在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中,控制系統(tǒng)對(duì)閥門提出各種各樣的特殊要求,因此控制閥必須配置各種附屬裝置(簡稱附件)來滿足生產(chǎn)過程的需要。例如,為了改善調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,要配用定位器;為了使工作動(dòng)力氣源保持干凈和壓力穩(wěn)定,必須配帶空氣過濾減壓閥;另外,為了實(shí)現(xiàn)如圖1所示的“常見控制閥安全失效模式”等功能特性和要求,也需相應(yīng)的控制附件來達(dá)到相應(yīng)的控制目的;總之,附件的作用就在于使控制閥的功能完善、合理、操控安全便捷。

圖1 工程中常見的3種控制閥安全失效模式

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

鑒于控制閥附件配置功能要求多樣化,以及現(xiàn)代自動(dòng)化過程控制工藝要求,現(xiàn)在這里與業(yè)界同行共同探討,針對(duì)不同生產(chǎn)工藝控制環(huán)節(jié)和要求,列舉典型附件配置方案、進(jìn)行逐一原理分析如下。

1.1 氣(電)正常任意調(diào)節(jié)閥位,連鎖及安全失效時(shí)閥均復(fù)位(FO或FC)

見圖2,在定位器的輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間配一個(gè)兩位三通電磁閥,氣(電)正常時(shí)且配置中電磁閥帶電即P←→A相通,供給(4~20Ma)信號(hào)則實(shí)現(xiàn)任意閥位。當(dāng)控制閥的電源出現(xiàn)故障時(shí)(失電或電源低于最小限定值)或者控制需緊急連鎖、以及電磁閥自身接觸不良等安全失效時(shí)均可換向即A→R相通,執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭內(nèi)的氣源迅速通過其電磁閥的R口排空,此時(shí)無論定位器給定信號(hào)與否,該控制閥門均處于初始位置(此圖配置是故障開)。從而保證相關(guān)工藝過程安全生產(chǎn),也保證相關(guān)設(shè)備不被損壞。

圖2 典型控制方案與原理分析1

Fig.2 Characteristic control method and principle analysis1

1.2 當(dāng)氣(電)源正常可獨(dú)立調(diào)節(jié)、也可獨(dú)立切斷見配置

見圖3,依據(jù)現(xiàn)場工藝生產(chǎn)要求,同一臺(tái)在某個(gè)時(shí)段時(shí)需要既能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)操作也可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)切斷操作。當(dāng)氣(電)源正常,系統(tǒng)送出4~20Ma信號(hào)給定位器,并通過氣動(dòng)加速器放大,途經(jīng)氣控閥R→A至單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)(此時(shí)的氣控閥僅起一個(gè)通道的作用),即此過程實(shí)現(xiàn)閥門任意開度位置快速調(diào)節(jié);當(dāng)氣(電)源正常且中斷供給定位器信號(hào),對(duì)電磁閥通電或斷電操作,此時(shí)與之配置的兩位三通氣控閥實(shí)現(xiàn)往復(fù)換向動(dòng)作,即滿足P→A相通或R→A相通,則對(duì)應(yīng)閥門位置全開或全關(guān)。

圖3 典型控制方案與原理分析2

Fig.3 Typical control method and principle analysis2

1.3 可正常獨(dú)立調(diào)節(jié)、也可獨(dú)立切斷且均具備故障保持(FL)的功能(以單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例)見圖4

1)明確安全保護(hù)元件-信號(hào)比較器、氣動(dòng)保位閥(氣鎖閥)的功能及特性:

①信號(hào)比較器:主要檢測當(dāng)系統(tǒng)電信號(hào)大于設(shè)定時(shí),則固態(tài)繼電器接通負(fù)載(電磁閥),當(dāng)檢測系統(tǒng)電信號(hào)小于其設(shè)定時(shí)則切斷負(fù)載(電磁閥)電源;

②氣動(dòng)保位閥(氣鎖閥):作為自動(dòng)控制回路中重要的安全保護(hù)元件,當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障(失氣)或低于該保位閥的設(shè)定值時(shí),自動(dòng)切斷調(diào)節(jié)儀表與控制閥的通道,使控制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(yùn)行;氣源故障消除后,又能自動(dòng)恢復(fù)正常。

2)控制方案及控制原理闡述如下:

①當(dāng)氣(電)源均正常,系統(tǒng)送出4~20Ma信號(hào)、(電壓AC或DC)分別給定位器和信號(hào)比較器。此時(shí)電磁閥B帶電,此時(shí)的兩位三通氣控閥相當(dāng)于一通道,給定控制信號(hào)后實(shí)現(xiàn)閥任意位置調(diào)節(jié);

②當(dāng)信號(hào)比較器檢測到電信號(hào)或電源異常時(shí)則中斷與之連接的電磁閥B控制電源,電磁閥B換向,此時(shí)保位閥氣源進(jìn)口(IN)壓力小于自身彈簧設(shè)定值,故實(shí)現(xiàn)故障保位;

③當(dāng)主氣源斷氣或該氣源壓力低于保位閥自身彈簧設(shè)定值時(shí),無論控制電源或電信號(hào)正常與否,該閥位均保持故障位置;

④當(dāng)現(xiàn)場控制要求實(shí)現(xiàn)開關(guān)式操作時(shí),則控制系統(tǒng)中斷對(duì)定位器、信號(hào)比較器信號(hào)供給。系統(tǒng)通過另一電纜對(duì)電磁閥B通電,再對(duì)電磁閥A通電或斷電操作,此時(shí)閥門將實(shí)現(xiàn)全開或全關(guān)位置動(dòng)作。當(dāng)出現(xiàn)②或③闡述異常之一時(shí),閥均保持原位。

圖4 典型控制方案與原理分析3

Fig.4 Typical control method and principle analysis3

1.4 可任意改變控制閥動(dòng)作速度 (以單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例)見圖5

若現(xiàn)場工藝生產(chǎn)過程需人為改變其控制閥開或閥關(guān)動(dòng)作速度即改變(延遲)動(dòng)作響應(yīng),并依據(jù)控制響應(yīng)指標(biāo)人為地預(yù)設(shè)單向節(jié)流閥1或單向節(jié)流閥2內(nèi)置的截流面積,這兩個(gè)單向節(jié)流閥應(yīng)為反向連接。

圖5 典型控制方案與原理分析4

Fig.5 Typical control method and principle analysis4

1.5 三段式(始點(diǎn)、預(yù)設(shè)位置x%、終點(diǎn))切斷閥(見圖6、7、8)

三段式氣動(dòng)切斷閥現(xiàn)在世面上基本是由三段式氣動(dòng)執(zhí)行器和球閥或蝶閥組成。它是一種特殊的氣動(dòng)閥門,提供了閥初始位置、預(yù)設(shè)位置、終點(diǎn)位置的三段式操作方式,通過預(yù)設(shè)輔助活塞的運(yùn)動(dòng)位移,從而達(dá)到閥某位置開度的設(shè)定。(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)閥位x%范圍一般為10%-60%)它依靠電磁閥來控制其閥的適宜位置,另外增配快速排氣或節(jié)流元件,使三段式控制閥具有非常優(yōu)良的開關(guān)特性。對(duì)開閥、關(guān)閥速度可以進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)各種工藝、包括流速不穩(wěn)定的單支或多支管路。防止噴濺式進(jìn)液,使管道中流體變化平穩(wěn),不會(huì)因沖擊產(chǎn)生水錘現(xiàn)象使易燃流體發(fā)生爆炸,亦不會(huì)因沖擊而損壞系統(tǒng)中流量計(jì)及其他儀表,因而適用于石油、化工、輕工、國防等行業(yè)的流量控制系統(tǒng),因此它廣泛適用于介質(zhì)倉貯、灌裝、裝車等系統(tǒng)。

①對(duì)于單作用三段式執(zhí)行器,通過控制附件的配置組成它能實(shí)現(xiàn)(閥兩步開、一步關(guān))或根據(jù)要求也可實(shí)現(xiàn)(閥兩步開、兩步關(guān))見圖6及其動(dòng)作時(shí)序。

②對(duì)于雙作用三段式執(zhí)行器,通過控制附件的配置組成它能實(shí)現(xiàn)(閥一步開、兩步關(guān))見圖7及其動(dòng)作時(shí)序;(閥兩步開、兩步關(guān))見圖8及其動(dòng)作時(shí)序。

圖6 三段式切斷閥控制方案與原理分析1

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

圖7 三段式切斷閥控制方案與原理分析2

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

圖8 三段式切斷閥控制方案與原理分析3

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

1.6 切斷閥配雙作用執(zhí)行器,正常時(shí)切斷、一旦斷電、斷氣或氣源低于最小值時(shí)閥門自動(dòng)回到事故安全位置(全開或全關(guān)),見圖9

原理概述如下:

①氣源電源正常時(shí),對(duì)電磁閥進(jìn)行操作(通電或斷電)則實(shí)現(xiàn)閥門全開或全關(guān)動(dòng)作。

②當(dāng)斷電或斷氣以及氣源壓力低于最小值時(shí),則儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣源通過與之相連的氣控閥的常出口進(jìn)氣實(shí)現(xiàn)閥門全開或全關(guān)即事故安全位置。

      圖9 切斷閥控制方案與原理分析

Fig.9 Block valve control method and principle analysis

本文通過對(duì)典型附件配置方案的一一列舉說明并提出了合理的解決方案,并對(duì)典型現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程裝置控制方案進(jìn)行了闡述以及工作原理的說明,對(duì)生產(chǎn)過程控制閥裝置及其相關(guān)運(yùn)用領(lǐng)域提供完整明確的解決思路。