1机械限位式PST装置

1.1实现方法

　　通过机械限位实现PST功能，即通过机械部件来限制阀门转动的位置，或者限制执行机构活塞杆移动位置，以达到要求的测试功能。
　　以阀杆机械限位为例,PST装置工作原理如图1所示，可以通过螺钉对开槽的阀杆进行限位。

　　通常情况下，当电磁阀失电时，阀门气源被切断，执行机构内的气源被排出，阀门开始向失气位动作,若事先将用于PST功能的螺钉拧至底部,那么在阀门动作到PST位的时候会被螺钉锁死，然后重新将电磁阀励磁，阀门回到正常位置，拧出螺钉，整个PST测试顺利完成。
　　对于不同口径的阀门,其阀杆规格也有不同的标准，大口径阀门的阀杆较粗，宜在阀杆上开槽作为限位装置，而小口径的阀门阀杆较细，开槽可能影响阀杆的整体性能，故更宜使用切面进行限位。在阀杆经过特殊加工后，阀杆的尺寸选择应按照开槽或切削之后的直径进行设计。
　　另外，可以在机械限位装置上加上保险锁，以防止条件不允许情况下的操作。在完成整个PST功能流程后，必须要解除机械锁止，并上保险锁。

1.2优势分析

　　由图1可知，整个阀杆机械限位式PST装置中，只包含1根螺钉(或其他机械装置)以及与之相对应的特殊阀杆。该系统没有任何电子元件，所以可靠性极高，几乎不存在任何影响到阀门本身安全性的风险。整个测试过程也非常得简便，操作员可以在现场直接观察到阀门的动作，以判断阀门是否卡涩或者存在其他的机械故障。另外，由于其结构简单，该方案可加装在已经投入运行的紧急切断阀上，无须拆装任何气路，不会影响到阀门的正常运行，而其廉价的加工制造成本也比较适合该装置的推广使用。

1.3存在的问题

　　机械限位式PST装置同样存在一些不足，其中主要的一点便是在实施PST的过程中，阀位是被机械锁死的。如果在实施PST的时候，联锁正好发生，那么测试中的阀门是无法快速跳至安全位的。虽然这种情况发生的概率极小，但从原则上而言，这种风险是确实存在的。
　　此外，气缸机械限位式PST装置中，其制造成本会随着气缸体积的增大而大幅上升。大扭矩拨叉式执行机构由于本身气缸长度较长，加上限位装置之后会额外增加其长度，可能给安装施工等方面带来诸多不便，且操作便捷度也会随之下降，故更适合配置于小口径阀门的小扭矩执行机构之上，尤其是齿轮齿条式执行机构。
　　所以，从某种意义上说，该类方案更适用于一些一般工况的紧急切断阀。另外，机械限位式PST装置由于不存在电子反馈元件，所以整个过程必须操作员在现场逐一测试，消耗的人工时可能相对较大。

2PST专用执行机构

2.1气缸开孔式

　　PST专用执行机构2.1.1实现方法气缸开孔式PST专用执行机构在原理上比较类似于机械锁止的方案，区别在于该方案锁止的是气缸内的活塞，从而达到锁止阀位的效果。PST专用执行机构气路如图2所示。

　　图2为气缸开孔的一种方案,其中电磁阀1为PST功能开启电磁阀，气控阀1和气控阀2均为先导式气控阀，用于PST功能开启后的气路切换，而电磁阀2则为ESD用电磁阀。在阀门处于正常状态时，电磁阀2励磁，主气路贯通，气缸活塞被推至A位置。当准备开启PST功能时,则先由控制系统发送DO启动信号至电磁阀1将其励磁，则PST气路被联通，2个先导气控阀均获得气源：其中气控阀2跳至上阀位，将主气路切断并形成憨压；气控阀1同时也跳至上阀位，PST气路排气。
　　此时气缸内的仪表空气开始从开孔点P排气，活塞也随之开始移动，当活塞经过P点到达B位置之后，气缸内形成憋压，阀位变动停止。当确认好阀位变化之后，只要使电磁阀1失电，主气路重新贯通，PST气路阻断，活塞又重回A位置，整个PST流程也随之结束。
　　从图2的方案中可以发现，气缸开孔点P为整套PST的核心。在PST功能开启后，气缸活塞会滑动并经过点P，然后通过活塞边缘的球体堵住开孔点，完成排气过程并将活塞锁止，其密封性能也对气缸的整体制造工艺提出了一定的要求。
另外，根据不同的需求，将电磁阀1改为手控阀,即PST功能可在现场手动开启并完成测试流程。

2.1.2PST功能与停车联锁

　　当阀门被机械锁止，即阀杆被锁的时候，无法及时应对突然的联锁信号，而PST专用执行机构，其实并未将阀杆或阀体机械锁止，而是通过气缸内剩余的仪表空气维持住了阀位。即在PST流程中，若联锁发生，电磁阀2掉电，则气缸内的剩余气体可迅速被排出，阀门运行至失气位（联锁位）。
　　所以,该方案的PST功能模块并不会影响到原有的联锁功能,可将PST功能视作是一个独立的功能模块,这是该方案优于普通机械限位式PST装置的重要一点。

2.1.3存在的不足

　　与机械限位式PST装置类似，上述两种方案都需要事先从工艺流程角度计算好PST的最大阀门行程，然后进行相应的机械制造，该行程通常情况下无法改变。

2.2辅助气缸式PST专用执行机构

　　辅助气缸式PST专用执行机构在原理上类似于气缸的机械限位方案，是该方案的“高配远程控制版”,与气缸开孔的方案则存在较大不同。该方案的核心是在气缸末端额外增加一个辅助气缸，气缸内设置限位活塞，辅助气缸式PST执行机构原理如图3所示。PST过程中，由辅助气缸中的活塞对主气缸活塞进行限位,以实现PST的核心功能。

　　辅助气缸式PST执行机构气路如图4所示，在该方案的气路中，主气缸电磁阀用于常规ESD功能,辅助气缸电磁阀用于PST功能。当PST开始时,DCS发出命令，打开辅助气缸电磁阀，辅助气缸进气并推动限位活塞，当活塞到达指定位置时,DCS才能允许切断主气缸电磁阀，开始PST的关键步骤。此时主气缸开始排气，活塞到达辅助气缸中的限位位置并保持一段时间。当确认阀门动作正常，控制系统恢复主气缸电磁阀励磁，主气缸进气，阀门回到正常位置，而后切断辅助气缸电磁阀，随着辅助气缸回到初始位置，一套完整的PST全流程进行完毕。

　　该方案中，由于配置的2个电磁阀的状态将直接影响到阀门的动作位置，所以联锁逻辑的设计尤为重要。为避免PST的过程影响到原有的ESD功能,必须相应调整阀门在SIS中的组态。一种较为通用的辅助气缸式PST执行机构控制逻辑如图5所示。
由图5可知，该功能模块输入1为该阀门原有工艺联锁的触发条件，输人2和输人3分别为PST的两个关键步骤，即打开辅助气缸限位和正式测试阀门,2个信号均由DCS(硬接线)发送。功能块的2个输出则对应PST专用执行机构的2个电磁阀。根据2.2节中所述的测试步骤,设计出的辅助气缸式PST执行机构逻辑模块真值见表1所列。

　　由表1可知，该阀门原ESD的触发条件被触发时，不管此时是否正在进行PST,该模块会强制将2个电磁阀信号切断，以保证阀门能够运行到联锁位置。针对有联锁动作时间要求的紧急切断阀，辅助气缸的动作时间应小于主气缸的动作时间。此外，需要特别注意的是，为防止操作员在做测试时误将限位气缸排气，导致阀门误动作，该情况下功能块的输出电磁阀信号均为“保持”，以避免意外停车的情况。
　　在实际应用的过程中,可以结合接人DCS的阀门限位开关和阀位传感器，来远程判断阀门PST测试情况，并结合压力变送器监测辅助气缸的压力，以保障限位功能的顺利打开，避免因限位活塞卡住而导致测试时意外停车的情况。

3通过常规气路附件实现PST功能

3.1以气动放大器为核心元件实现PST功能

　　气动放大器构建的PST系统气路如图6所示。该方案在紧急切断阀的气路中增加了阀门定位器,调节阀门的开度,以完成PST功能。阀门气路被划分为两路：主气路和PST气路，然后通过气动放大器进行连接。PST气路中，电磁阀2为PST启动用电磁阀，正常工况下电磁阀2不带电，ESD智能定位器被旁路，PST气路中的仪表空气直接作用于气动放大器的信号输人端。当最大气源压力直接作用于气动放大器的信号端时，阀芯被完全顶开，主气路畅通，紧急切断阀到达正常工作阀位；当PST启动的信号经由控制系统发出，电磁阀2励磁，ESD智能定位器介入到PST气路当中，其输出气源信号作用在气动放大器的信号端上，可以间接调节进人气缸的气源压力，达到调节阀门开度的功能。若此时联锁产生，电磁阀1掉电，紧急切断阀也可正常跳至联锁位，故图6虚线框内的PST装置并不会影响原有联锁功能。
　　相较于普通ESD定位器的气路方案，该方案的优点在于通过气动放大器来完成类似于电路“三极管”的功能，使定位器并联在原有主气路之上，而非串联。若正常工况下ESD定位器故障，也不会对原有的气路造成任何影响。由于气动放大器在气路中扮演重要角色，所以在气路配置之时，一般均会选用高SIL等级的气动放大器。

3.2以机控换向阀为核心元件实现PST功能

　　在该方案中，气路系统只需额外增加1台机械控制换向阀，滑阀构建的PST系统气路如图7所示，即可实现PST核心功能。其中，当电磁阀励磁时，主气路导通，气缸进气，阀门打开。当需要进行PST时，外操人员只需在现场用钥匙启动锁控换向阀，气控换向阀则会切断令主气缸排气，阀门开始关闭。当阀杆行程到指定位置时，经特殊设计的机械结构推动机控换向阀使锁控换向阀的机械控制端受压，阀芯回到原始位置，此时主气路两位阀重新导通，气缸进气，阀门回到全开位置。至此，一套完整的现场PST流程即进行完毕。

3.3与机械限位类PST装置的比较

　　相较于机械限位类的PST装置，以滑阀为核心元件的PST方案同样具有结构简单的优势，整套气路系统仅增加2个元件，且不影响原有ESD功能,具有非常高的可用性。
　　ESD智能定位器配合气动放大器的方案在阀门行程可调上具有明显的优势，能够更好地应对变化的过程工况，满足不同的测试需求。此外，ESD智能定位器可以结合远端软件，记录下测试的数据，便于操作人员分析比较的同时，也可提供各类自检与报警功能。

3.4应用前景

　　根据前文的分析与比较可以发现，单纯的限位类PST装置虽然可以观察到阀门动作，但并没有更多的信息供系统分析。而ESD智能定位器配合气动放大器的PST方案则拥有更为强大的拓展功能：在释放执行机构弹簧压力的同时，配合气源和输出压力传感器，定位器可收集执行机构压力和行程数据并进行分析，结合阀门全行程特性曲线，以了解阀座关紧力的详细情况。可以通过相应的软件，记录阀门PST测试时的阀位-压力变化的趋势等数据,并由HART通信传到SIS中进行进一步的分析和诊断,这些功能是限位类PST装置所不具备的。所以从长远发展来看，虽然ESD智能定位器可能成本相对更高，但其强大的智能化、数字化的解决方案无疑有更好的前景。

4其他产品

　　除了上述的三种主流PST方案之外,还有其他一些PST相关的产品。例如美卓的ValveGuardrM系列PST智能阀门定位器，以及MasoneilanSVIIESD系列智能PST测试用阀门定位器[9,不仅可接受常规的SIS联锁信号，也可接受PST的相关信号（启动信号与小行程信号），将ESD智能定位器气路锁实现的功能集成到一个产品中，并取得相应的SIL认证，但必须在系统侧配有相关的信号转换卡件才能实现全部功能。另外，例如ValvetopTM带PST功能(D-ESDSIL-3系列)的阀门控制器在原限位开关中集成了PST相关功能模块：在开启PST后控制器会切断气路，当控制器内的GOTMSwitch确认阀位到测试位后便立即打开气缸进气，完成PST功能。
　　此外,FISHER,SAMSON等主流控制阀制造商也都先后推出了具有PST功能的数字式ESD阀门定位器，其PST功能在线测试过程中,可同时测量阀门行程、给定信号、设定点偏差、输出控制信号等,具有分析超调、死区、上升时间和响应时间等参数的功能，此外系统还可获取控制阀常规信息和自诊断信息。

5PST中需重点关注的一些问题

　　在本文详述的若干种PST的实现方式中，各类方式都能有效完成PST的核心任务，即令阀体动作所需的行程。但在测试过程中,对于测试结果的分析，有一些指标需要关注。

5.1部分行程动作时间

　　阀门部分行程的动作时间在很多PST方案设计中容易被忽略，该时间实际是反应阀门动作能力的一项测试指标。在一套完善的PST系统中，通常会在阀门出厂前，记录一次PST行程的动作时间，即阀门从初始位到达PST测试位的动作时间。在阀门投用后，每一次的PST过程都应记录相应的动作时间，并将该值与出厂初始值作比较，作为阀门PST测试成功与否的一项指标。
　　阀门在实际工况应用中，可能遭受工艺介质不同程度的冲击、腐蚀，或是长期高温工况中产生微量的形变，这些变量都可能对阀门造成不同程度的影响。当PST行程时间明显超过初始值的时候，应当判定阀门PST失败,并对阀门进行相应的分析。其中,造成PST动作时间出现明显偏差的可能原因有：阀门填料损坏、阀杆损坏、执行机构弹簧疲劳/损坏，阀门气路附件堵塞/损坏。
　　而PST动作时间的计算，一般可通过加装磁性位置传感器实现，由控制系统计算PST命令发出时间与阀门到达PST位的时间差，并记录在系统中，作为历史数据进行比较，可作为阀门运行状态的一项参考指标。

5.2ESD电磁阀的测试

　　据统计，紧急切断阀的失效原因中，约30%是来自于电磁阀的故障,在PST过程中,是否对电磁阀进行测试，是一项比较重要的内容。
　　根据上文的分析比较发现，限位类的PST方案在测试过程中，,都会对ESD电磁阀进行操作,其本质是模拟联锁的触发，并对阀门部件进行机械限位，在该过程中,无疑对阀门的所有关键硬件都进行了一次测试,具有很好的完整性。这相对其他类型的PST方案而言，也是一项非常重要的优势。

5.3执行机构行程过载问题

　　在辅助气缸式PST专用执行机构的设计过程中,需要考虑到行程过载的问题：若阀杆出现粘附的情况,则PST动作刚开始时，弹簧被阀轴卡阻的阻力制约,并不会立即动作,而是存在一个蓄力的过程。一旦弹簧蓄力结束开始动作，由于惯性的问题，活塞在短行程内的惯量很大，可能会出现行程过载，即活塞行程超出PST默认设置行程，进而影响工艺过程。行程过载问题在辅助气缸PST方案中较为明显，不同于机械限位，依靠仪表气源配合限位活塞更容易出现行程过载问题。为有效避免该情况，双弹簧结构的执行机构更适合配置辅助气缸式PST方案。
　　双弹簧拨叉执行机构类似于齿轮齿条式执行机构，都是在两端设置气缸弹簧，可以平衡力矩,降低了行程过载所带来的误停车风险。
　　阀杆机械限位类的PST方案中，虽然可通过机械部件限制活塞的行程，但仍需充分考虑阀杆在经过开槽、切削等机械加工位置后的扭转强度，结合机械限位螺丝本身的强度，全面计算阀杆的破坏扭矩，并严格核实执行机构的输出扭矩及阀杆安全系数,以保证PST硬件的机械安全性能。

6各类PST实现方式的适用性比较

　　PST功能实现的种类和方案繁多，在实际应用中,经济性和功能性是最终用户最为关注的两个方面。六种不同方案的PST系统的全方位对比见表2所列，针对各个方案的简易程度和硬件成本进行了评级。

　　从表2可以看出，机械限位类PST方案经济性高、可靠性好，虽功能上有所欠缺，是PST中的“低配”方案，但由于其极强的适配性，且能一并测试ESD电磁阀，非常适合投资控制较为严格的项目。特制执行机构类PST方案成本较高，需要阀门制造商在执行机构的额外设计制造上投入很大的成本，目前应用范围较小。而气路设计类由于没有特制元件，仅依靠常规的阀门配件即可实现PST功能，非常适合各大阀门制造商应用。其中气动放大器配合阀门定位器的系统从功能性上来看属于PST中的“高配"方案，且投资适中，无专利壁垒,适配性极强，非常适合一般的阀门制造商应用。