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1 概述
調(diào)節(jié)閥直接安裝在水工藝管道上，是水廠自控系統(tǒng)的重要組成部分。調(diào)節(jié)閥也被稱為自控系統(tǒng)的手足，它的耐用程度及動(dòng)作靈敏與否，直接關(guān)系著自控系統(tǒng)的質(zhì)量。實(shí)際工作及有關(guān)資料均表明，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中70%左右的故障出自調(diào)節(jié)閥。因此，保證調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確運(yùn)行，是關(guān)系自控系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的重要前提。
2 調(diào)節(jié)閥在水廠中的應(yīng)用
2.1 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的使用情況
橋東水廠是經(jīng)老廠改造而來(lái)的，始建于1983年，1999年停產(chǎn)，2005年2月改造后重新投產(chǎn)，日產(chǎn)量為12萬(wàn)噸/日。全部?jī)羲に囘^(guò)程采用由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。橋東水廠的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選用國(guó)產(chǎn)的電動(dòng)調(diào)節(jié)比例閥。該閥門(mén)由電動(dòng)執(zhí)行器、閥體、控制三部分組成，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集調(diào)節(jié)、伺服于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接線方便。輸入信號(hào)為4～20mA模擬信號(hào)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)，從而達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)閥位開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的目的。位置反饋信號(hào)輸出4～20mA模擬信號(hào)，用來(lái)監(jiān)視閥門(mén)的開(kāi)度。溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)裝在控制腔內(nèi)，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。在實(shí)際控制調(diào)節(jié)閥門(mén)的過(guò)程中遇到了過(guò)不少問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次整改與完善，積累了一些使用的經(jīng)驗(yàn)，供同行借鑒。
據(jù)了解，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在自來(lái)水廠的過(guò)濾工藝中主要用于不頻繁的調(diào)節(jié)，即在一定的開(kāi)度下濾池達(dá)不到要求，就改為另一開(kāi)度。而不是閉環(huán)控制中那種與給定值進(jìn)行比較的反饋反饋控制。在對(duì)橋東水廠濾池控制設(shè)計(jì)中，最初設(shè)想采用PID控制進(jìn)行給定值的恒水位控制?？刂圃韴D如圖1所示。
圖1 濾水控制原理圖
首先將編制好的PID控制程序通過(guò)PLC對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。不久閥門(mén)就無(wú)法工作，后經(jīng)廠家檢查，發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率及控制器部分達(dá)不到該廠的使用要求，更換配件后，閥門(mén)可正常使用。
使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)閥門(mén)出現(xiàn)兩種情況：
(1) 由于PID控制過(guò)于精確，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的靈敏度又比較高，使用不久就發(fā)現(xiàn)電機(jī)線圈發(fā)熱程度高，這種情況很容易將執(zhí)行器電機(jī)燒壞；
(2) 執(zhí)行器的機(jī)械部分由于長(zhǎng)時(shí)間頻繁動(dòng)作，造成齒牙磨損嚴(yán)重，不得不更換加工備件。
筆者發(fā)現(xiàn)通過(guò)用PID控制電動(dòng)閥門(mén)，過(guò)濾水量、水質(zhì)是得到了保證，但調(diào)節(jié)閥卻經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)節(jié)閥使用的效果不太理想。解決的辦法有兩個(gè)：
(1) 更換執(zhí)行器和控制設(shè)備：由于閥門(mén)已經(jīng)裝好，大批量更換已不大可能，其次也不能保證其它品牌的設(shè)備就能應(yīng)用的很好；
(2) 更改PLC控制程序：在控制程序上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使調(diào)節(jié)閥能安全的運(yùn)行。最初運(yùn)用偏差控制方法，在程序設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行分段判斷，水位每上升100mm就進(jìn)行開(kāi)度調(diào)節(jié)，在使用過(guò)程中也是差強(qiáng)人意，經(jīng)常水位得不到保證，也影響了過(guò)濾效果。后來(lái)在PLC執(zhí)行PID程序中，加入計(jì)時(shí)器（時(shí)間可在電腦中設(shè)定），當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到，將PID算出的控制值送給調(diào)節(jié)閥，此控制值在設(shè)定的計(jì)時(shí)時(shí)段內(nèi)保持不變。下一次計(jì)時(shí)又將新的采樣值送給調(diào)節(jié)閥，這樣即能保證調(diào)節(jié)閥的正常使用，又能保證過(guò)濾的水質(zhì)及濾池的水位，有很強(qiáng)的實(shí)用性。流程圖如圖2所示。
圖2 閥門(mén)控制流程圖
2.2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的使用情況
江北水廠于1999年9月投產(chǎn)，江北水廠采用的是氣水反沖洗V型濾池，它具有出水水質(zhì)好、運(yùn)行周期長(zhǎng)、反沖洗效果好和便于自動(dòng)化管理的特點(diǎn)。濾池采用的是法國(guó)Amri的氣動(dòng)蝶閥，按類型可分為比例調(diào)節(jié)型的濾水閥和開(kāi)關(guān)型的反沖洗水閥、反沖洗氣閥、放氣閥，它們具有響應(yīng)時(shí)間短，氣密性、調(diào)節(jié)性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)五年的實(shí)踐，筆者逐漸了解、掌握氣動(dòng)蝶閥的性能、運(yùn)行規(guī)律，并能因地制宜地從軟、硬兩方面對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行改造，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，保證了供水水質(zhì)和水量。在這里主要闡述對(duì)氣動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用體會(huì)。
(1) 氣動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻率的整定
氣動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥是由氣動(dòng)執(zhí)行器、閥體、控制三部分組成，其輸入控制信號(hào)為4~20mA模擬信號(hào)，位置反饋信號(hào)輸出4~20mA模擬信號(hào)以便進(jìn)行開(kāi)度監(jiān)視。其工作原理如下：首先由直動(dòng)式電磁閥（先導(dǎo)閥）提供控制氣流，再去控制氣控閥（三位四通氣路分配器）閥芯的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主閥換向。換向后的壓縮氣體進(jìn)入氣缸，推動(dòng)活塞，驅(qū)動(dòng)閥體動(dòng)作?？刂瞥绦虿捎肞ID控制，因此動(dòng)作非常頻繁，調(diào)節(jié)閥的頻率可達(dá)2次/秒。水廠運(yùn)行不到一年，各閥門(mén)構(gòu)件均出現(xiàn)不同程度的磨損。氣控閥（三位四通氣路分配器）閥芯磨損嚴(yán)重。致使調(diào)節(jié)閥速度減慢直至無(wú)法動(dòng)作。為了找到即能達(dá)到恒水位控制要求，又能減少執(zhí)行器磨損的方法，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，如更改PLC控制程序、修改PID的控制參數(shù)，效果都不夠明顯。最后通過(guò)修改主線路板，加大允許誤差，問(wèn)題才得以解決。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整和觀察，在保證各組濾池的液位變化能夠控制在±10mm的情況下，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻率由2次/秒降到了6次/分，大大延長(zhǎng)了執(zhí)行器的壽命。
(2) 對(duì)電磁換向閥的改造
在氣動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥中，執(zhí)行器接受由電磁閥傳來(lái)的氣動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，用以克服制動(dòng)力距使閥板打開(kāi)或關(guān)閉，從而完成調(diào)節(jié)流量的作用。執(zhí)行部分中的氣路換向是很關(guān)鍵的，它關(guān)系到整個(gè)氣路能否暢通。由于選用的是進(jìn)口閥門(mén)，其中的三位四通氣控閥屬于易損件，購(gòu)買(mǎi)一個(gè)大約折合人民幣4000元，價(jià)格昂貴，并且采購(gòu)周期非常長(zhǎng)，從訂貨起至少要兩個(gè)月時(shí)間才能到貨，維護(hù)起來(lái)很不方便?？刂坪薪Y(jié)構(gòu)圖、原理圖如圖3所示。該控制盒內(nèi)的電磁閥與氣控閥是分開(kāi)的。
圖3 氣動(dòng)控制盒結(jié)構(gòu)圖及氣動(dòng)控制原理圖
2005年1月，對(duì)其實(shí)施了改造。將原有的電磁換向閥取消，用國(guó)產(chǎn)三位五通電磁閥取而代之。用0.2mm2導(dǎo)線將主板電路與三位五通電磁閥相連，提供控制氣流。用訂作的快速接頭轉(zhuǎn)換原有的氣管并與新的三位五通電磁換向閥連接起來(lái)，用來(lái)控制閥體。其中一個(gè)國(guó)產(chǎn)的三位五通電磁換向閥價(jià)格僅為200元，大大節(jié)省了資金。三位五通電磁換向閥結(jié)構(gòu)圖、原理圖如圖4所示。該電磁換向閥是由電磁閥和氣控閥組合而成。
圖4 三位五通電磁閥換向閥結(jié)構(gòu)圖及原理圖
經(jīng)過(guò)通電試驗(yàn)，改造后的調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)正常，到目前已正常運(yùn)行5個(gè)月，運(yùn)行情況良好。實(shí)施此次改造，給日后設(shè)備維護(hù)和采購(gòu)帶來(lái)極大的方便，同時(shí)也節(jié)約了大筆維護(hù)資金，僅單個(gè)調(diào)節(jié)閥改造就節(jié)約成本9000元（包括電磁閥、氣控閥）。
(3) 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥比較
調(diào)節(jié)閥的構(gòu)造、類型、式樣很多、工作原理也不盡相同。在這里主要是對(duì)使用過(guò)的兩種調(diào)節(jié)閥進(jìn)行比較。
相對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥而言，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
(1)無(wú)需特殊的氣源和空氣凈化等裝置。即使電源失電時(shí)，也能保持原執(zhí)行位置；
(2) 可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，電纜敷設(shè)比氣管和液體管道敷設(shè)方便得多，且便于線路檢查；
(3) 與計(jì)算機(jī)連接方便簡(jiǎn)潔，更適應(yīng)采用電子信息新技術(shù)。
其缺點(diǎn)主要有：
(1)耐用性差，控制腔中要增加多重保護(hù)才能有效的保護(hù)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。
(2) 對(duì)工作環(huán)境的要求偏高。如易燃、易爆、潮濕的環(huán)境就不適用。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有以下特點(diǎn)：
(1) 維護(hù)方便，管路不易堵塞，且沒(méi)有介質(zhì)變質(zhì)，補(bǔ)充和更換的問(wèn)題；
(2) 工作環(huán)境適應(yīng)性好，工作安全可靠、不污染環(huán)境；
(3) 氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，易于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。其缺點(diǎn)在使用過(guò)程中主要發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)系統(tǒng)有較大的排氣噪聲，工作時(shí)需加消聲器。
在使用過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，對(duì)調(diào)節(jié)閥的選型是最重要的環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)閥的工作質(zhì)量在很大程度上與它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥芯的加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量有關(guān)。調(diào)節(jié)閥的構(gòu)造、類型、式樣很多，因此選擇適合工藝要求的閥門(mén)，將起到事半功倍的效果。
3 結(jié)論
一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能就在于：在各種干擾來(lái)時(shí)能迅速克服干擾準(zhǔn)確回復(fù)到設(shè)定值上，發(fā)揮其平抑干擾的作用。在這個(gè)系統(tǒng)中沒(méi)有好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)就不可能進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。因此調(diào)節(jié)器的品質(zhì)和正確使用是影響系統(tǒng)的工作品質(zhì)的重要因素。如果不能針對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)規(guī)律和參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，那就無(wú)法獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量，甚至系統(tǒng)根本不能正常工作。
事實(shí)證明，只要對(duì)控制對(duì)象性能徹底了解，采用合適的控制規(guī)律就能得到較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)