氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣路控制原理分析

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(dòng)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(dòng)能源形式分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三種。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是以壓縮氣為動(dòng)力源，以氣動(dòng)薄膜或活塞氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，借助閥門(mén)定位器、電磁閥等附件去控制，從而實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)、比例式調(diào)節(jié)，并在整個(gè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)電氣故障或連鎖時(shí)，使閥門(mén)回到安全位置。

1 氣動(dòng)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(mén)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，有助于克服介質(zhì)對(duì)閥桿的不平衡力和填料對(duì)閥桿的摩擦力，提高控制精度。定位器根據(jù)控制信號(hào)不同分為氣-氣定位器和電-氣定位器，前者控制信號(hào)為20 ～100kPa 的氣壓，后者控制信號(hào)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(hào)，根據(jù)信號(hào)大小改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與閥門(mén)開(kāi)度相對(duì)應(yīng)。當(dāng)閥桿受到不平衡力導(dǎo)致閥位發(fā)生變動(dòng)，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(bǔ)償，使閥位控制更加精確穩(wěn)定。

1.2 電磁閥

電磁閥是實(shí)現(xiàn)流體控制自動(dòng)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(shí)，磁芯在電磁力的作用下產(chǎn)生位移，電磁閥完成開(kāi)/關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)控制介質(zhì)的流通與切斷。按作用原理分為直動(dòng)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(shí)還應(yīng)綜合考慮多個(gè)電磁閥的組合使用，從而實(shí)現(xiàn)更安全、可靠的控制回路。如圖1 所示，為了保證整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性，將兩個(gè)或者多個(gè)電磁閥并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)冗余，即只要其中一個(gè)電磁閥正常工作，系統(tǒng)就能維持正常運(yùn)行。如圖2 所示，出于控制系統(tǒng)的安全性考慮，將兩個(gè)電磁閥串聯(lián)使用。

1.3 增速器

增速器（氣動(dòng)放大器）主要應(yīng)用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)容量較大或儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的配管距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，用來(lái)提高定位器控制執(zhí)行機(jī)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(hào)突然變大（來(lái)自定位器的輸出壓力），會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)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(dòng)以打開(kāi)供氣口來(lái)降低該壓差，從而實(shí)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(hào)控制其切換氣流通道的氣動(dòng)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(mén)失效快速?gòu)?fù)位的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)閥門(mén)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(shí)，該元件將自動(dòng)切斷儀表氣與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的連接通道，使膜室壓力訊號(hào)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(hào)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(dòng)，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(dòng)，主閥打開(kāi)，入口和出口接通。當(dāng)訊號(hào)壓力降低至調(diào)節(jié)彈簧設(shè)定值時(shí)，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(kāi)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(dòng)調(diào)節(jié)閥氣路控制原理分析

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

2.1 單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣路控制原理分析

（1）氣源正常調(diào)節(jié)閥可開(kāi)關(guān)切換，氣源故障/聯(lián)鎖時(shí)閥門(mén)復(fù)位?？梢酝ㄟ^(guò)使用過(guò)濾減壓閥、兩位三通電磁閥實(shí)現(xiàn)上述功能。氣路圖如圖5（a）所示，氣源正常，通過(guò)電磁閥得失電來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)切換；失氣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在彈簧作用下復(fù)位。

一些關(guān)鍵位置的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（如壓縮機(jī)組放空閥），控制系統(tǒng)要求在電磁閥失電后1 ～3S 內(nèi)閥門(mén)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(shí)間復(fù)位要求，此時(shí)，需要使用氣控閥。氣路圖如圖5（b）所示，氣源正常，通過(guò)電磁閥的得失電來(lái)控制氣控閥切換，利用氣控閥較大的Cv 值從而實(shí)現(xiàn)大容量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速?gòu)?fù)位。

（2）氣源正?？砷_(kāi)關(guān)切換/任意調(diào)節(jié)，氣源故障/聯(lián)鎖時(shí)閥門(mén)復(fù)位。對(duì)于小容量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣路圖如圖6（a）所示，氣源經(jīng)過(guò)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(jī)構(gòu)。電磁閥得電狀態(tài)下，給定位器4 ～20mA信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)任意閥位的調(diào)節(jié)；電磁閥失電，閥門(mén)回至故障安全位置。對(duì)于大容量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電磁閥失電有快速?gòu)?fù)位要求的閥門(mén)，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(guò)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(jī)構(gòu)。給定位器4 ～20mA 信號(hào)，則可以實(shí)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(jī)構(gòu)在彈簧作用下復(fù)位。

對(duì)于大容量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有定位器快速響應(yīng)要求的閥門(mén)，則需要配置增速器來(lái)實(shí)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(guò)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(hào)來(lái)實(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)閥氣路控制方案一

圖6 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣路控制方案二

（3）氣源正?？砷_(kāi)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(shí)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥需保持故障前一瞬間的開(kāi)度不變。單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生氣源故障時(shí)，在彈簧力的作用下，閥門(mén)復(fù)位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)保位功能，此時(shí)，可通過(guò)保位閥與其他附件組合來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。氣路如圖7 所示，氣源正常，通過(guò)電磁閥或定位器實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)切換、任意開(kāi)度調(diào)節(jié)；當(dāng)氣源失氣（或壓力小于保位閥設(shè)定值）時(shí)，保位閥切斷儀表氣與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的連接通道，使膜室壓力訊號(hào)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(jī)構(gòu)氣路控制原理分析

雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有兩個(gè)獨(dú)立的氣室，通過(guò)一個(gè)氣室的進(jìn)氣，一個(gè)氣室的排氣相互轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)切換，具有體積小、輸出扭矩大的特點(diǎn)。由于雙作用氣缸內(nèi)部無(wú)彈簧，因此，出現(xiàn)氣源故障時(shí)，在無(wú)外力作用下，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持在故障前的位置。

（1）氣源正常調(diào)節(jié)閥可開(kāi)關(guān)切換，氣源故障閥門(mén)復(fù)位。由于結(jié)構(gòu)特性限制，雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)要實(shí)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(guò)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(guò)兩個(gè)氣控閥后與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。AF2 后氣體一邊通過(guò)單向止回閥給氣包儲(chǔ)氣，一邊進(jìn)入鎖止閥LV 后分兩路分別作為兩個(gè)氣控閥的控制訊號(hào)。

氣源正常，通過(guò)電磁閥的得失電來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)切換，當(dāng)氣源壓力低于鎖止閥設(shè)定值時(shí)鎖止閥排空，兩個(gè)氣控閥均失去控制訊號(hào)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(guò)AB2 進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使閥門(mén)回到閥開(kāi)或閥關(guān)位置，實(shí)現(xiàn)故障復(fù)位。

圖7 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣路控制方案三

圖8 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣路控制方案四

圖9 氣動(dòng)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(shí)閥門(mén)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(guò)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(gè)增速器的控制訊號(hào)，一部分作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)氣源；第二路儀表氣給氣包儲(chǔ)氣的同時(shí)，通過(guò)兩位三通電磁閥后經(jīng)過(guò)鎖止閥分別作為兩個(gè)氣控閥的控制氣。

氣源正常、電磁閥得電時(shí)通過(guò)雙作用定位器來(lái)任意調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)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(shí)，鎖止閥放空，氣控閥失去控制信號(hào)，均恢復(fù)至常態(tài)位，此時(shí)，氣包與執(zhí)行機(jī)構(gòu)接通，氣包的儲(chǔ)存氣通過(guò)AB2進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門(mén)回到故障安全位置。

3 結(jié)語(yǔ)

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