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        氣動調(diào)節(jié)閥氣路控制原理分析

        2021-02-01 04:41:04魏高鵬
        中國設(shè)備工程 2021年1期
        關(guān)鍵詞:氣路定位器氣源

        魏高鵬

        (杭州杭氧工裝泵閥有限公司,浙江 杭州 311305)

        調(diào)節(jié)閥是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不可缺少的組成部分,可以調(diào)節(jié)管路介質(zhì)的壓力、流量等。調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動能源形式分為氣動、電動、液動三種。氣動調(diào)節(jié)閥是以壓縮氣為動力源,以氣動薄膜或活塞氣缸作為執(zhí)行機構(gòu),借助閥門定位器、電磁閥等附件去控制,從而實現(xiàn)閥門的開關(guān)、比例式調(diào)節(jié),并在整個控制系統(tǒng)出現(xiàn)電氣故障或連鎖時,使閥門回到安全位置。

        1 氣動調(diào)節(jié)閥主要附件的工作原理及功能

        1.1 電-氣定位器

        定位器可以改善閥門的靜態(tài)特性和動態(tài)特性,有助于克服介質(zhì)對閥桿的不平衡力和填料對閥桿的摩擦力,提高控制精度。定位器根據(jù)控制信號不同分為氣-氣定位器和電-氣定位器,前者控制信號為20 ~100kPa 的氣壓,后者控制信號為4 ~20mA 電流。本文主要介紹智能型電-氣定位器,其原理為定位器接受輸出器的信號,根據(jù)信號大小改變執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)帶動閥桿動作,實現(xiàn)控制信號與閥門開度相對應(yīng)。當(dāng)閥桿受到不平衡力導(dǎo)致閥位發(fā)生變動,定位器反饋裝置則將閥位反饋至定位器,形成控制閉環(huán),定位器進(jìn)行補償,使閥位控制更加精確穩(wěn)定。

        1.2 電磁閥

        電磁閥是實現(xiàn)流體控制自動化的基礎(chǔ)元件,主要由電磁線圈和磁芯組成,當(dāng)線圈得電或者失電時,磁芯在電磁力的作用下產(chǎn)生位移,電磁閥完成開/關(guān)切換,實現(xiàn)控制介質(zhì)的流通與切斷。按作用原理分為直動式和先導(dǎo)式,按作用形式分為兩位三通式和兩位五通式。

        圖1 雙電磁閥并聯(lián)氣路圖

        圖2 雙電磁閥串聯(lián)氣路圖

        有時還應(yīng)綜合考慮多個電磁閥的組合使用,從而實現(xiàn)更安全、可靠的控制回路。如圖1 所示,為了保證整個控制系統(tǒng)的可靠性,將兩個或者多個電磁閥并聯(lián)使用,實現(xiàn)冗余,即只要其中一個電磁閥正常工作,系統(tǒng)就能維持正常運行。如圖2 所示,出于控制系統(tǒng)的安全性考慮,將兩個電磁閥串聯(lián)使用。

        1.3 增速器

        增速器(氣動放大器)主要應(yīng)用于執(zhí)行機構(gòu)容量較大或儀表和執(zhí)行機構(gòu)之間的配管距離較遠(yuǎn)的場合,用來提高定位器控制執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示,當(dāng)輸入信號突然變大(來自定位器的輸出壓力),會導(dǎo)致輸入信號和放大器之間存在壓差,在該壓差作用下,增速器的膜片向下移動以打開供氣口來降低該壓差,從而實現(xiàn)小流量按比例控制大流量的功能。

        圖3 增速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        1.4 氣控閥

        氣控閥是用壓力訊號控制其切換氣流通道的氣動元件,根據(jù)作用形式可以分為二位三通式、兩位五通式,氣控閥具有較大的CV值,因此,在要求閥門失效快速復(fù)位的場合,常將電磁閥和氣控閥組合使用,SMC 部分氣控閥Cv 值參數(shù)如表1 所示。

        表1 SMC 部分氣控閥CV 值

        1.5 保位閥

        保位閥是實現(xiàn)閥門故障保位的關(guān)鍵元件,當(dāng)氣源發(fā)生故障(失氣或壓力降低至設(shè)定值)時,該元件將自動切斷儀表氣與執(zhí)行機構(gòu)間的連接通道,使膜室壓力訊號保持在故障前的瞬間狀態(tài),直至氣源故障消除,供氣線路恢復(fù)正常。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示,氣源訊號與上氣室接通,當(dāng)氣源壓力達(dá)到調(diào)節(jié)彈簧的設(shè)定值后,上膜片向上移動,排氣閥關(guān)閉,上下氣室接通,在壓力作用下下膜片向下移動,主閥打開,入口和出口接通。當(dāng)訊號壓力降低至調(diào)節(jié)彈簧設(shè)定值時,上膜片向下復(fù)位,上下氣室隔斷,在主閥彈簧作用下,上氣室內(nèi)的余氣頂開排氣閥排氣,主閥關(guān)閉,入口和出口通道切斷。

        圖4 保位閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        2 氣動調(diào)節(jié)閥氣路控制原理分析

        調(diào)節(jié)閥作為過程控制中重要的執(zhí)行器,失效模式的正確設(shè)計是保證整個工藝系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備安全的基礎(chǔ)。氣動調(diào)節(jié)閥常見的三種失效模式為,F(xiàn)O:故障時,氣動調(diào)節(jié)閥打開;FC:故障時,氣動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉;FL:故障時,氣動調(diào)節(jié)閥保持原位。

        2.1 單作用執(zhí)行機構(gòu)氣路控制原理分析

        (1)氣源正常調(diào)節(jié)閥可開關(guān)切換,氣源故障/聯(lián)鎖時閥門復(fù)位。可以通過使用過濾減壓閥、兩位三通電磁閥實現(xiàn)上述功能。氣路圖如圖5(a)所示,氣源正常,通過電磁閥得失電來控制閥門的開關(guān)切換;失氣,執(zhí)行機構(gòu)在彈簧作用下復(fù)位。

        一些關(guān)鍵位置的氣動調(diào)節(jié)閥(如壓縮機組放空閥),控制系統(tǒng)要求在電磁閥失電后1 ~3S 內(nèi)閥門回至故障安全位置。電磁閥由于線圈功率限制,流通能力較小,很難滿足短時間復(fù)位要求,此時,需要使用氣控閥。氣路圖如圖5(b)所示,氣源正常,通過電磁閥的得失電來控制氣控閥切換,利用氣控閥較大的Cv 值從而實現(xiàn)大容量執(zhí)行機構(gòu)的快速復(fù)位。

        (2)氣源正??砷_關(guān)切換/任意調(diào)節(jié),氣源故障/聯(lián)鎖時閥門復(fù)位。對于小容量的執(zhí)行機構(gòu),氣路圖如圖6(a)所示,氣源經(jīng)過濾減壓閥后輸送至單作用定位器后經(jīng)電磁閥直接通入執(zhí)行機構(gòu)。電磁閥得電狀態(tài)下,給定位器4 ~20mA信號,可實現(xiàn)任意閥位的調(diào)節(jié);電磁閥失電,閥門回至故障安全位置。對于大容量執(zhí)行機構(gòu),電磁閥失電有快速復(fù)位要求的閥門,氣路圖如圖6(b)所示,電氣正常,氣控閥、電磁閥均處于圖示狀態(tài),氣源經(jīng)過濾減壓閥后輸送至單作用定位器后經(jīng)氣控閥通入執(zhí)行機構(gòu)。給定位器4 ~20mA 信號,則可以實現(xiàn)任意閥位的調(diào)節(jié);電磁閥失電導(dǎo)致氣控閥控制氣切斷,氣控閥切換排空,執(zhí)行機構(gòu)在彈簧作用下復(fù)位。

        對于大容量執(zhí)行機構(gòu),有定位器快速響應(yīng)要求的閥門,則需要配置增速器來實現(xiàn)。氣路圖如6(c)所示,電氣正常,氣控閥、電磁閥均處于圖示狀態(tài),氣源經(jīng)過濾減壓閥后輸送至單作用定位器,定位器輸出氣作為增速器的控制信號來實現(xiàn)用小流量控制大流量,提高定位器控制的響應(yīng)速度。

        圖5 氣動調(diào)節(jié)閥氣路控制方案一

        圖6 氣動調(diào)節(jié)閥氣路控制方案二

        (3)氣源正??砷_關(guān)切換/任意調(diào)節(jié),氣源故障具備保位功能。部分控制系統(tǒng)要求發(fā)生氣源故障時,氣動調(diào)節(jié)閥需保持故障前一瞬間的開度不變。單作用執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生氣源故障時,在彈簧力的作用下,閥門復(fù)位,無法實現(xiàn)保位功能,此時,可通過保位閥與其他附件組合來實現(xiàn)該功能。氣路如圖7 所示,氣源正常,通過電磁閥或定位器實現(xiàn)閥門的開關(guān)切換、任意開度調(diào)節(jié);當(dāng)氣源失氣(或壓力小于保位閥設(shè)定值)時,保位閥切斷儀表氣與執(zhí)行機構(gòu)間的連接通道,使膜室壓力訊號保持在故障前的瞬間狀態(tài),直至氣源故障消除,供氣線路恢復(fù)正常。

        2.2 雙作用執(zhí)行機構(gòu)氣路控制原理分析

        雙作用執(zhí)行機構(gòu)都有兩個獨立的氣室,通過一個氣室的進(jìn)氣,一個氣室的排氣相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)氣動調(diào)節(jié)閥的開關(guān)切換,具有體積小、輸出扭矩大的特點。由于雙作用氣缸內(nèi)部無彈簧,因此,出現(xiàn)氣源故障時,在無外力作用下,則執(zhí)行機構(gòu)保持在故障前的位置。

        (1)氣源正常調(diào)節(jié)閥可開關(guān)切換,氣源故障閥門復(fù)位。由于結(jié)構(gòu)特性限制,雙作用執(zhí)行機構(gòu)要實現(xiàn)故障復(fù)位功能,則需借助氣包。氣路如圖8 所示,儀表氣經(jīng)過濾減壓閥,AF1 后氣體進(jìn)入兩位五通電磁閥,然后分兩路通過兩個氣控閥后與執(zhí)行機構(gòu)連接。AF2 后氣體一邊通過單向止回閥給氣包儲氣,一邊進(jìn)入鎖止閥LV 后分兩路分別作為兩個氣控閥的控制訊號。

        氣源正常,通過電磁閥的得失電來控制閥門的開關(guān)切換,當(dāng)氣源壓力低于鎖止閥設(shè)定值時鎖止閥排空,兩個氣控閥均失去控制訊號而回到常態(tài)位置,AB2 氣控閥因常態(tài)通道與氣包連接,氣包內(nèi)氣體通過AB2 進(jìn)入執(zhí)行機構(gòu),使閥門回到閥開或閥關(guān)位置,實現(xiàn)故障復(fù)位。

        圖7 氣動調(diào)節(jié)閥氣路控制方案三

        圖8 氣動調(diào)節(jié)閥氣路控制方案四

        圖9 氣動調(diào)節(jié)閥氣路控制方案五

        (2)氣源正常任意調(diào)節(jié),氣源故障/聯(lián)鎖時閥門復(fù)位。該控制方案,氣路如圖9 所示,儀表氣分兩路:第一路經(jīng)過濾減壓閥后又一分為二,一部分經(jīng)雙作用電氣定位器后作兩個增速器的控制訊號,一部分作為執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動氣源;第二路儀表氣給氣包儲氣的同時,通過兩位三通電磁閥后經(jīng)過鎖止閥分別作為兩個氣控閥的控制氣。

        氣源正常、電磁閥得電時通過雙作用定位器來任意調(diào)節(jié)閥門開度;電磁閥失電或氣源失氣(或壓力低于鎖止閥的設(shè)定值)時,鎖止閥放空,氣控閥失去控制信號,均恢復(fù)至常態(tài)位,此時,氣包與執(zhí)行機構(gòu)接通,氣包的儲存氣通過AB2進(jìn)入執(zhí)行機構(gòu),閥門回到故障安全位置。

        3 結(jié)語

        本文分析了氣動調(diào)節(jié)閥幾種最常見的附件工作原理及功能,并就單作用和雙作用執(zhí)行機構(gòu)的幾種氣路控制方案進(jìn)行了剖析,以方便閥門設(shè)計人員更好地理解整閥的氣路控制原理并合理設(shè)計控制方案,也為現(xiàn)場氣路控制故障的排除提供了參考資料。

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