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7.1 控制回路
发布时间:2016-11-10 16:25:56

一、气动控制阀控制回路包括:

阀门、定位器(带反馈装置)、气动执行机构、控制器、传感器、调节过滤单元(三联件)。

控制阀功能:生产过程的负荷变化或操作条件改变时,通过检测元件和变送器的检测和变送,将过程的被控变量送控制器,经控制规律运算后的输出送执行器,改变过程中相应的流体流量,使被控变量与设定值保持一致。

二、传感器

传感器是一种检测装置,能感受到被检测的信息,并能将此信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。他是实现自动检测和控制的首要环节。

我们常见的传感器:

温度传感器、压力变送器、液位计、流量计。

三、控制器(controller)

将传感器检测变送环节输出的标准信号与设定值信号进行比较,获得偏差信号,按一定控制规律对偏差信号(errorsignal)进行运算,运算输出送执行器。控制器可用模拟仪表实现,也可用微处理器组成的数字控制器实现,例如DCS 和FCS 中采用的PID 控制功能模块等。 

四、定位器

阀门定位器是气动执行器的主要附件,它与气动执行器配套使用,用来提高阀门的位置精度,克服阀杆摩擦力和介质不平衡力的影响,从而保证阀门按照调节器来的信号实现正确定位,实现过程控制。

用电信号去操作气动执行机构时,必须配电-气阀门定位器。

使阀门实现气开和气关两种动作,也必须由定位器来转换。

五、气动执行机构

气动执行机构在控制阀中起着执行器(actuator)的作用,处于控制环路的最终位置,因此也称为最终元件(finalelement)。执行器用于接收控制器的输出信号,并控制操纵变量变化。

执行机构是将控制器输出信号转换为控制阀阀杆直线位移或阀轴角位移的装置。执行机构提供推动力或推动力矩,用于克服不平衡力、阀压紧力和摩擦力等,使位移量与输入信号成比例变化。

气动薄膜执行机构

气动薄膜执行机构是最常用的执行机构。气动薄膜执行机构的结构简单,动作可靠,维护方便,成本低廉,得到广泛应用。它分正作用和反作用两种执行方式。正作用执行机构在输入信号增加时,推杆的位移向外;反作用执行机构在输入信号增加时,推杆的位移向内。

当输入信号增加时,在薄膜膜片上产生一个推力,克服弹簧的作用力后,推杆位移,位移方向向外。因此,称为正作用执行机构。反之,输入信号连接口在下膜盖上,信号增加时,推杆位移向内,缩到膜盒里,称为反作用执行机构。气动薄膜执行机构的特点如下:

气动薄膜直行程执行机构

1.正、反作用执行机构的结构基本相同,由上膜盖、下膜盖、薄膜膜片、推杆、弹簧、调节件、支架和行程显示板等组成。

2.正、反作用执行机构结构的主要区别是反作用执行机构的输入信号在膜盒下部,引出的推杆也在下部,因此,阀杆引出处要用密封套进行密封,而正作用执行机构的输入信号在膜盒上部,推杆引出处在膜盒下部,由于薄膜片的良好密封,因此,在阀杆引出处不需要进行密封。

3.可通过调节件的调整,改变弹簧初始力,从而改变执行机构的推力。

4.执行机构的输入输出特性呈现线性关系,即输出位移量与输入信号压力之间成线性关系。输出的位移称为行程,由行程显示板显示。一些反作用执行机构还在膜盒上部安装阀位显示器,用于显示阀位。气动薄膜执行机构的行程有lOmm、16mm、25mm、40mm、60mm和lOOmm 等六种规格。

5.执行机构的膜片有效面积与推力成正比,有效面积越大,执行机构的推力也越大。

6.可添加位移转换装置,使直线位移转换为角位移,用于旋转阀体。

7.可添加阀门定位器,实现阀位检测和反馈,提高控制阀性能。

8.可添加手轮机构,在自动控制失效时采用手轮进行降级操作,提高系统可靠性。

9.可添加自锁装置,实现控制阀的自锁和保位。

精小型气动薄膜执行机构在机构上作了重要改进,它采用多个弹簧代替原来的一个弹簧,降低了执行机构的高度和重量,具有结构紧凑、节能、输出推力大等优点。与传统气动薄膜执行机构比较,高度和重量约可降低30%。是采用四个弹簧结构的精小型气动薄膜执行机构示意图。

六、调节机构是将执行机构的输出位移变化转换为控制阀阀芯和阀座间流通面积变化的装置。通常称调节机构为阀,例如直通单座阀、角形阀等。其结构特点可从下列几方面分析。从结构看,调节机构由阀体、阀内件、上阀盖组件、下阀盖等组成。

从阀芯位移看,调节机构分为直线位移阀和角位移阀。它们分别与直线位移的执行机构和角位移执行机构配合使用。直通阀、角形阀、套筒阀等属于直线位移阀,也称为滑动阀杆阀(SlidingStemValve)o 蝶阀、偏心旋转阀、球阀等属于角位移阀,也称为旋转阀

从阀芯导向看,可分为顶导向、顶底导向、套筒导向、阀杆导向和阀座导向等类型。

对于流体的控制和关闭等,阀芯的导向十分重要,阀芯导向用于阀芯和阀座的对中配合。顶导向采用阀盖或阀体内的一个导向套或填料结构实现导向;顶底导向采用阀盖和下阀盖的导向套实现导向,对双座阀和需要精确导向的调节机构需采用顶底导向;套筒导向采用阀芯的外表面与套筒的内表面进行导向,这种导向方式具有自对中性能,能够精确实现阀芯和阀座的对中;阀杆导向采用上阀盖上的导向套与阀座环对中,用轴套与阀杆实现导向;阀座导向在小流量控制阀中被采用,它用阀座直接进行对中。

从流量特性看,根据流通面积的不同变化,可分为线性特、等百分比特性、快开特性、抛物线特性、双曲线特性及一些修正特性等。

控制阀的组成

控制阀由执行机构和调节机构组成。执行机构可分解为两部分:力或力矩转换部件和位移转换部件。将控制器输出信号转换为控制阀的推力或力矩的部件称为力或力矩转换部件;

将力或力矩转换为直线位移或角位移的部件称为位移转换部件。调节机构将位移信号转换为阀芯和阀座之间流通面积的变化,改变操纵变量的数值。


切断阀

切断阀与控制阀的区别是,切断阀不需要定位器,用电磁阀取代,实现开关切断的功能。

1、电磁阀

当系统需要实现程序控制或两位开关控制时,需要配用电磁阀。选用电磁阀时,除要考虑交、直流电源及电压、频率外,必须注意电磁阀与调节阀作用型式的关系,可配用“常开型”或“常闭型”。如果要求加大电磁阀的容量,来缩短动作时间,可以并列使用两台电磁阀或把电磁阀作为先导阀与大容量气动继动器组合使用。


其他附件

1、气动继电器(气动放大器)

气动继电器是一种功率放大器,也称气动放大器、气动加速器。它能将气压信号送到较远的地方,消除由于信号管线加长所带来的滞后,主要用于现场变送器与中央控制室的调节仪表之间,或在调节器与现场调节阀之间,还有一种作用就是放大或缩小信号。

2、转换器

转换器分为气-电转换器和电-气转换器,其功能是实现气、电信号之间一定关系相互转换,主要用于在用电讯号操纵气动执行机构时将0~10mA 或4~20mA 电讯号转换或20~100KPa 气讯号转换成0~10mA 或4~20mA 电讯号。

3、空气过滤减压阀

空气过滤减压阀是工业自动化仪表中的一种附件,其主要功能是将来自空压机的压缩空气进行过滤净化并将压力稳定在所需要的数值上,可用于各类气动仪表、电磁阀、气缸、喷涂设备及小型气动工具的供气源和稳压装置。

4、自锁阀(保位阀)

自锁阀是保持阀位的一种装置。气动调节阀当气源发生故障时该装置能将气源讯号切断,使膜室或气缸的压力讯号保持在故障前一瞬间的状态,这样就使阀位也维持在故障前的位置上,起到保位作用。

5、阀位传送器

当调节阀远离控制室时为了不到现场就能准确了解阀的开关位置,就要配备阀位传送器,即将阀开度的机构位移量,按一定规律转换成电讯号送到控制室,此讯号可以是反映阀门任何开度的连续信号,也可以认为是阀门定位器的逆动作。

6、行程开关(回讯器)

行程开关反映阀门开关两个极端位置,并同时送出指示讯号的装置,控制室可以根据此讯号,叛断阀门的开关状态以便采取相应措施。

7、信号检测开关

电流信号检测开关VA-100 是用来检测4-20mA 电流信号故障的装置。内置固态继电器,一旦输入信号低于4mA 以下的设定值,电流信号检测开关将使固态继电器触发,接通或切断控制电源。特点:

控制电源可选择;断信号点可设置。

8、三断保护装置

阀门特殊控制及故障保护装置与阀门定位器等配套使用,在气源、信号、电源发生故障时,能够按照控制要求使调节阀保持原位、或者全开、全关,处于安全位置,直至状态恢复。不同控制要求,内部配置不同。

9、常见的控制形式

三断保护:在气源、信号、电源故障时,实现阀门的保位或复位

两断保护:在气源、信号、电源故障时,实现阀门的保位或复位。

正常调节式工作,紧急情况,两位式紧急开或紧急关

气源故障,仍保持短时间工作

10、带智能阀门定位器的气动控制阀

这类控制阀的结构与普通控制阀相同,因附带智能阀门定位器而使控制阀具有智能化功能智能阀门定位器与普通阀门定位器的主要区别如下

1).控制阀流量特性的实现方式不同。智能定位器的反馈部分采用线性反馈,所需控制阀流量特性是在设定回路实现的。普通定位器的反馈部分是不同形状的凸轮,通过改变凸轮形状来实现所需控制阀流量特性。

2).输入输出方式不同。通常,智能阀门定位器是智能电气阀门定位器。与一般电气阀门定位器比较,智能电气阀门定位器的输入信号是标准的4~20mA 或1~5V 电信号,它需要经模数转换后作为微处理器的输入信号。而一般电气阀门定位器输入信号虽然是4—20mA 或l~5V 电信号,但它不需要经模数转换,可直接送电磁线圈产生电磁力,实现力平衡。智能阀门定位器的输出信号是数字信号,它通常送压电阀组,通过压电阀组的开关来调节送控制阀膜头的气压,一般电气阀门定位器的输出信号是经气动放大器放大后的气信号。

3).采用的控制方式不同。智能阀门定位器与一般的计算机控制装置类似,采用离散控制方式,因此,在采样间隔内,控制阀开度不变化。运行过程中,控制阀开度呈现阶梯形变化。一般阀门定位器采用连续控制方式,因此,整个控制过程中,控制阀开度的变化是连续的(除了因死区造成的跃变外)。

4).反馈信号检测处理不同。智能阀门定位器中控制阀反馈信号需经模数转换后送微处理器处理,而一般阀门定位器反馈信号直接作为反馈力(力矩),不需要经模数转换为电信号。

一些智能阀门定位器输入信号采用标准模拟信号,在同一导线还传输HART 数字信号,组成混合信号的智能阀门定位器,它不属于现场总线智能阀门定位器,但仍属于智能阀门定位器。

5)带现场总线智能阀门定位器的气动控制阀与一般智能阀门定位器比较,这类控制阀所带阀门定位器的特点如下。

a.输入信号不是标准模拟电流或电压信号,而是现场总线设备的数字信号。

b.具有通信功能,能够方便地与上位机进行通信,实现数据交换和数据共享。

c.可采用直接供电方式和本安方式运行,符合现场总线有关标准的规定。

d,可实现开放系统互连的有关功能,例如可互换性、可互操作性等。

e.全数字、双向通信。

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