比例、伺服電液控制技術(shù)在催化裝置滑閥中的應(yīng)用比較

任志光

(洛陽三隆安裝檢修有限公司 , 河南 洛陽471012)

摘要：2010年8月，洛陽石化二聯(lián)合催化雙動(dòng)滑閥(南)由伺服電液控制機(jī)構(gòu)升級(jí)改造為比例電液控制機(jī)構(gòu)，這是洛陽石化催化裂化裝置建成以來使用的第一臺(tái)比例電液控制機(jī)構(gòu)。本文介紹了比例及伺服電液控制機(jī)構(gòu)的工作原理，并通過對(duì)抗污染能力、調(diào)試過程難易程度、能耗、對(duì)硬件診斷的支持與否、響應(yīng)頻率、生產(chǎn)操作以及運(yùn)行維護(hù)等七方面將兩電液控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行了比較，最終得出了比例電液控制機(jī)構(gòu)比起伺服電液控制機(jī)構(gòu)具有更多優(yōu)點(diǎn)，更適合催化裂化裝置生產(chǎn)環(huán)境下工作的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：比例閥 ； 伺服閥 ； 電液控制機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TQ050.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

收稿日期：2014-11-12

作者簡(jiǎn)介：任志光(1983-)，男，工程師，從事石化儀表行業(yè)維護(hù)工作，電話：18965553075。

0前言

目前洛陽石化二聯(lián)合催化有8臺(tái)電液控制機(jī)構(gòu)，分別用于再生滑閥、待生塞閥、雙動(dòng)滑閥(兩臺(tái))、汽油沉降器滑閥(3臺(tái))、主風(fēng)機(jī)高溫蝶閥。相對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說它具有控制精度高、輸出推力大、響應(yīng)速度快、動(dòng)作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在催化裂化裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)、生產(chǎn)操作優(yōu)化過程中起著關(guān)鍵作用。

目前再生滑閥、待生塞閥、雙動(dòng)滑閥采用的均是由蘭州煉油化工機(jī)械廠生產(chǎn)的LBHF系列的伺服電液控制機(jī)構(gòu)，由于該系列的控制機(jī)構(gòu)中的位置放大器、反饋放大器、報(bào)警板以及電源板等關(guān)鍵電路板已停產(chǎn)，造成備件采購困難，導(dǎo)致特閥設(shè)備存在嚴(yán)重隱患，而目前比例電液控制機(jī)構(gòu)的應(yīng)用已非常廣泛，在其他煉廠使用的效果也比較好，對(duì)LBHF系列的伺服電液控制機(jī)構(gòu)的替代技術(shù)也比較成熟?；谝陨显?，2010年8月洛陽石化將二聯(lián)合催化裝置雙動(dòng)滑閥(南)由之前的伺服電液控制機(jī)構(gòu)升級(jí)改造為由九江環(huán)球科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的BLF-ⅢB系列的比例電液控制機(jī)構(gòu)，這是洛陽石化催化裂化裝置建成以來使用的第一臺(tái)比例電液控制機(jī)構(gòu)。本文就目前洛陽石化使用的比例與伺服電液控制機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)二者進(jìn)行了比較。

1伺服電液控制機(jī)構(gòu)工作原理

伺服電液控制機(jī)構(gòu)是通過伺服閥來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與油信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換的。

1.1　伺服閥控制原理

伺服閥的工作是基于前置級(jí)控制閥的力矩馬達(dá)和輸出級(jí)滑閥之間的力反饋原理。前置級(jí)偏轉(zhuǎn)板射流放大器由流放盤和開有導(dǎo)流窗口的偏轉(zhuǎn)板組成。射流盤開有一條射流通道和兩條對(duì)稱相同的接受通道，射流通道將射流噴嘴與壓力油源連通，兩個(gè)接受口與滑閥閥芯PC1、PC2相通，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　伺服閥結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)外界有控制信號(hào)輸入到伺服閥線圈中時(shí)，在銜鐵組件上產(chǎn)生一個(gè)電磁力使銜鐵組件繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，偏轉(zhuǎn)板發(fā)生偏轉(zhuǎn)使噴口中射出的液體經(jīng)射流放大器的偏轉(zhuǎn)板全部射入與PC1腔(以射入PC1腔為例)，此時(shí)PC1>PC2，使閥芯產(chǎn)生一個(gè)向左的位移；連接在銜鐵組件上的反饋桿以力的形式來測(cè)定閥芯

的位置，這種力稱為反饋力，且隨著閥芯左移距離的加大而增大。當(dāng)閥芯左移產(chǎn)生的反饋力與輸入信號(hào)產(chǎn)生的電磁力相平衡時(shí)，閥芯停止向左運(yùn)動(dòng)，停留在一個(gè)新的平衡位置；射流放大器的偏轉(zhuǎn)板恢復(fù)到中間位置。伺服閥由C2口提供與輸入信號(hào)成比例的流量。

1.2　閥位控制原理

閥位控制是通過伺服放大器來完成的，其采用的是插板式結(jié)構(gòu)，由位置放大器、反饋放大器、報(bào)警板和電源板組成，其控制閥位的控制框圖見圖2。

圖2　伺服電液控制機(jī)構(gòu)閥位控制框圖

伺服放大器一方面接受來自主控室的4~20 mA的輸入指示信號(hào)，另一方面接受位移傳感器的反饋信號(hào)。這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過反饋放大器的處理，被送到比較器中作為輸入指令信號(hào)進(jìn)行比較，得到一個(gè)偏差信號(hào)。位置放大器將在偏差信號(hào)的作用下輸出控制電流以驅(qū)動(dòng)電液伺服閥。電液伺服閥控制伺服油缸帶動(dòng)閥體動(dòng)作。當(dāng)閥位到達(dá)輸入指令信號(hào)所要求的位置時(shí)，偏差信號(hào)減少到零，位置放大器不再向電液伺服閥輸出控制電流，伺服油缸停止運(yùn)動(dòng)，閥位保持在這個(gè)位置上，同時(shí)反饋放大器還向中控室提供一個(gè)4~20 mA的電流信號(hào)顯示閥位。

1.3　伺服電液控制技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中的問題

在伺服電液執(zhí)行結(jié)構(gòu)長期使用過程中，存在如下問題：

1.3.1伺服閥堵塞

由于伺服閥對(duì)液壓油顆粒含量要求非常高，所以在使用過程中，必須嚴(yán)密監(jiān)控整個(gè)油系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，一旦油系統(tǒng)進(jìn)入催化劑粉塵或其他污染物，將直接導(dǎo)致伺服閥故障，即整個(gè)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)將無法使用。一旦出現(xiàn)該故障將只能采取更換或返廠維修，維修周期以及成本均很高。

1.3.2集成電路板故障判斷困難

伺服電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)計(jì)算與判斷是通過伺服放大器、反饋放大器以及報(bào)警板等電路板所組成，且其本身沒有硬件診斷功能，一旦電路板出現(xiàn)故障，維護(hù)人員以及操作人員無法第一時(shí)間給出判斷，只能通過替換法判斷電路板故障，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)維保人員技術(shù)水平要求極高，不利于維護(hù)。

1.3.3備件可供性差

該系列電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)已投用十余年，目前，該系列伺服電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置放大器、反饋放大器、報(bào)警板以及電源板等關(guān)鍵電路板已停產(chǎn)，造成備件采購困難，導(dǎo)致滑閥設(shè)備存在嚴(yán)重隱患。

2比例電液控制機(jī)構(gòu)工作原理

比例電液控制機(jī)構(gòu)是通過比例閥來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與油信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換的。

2.1　比例閥控制原理

如圖3所示它由前置級(jí)和放大級(jí)兩部分組成。其中前置級(jí)由電液比例雙向減壓閥構(gòu)成，放大級(jí)由液動(dòng)比例雙向節(jié)流閥構(gòu)成。

1.減壓閥芯　2、3.電磁鐵　4.主閥芯

前置級(jí)由兩端比例電磁鐵2、3分別控制雙向減壓閥閥芯1的位移。如果左端比例電磁鐵2輸入電流I1，則產(chǎn)生電磁吸力FE1使減壓閥閥芯1右移，右邊閥口開啟，供油壓力由p經(jīng)閥口后減壓為pc(控制壓力)。因pc經(jīng)流道反饋?zhàn)饔玫介y芯右端面(閥芯左端通回油pd)，形成一個(gè)與電磁吸力FEl方向相反的液壓力F1，當(dāng)Fl=FEl時(shí)，閥芯停止右移穩(wěn)定在一定的位置，減壓閥右邊閥口開度一定，壓力pc保持一個(gè)穩(wěn)定值。顯然控制壓力pc與供油壓力pS無關(guān)，僅與比例電磁鐵的電磁吸力即輸入電流大小成比例。

放大級(jí)由閥體、主閥芯、左右端蓋等零件組成。當(dāng)前置級(jí)輸出的控制壓力pc經(jīng)阻尼孔緩沖后作用在主閥芯4右端時(shí)，液壓力克服左端彈簧力使閥芯左移(閥芯左端彈簧腔通回油pd)開啟閥口，油口ps(供油壓力)與A通，B與T(回油線)通。隨著彈簧壓縮量增大、彈簧力增大，當(dāng)彈簧力與液壓力相等時(shí)，主閥芯停止左移穩(wěn)定在某位置，閥口開度一定。因此，主閥開口大小也取決于輸入的電流大小。

2.2　閥位控制原理

圖4　比例電液控制機(jī)構(gòu)閥位控制框圖

閥位控制是由西門子PLC-200來完成的，如圖4所示，中控室的4～20 mA自控信號(hào)SP、位移傳感器經(jīng)位移放大器轉(zhuǎn)換的信號(hào)(閥位信號(hào))PV分別經(jīng)I/0端子輸入S-235 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，并將SP、PV兩信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果再由S-235 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 ，在其輸出端R、V端子輸出(-10 V)-(0 V)-(+10 V)給比例閥配套的功率放大器做輸入信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的編程指令運(yùn)算控制比例閥的各線圈，使相應(yīng)油道開通，可控制閥門的運(yùn)行，而位移傳感器經(jīng)位移放大器轉(zhuǎn)換后信號(hào)輸入至中控室進(jìn)行閥位顯示。

3比例、伺服電液控制機(jī)構(gòu)的比較

3.1　抗污染能力的比較

抗污染能力是比例閥與伺服閥之間性能上最根本的差異。

抗污染能力差是伺服閥的通病，這是由伺服閥的結(jié)構(gòu)和其工作原理決定的，因?yàn)槠渥钚×魍讖絻H為35 μm。這也是其在使用過程中出現(xiàn)故障的最主要的原因，而且伺服閥一旦被污染，只能更換或返廠清洗，無法短時(shí)間內(nèi)處理正常，且清理或更換的成本代價(jià)很高。為了控制響應(yīng)速度及精度，伺服電液控制機(jī)構(gòu)對(duì)液壓油的過濾等級(jí)要求很高，有“新油即臟油”的概念，即：要求加新油前用≤10 μm過濾器對(duì)新油進(jìn)行過濾。并且在安裝伺服閥時(shí)要求只有在安裝之前才能把運(yùn)輸護(hù)板摘下，且不準(zhǔn)帶手套操作，不準(zhǔn)用棉布和棉紗擦拭安裝面和油口，這些措施都是為了防止外界環(huán)境污染伺服閥。

而比例閥就不同了，其最小流通孔徑為1.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于伺服閥的最小流通孔徑35 μm，所以比例閥的抗污染能力要遠(yuǎn)大于伺服閥。這還可以從它們對(duì)液壓油的過濾等級(jí)之間的要求看出來：比例閥為ISO 4406，代號(hào)16/13。即：每毫升液壓油中，直徑大于5 μm的顆粒小于640個(gè)，大于15 μm的顆粒小于80個(gè)。而伺服閥為ISO4406，代號(hào)為15/11。即：每毫升液壓油中，大于5 μm的顆粒小于320個(gè)，大于15 μm的顆粒小于20個(gè)。

因此比例閥對(duì)液壓油清潔度要求要比伺服閥低得多，即在同等條件下比例閥要比伺服閥的工作壽命更長。這也是比例閥比伺服閥更適合在催化裂化裝置這種空氣中粉塵多的環(huán)境下工作的原因。

3.2　調(diào)試過程的比較

相對(duì)于伺服電液控制機(jī)構(gòu)，比例電液控制機(jī)構(gòu)的調(diào)試過程要方便得多，主要體現(xiàn)在：調(diào)試點(diǎn)數(shù)量和調(diào)試步驟操作上。

3.2.1調(diào)試點(diǎn)數(shù)量的比較

伺服放大器每塊電路板側(cè)面均有電位器旋鈕調(diào)試點(diǎn)，包括輸入零點(diǎn)、輸入量程、傳感器零點(diǎn)、傳感器量程、反饋零點(diǎn)、反饋量程、跟蹤時(shí)間、跟蹤帶寬等16個(gè)調(diào)試點(diǎn)，而這并不是全部，還有一些隱蔽的調(diào)試點(diǎn)隱藏在電路板上，這些調(diào)試點(diǎn)位于電路板正面，且無使用工器具的空間，操作起來很不方便。

比例電液控制機(jī)構(gòu)閥位控制是由西門子PLC-200及與比例閥配套的功率放大器來控制比例閥的，PLC與功率放大器均是按預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行工作的，沒有外部調(diào)試點(diǎn)，只有與位移傳感器配套的放大器有零點(diǎn)、量程兩個(gè)外部調(diào)試點(diǎn)。

3.2.2調(diào)試步驟操作的比較

由于伺服電液控制機(jī)構(gòu)外部調(diào)試點(diǎn)多直接導(dǎo)致其調(diào)試步驟操作復(fù)雜，每一步出現(xiàn)問題均需調(diào)整調(diào)試點(diǎn)(電位器旋鈕或撥碼開關(guān))，而比例電液控制機(jī)構(gòu)很多調(diào)試參數(shù)可通過PG(工業(yè)編程器)或PC進(jìn)行設(shè)定，大大縮短了調(diào)試時(shí)間。以跟蹤時(shí)間的調(diào)試為例。

伺服電液控制機(jī)構(gòu)調(diào)試跟蹤時(shí)間的步驟如下：①調(diào)整本地控制旋鈕使偏差顯示為“0”。②迅速旋轉(zhuǎn)本地控制旋鈕至極限位置，并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)面板上“跟蹤丟失”紅色指示燈發(fā)光時(shí)停止計(jì)時(shí)。所得時(shí)間就是跟蹤時(shí)間。③跟蹤時(shí)間不符合要求，則調(diào)整報(bào)警板上的“跟蹤時(shí)間”。④重復(fù)上述步驟直到跟蹤時(shí)間符合要求為止。

而比例電液控制機(jī)構(gòu)只需通過PG或PC通訊至PLC，設(shè)置其中的跟蹤時(shí)間，調(diào)試即可。

比較得知，因?yàn)镻LC本身的時(shí)鐘周期精度很高，一次設(shè)定基本能滿足調(diào)試要求，而伺服電液控制機(jī)構(gòu)采用的是手動(dòng)計(jì)時(shí)，精度根本無法保證，且調(diào)整跟蹤時(shí)間的電位旋鈕也無法精確顯示調(diào)整了多少時(shí)間，完全憑經(jīng)驗(yàn)操作，因此需要反復(fù)調(diào)試，調(diào)試時(shí)間勢(shì)必要比比例電液控制機(jī)構(gòu)長。

3.3　對(duì)硬件診斷是否支持

伺服放大器是電路板以插卡結(jié)構(gòu)組成的，而各電路板均無硬件故障指示燈，也不支持硬件診斷，所以在其判斷硬件問題時(shí)只能憑借經(jīng)驗(yàn)和電路板更換來判斷故障原因，尤其是電源板基準(zhǔn)電壓故障，因?yàn)槲恢梅糯笃髋c反饋放大器均需靠該基準(zhǔn)電壓來進(jìn)行信號(hào)比較，如果基準(zhǔn)電壓出現(xiàn)故障，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象為位置信號(hào)，反饋信號(hào)均失常，與位置放大器、反饋放大器本身硬件故障的現(xiàn)象是相同的，短時(shí)間內(nèi)很難判斷到底哪塊電路板出現(xiàn)問題。

而比例電液控制機(jī)構(gòu)采用的是西門子PLC-200進(jìn)行閥位控制，所以當(dāng)其中某一模塊出現(xiàn)硬件故障時(shí)，其CPU的SF燈會(huì)立即報(bào)警，而且該報(bào)警可通過開關(guān)量模塊傳遞給主控室的DCS，使工藝人員可以在工藝操作的同時(shí)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)硬件故障并聯(lián)系處理，同時(shí)西門子PLC-200的硬件故障還可以通過STEP7-MICRO軟件對(duì)其進(jìn)行診斷，讀出錯(cuò)誤代碼，根據(jù)錯(cuò)誤代碼查閱手冊(cè)即可得到硬件故障的發(fā)生時(shí)間、具體故障模塊位置、甚至是導(dǎo)致故障的原因，大大縮短了故障判斷的時(shí)間。

3.4　響應(yīng)頻率的比較

由于結(jié)構(gòu)與工作原理的差異，伺服閥的響應(yīng)頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于比例閥，伺服閥的響應(yīng)頻率為200 Hz，比例閥的響應(yīng)頻率為20 Hz，而二聯(lián)合催化目前所用的控制系統(tǒng)為橫河的DCS-CS3000，且該系統(tǒng)所有模塊均采用基本掃描方式，即：數(shù)據(jù)刷新頻率為1 Hz，而裝置上所有特閥的電液控制機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)均由該系統(tǒng)提供，所以比例閥20 Hz的響應(yīng)頻率對(duì)于該控制系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性具有足夠的裕度。

3.5　能耗的比較

電液控制機(jī)構(gòu)能耗主要來自油泵工作，伺服電液控制機(jī)構(gòu)的油泵是長期無間歇運(yùn)行。而比例電液控制機(jī)構(gòu)采用的是壓力循環(huán)控制系統(tǒng)，即：當(dāng)液壓系統(tǒng)達(dá)到工作壓力上限時(shí)，油泵就卸荷，油泵電機(jī)處于輕負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力到工作壓力下限時(shí)，油泵就加載，油泵電機(jī)處于帶負(fù)荷運(yùn)行。

3.6　生產(chǎn)操作的比較

在滑閥的操作過程中經(jīng)常會(huì)遇到由“DCS遠(yuǎn)程”操作與“就地”操作之間的切換。針對(duì)伺服電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果執(zhí)行該操作，需要操作人員按照規(guī)程與油路圖找到相應(yīng)閥門的編號(hào)，按順序方可操作，操作人員要接受專門的培訓(xùn)，方可執(zhí)行該操作，且操作是否完成沒有任何提示，即：遇到“跟蹤丟失”、“輸入丟失”、“反饋丟失”等重要報(bào)警，并不能對(duì)切換產(chǎn)生提示，但實(shí)際出現(xiàn)該報(bào)警后遠(yuǎn)程無法操作，會(huì)給操作人員帶來操作錯(cuò)覺，以導(dǎo)致其認(rèn)為已切換DCS遠(yuǎn)程操作到位，而導(dǎo)致誤操作。

而比例電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用一鍵式切換與PLC邏輯相結(jié)合，使切換簡(jiǎn)單可靠。方法如下：①無任何報(bào)警時(shí)，只需現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)按鍵即可實(shí)現(xiàn)DCS遠(yuǎn)程與本地操作實(shí)現(xiàn)無擾切換，且切換是否成功有相應(yīng)的指示燈作為提示。只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)，操作人員即可掌握。②當(dāng)出現(xiàn)“跟蹤丟失”、“輸入丟失”、“反饋丟失”等重要報(bào)警時(shí)如果之前為現(xiàn)場(chǎng)操作模式，則PLC邏輯禁止操作人員無法切換至DCS遠(yuǎn)程操作，相應(yīng)指示燈也停留在現(xiàn)場(chǎng)模式，如果出現(xiàn)該情況操作人員也會(huì)先查看是否存在相關(guān)報(bào)警，避免了無切換提示帶來的錯(cuò)覺。從上不難發(fā)現(xiàn)，由PLC組成的比例電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)更利于操作人員進(jìn)行操作。

3.7　運(yùn)行維護(hù)上的比較

在維護(hù)方面上，由于比例電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)算單元采用的是西門子S7-200系列PLC卡件，屬于常規(guī)PLC卡件，比起伺服電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算單元——集成電路板，備件數(shù)量更充足、采購更方便、故障率更低，且對(duì)維修人員要求也更低。

4結(jié)論

通過比較不難發(fā)現(xiàn)比例電液控制機(jī)構(gòu)比伺服電液控制機(jī)構(gòu)有更多的優(yōu)點(diǎn)，特別是抗污染能力強(qiáng)，因?yàn)榇呋鸦b置本身環(huán)境中就會(huì)包含催化劑等粉塵，特別是開工時(shí)期尤為明顯，所以說比例電液控制機(jī)構(gòu)更適合催化裂化裝置的環(huán)境。雖然其響應(yīng)頻率相對(duì)較低但完全能滿足催化裝置橫河DCS控制系統(tǒng)的需要。所以比起伺服電液控制機(jī)構(gòu)，比例電液控制機(jī)構(gòu)更適合在催化裂化裝置運(yùn)行。