第四章 執(zhí)行器及安全柵(4-2)

1、第4章 執(zhí)行器及安全柵 過程控制及自動化儀表過程控制及自動化儀表 電氣工程與自動化學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院 王紅一王紅一 授課專業(yè)：自動化授課專業(yè)：自動化 4.2.4 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 1. 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)選擇調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)選擇 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)工藝條件，如使用溫調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)工藝條件，如使用溫 度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、粘度度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、粘度 等）來選擇。等）來選擇。 一般介質(zhì)可選用直通單座閥或直通雙座閥；一般介質(zhì)可選用直通單座閥或直通雙座閥； 高壓介質(zhì)可選用高壓閥；高壓介質(zhì)可選用高壓閥； 強腐蝕介質(zhì)可采用隔膜閥等。強腐蝕介質(zhì)可采

2、用隔膜閥等。 4.2.4 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 2. 調(diào)節(jié)閥氣開式與氣關(guān)式的選擇調(diào)節(jié)閥氣開式與氣關(guān)式的選擇 氣開式氣開式：無壓力信號時閥門全閉，隨著壓力信號增大，閥門逐漸：無壓力信號時閥門全閉，隨著壓力信號增大，閥門逐漸 開大的氣動調(diào)節(jié)閥為氣開式開大的氣動調(diào)節(jié)閥為氣開式 。 圖圖4-8 調(diào)節(jié)閥地氣開式與氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥地氣開式與氣關(guān)式 氣關(guān)式氣關(guān)式：無壓力信號時閥門全開，隨著壓力信號增大，閥門逐漸：無壓力信號時閥門全開，隨著壓力信號增大，閥門逐漸 關(guān)小的氣動調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式關(guān)小的氣動調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式 。 選擇原則：選擇原則： 從工藝生產(chǎn)安全考慮，一旦控從工藝生產(chǎn)安全考慮，一旦控 制系統(tǒng)發(fā)生故障、信

3、號中斷時，制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號中斷時， 調(diào)節(jié)閥的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工調(diào)節(jié)閥的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工 藝設(shè)備和操作人員的安全。藝設(shè)備和操作人員的安全。 3. 3. 調(diào)節(jié)閥（控制閥）流量特性的選擇調(diào)節(jié)閥（控制閥）流量特性的選擇 l 從改善控制系統(tǒng)控制質(zhì)量選擇從改善控制系統(tǒng)控制質(zhì)量選擇 l 彌補系統(tǒng)的非線性彌補系統(tǒng)的非線性 從控制系統(tǒng)的類型考慮：從控制系統(tǒng)的類型考慮： 隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值R R變化。變化。 定值控制系統(tǒng)：負(fù)荷變化；閥前后壓力變化。定值控制系統(tǒng)：負(fù)荷變化；閥前后壓力變化。 從工作性能考慮：從工作性能考慮： 動態(tài)性能動態(tài)性能 配管狀況配管狀況 負(fù)荷變化負(fù)荷變化 4.2.4

4、 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 （1）隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值）隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值R變化變化 （2）定值控制系統(tǒng)：負(fù)荷變化）定值控制系統(tǒng)：負(fù)荷變化 （3）定值控制系統(tǒng)：閥前后壓力變化）定值控制系統(tǒng)：閥前后壓力變化 （4）從動態(tài)性能考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性）從動態(tài)性能考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性 （5）從配管狀況考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性（閥阻比）從配管狀況考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性（閥阻比S） 配管狀況配管狀況S=10.6S=0.60.3S=0.30 閥工作流量閥工作流量 特性特性 直線直線等百分比等百分比直線直線等百分比等百分比 不適宜不適宜 控制控制 閥理想流量閥理想流量 特性特性 直線直線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 控制系統(tǒng)及被控參數(shù)控制系統(tǒng)及被控參數(shù)干擾干擾選擇調(diào)節(jié)閥流量特性選擇調(diào)節(jié)閥流量特性 流量控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)壓力壓力P1P2等百分比等百分比 給定值給定值直線直線 壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng) P2等百分比等百分比 P3直線直線 給定值給定值P1直線直線 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)流量流量直線直線 給定值給定值等百分比等百分比 （6）從負(fù)荷變化情況考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性）從負(fù)荷變化情況考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性-1 控制系控制系 統(tǒng)及被統(tǒng)及被 控參數(shù)控參數(shù) 干擾干擾 選擇調(diào)選擇調(diào) 節(jié)閥流節(jié)閥流 量特性量特性 液位控制液位控制 系統(tǒng)系統(tǒng) 給定值給定值直線直線 流量流量直線直線 溫度控制溫度

6、控制 系統(tǒng)系統(tǒng) T3或燃料入或燃料入 口壓力口壓力 等百分比等百分比 受熱物體流受熱物體流 量量 等百分比等百分比 入口溫度入口溫度T1直線直線 給定值給定值T2直線直線 （6）從負(fù)荷變化情況考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性）從負(fù)荷變化情況考慮調(diào)節(jié)閥的工作特性-2 （7）選擇調(diào)節(jié)閥特性時的注意事項）選擇調(diào)節(jié)閥特性時的注意事項 l 生產(chǎn)過程的干擾有多種，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的干擾有多種，應(yīng)根據(jù)主要擾動主要擾動的變化選擇調(diào)節(jié)閥特性；的變化選擇調(diào)節(jié)閥特性； l 當(dāng)對象的輸入輸出關(guān)系能用圖形描述時，宜用當(dāng)對象的輸入輸出關(guān)系能用圖形描述時，宜用圖解法圖解法選擇調(diào)節(jié)閥特性；選擇調(diào)節(jié)閥特性； l 當(dāng)對象的輸入輸出關(guān)系能用解析

7、式描述時，宜用當(dāng)對象的輸入輸出關(guān)系能用解析式描述時，宜用解析法解析法選擇調(diào)節(jié)閥特性；選擇調(diào)節(jié)閥特性； l 對象的輸入輸出關(guān)系是對象的輸入輸出關(guān)系是增量化前增量化前的方程，否則會得到錯誤的結(jié)果；的方程，否則會得到錯誤的結(jié)果； l 由于對象由于對象動態(tài)放大系數(shù)動態(tài)放大系數(shù)與與靜態(tài)放大系數(shù)靜態(tài)放大系數(shù)不相符，因此，對控制質(zhì)量要求高不相符，因此，對控制質(zhì)量要求高 時，應(yīng)從動態(tài)考慮和分析；時，應(yīng)從動態(tài)考慮和分析； l 選擇調(diào)節(jié)閥的特性是使系統(tǒng)選擇調(diào)節(jié)閥的特性是使系統(tǒng)總的幅頻總的幅頻和和相頻特性相頻特性保持保持恒定恒定，為此，也可以，為此，也可以 通過選擇控制器、檢測變送器的特性來滿足；通過選擇控制器、檢

8、測變送器的特性來滿足； 例如：節(jié)流裝置測流量，加開方器，采用線性特性調(diào)節(jié)閥；如不加開例如：節(jié)流裝置測流量，加開方器，采用線性特性調(diào)節(jié)閥；如不加開 方器，從靜態(tài)考慮應(yīng)選擇快開特性，實際采用線性特性調(diào)節(jié)閥。方器，從靜態(tài)考慮應(yīng)選擇快開特性，實際采用線性特性調(diào)節(jié)閥。 4.2.4 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 4. 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇調(diào)節(jié)閥口徑的選擇 確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是閥門的確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是閥門的流通能力流通能力。 流通能力的定義流通能力的定義： 在閥兩端壓差為在閥兩端壓差為100kPa，流體密度為，流體密度為1000kg/m3（水）的條件（水）的條件 下，閥門全開時每小時能通過調(diào)節(jié)閥的流體

9、流量（下，閥門全開時每小時能通過調(diào)節(jié)閥的流體流量（m3/h）。）。 對不可壓縮的流體有對不可壓縮的流體有： 2 2 v p（4-3） AQv pA Q 2 將將 代入（代入（4-3）得流量表達(dá)式：）得流量表達(dá)式： pApA Q 1 .162 10 1 3600 4 （4-4） ?。喝。篈的單位的單位cm2 p的單位的單位k Pa 的單位的單位kg/m3 Q的單位的單位m3/h 4.2.4 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 pApA Q 1 .162 10 1 3600 4 （4-4） 根據(jù)流通能力根據(jù)流通能力C的上述定義，的上述定義， 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. 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇調(diào)節(jié)閥口徑的選擇 確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是閥門的確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是閥門的流通能力流通能力。 流通能力的定義流通能力的定義： 在閥兩端壓差為在閥兩端壓差為100kPa，流體密度為，流體密度為1000kg/m3（水）的條件（水）的條件 下，閥門全開時每小時能通過調(diào)節(jié)閥的流體流量（下，閥門全開時每小時能通過調(diào)節(jié)閥的流體流量（m3/h）。）。 4.2.5 電電/氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器 420mA 調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)器輸出 140kpa 20100kpa 至氣動執(zhí)行器至氣動執(zhí)行器 圖圖4-9 力平衡式電力平衡

11、式電/氣轉(zhuǎn)換器的原理圖氣轉(zhuǎn)換器的原理圖圖圖4-10 噴嘴擋板機構(gòu)原理圖噴嘴擋板機構(gòu)原理圖 140kpa 輸出壓力輸出壓力 作用作用： 把調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信換為把調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn) 氣壓信號。氣壓信號。 I 吸力吸力Fi 杠桿偏轉(zhuǎn)杠桿偏轉(zhuǎn) 擋板與噴嘴間隙擋板與噴嘴間隙 背壓背壓 放大器輸入放大器輸入 輸出壓力輸出壓力P 杠桿杠桿 的反饋力的反饋力Ff 杠桿平衡杠桿平衡 PI 工作原理工作原理 4.2. 6 閥門定位器閥門定位器 負(fù)反饋系統(tǒng)原理：負(fù)反饋系統(tǒng)原理： 圖圖4-11 閥門定位器負(fù)反饋系統(tǒng)原理閥門定位器負(fù)反饋系統(tǒng)原理 將閥桿的位移負(fù)反饋到輸入端，和輸

12、入信號進行將閥桿的位移負(fù)反饋到輸入端，和輸入信號進行 比較調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)閥能按輸入信號精確地確定開度。比較調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)閥能按輸入信號精確地確定開度。 4.2.6 閥門定位器閥門定位器 氣動閥門定位器與執(zhí)行機構(gòu)的配合：氣動閥門定位器與執(zhí)行機構(gòu)的配合： 圖圖4-12 氣動閥門定位器與執(zhí)行機構(gòu)配合氣動閥門定位器與執(zhí)行機構(gòu)配合 在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負(fù)反饋。使閥桿在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負(fù)反饋。使閥桿 能按輸入信號精確地確定自己的開度。能按輸入信號精確地確定自己的開度。 氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移 是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作是由薄膜上氣壓推力與彈簧反

13、作 用力平衡確定的。用力平衡確定的。 為了防止閥桿處的泄漏要壓為了防止閥桿處的泄漏要壓 緊填料，使閥桿摩擦力增大，且緊填料，使閥桿摩擦力增大，且 個體差異較大，這會影響輸入信個體差異較大，這會影響輸入信 號號P P的執(zhí)行精度。的執(zhí)行精度。 圖圖4-13 電電/氣閥門定位器原理圖氣閥門定位器原理圖 20100kpa 電動調(diào)節(jié)器輸出電動調(diào)節(jié)器輸出 420mA 電電/ /氣閥門定位器原理氣閥門定位器原理 實際應(yīng)用中，常把電實際應(yīng)用中，常把電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)合成一體，氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)合成一體， 組成電組成電/氣閥門定位器。氣閥門定位器。 I杠桿上端右移杠桿上端右移 擋板擋板靠近噴嘴靠近噴

14、嘴 P壓力壓力 閥桿下移閥桿下移反饋凸輪反饋凸輪 右轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn) 反饋彈簧右拉反饋彈簧右拉 杠桿平衡杠桿平衡 4.2.6 閥門定位器閥門定位器 圖圖4-14 電電/氣閥門定位器的安全防爆措施氣閥門定位器的安全防爆措施 電電/ /氣閥門定位器的安全防爆措施氣閥門定位器的安全防爆措施 4.2.6 閥門定位器閥門定位器 4. 2.7 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥 圖圖4-15 電動執(zhí)行機構(gòu)框圖電動執(zhí)行機構(gòu)框圖 反饋信號反饋信號位移信號位移信號 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥 接受來自調(diào)節(jié)器的電流信號，將其轉(zhuǎn)換為閥門開度。接受來自調(diào)節(jié)器的電流信號，將其轉(zhuǎn)換為閥門開度。 是用電動機對閥門開度作連續(xù)的調(diào)節(jié)。是用電動機對閥門開度作

15、連續(xù)的調(diào)節(jié)。 工作原理工作原理： 從調(diào)節(jié)器來的信號通過伺服放大器驅(qū)動伺服電動機，經(jīng)減速器帶從調(diào)節(jié)器來的信號通過伺服放大器驅(qū)動伺服電動機，經(jīng)減速器帶 動調(diào)節(jié)閥，同時經(jīng)位置發(fā)信器將閥桿行程反饋給伺服放大器，組成動調(diào)節(jié)閥，同時經(jīng)位置發(fā)信器將閥桿行程反饋給伺服放大器，組成 位置隨動系統(tǒng)。依位置負(fù)反饋，保證輸入信號準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為閥桿的位置隨動系統(tǒng)。依位置負(fù)反饋，保證輸入信號準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為閥桿的 行程。行程。 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu) 4.2. 7 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥 圖圖4-15 電動執(zhí)行機構(gòu)框圖電動執(zhí)行機構(gòu)框圖 可控硅可控硅1、2 交流可控硅開關(guān)交流可控硅開關(guān)1、2 前置放大器前置放大器 是一

16、個比較放大器，根據(jù)輸入信號與反饋信號相比較后偏差是一個比較放大器，根據(jù)輸入信號與反饋信號相比較后偏差 的正負(fù)，輸出正向或反向直流電壓，使晶閘管觸發(fā)電路的正負(fù)，輸出正向或反向直流電壓，使晶閘管觸發(fā)電路 1 或或 2 中中 的一個工作，發(fā)出觸發(fā)脈沖，導(dǎo)通晶閘管，從而控制電機正轉(zhuǎn)或的一個工作，發(fā)出觸發(fā)脈沖，導(dǎo)通晶閘管，從而控制電機正轉(zhuǎn)或 反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。 4.2. 7 智能式調(diào)節(jié)閥智能式調(diào)節(jié)閥 智能調(diào)節(jié)閥的主要功能智能調(diào)節(jié)閥的主要功能： （1）控制及執(zhí)行功能）控制及執(zhí)行功能 （2）補償及校正功能）補償及校正功能 （3）通信功能）通信功能 （4）診斷功能）診斷功能 （5）保護功能）保護功能 4. 2.7

17、智能式調(diào)節(jié)閥智能式調(diào)節(jié)閥 圖圖4-17 STARPAC智能調(diào)節(jié)閥功能方框圖智能調(diào)節(jié)閥功能方框圖 4.3 安全柵安全柵 安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制 系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。 它能在安全區(qū)和危險區(qū)之間雙向轉(zhuǎn)遞電信號，它能在安全區(qū)和危險區(qū)之間雙向轉(zhuǎn)遞電信號， 并可限制因故障引起的安全區(qū)向危險區(qū)和能量轉(zhuǎn)遞。并可限制因故障引起的安全區(qū)向危險區(qū)和能量轉(zhuǎn)遞。 安全柵是本質(zhì)安全型防爆儀器儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備，安全柵是本質(zhì)安全型防爆儀器儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備， 在正常情況下不影響測量系統(tǒng)的功能。它設(shè)置在安全在正常情況下不影響

18、測量系統(tǒng)的功能。它設(shè)置在安全 場所的一側(cè)，當(dāng)本安防爆系統(tǒng)發(fā)生故障時，能將竄入場所的一側(cè)，當(dāng)本安防爆系統(tǒng)發(fā)生故障時，能將竄入 危險場所的能量（電能）限制在安全值以內(nèi)，從而保危險場所的能量（電能）限制在安全值以內(nèi)，從而保 證現(xiàn)場生產(chǎn)安全。證現(xiàn)場生產(chǎn)安全。 4.3.1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念 安全柵安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制系統(tǒng)信號線進入（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制系統(tǒng)信號線進入 現(xiàn)場儀表的安全保護器。現(xiàn)場儀表的安全保護器。 爆炸性混合物爆炸性混合物：在大氣條件下，氣體蒸氣、薄霧、粉塵或纖維：在大氣條件下，氣體蒸氣、薄霧、粉塵或纖維 狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃

19、燒將在整個范圍內(nèi)傳播的狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)傳播的 混和物?；旌臀铩?爆炸性環(huán)境爆炸性環(huán)境：含有爆炸性混合物的環(huán)境。：含有爆炸性混合物的環(huán)境。 爆炸危險場所：爆炸危險場所：如果爆炸性混合物出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的數(shù)量較大，如果爆炸性混合物出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的數(shù)量較大， 足以要求對區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取預(yù)防措施足以要求對區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用采取預(yù)防措施 的場所。的場所。 4.3.2 安全火花防爆系統(tǒng)安全火花防爆系統(tǒng) 圖圖4-18 安全火花防爆系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)安全火花防爆系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 如果在危險現(xiàn)場使用的儀表是安全火花防爆儀表，并且危險如果在危險現(xiàn)場使用的儀

20、表是安全火花防爆儀表，并且危險 現(xiàn)場儀表與非危險場所（如控制室）儀表的電路連線之間設(shè)置了現(xiàn)場儀表與非危險場所（如控制室）儀表的電路連線之間設(shè)置了 安全柵，這樣的控制系統(tǒng)稱為安全柵，這樣的控制系統(tǒng)稱為安全火花防爆系統(tǒng)安全火花防爆系統(tǒng)。 4.3.3 安全柵的工作原理安全柵的工作原理 安全柵的作用：安全柵的作用： 防止安全場所的危險能量竄入危險場所，它在正常情況下，防止安全場所的危險能量竄入危險場所，它在正常情況下， 只起信號傳遞作用。只起信號傳遞作用。 安全柵種類：安全柵種類： 電阻式安全柵電阻式安全柵：是利用電阻的限流作用限制能量；：是利用電阻的限流作用限制能量； 中繼放大式安全柵中繼放大式安全柵：是利用運放