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氣動控製閥典型附件控製原理與分析

摘 要:

激烈的國際性競爭促進了現代工業自動化生產過程控製的飛速發展,而氣動控製閥及其控製附件是實現工業自動化生產過程的重要手段。對此,本文介紹了氣動技術的基本回路以及典型的控製方案,分析並闡述典型控製回路以及相應的工作過程,這也為現代工業自動化生產過程及控製閥製造企業提供了參考和便捷的現場技術解決方案。

關鍵詞:

控製方案;原理;分析

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引言

在現代自動化生產過程中,控製係統對閥門提出各種各樣的特殊要求,因此控製閥必須配置各種附屬裝置(簡稱附件)來滿足生產過程的需要。例如,為了改善調節閥的靜態特性和動態特性,要配用定位器;為了使工作動力氣源保持幹淨和壓力穩定,必須配帶空氣過濾減壓閥;另外,為了實現如圖1所示的“常見控製閥安全失效模式”等功能特性和要求,也需相應的控製附件來達到相應的控製目的;總之,附件的作用就在於使控製閥的功能完善、合理、操控安全便捷。

工程中常見的3種控製閥安全失效模式

圖1 工程中常見的3種控製閥安全失效模式

Fig.1 Types of control valves in Figure 1 project safe failure mode

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典型控製方案與原理分析

鑒於控製閥附件配置功能要求多樣化,以及現代自動化過程控製工藝要求,現在這裏與業界同行共同探討,針對不同生產工藝控製環節和要求,列舉典型附件配置方案、進行逐一原理分析如下。

1.1 氣(電)正常任意調節閥位,連鎖及安全失效時閥均複位(FO或FC)

見圖2,在定位器的輸出到執行機構之間配一個兩位三通電磁閥,氣(電)正常時且配置中電磁閥帶電即P←→A相通,供給(4~20Ma)信號則實現任意閥位。當控製閥的電源出現故障時(失電或電源低於最小限定值)或者控製需緊急連鎖、以及電磁閥自身接觸不良等安全失效時均可換向即A→R相通,執行機構膜頭內的氣源迅速通過其電磁閥的R口排空,此時無論定位器給定信號與否,該控製閥門均處於初始位置(此圖配置是故障開)。從而保證相關工藝過程安全生產,也保證相關設備不被損壞。

典型控製方案與原理分析1

圖2 典型控製方案與原理分析1

Fig.2 Characteristic control method and principle analysis1

1.2 當氣(電)源正常可獨立調節、也可獨立切斷見配置

見圖3,依據現場工藝生產要求,同一台在某個時段時需要既能獨立實現調節操作也可獨立實現切斷操作。當氣(電)源正常,係統送出4~20Ma信號給定位器,並通過氣動加速器放大,途經氣控閥R→A至單作用執行機構(此時的氣控閥僅起一個通道的作用),即此過程實現閥門任意開度位置快速調節;當氣(電)源正常且中斷供給定位器信號,對電磁閥通電或斷電操作,此時與之配置的兩位三通氣控閥實現往複換向動作,即滿足P→A相通或R→A相通,則對應閥門位置全開或全關。

典型控製方案與原理分析2

圖3 典型控製方案與原理分析2

Fig.3 Typical control method and principle analysis2

1.3 可正常獨立調節、也可獨立切斷且均具備故障保持(FL)的功能(以單作用執行機構為例)見圖4

1)明確安全保護元件-信號比較器、氣動保位閥(氣鎖閥)的功能及特性:

①信號比較器:主要檢測當係統電信號大於設定時,則固態繼電器接通負載(電磁閥),當檢測係統電信號小於其設定時則切斷負載(電磁閥)電源;

②氣動保位閥(氣鎖閥):作為自動控製回路中重要的安全保護元件,當控製係統氣源故障(失氣)或低於該保位閥的設定值時,自動切斷調節儀表與控製閥的通道,使控製閥的開度保證停留在故障前的位置,從而使工藝過程正常運行;氣源故障消除後,又能自動恢複正常。

2)控製方案及控製原理闡述如下:

①當氣(電)源均正常,係統送出4~20Ma信號、(電壓AC或DC)分別給定位器和信號比較器。此時電磁閥B帶電,此時的兩位三通氣控閥相當於一通道,給定控製信號後實現閥任意位置調節;

②當信號比較器檢測到電信號或電源異常時則中斷與之連接的電磁閥B控製電源,電磁閥B換向,此時保位閥氣源進口(IN)壓力小於自身彈簧設定值,故實現故障保位;

③當主氣源斷氣或該氣源壓力低於保位閥自身彈簧設定值時,無論控製電源或電信號正常與否,該閥位均保持故障位置;

④當現場控製要求實現開關式操作時,則控製係統中斷對定位器、信號比較器信號供給。係統通過另一電纜對電磁閥B通電,再對電磁閥A通電或斷電操作,此時閥門將實現全開或全關位置動作。當出現②或③闡述異常之一時,閥均保持原位。

典型控製方案與原理分析3

圖4 典型控製方案與原理分析3

Fig.4 Typical control method and principle analysis3

1.4 可任意改變控製閥動作速度 (以單作用執行機構為例)見圖5

若現場工藝生產過程需人為改變其控製閥開或閥關動作速度即改變(延遲)動作響應,並依據控製響應指標人為地預設單向節流閥1或單向節流閥2內置的截流麵積,這兩個單向節流閥應為反向連接。

典型控製方案與原理分析4

圖5 典型控製方案與原理分析4

Fig.5 Typical control method and principle analysis4

1.5 三段式(始點、預設位置x%、終點)切斷閥(見圖6、7、8)

三段式氣動切斷閥現在世麵上基本是由三段式氣動執行器和球閥或蝶閥組成。它是一種特殊的氣動閥門,提供了閥初始位置、預設位置、終點位置的三段式操作方式,通過預設輔助活塞的運動位移,從而達到閥某位置開度的設定。(根據經驗預設閥位x%範圍一般為10%-60%)它依靠電磁閥來控製其閥的適宜位置,另外增配快速排氣或節流元件,使三段式控製閥具有非常優良的開關特性。對開閥、關閥速度可以進行調整,以適應各種工藝、包括流速不穩定的單支或多支管路。防止噴濺式進液,使管道中流體變化平穩,不會因衝擊產生水錘現象使易燃流體發生爆炸,亦不會因衝擊而損壞係統中流量計及其他儀表,因而適用於石油、化工、輕工、國防等行業的流量控製係統,因此它廣泛適用於介質倉貯、灌裝、裝車等係統。

①對於單作用三段式執行器,通過控製附件的配置組成它能實現(閥兩步開、一步關)或根據要求也可實現(閥兩步開、兩步關)見圖6及其動作時序。

②對於雙作用三段式執行器,通過控製附件的配置組成它能實現(閥一步開、兩步關)見圖7及其動作時序;(閥兩步開、兩步關)見圖8及其動作時序。

三段式切斷閥控製方案與原理分析1

圖6 三段式切斷閥控製方案與原理分析1

Fig.6 3-section cut off valve control method and principle analysis1

三段式切斷閥控製方案與原理分析2

圖7 三段式切斷閥控製方案與原理分析2

Fig.7 3-section cut off valve control method and principle analysis2

三段式切斷閥控製方案與原理分析3

圖8 三段式切斷閥控製方案與原理分析3

Fig.8 3-section cut off valve control method and principle analysis 3

1.6 切斷閥配雙作用執行器,正常時切斷、一旦斷電、斷氣或氣源低於最小值時閥門自動回到事故安全位置(全開或全關),見圖9

原理概述如下:

①氣源電源正常時,對電磁閥進行操作(通電或斷電)則實現閥門全開或全關動作。

②當斷電或斷氣以及氣源壓力低於最小值時,則儲氣罐內的氣源通過與之相連的氣控閥的常出口進氣實現閥門全開或全關即事故安全位置。

切斷閥控製方案與原理分析


      圖9 切斷閥控製方案與原理分析

Fig.9 Block valve control method and principle analysis

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結束語

本文通過對典型附件配置方案的一一列舉說明並提出了合理的解決方案,並對典型現代自動化生產過程裝置控製方案進行了闡述以及工作原理的說明,對生產過程控製閥裝置及其相關運用領域提供完整明確的解決思路。


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