[摘" " 要]智能控制閥具有簡單的人機(jī)界面，可通過定位器上的按鍵和液晶顯示器進(jìn)行現(xiàn)場操作。智能控制閥門最顯著的特點(diǎn)是：安裝方便，菜單式結(jié)構(gòu)，易于維護(hù)，性能可靠，易于掌握，使用效果好，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。文章結(jié)合工程實(shí)際，歸納總結(jié)控制閥的發(fā)展、分類和調(diào)試技巧。

[關(guān)鍵詞]執(zhí)行機(jī)構(gòu);控制閥門;氣動閥;電動閥;液壓閥;智能化

[中圖分類號]TU855 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

1 控制閥簡介

隨著社會發(fā)展，越來越多的大型化、自動化、智能化生產(chǎn)設(shè)備和生活設(shè)施在工作生活中應(yīng)用，給人們工作生活帶來很大便利和改善，也極大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。通過自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備采集工藝過程壓力、溫度、流量、濃度等信號，然后傳輸給控制系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)控制軟件的分析處理，按照控制工藝要求對執(zhí)行單元進(jìn)行控制操作（如控制閥的開、關(guān)、開度調(diào)節(jié)，泵組的啟停等），使其控制的及時(shí)性和精準(zhǔn)性達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的工藝控制要求。

在眾多的自控設(shè)備中，控制閥是至關(guān)重要的設(shè)備。現(xiàn)代控制閥門在實(shí)際運(yùn)用中，技術(shù)成熟、控制方便、精度高、性價(jià)比高、適應(yīng)范圍廣，受到用戶廣泛好評。

2 控制閥門的發(fā)展

控制閥與人類生活及工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展非常密切。很久以前，人們?yōu)榱苏{(diào)節(jié)河流或小溪的水流量，利用自然資源中的石塊或樹干來阻止水的流動和改變水的流動方向，這就是現(xiàn)代閥門的雛形。

閥門在現(xiàn)代社會迅速發(fā)展，與工業(yè)革命時(shí)期工業(yè)迅速發(fā)展密不可分。18世紀(jì)初，出現(xiàn)了第一臺工業(yè)蒸汽發(fā)動機(jī)。在工業(yè)蒸汽發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)生不少意外狀況，從而提出了蒸汽流量的控制要求。最早的控制閥是1880年由William Fisher制造的泵調(diào)節(jié)器，這是一種帶重錘的自力式控制閥。主要原理是利用閥門前后壓力變化改變閥門內(nèi)部重錘位置，使控制閥開度隨之變化，從而達(dá)到穩(wěn)定管路內(nèi)壓力的效果。

隨著工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展，誕生了各種功能的控制閥。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)通信技術(shù)的廣泛開發(fā)及應(yīng)用，智能控制閥相關(guān)技術(shù)也迅速發(fā)展，相繼誕生了智能電氣閥門定位器和帶氣動智能閥門定位器的控制閥等。21世紀(jì)，現(xiàn)場總線控制閥出現(xiàn)并開始應(yīng)用。

3 控制閥門的分類和調(diào)試技巧

控制閥按動力來分，一般分為氣動控制閥、電動控制閥和液壓控制閥。氣動閥以潔凈壓縮空氣作為動力，具備就地/遠(yuǎn)程操作，關(guān)鍵控制單元是智能閥門定位器。電動控制閥以AC380V/220V為動力源，關(guān)鍵控制單元是電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具備就地和遠(yuǎn)程操作功能，功能強(qiáng)大，適應(yīng)性強(qiáng)。液壓控制閥以油壓或者其他液體壓力作為動力，一般配備以油（液體）泵作為動力源，以配套的現(xiàn)場控制柜（箱）進(jìn)行就地/遠(yuǎn)程操作控制。

3.1 氣動閥

（1）氣動調(diào)節(jié)閥是氣動控制閥中最常見的，是借助潔凈壓縮空氣作動力來驅(qū)動的閥門，常規(guī)是由氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體兩部分共同組成。氣動調(diào)節(jié)閥一般分為兩種：①角行程氣動調(diào)節(jié)閥，一般稱為活塞式調(diào)節(jié)閥，主要有V型電動調(diào)節(jié)球閥、氣動薄膜切斷閥、偏心蝶閥等。②直行程氣動調(diào)節(jié)閥，也叫薄膜式氣動調(diào)節(jié)閥，主要有直通單座式和直通雙座式兩種。

調(diào)節(jié)閥有線性、等百分比和拋物線等3種流量特性。閥門調(diào)試時(shí)，3種特性閥門的行程間距是不同的，需要對照相應(yīng)的標(biāo)尺。

（2）氣動調(diào)節(jié)閥出廠前，一般都需要經(jīng)過嚴(yán)格的壓力測試和全行程動作測試等閥門測試。在現(xiàn)場安裝完成后，具備正常工作氣源壓力，先做閥門自整定，完成行程滿開度來回標(biāo)定，然后用信號發(fā)生器（如果是帶FF總線協(xié)議的閥門，需要用帶FF總線協(xié)議的通信器）在閥門定位器側(cè)進(jìn)行0～100%定位調(diào)試。通常選5個(gè)位置：0，25%，50%，75%，100%，行程偏差需要符合相關(guān)規(guī)定和工藝要求。具備DCS（PLC）遠(yuǎn)程操控時(shí)，在DCS（PLC）控制站的操作畫面上輸入信號，對控制閥門行程范圍內(nèi)動作一遍，確認(rèn)閥門動作精度和響應(yīng)時(shí)間滿足工藝要求。

（3）氣動智能調(diào)節(jié)閥是帶智能閥門定位器的調(diào)節(jié)閥。智能閥門定位器根據(jù)調(diào)節(jié)閥工作時(shí)閥桿摩擦力，抵消介質(zhì)壓力波動而產(chǎn)生的不平衡力，使閥門開度對應(yīng)于輸入閥門定位器的電流信號，并且可以進(jìn)行智能組態(tài)，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，達(dá)到改善控制閥性能的目的。

（4）在工藝生產(chǎn)裝置中，重要的氣動調(diào)節(jié)閥會自帶電磁閥、保位閥、行程限位開關(guān)等特殊功能機(jī)構(gòu)，安裝調(diào)試時(shí)都要注意。

某化工項(xiàng)目中閥門調(diào)試時(shí)曾發(fā)生了一些問題，是由閥門的特殊功能機(jī)構(gòu)引起的。這是一臺帶一個(gè)電磁閥的氣動調(diào)節(jié)閥，電磁閥安裝在閥門主氣源進(jìn)氣管上，在進(jìn)氣的過濾器減壓閥后。這種配置是工藝控制的特殊要求。在調(diào)節(jié)閥上的電磁閥通常是帶電常開，緊急情況時(shí)，DCS聯(lián)鎖將電磁閥斷電，從而緊急切斷氣源，使得調(diào)節(jié)閥恢復(fù)到預(yù)設(shè)狀態(tài)。

在調(diào)試前，確認(rèn)了閥門現(xiàn)場安裝完成，氣源壓力滿足閥門要求，智能閥門定位器已經(jīng)正常工作，是FC（故障狀態(tài)關(guān)）閥門。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，電磁閥得電，閥門開關(guān)都能正常動作，但響應(yīng)時(shí)間和行程精度都不滿足要求;電磁閥失電，閥門就不能動作，達(dá)到工藝保護(hù)效果。但在失氣故障測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)了新問題，把主氣源斷開時(shí)，閥門無法關(guān)閉。

重新查看了設(shè)計(jì)圖紙的閥門技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)，只有電磁閥要求，沒有其他特殊要求。于是懷疑是閥門定位器有問題，但是仔細(xì)檢查后，沒有發(fā)現(xiàn)閥門定位器有什么問題，而且在氣源供應(yīng)情況下，遠(yuǎn)程操控閥門定位器工作很正常，并沒有出現(xiàn)某處漏氣、機(jī)械卡死等情況。由于調(diào)試時(shí)間緊，要么換閥門定位器，要么叫廠家來，但是這也需要時(shí)間窗口。于是一邊設(shè)計(jì)人員和廠家溝通，一邊仔細(xì)查看閥門整體。結(jié)果在閥門氣缸的排氣管后發(fā)現(xiàn)接了一個(gè)小機(jī)構(gòu)，仔細(xì)辯認(rèn)，是一個(gè)保位閥。接下來就簡單了，把保位閥從氣源排氣回路斷開后，調(diào)節(jié)閥在電磁閥失電和失氣狀態(tài)下，動作都正常了。這時(shí)候相關(guān)設(shè)計(jì)資料也更新了，是業(yè)主對這個(gè)閥門額外提出的控制要求，卻沒有在原圖紙上進(jìn)行及時(shí)更新。恢復(fù)保位閥的氣路，把閥門開到50%，閥門在失氣狀態(tài)在就成了保持在50%位置，在帶保位閥的閥門，這種狀態(tài)是正確的。而圖紙上的閥門應(yīng)標(biāo)明FL（故障狀態(tài)保持）而非FC，自帶保位閥、電磁閥，失電故障閥門關(guān)，失氣故障下閥門保持。

這個(gè)保位閥的功能是在閥門失電失氣故障狀態(tài)下，保證閥門開度在當(dāng)前位置不變，屬于特殊功能機(jī)構(gòu)。在圖紙等技術(shù)資料一時(shí)無法齊全的情況下，必須熟悉閥門的各種運(yùn)行特性和特殊功能機(jī)構(gòu)，才能在多變的情況下，解決問題，使得閥門正常投用。

3.2 電動控制閥

（1）電動控制閥簡稱電動閥，是一種利用交流電源驅(qū)動的閥門。電動閥常規(guī)有AC 220V和AC 380V兩種電源等級，具體應(yīng)用看實(shí)際需要和運(yùn)營成本來選擇。

（2）電動控制閥的控制要求應(yīng)按用戶的需要來確定。正常的電動控制閥有開關(guān)與調(diào)節(jié)的不同功能。有的智能閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開關(guān)和調(diào)節(jié)兩者都具備，還有開關(guān)限位和行程位置信號，其接線和功能組態(tài)也不一樣。由于電動控制閥一般使用交流電做動力電源，通過閥頭內(nèi)的變壓器，智能定位器就可以獲得DC 24V的控制電源。所以輸出信號和輸入信號，是有源還是無源需要整體考慮。正常情況閥頭選擇有源，中控室過來的信號為無源。

（3）電動閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動閥最重要的組成部分，擁有電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、控制、保護(hù)等功能的機(jī)構(gòu)。它除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的控制和保護(hù)功能外，還可與現(xiàn)場總線技術(shù)兼容，為自動控制系統(tǒng)提供更為完整的工況信息，滿足不同應(yīng)用場所的要求。但在實(shí)際使用過程中，閥門側(cè)供電和接線方式，因廠家不同而不同，有的甚至需要內(nèi)部跳線。如果不熟悉的人接線，會造成閥門誤動作甚至裝置停車的事故。因此，電動控制閥接線完成，符合設(shè)計(jì)要求后，才能正常投用。

（4）在某大型市政水廠的項(xiàng)目中，未廠為生產(chǎn)裝置中大口徑管道配置若干臺可用DCS遠(yuǎn)程操作的電動閥（不需要開度調(diào)節(jié)功能），其中有4臺在空中（離地約4～5m）。這4臺閥門周邊工作環(huán)境不甚理想，會釋放有毒有害物質(zhì)。出于工藝操作需要和操作人員的操作安全考慮，增加了落地的現(xiàn)場控制箱，但是閥門控制箱與電動閥不是一個(gè)供應(yīng)商。結(jié)果現(xiàn)場控制箱到了現(xiàn)場，按圖施工接線完畢后，閥門無法動作。閥門廠家和控制箱廠家，都說自己的產(chǎn)品沒問題。調(diào)試人員檢查閥門，AC 380V電源上電后，指示燈正常，打到就地位置，用控制按鈕手動控制閥門，閥門開關(guān)都能到位。打到遠(yuǎn)程位置，DCS無法操控，就地控制箱也無法操控。這樣不是DCS機(jī)柜內(nèi)線路問題，就是現(xiàn)場接線問題，或是控制箱本身電氣元器件配置問題。除了這4個(gè)閥門外，其他電動閥遠(yuǎn)程控制均正常，說明DCS內(nèi)部線路沒問題。檢測相關(guān)的電纜線路，全部合格，閥頭接線方式也沒問題。問題就集中在現(xiàn)場控制箱。根據(jù)業(yè)主要求，控制箱也要具備就地/遠(yuǎn)程切換并操作的功能，在箱體上顯示閥門狀態(tài)。查看控制箱原理圖和電動閥原理圖后，就地/遠(yuǎn)程切換開關(guān)和面板顯示閥門狀態(tài)沒問題，但是開關(guān)閥門的控制按鈕有問題，原因是控制箱原理圖沒有考慮閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)側(cè)的開關(guān)觸點(diǎn)的情況。原工藝設(shè)計(jì)圖紙，電動閥提供有源的開關(guān)閥門觸點(diǎn)，電動閥內(nèi)自帶變壓器，把AC 380V轉(zhuǎn)換成DC 24V，作為閥門內(nèi)控制單元的控制電源。這樣DCS側(cè)就需要提供無源觸點(diǎn)。原DCS機(jī)柜內(nèi)確實(shí)提供了無源觸點(diǎn)，所以其他閥門動作正常。但是測量現(xiàn)場控制箱內(nèi)信號輸出端后，確認(rèn)是有源DC 24V，就是所謂“控制電源打架”。于是要求廠家增加DC 24V繼電器，對控制箱按鈕側(cè)來的按鈕信號進(jìn)行隔離，繼電器電源單獨(dú)供，形成控制箱內(nèi)輸出也為無源信號。DCS側(cè)的信號也是同樣處理。切換到就地時(shí)，控制箱側(cè)按鈕信號為無源輸出信號，就地控制功能完成?？刂葡淝械竭h(yuǎn)程，DCS側(cè)無源信號回路完成，DCS就可對閥門進(jìn)行控制。有源信號與無源信號都是很常見的情況，但是與實(shí)際應(yīng)用的匹配需要專業(yè)人員進(jìn)行確認(rèn)、調(diào)試后才能正常投用。

3.3 液壓控制閥

（1）液壓控制閥簡稱液壓閥，是用來對液壓系統(tǒng)中液流的壓力進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)的閥。此類閥是利用作用在閥芯上的液體壓力和彈簧力相平衡的原理來工作的。

（2）液壓閥的種類很多，有的需要限制液壓系統(tǒng)的最高壓力，如安全閥;有的需要穩(wěn)定液壓系統(tǒng)中某處的壓力值，如溢流閥;還有的利用液壓力作為信號來控制閥門動作，如順序閥等。

（3）在某污泥儲運(yùn)項(xiàng)目中，在料倉底部有板框結(jié)構(gòu)的下料閥。下料閥開度由一套液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)由在一套油泵液壓系統(tǒng)上（簡稱“油站系統(tǒng)”）對板框的機(jī)械臂進(jìn)行推進(jìn)或者拉出提供動力，閥門達(dá)到開關(guān)、行程動作的要求。這套液壓系統(tǒng)配套多臺壓力、溫度、液位、行程限位等智能儀表，檢測了實(shí)際參數(shù)，輸入進(jìn)DCS，由DCS對油泵進(jìn)行變頻控制。這套系統(tǒng)是德國進(jìn)口的成套設(shè)備，自控技術(shù)比較先進(jìn)，但是在調(diào)試時(shí)出現(xiàn)了一些問題。

①由于板框設(shè)備與限位開關(guān)等都是分開供應(yīng)，安裝時(shí)，限位開關(guān)安裝位置多次變更，原因是下料閥機(jī)械行程的調(diào)整，導(dǎo)致限位開關(guān)位置變化。

②油站系統(tǒng)自帶接線箱，把所有檢測控制信號都接入，并由電纜引入中控室機(jī)柜內(nèi)。安裝接線完畢，檢查投入調(diào)試，發(fā)現(xiàn)信號有問題，無法正常工作。仔細(xì)核對DCS控制原理圖和廠家圖紙?jiān)韴D，發(fā)現(xiàn)DCS設(shè)計(jì)把油站相關(guān)現(xiàn)場儀表點(diǎn)位，設(shè)計(jì)成與其它管線設(shè)備上儀表類似，即AI、AO信號是有源觸點(diǎn)，DI、DO是無源觸點(diǎn)。而油站系統(tǒng)上檢測儀表上都是由油站的接線箱單獨(dú)供電（DC 24V直接引自DCS直流電源柜）。其原因就是DCS系統(tǒng)與油泵系統(tǒng)之間的界面沒有厘清，導(dǎo)致儀表由兩處供電，信號不匹配。于是把DCS接入端信號（AI、AO）改成無源輸入，再經(jīng)測試，信號都正常，系統(tǒng)就正常運(yùn)轉(zhuǎn)了。

③設(shè)備智能化越高，其自動化控制功能越復(fù)雜，在局部與整體之間會出現(xiàn)類似情況，需要整合工藝控制要求、相關(guān)技術(shù)資料和工程經(jīng)驗(yàn)，才能比較好地解決問題。兼顧單個(gè)產(chǎn)品完善性，考慮系統(tǒng)整體的兼容性，才能客觀對待技術(shù)發(fā)展和細(xì)節(jié)完善。

4 智能控制閥發(fā)展前景

不管是氣動閥、電動閥，還是液壓閥，都是根據(jù)生產(chǎn)生活中實(shí)際要求，現(xiàn)行技術(shù)的發(fā)展決定了當(dāng)時(shí)閥門的復(fù)雜程度和控制功能的瓶頸。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自控技術(shù)、芯片技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，使得智能閥門小型化、智能化必然成為發(fā)展趨勢。

（1）從智能控制閥發(fā)展趨勢來看，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善：執(zhí)行機(jī)構(gòu)小型化;簡單流路;平衡式閥芯;一體化閥芯和閥座;套筒導(dǎo)向。

（2）從智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)來看，將不斷有新技術(shù)應(yīng)用于智能閥門控制器：總線通信技術(shù);電子傳感器（取代普通結(jié)構(gòu)式限位保護(hù)和過力矩保護(hù)）;利用組態(tài)軟件對電機(jī)進(jìn)行精度控制;優(yōu)化的人機(jī)界面;伺服電機(jī)控制（DSP技術(shù)）。

5 結(jié)束語

智能控制閥發(fā)展的日新月異，與許多專業(yè)技術(shù)的發(fā)展密不可分，比如新材料的應(yīng)用，新工藝的要求，自控技術(shù)精細(xì)化，機(jī)械、控制、智能一體化，智能芯片發(fā)展。智能閥門作為智能控制單元的重要組成部分，在智能化運(yùn)行、靈活的人機(jī)操作對話、智能控制標(biāo)準(zhǔn)方面還有很大的提升空間。相信不久的將來，智能控制閥的發(fā)展一定能為人類社會生產(chǎn)生活實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、自動化、智能化作出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

徐衛(wèi)青（1978—），男，上海人，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡姎鈨x表自動化（自控）。