控制閥的（三斷）保護(hù)方案及分析
摘要：闡述了控制閥（三斷）保護(hù)的各種方案，分析了各種方案的工作原理及、缺點(diǎn)及適用條件。
關(guān)鍵詞：三斷保護(hù)、控制閥、智能(模擬)電－氣閥門定位器、電－氣轉(zhuǎn)換器、保位閥、電磁換向閥。
控制閥在過程控制系統(tǒng)的重要作用是人所共知的，控制閥正常工作時(shí)需要系統(tǒng)提供氣（電）源、信號(hào)源，其氣（電）源、信號(hào)源的正確提供是控制閥正常工作的z基礎(chǔ)的保證。由于控制閥工作的重要性要求，因此，要求過程控制系統(tǒng)要保證氣（電）源、信號(hào)源能夠正確、連續(xù)的提供給控制閥。而實(shí)際情況是：過程控制系統(tǒng)無法 100﹪毫無差錯(cuò)地保證上述氣（電）源、信號(hào)源（簡稱三源）正確、連續(xù)的提供，因此，在控制閥上要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，即控制閥的三斷（斷氣源、電源、信號(hào)源）保護(hù)措施。
實(shí)際上，控制閥的控制方式有許多種，連接的附件又是多種多樣的，那么，控制閥的三斷保護(hù)措施及方案又會(huì)各有不同。一般情況下采取三斷保護(hù)措施的控制閥大多需要有位置反饋裝置，輸出反饋信號(hào)，配有手輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的手動(dòng)操作。本文根據(jù)三斷保護(hù)的不同要求，列舉不同的保護(hù)方案，并對(duì)不同的保護(hù)方案進(jìn)行分析，與業(yè)界同行共同探討。
本文討論的三斷保護(hù)方案主要有以下幾種：
一、 智能電－氣閥門定位器方案（控制閥配用智能電－氣閥門定位器）
二、 模擬電－氣閥門定位器方案（控制閥配用模擬電－氣閥門定位器）
三、 電－氣轉(zhuǎn)換器＋氣動(dòng)閥門定位器方案（控制閥配用電－氣轉(zhuǎn)換器＋氣動(dòng)閥門定位器）
四、 模擬氣動(dòng)閥門定位器方案（控制閥配用模擬氣動(dòng)閥門定位器）
五、 智能電動(dòng)控制閥方案
另外本文還將討論其他特殊情況下的保護(hù)方案。 一、 智能電－氣閥門定位器方案（控制閥配用智能電－氣閥門定位器）
其體方案見圖1
圖1
本方案主要由氣動(dòng)控制閥、智能電－氣閥門定位器、失電（信號(hào)）比較器、單電控電磁換向閥、氣動(dòng)保位閥等組成。其工作原理如下：
1、斷氣源：當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障（失氣）時(shí)，氣動(dòng)保位閥自動(dòng)關(guān)閉將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應(yīng)設(shè)定在略低于氣源的z小值時(shí)啟動(dòng)。
2、斷電源：當(dāng)控制系統(tǒng)電源故障（失電）時(shí)，失電（信號(hào)）比較器控制單電控電磁換向閥的輸出電壓消失，單電控電磁換向閥失電，單電控電磁換向閥內(nèi)的滑閥在復(fù)位彈簧的作用下滑動(dòng)，電磁閥換向，將氣動(dòng)保位閥的膜室壓力排空，氣動(dòng)保位閥關(guān)閉，將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。
3、斷信號(hào)：當(dāng)控制系統(tǒng)信號(hào)故障（失信號(hào)）時(shí)，失電（信號(hào)）比較器檢測到后，斷掉單電控電磁換向閥的電壓信號(hào)，單電控電磁換向閥失電，單電控電磁換向閥內(nèi)的滑閥在復(fù)位彈簧的作用下滑動(dòng)，電磁閥換向，將氣動(dòng)保位閥的膜室壓力排空，氣動(dòng)保位閥關(guān)閉，將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。
位置反饋信號(hào)由智能電－氣閥門定位器給出，無需配用閥位信號(hào)返回器。一般情況下，智能電－氣閥門定位器本身自帶或附加位置反饋模塊即可實(shí)現(xiàn)位置反饋。
本方案的點(diǎn)：所用附件相對(duì)較少（無需閥位信號(hào)返回器），占用空間較小。安裝、調(diào)試比較方便、簡單、快捷?！叭龜唷北Ｗo(hù)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)較快，動(dòng)作迅速。
本方案的缺點(diǎn)：電磁閥長期帶電，影響使用壽命。整體造價(jià)較，對(duì)所配用的附件性要求較。
二、 模擬電－氣閥門定位器方案（控制閥配用模擬電－氣閥門定位器）
其體方案見圖2
圖2
本方案主要由氣動(dòng)控制閥、模擬電－氣閥門定位器、失電（信號(hào)）比較器、單電控電磁換向閥、氣動(dòng)保位閥、閥位信號(hào)返回器等組成。其工作原理與智能電－氣閥門定位器方案相同。
位置反饋信號(hào)由閥位信號(hào)返回器給出。
本方案的點(diǎn)：“三斷”保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)較快，動(dòng)作迅速。整體造價(jià)比方案（一）低。
本方案的缺點(diǎn)：電磁閥長期帶電，影響使用壽命。配用附件較多，安裝、調(diào)試比方案（一）復(fù)雜一些，閥位反饋需另配閥位信號(hào)返回器，在配用手輪的情況下，比較復(fù)雜。
三、 電－氣轉(zhuǎn)換器＋氣動(dòng)閥門定位器方案（控制閥配用電－氣轉(zhuǎn)換器＋氣動(dòng)閥門定位器）
其體方案見圖3
圖3
本方案主要由氣動(dòng)控制閥、模擬氣動(dòng)閥門定位器、電－氣轉(zhuǎn)換器、氣動(dòng)保位閥、閥位信號(hào)返回器等組成。其工作原理如下：
1、斷氣源：當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障（失氣）時(shí)，用于控制氣源丟失的氣動(dòng)保位閥自動(dòng)關(guān)閉，將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應(yīng)設(shè)定在略低于氣源的z小值時(shí)啟動(dòng)。
2、斷信號(hào)：當(dāng)控制系統(tǒng)信號(hào)故障（失信號(hào)）時(shí)，電－氣轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)壓力同步丟失，用于控制信號(hào)丟失的氣動(dòng)保位閥自動(dòng)關(guān)閉，將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應(yīng)設(shè)定在略低于輸入信號(hào)的z小值時(shí)啟動(dòng)。
由于本方案沒有電源，故無斷電源保護(hù)。
位置反饋信號(hào)由閥位信號(hào)返回器給出。
本方案的點(diǎn)：無需電源保護(hù)，只實(shí)現(xiàn)兩斷保護(hù)即可，可用于防爆要求嚴(yán)格的場合。
本方案的缺點(diǎn)：斷信號(hào)保護(hù)時(shí)，有極短時(shí)的滯后，配用附件較多，安裝、調(diào)試比方案（一）復(fù)雜一些，閥位反饋需另配閥位信號(hào)返回器，在配用手輪的情況下，比較復(fù)雜。
四、 模擬氣動(dòng)閥門定位器方案（控制閥配用模擬氣動(dòng)閥門定位器）
其體方案見圖4
圖4
本方案主要由氣動(dòng)控制閥、模擬氣動(dòng)閥門定位器、氣動(dòng)保位閥、閥位信號(hào)返回器等組成。其工作原理如下：
1、斷氣源：當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障（失氣）時(shí)，用于控制氣源丟失的氣動(dòng)保位閥自動(dòng)關(guān)閉，將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應(yīng)設(shè)定在略低于氣源的z小值時(shí)啟動(dòng)。
2、斷信號(hào)：當(dāng)控制系統(tǒng)信號(hào)故障（失信號(hào)）時(shí)，用于控制信號(hào)丟失的氣動(dòng)保位閥自動(dòng)關(guān)閉，將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應(yīng)設(shè)定在略低于輸入信號(hào)的z小值時(shí)啟動(dòng)。斷信號(hào)保護(hù)時(shí)，有一定的滯后，滯后的時(shí)間與氣動(dòng)信號(hào)管線的長短有關(guān)。
由于本方案沒有電源，故無斷電源保護(hù)。
位置反饋信號(hào)由閥位信號(hào)返回器給出。
本方案的點(diǎn)：配用附件較少，方便安裝、調(diào)試。整體造價(jià)較低，可用于防爆要求特別的場合。
本方案的缺點(diǎn)：斷信號(hào)保護(hù)時(shí)，有一定的滯后，滯后的時(shí)間信號(hào)管線的長短有關(guān)。閥位反饋需另配閥位信號(hào)返回器，在配用手輪的情況下，比較復(fù)雜。只適用于氣動(dòng)信號(hào)場合。
五、智能電動(dòng)控制閥方案
智能電動(dòng)控制閥是由智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門組成，智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有斷電源保位功能，斷信號(hào)時(shí)可選擇保持原位、全關(guān)、全開的功能。并且本身帶有閥位信號(hào)返回功能。應(yīng)用范圍較廣。（工作原理圖略）
本方案的點(diǎn)：無需接入氣源，只實(shí)現(xiàn)兩斷保護(hù)即可。占用空間較小。安裝、調(diào)試比較方便、簡單、快捷。“兩斷”保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)較快，動(dòng)作迅速。閥門本身有閥位信號(hào)返回功能，無需另裝閥位信號(hào)返回器。
本方案的缺點(diǎn)：整體造價(jià)較，在防爆要求特別嚴(yán)格的場合，使用受限。
以上方案是三斷保護(hù)方案的z基本的方案，且在三斷時(shí)，閥門保持在原位置（保位）。
如果需要其它保護(hù)方式，可在以上方案上變化即可。
下面介紹一種氣源故障（失氣）時(shí)，雙作用閥門實(shí)現(xiàn)全開或全閉的保護(hù)方案。見圖5
圖5
本方案主要由控制閥、氣控?fù)Q向閥、定位器、自鎖閥、單向閥、減壓閥、儲(chǔ)氣罐等組成。其工作原理如下：
當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障（失氣）時(shí)，自鎖閥（其作用方式與保位閥相反）自動(dòng)打開，將氣控?fù)Q向閥的控制氣源撤消，氣控?fù)Q向閥的滑閥在彈簧的作用下復(fù)位，兩個(gè)氣控?fù)Q向閥中的其中一個(gè)排氣，另一個(gè)進(jìn)氣，單向閥關(guān)閉，氣源由儲(chǔ)氣罐中儲(chǔ)存的氣源向閥門供氣，從而實(shí)現(xiàn)閥門的全關(guān)或全開。全關(guān)或全開的轉(zhuǎn)換可通過調(diào)整氣控?fù)Q向閥的連接方式實(shí)現(xiàn)。
如果要實(shí)現(xiàn)閥門保位，加裝氣動(dòng)保位閥并改變管路連接，用自鎖閥直接控制保位閥，取消氣控?fù)Q向閥、單向閥、儲(chǔ)氣罐即可。
若要實(shí)現(xiàn)斷氣源時(shí)，能夠保證閥門有若干次的動(dòng)作，可采用以下方案。見圖6
圖6
本方案由儲(chǔ)氣罐、單向閥、閉鎖閥、截止閥等組成。其工作原理如下：
當(dāng)氣源故障（失氣）時(shí)，單向閥關(guān)閉，閉鎖閥失氣，在閉鎖閥的滑閥在彈簧的作用下復(fù)位，氣路換向，斷開系統(tǒng)的氣源管路，接通儲(chǔ)氣罐管路，由儲(chǔ)氣罐向閥門供氣，以保證閥門有若干次動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制的目的。由于儲(chǔ)氣罐的容量有限，且儲(chǔ)氣罐中的氣源壓力隨著閥門動(dòng)作不斷下降，不可長期使用儲(chǔ)氣罐為閥門供氣。本方案配用儲(chǔ)氣罐的容量應(yīng)比一般保護(hù)用儲(chǔ)氣罐的容量大。本方案在斷氣源時(shí)，閥門動(dòng)作的次數(shù)與儲(chǔ)氣罐的容量有關(guān)。
以上列出的若干種保護(hù)方案只是幾種基本形式，若要實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)目的可在上述方案中適當(dāng)修改。由于所列方案各有、缺點(diǎn)，在實(shí)際使用中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的體情況，可按實(shí)際需要選用不同的方案。對(duì)于三斷保護(hù)，在預(yù)算可能的情況下，綜合各種因素，筆者推薦方案（一）、方案（五）。