一起工作，而是需要附加的软件和计算机技能来设置和调试全数字设备，因为它是支持通讯的软件在DVP和其他数字资产之间。如果数字定位器没有正确设置并与其他资产集成在一起，它将无法响应命令信号。
结果，还有更多的参数需要理解和正确设置。平均而言，全数字DVP具有500个参数，每个参数平均有四个可能的设置–或2,000个可能的组合。相比之下，典型的混合设备（具有HART通讯）具有120个参数，每个参数平均三个选项–仅有360种可能的组合。换句话说，设置全数字DVP是一个更复杂的过程，虽然它不是火箭科学，但确实需要适当的培训。
迈出第一步：走向数字化
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| 图4.数字阀门定位器可在恶劣服务应用中提供可靠的过程控制，例如此照片中所示的安装。 |
经过充分的准备，可以在过程运行（在线）或停机（离线）期间成功完成向数字技术的迁移。混合实现可以在现有控制系统到位的情况下完成，而全数字化情况则需要安装能够进行数字通信的全新控制系统，例如FOUNDATION Fieldbus或PROFIBUS。
情况1：脱机–过程关闭或阀门被隔离时
当安装混合DVP（带HART的4-20mA）时，重要的考虑因素是在阀上或阀附近是否有可用的4-20mA信号。如果现有信号传送到电流-压力转换器（I / P转换器）或电动气动定位器，则只需很少的工程设计。在大多数情况下，涉及的工程将与变更管理（MOC）有关，因为DVP将使用现有的布线代替模拟定位器。
如果过程正在运行，但是可以隔离（旁路）阀门，则最好利用远程数字通讯。机械安装完成后，人员可以移至安全区域进行校准，从而避免不必要地暴露于潜在危险的过程环境中。
在全数字实施中，由于DVP将与过程控制系统进行数字集成，因此在安装之前需要进行其他工程设计。该工程通常包括：
确定通信段上DVP是否有可用地址。网段上的每个设备必须具有自己的数字地址，以便它可以与网段上的其他每个设备交换信息。
量化循环的总执行时间。在大多数控制回路中，需要一秒钟的时间来处理所测量的变量并将命令信号提供给最终控制元件。但是某些循环（例如流量和压力）需要更快地执行。在这些情况下，添加多个DVP可能无法提供强大的控制。
识别DVP中每个过程控制循环所需的功能块。例如，有必要确定过程PID是否将驻留在DVP或通信网段的其他位置。如果PID将驻留在DVP中，则必须事先仔细检查和确定用于过程控制的参数。
情况2：在线–运行过程时（又称“热切换”）
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| 图5.此处显示的功能将混合定位器和改进后的阀门与保留原始模拟定位器的阀门组合在一起。 |
如果无法关闭该过程，则用数字设备替换模拟定位器仍然相对容易。这种技术称为“热切换”或“在线安装”。
许多工厂操作人员仍然认为热切换是“不可能完成的任务”，而当用一个传统的模拟定位器替换另一个时，的确如此。但是，一些炼油厂和石化厂在工厂运行期间已成功用混合设备取代了模拟定位器，从而避免了因工厂停产而造成的大量生产损失。
最终用户还成功完成了“不可能完成的任务2” –在工厂运行时从完全气动的控制系统迁移到完全数字化的系统。此功能的关键在于，使用DVP时，几乎不需要机械调整，并且可以预设零位和跨度。这样就可以用DVP代替气动定位器，而无需移动阀门进行校准。
在这种情况下，必须将阀门隔离，锁定在其现有位置或保持其故障安全（打开或关闭）位置。因此，建议在阀开始工作之前对DVP进行配置和校准，从而最大程度地减少隔离阀或手动锁定阀的时间。
使热切换成为可能的原因是DVP的零位和跨度不是机械的。设置与0％到100％行程相对应的起点和终点时，没有螺钉可以转动，梁不需平衡或弹簧可以调节。数字化零位和跨度，并调整DVP的反馈机制以匹配阀门的实际位置。例如，如果在设置零和跨度后阀门的机械位置读数为25％，则可以轻松调整DVP的反馈系统，使其报告25％。
图2说明了DVP的数字反馈与阀门的真实机械位置之间的关系。DVP具有可用于测量阀门排量的可用范围。该可用范围的一部分将由DVP使用。
当然，任何任务的成功都取决于正确的工具和可靠的执行计划。图3中的流程图确定了需要回答的基本问题，流程中的关键步骤以及在流程“上线”时升级到数字技术所需的工具。
成功过渡到数字设备的注意事项
无论是升级到混合技术还是全数字技术，以下都是要牢记的一些主要注意事项。
接线/电源：模拟定位器需要2-3 Vdc，而DVP可能需要12 Vdc。并非所有的传统控制系统都能够向需要12 Vdc的DVP提供4-20mA的命令信号。在DVP替代串联的两个模拟定位器的分程控制阀应用中，更可能出现这种功率不足的情况。
指定DVP时，在拆除旧的模拟定位器之前，工厂人员应核实控制器输出能够承受的最大负载，并相应地选择DVP。如果电压仍然不足，尤其是当串联安装两个定位器时，则需要一个电压更高的信号调节器。
在全数字实现中，正确的布线至关重要，因为它会大大影响数字信号的质量。如果接线没有正确接地和端接，信号质量将受到损害，设备之间的通信将变慢，从而影响通信总线上的每个设备。
DVP数量：在同一条线上安装的DVP数量越多，如果该总线断电或该总线的主干线断开，则多个控制阀将退出服务的风险就越大。一个好的经验法则是，每个段不超过三个阀，并且在关键应用和极其快速的过程控制回路中，每个阀只有一个阀。
培训/人员：计划升级到全数字系统时，工厂人员必须分配足够的时间和资源来培训内部团队。否则，一旦安装完成并且供应商已进入下一个项目，他们可能会很快意识到他们不具备支持和维护新系统所需的知识。因此，有必要在升级计划中包括详细的培训计划，并且该计划包括正在进行的培训，直到团队对设备进行舒适的使用为止。
大多数DVP制造商都提供产品培训计划，许多学院和美国仪器学会（ISA）都提供出色的课程。这些程序教与会人员如何安装和设置DVP，如何使用手持设备调试DVP以及如何进行故障排除。
使用混合动力装置所需的培训更加简单，因为命令信号类似于模拟设备的信号，并且不需要特殊的系统配置即可使阀门与控制系统一起工作。
支持工具：基本的4-20 mA信号发生器和电压表不足以支持带DVP的混合或全数字安装-尤其是全数字安装。
当配备LCD或用于设置和校准的本地按钮时，可以在设备上本地设置一些4-20mA HART定位器，而其他一些则需要具有HART调制解调器或能够与DVP通信的便携式手持校准器的软件。与设置模拟定位器相比，数字定位器的用户友好界面和提供故障排除信息的能力大大简化了设置过程。
全数字DVP还需要专用电源，具有数字通信功能的手持设备或计算机，调制解调器，软件和通信分析仪。这些工具随时可用，在开发项目范围时，仅是对此类工具进行计划和预算的问题。
回路调整/控制系统调整：想象中型汽车中的四缸发动机。您已经驾驶这辆车多年，并且习惯于在经过另一辆车或完全停止后启动时在油门踏板上施加一定的压力。现在，在同一辆汽车上安装功率更大，效率更高的八缸发动机。如果您以同样的方式踩油门踏板，轮胎很有可能会发出刺耳的声音。更糟糕的是，您可能会撞到面前的汽车。
在工厂中已安装的控制阀上改装DVP时，适用相同的理论。直到信号变化1％或2％或什至更大时，老式的模拟定位器才可能响应，并且在阀门定位时可能没有那么快和准确。但是，基于这些性能特征对环路进行了调整和优化。相反，具有精确反馈传感器，较少机械运动部件和快速控制算法的DVP可以响应低至0.1％的命令信号，并更快，更准确地移动阀门。控制阀的动态响应已经发生了巨大变化，因此，对于这种新的控制阀性能，回路调节可能过于激进。
对这个问题最糟糕的反应是使DVP失谐并使它像四缸发动机一样运转。这样做将挫败迁移到数字设备的目的之一–提高工厂性能。最佳实践是让过程控制工程师从模拟设备转移到数字设备时，要团队合作，以最大限度地提高控制阀的整体性能。
使DVP的数据正常工作
如前所述，最终用户报告说，进行预测性维护的能力是使用现场总线所带来的节省的最大贡献。关键是DVP能够轻松访问诊断信息。
在较旧的控制系统上的混合安装中，使用无线技术可以经济高效地将DVP和资产监控工具链接在一起。新型控制器可以与混合DVP通信，而无需无线技术的介入。全数字化DVP可以将数TB的过程信息放在工厂人员的指尖。
但是，当数据与可操作的信息一起交付使用时，这些数据才最有价值。在升级为数字阀门技术时，工厂还必须投资于工具，例如工厂资产管理软件和在线阀门监控工具，这些工具以可行的格式捕获，合并和显示信息。
工厂人员还必须调整他们的工作流程（并经常改变观念）以使用这些新工具。经常会安装数字设备，然后由于习惯保持不变并且无法访问可用数据并采取行动而收集灰尘。
他周围的世界已经变得数字化。从很多方面来说，移民使我们变得更有生产力和效率，使我们的日常生活更加轻松，并使我们每天使用的东西功能更强大，更可靠，更友好。得益于当今的数字阀门定位技术，在过程控制领域中可能会发生同样的事情。它所需要的只是一点计划和开始旅程的意愿。