第四章 执行器及安全栅(4-2)

1、第4章 执行器及安全栅 过程控制及自动化仪表过程控制及自动化仪表 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 王红一王红一 授课专业：自动化授课专业：自动化 4.2.4 调节阀的选择调节阀的选择 1. 调节阀结构选择调节阀结构选择 调节阀的结构形式主要根据工艺条件，如使用温调节阀的结构形式主要根据工艺条件，如使用温 度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度 等）来选择。等）来选择。 一般介质可选用直通单座阀或直通双座阀；一般介质可选用直通单座阀或直通双座阀； 高压介质可选用高压阀；高压介质可选用高压阀； 强腐蚀介质可采用隔膜阀等。强腐蚀介质可采

2、用隔膜阀等。 4.2.4 调节阀的选择调节阀的选择 2. 调节阀气开式与气关式的选择调节阀气开式与气关式的选择 气开式气开式：无压力信号时阀门全闭，随着压力信号增大，阀门逐渐：无压力信号时阀门全闭，随着压力信号增大，阀门逐渐 开大的气动调节阀为气开式开大的气动调节阀为气开式 。 图图4-8 调节阀地气开式与气关式调节阀地气开式与气关式 气关式气关式：无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大，阀门逐渐：无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大，阀门逐渐 关小的气动调节阀为气关式关小的气动调节阀为气关式 。 选择原则：选择原则： 从工艺生产安全考虑，一旦控从工艺生产安全考虑，一旦控 制系统发生故障、信

3、号中断时，制系统发生故障、信号中断时， 调节阀的开关状态应能保证工调节阀的开关状态应能保证工 艺设备和操作人员的安全。艺设备和操作人员的安全。 3. 3. 调节阀（控制阀）流量特性的选择调节阀（控制阀）流量特性的选择 l 从改善控制系统控制质量选择从改善控制系统控制质量选择 l 弥补系统的非线性弥补系统的非线性 从控制系统的类型考虑：从控制系统的类型考虑： 随动控制系统：设定值随动控制系统：设定值R R变化。变化。 定值控制系统：负荷变化；阀前后压力变化。定值控制系统：负荷变化；阀前后压力变化。 从工作性能考虑：从工作性能考虑： 动态性能动态性能 配管状况配管状况 负荷变化负荷变化 4.2.4

4、 调节阀的选择调节阀的选择 （1）随动控制系统：设定值）随动控制系统：设定值R变化变化 （2）定值控制系统：负荷变化）定值控制系统：负荷变化 （3）定值控制系统：阀前后压力变化）定值控制系统：阀前后压力变化 （4）从动态性能考虑调节阀的工作特性）从动态性能考虑调节阀的工作特性 （5）从配管状况考虑调节阀的工作特性（阀阻比）从配管状况考虑调节阀的工作特性（阀阻比S） 配管状况配管状况S=10.6S=0.60.3S=0.30 阀工作流量阀工作流量 特性特性 直线直线等百分比等百分比直线直线等百分比等百分比 不适宜不适宜 控制控制 阀理想流量阀理想流量 特性特性 直线直线等百分比等百分比等百分比等百

5、分比等百分比等百分比 控制系统及被控参数控制系统及被控参数干扰干扰选择调节阀流量特性选择调节阀流量特性 流量控制系统流量控制系统压力压力P1P2等百分比等百分比 给定值给定值直线直线 压力控制系统压力控制系统 P2等百分比等百分比 P3直线直线 给定值给定值P1直线直线 液位控制系统液位控制系统流量流量直线直线 给定值给定值等百分比等百分比 （6）从负荷变化情况考虑调节阀的工作特性）从负荷变化情况考虑调节阀的工作特性-1 控制系控制系 统及被统及被 控参数控参数 干扰干扰 选择调选择调 节阀流节阀流 量特性量特性 液位控制液位控制 系统系统 给定值给定值直线直线 流量流量直线直线 温度控制温度

6、控制 系统系统 T3或燃料入或燃料入 口压力口压力 等百分比等百分比 受热物体流受热物体流 量量 等百分比等百分比 入口温度入口温度T1直线直线 给定值给定值T2直线直线 （6）从负荷变化情况考虑调节阀的工作特性）从负荷变化情况考虑调节阀的工作特性-2 （7）选择调节阀特性时的注意事项）选择调节阀特性时的注意事项 l 生产过程的干扰有多种，应根据生产过程的干扰有多种，应根据主要扰动主要扰动的变化选择调节阀特性；的变化选择调节阀特性； l 当对象的输入输出关系能用图形描述时，宜用当对象的输入输出关系能用图形描述时，宜用图解法图解法选择调节阀特性；选择调节阀特性； l 当对象的输入输出关系能用解析

7、式描述时，宜用当对象的输入输出关系能用解析式描述时，宜用解析法解析法选择调节阀特性；选择调节阀特性； l 对象的输入输出关系是对象的输入输出关系是增量化前增量化前的方程，否则会得到错误的结果；的方程，否则会得到错误的结果； l 由于对象由于对象动态放大系数动态放大系数与与静态放大系数静态放大系数不相符，因此，对控制质量要求高不相符，因此，对控制质量要求高 时，应从动态考虑和分析；时，应从动态考虑和分析； l 选择调节阀的特性是使系统选择调节阀的特性是使系统总的幅频总的幅频和和相频特性相频特性保持保持恒定恒定，为此，也可以，为此，也可以 通过选择控制器、检测变送器的特性来满足；通过选择控制器、检

8、测变送器的特性来满足； 例如：节流装置测流量，加开方器，采用线性特性调节阀；如不加开例如：节流装置测流量，加开方器，采用线性特性调节阀；如不加开 方器，从静态考虑应选择快开特性，实际采用线性特性调节阀。方器，从静态考虑应选择快开特性，实际采用线性特性调节阀。 4.2.4 调节阀的选择调节阀的选择 4. 调节阀口径的选择调节阀口径的选择 确定调节阀尺寸的主要依据是阀门的确定调节阀尺寸的主要依据是阀门的流通能力流通能力。 流通能力的定义流通能力的定义： 在阀两端压差为在阀两端压差为100kPa，流体密度为，流体密度为1000kg/m3（水）的条件（水）的条件 下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体

9、流量（下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m3/h）。）。 对不可压缩的流体有对不可压缩的流体有： 2 2 v p（4-3） AQv pA Q 2 将将 代入（代入（4-3）得流量表达式：）得流量表达式： pApA Q 1 .162 10 1 3600 4 （4-4） 取：取：A的单位的单位cm2 p的单位的单位k Pa 的单位的单位kg/m3 Q的单位的单位m3/h 4.2.4 调节阀的选择调节阀的选择 pApA Q 1 .162 10 1 3600 4 （4-4） 根据流通能力根据流通能力C的上述定义，的上述定义， 由式（由式（4-4）可知：）可知： A C09. 5（4-5） （

10、4-5）代入（）代入（4-4）可得：）可得： p QC 10 （4-6） 4. 调节阀口径的选择调节阀口径的选择 确定调节阀尺寸的主要依据是阀门的确定调节阀尺寸的主要依据是阀门的流通能力流通能力。 流通能力的定义流通能力的定义： 在阀两端压差为在阀两端压差为100kPa，流体密度为，流体密度为1000kg/m3（水）的条件（水）的条件 下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m3/h）。）。 4.2.5 电电/气转换器气转换器 420mA 调节器输出调节器输出 140kpa 20100kpa 至气动执行器至气动执行器 图图4-9 力平衡式电力平衡

11、式电/气转换器的原理图气转换器的原理图图图4-10 喷嘴挡板机构原理图喷嘴挡板机构原理图 140kpa 输出压力输出压力 作用作用： 把调节器输出的标准电流信换为把调节器输出的标准电流信换为20100kPa的标准的标准 气压信号。气压信号。 I 吸力吸力Fi 杠杆偏转杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙挡板与喷嘴间隙 背压背压 放大器输入放大器输入 输出压力输出压力P 杠杆杠杆 的反馈力的反馈力Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PI 工作原理工作原理 4.2. 6 阀门定位器阀门定位器 负反馈系统原理：负反馈系统原理： 图图4-11 阀门定位器负反馈系统原理阀门定位器负反馈系统原理 将阀杆的位移负反馈到输入端，和输

12、入信号进行将阀杆的位移负反馈到输入端，和输入信号进行 比较调节，使调节阀能按输入信号精确地确定开度。比较调节，使调节阀能按输入信号精确地确定开度。 4.2.6 阀门定位器阀门定位器 气动阀门定位器与执行机构的配合：气动阀门定位器与执行机构的配合： 图图4-12 气动阀门定位器与执行机构配合气动阀门定位器与执行机构配合 在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆 能按输入信号精确地确定自己的开度。能按输入信号精确地确定自己的开度。 气动调节阀中，阀杆的位移气动调节阀中，阀杆的位移 是由薄膜上气压推力与弹簧反作是由薄膜上气压推力与弹簧反

13、作 用力平衡确定的。用力平衡确定的。 为了防止阀杆处的泄漏要压为了防止阀杆处的泄漏要压 紧填料，使阀杆摩擦力增大，且紧填料，使阀杆摩擦力增大，且 个体差异较大，这会影响输入信个体差异较大，这会影响输入信 号号P P的执行精度。的执行精度。 图图4-13 电电/气阀门定位器原理图气阀门定位器原理图 20100kpa 电动调节器输出电动调节器输出 420mA 电电/ /气阀门定位器原理气阀门定位器原理 实际应用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成一体，气转换器和阀门定位器结合成一体， 组成电组成电/气阀门定位器。气阀门定位器。 I杠杆上端右移杠杆上端右移 挡板挡板靠近喷嘴靠近喷

14、嘴 P压力压力 阀杆下移阀杆下移反馈凸轮反馈凸轮 右转右转 反馈弹簧右拉反馈弹簧右拉 杠杆平衡杠杆平衡 4.2.6 阀门定位器阀门定位器 图图4-14 电电/气阀门定位器的安全防爆措施气阀门定位器的安全防爆措施 电电/ /气阀门定位器的安全防爆措施气阀门定位器的安全防爆措施 4.2.6 阀门定位器阀门定位器 4. 2.7 电动调节阀电动调节阀 图图4-15 电动执行机构框图电动执行机构框图 反馈信号反馈信号位移信号位移信号 电动调节阀电动调节阀 接受来自调节器的电流信号，将其转换为阀门开度。接受来自调节器的电流信号，将其转换为阀门开度。 是用电动机对阀门开度作连续的调节。是用电动机对阀门开度作

15、连续的调节。 工作原理工作原理： 从调节器来的信号通过伺服放大器驱动伺服电动机，经减速器带从调节器来的信号通过伺服放大器驱动伺服电动机，经减速器带 动调节阀，同时经位置发信器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成动调节阀，同时经位置发信器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成 位置随动系统。依位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的位置随动系统。依位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的 行程。行程。 执行机构执行机构 调节机构调节机构 4.2. 7 电动调节阀电动调节阀 图图4-15 电动执行机构框图电动执行机构框图 可控硅可控硅1、2 交流可控硅开关交流可控硅开关1、2 前置放大器前置放大器 是一

16、个比较放大器，根据输入信号与反馈信号相比较后偏差是一个比较放大器，根据输入信号与反馈信号相比较后偏差 的正负，输出正向或反向直流电压，使晶闸管触发电路的正负，输出正向或反向直流电压，使晶闸管触发电路 1 或或 2 中中 的一个工作，发出触发脉冲，导通晶闸管，从而控制电机正转或的一个工作，发出触发脉冲，导通晶闸管，从而控制电机正转或 反转。反转。 4.2. 7 智能式调节阀智能式调节阀 智能调节阀的主要功能智能调节阀的主要功能： （1）控制及执行功能）控制及执行功能 （2）补偿及校正功能）补偿及校正功能 （3）通信功能）通信功能 （4）诊断功能）诊断功能 （5）保护功能）保护功能 4. 2.7

17、智能式调节阀智能式调节阀 图图4-17 STARPAC智能调节阀功能方框图智能调节阀功能方框图 4.3 安全栅安全栅 安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制 系统信号线进入现场仪表的安全保护器。系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号， 并可限制因故障引起的安全区向危险区和能量转递。并可限制因故障引起的安全区向危险区和能量转递。 安全栅是本质安全型防爆仪器仪表的关联设备，安全栅是本质安全型防爆仪器仪表的关联设备， 在正常情况下不影响测量系统的功能。它设置在安全在正常情况下不影响

18、测量系统的功能。它设置在安全 场所的一侧，当本安防爆系统发生故障时，能将窜入场所的一侧，当本安防爆系统发生故障时，能将窜入 危险场所的能量（电能）限制在安全值以内，从而保危险场所的能量（电能）限制在安全值以内，从而保 证现场生产安全。证现场生产安全。 4.3.1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念 安全栅安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入 现场仪表的安全保护器。现场仪表的安全保护器。 爆炸性混合物爆炸性混合物：在大气条件下，气体蒸气、薄雾、粉尘或纤维：在大气条件下，气体蒸气、薄雾、粉尘或纤维 状的易燃物质与空气混合，点燃后燃

19、烧将在整个范围内传播的状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的 混和物。混和物。 爆炸性环境爆炸性环境：含有爆炸性混合物的环境。：含有爆炸性混合物的环境。 爆炸危险场所：爆炸危险场所：如果爆炸性混合物出现或可能出现的数量较大，如果爆炸性混合物出现或可能出现的数量较大， 足以要求对区域内电气设备的结构、安装和使用采取预防措施足以要求对区域内电气设备的结构、安装和使用采取预防措施 的场所。的场所。 4.3.2 安全火花防爆系统安全火花防爆系统 图图4-18 安全火花防爆系统的基本结构安全火花防爆系统的基本结构 如果在危险现场使用的仪表是安全火花防爆仪表，并且危险如果在危险现场使用的仪

20、表是安全火花防爆仪表，并且危险 现场仪表与非危险场所（如控制室）仪表的电路连线之间设置了现场仪表与非危险场所（如控制室）仪表的电路连线之间设置了 安全栅，这样的控制系统称为安全栅，这样的控制系统称为安全火花防爆系统安全火花防爆系统。 4.3.3 安全栅的工作原理安全栅的工作原理 安全栅的作用：安全栅的作用： 防止安全场所的危险能量窜入危险场所，它在正常情况下，防止安全场所的危险能量窜入危险场所，它在正常情况下， 只起信号传递作用。只起信号传递作用。 安全栅种类：安全栅种类： 电阻式安全栅电阻式安全栅：是利用电阻的限流作用限制能量；：是利用电阻的限流作用限制能量； 中继放大式安全栅中继放大式安全栅：是利用运放