带三断保护的单用、双作用阀门定位器
由于生产工艺的需要,有时要求控制阀带三断保护功能,控制阀在断电、断气源、断信号情况下,控制阀必须在有效的时间内维持原来的阀位,为系统处理故障赢得时间。
常规的三断保护设计,由信号比较器、电磁阀、气锁阀(保位阀)、定位器和气动控制阀组成。信号比较器和电磁阀需要24V供电工作,在本安系统中,信号比较器和电磁阀要设计为低功耗系统,对器件要求较高,而且正常时电磁阀长期得电,影响使用寿命。
EPOS智能阀门定位器,内部包含3断保护功能,断信号、断气实现阀门维持保位,由于没有信号比较器,也不用24VDC电源,实际是2断保护,包含3断保护的功能。
■ 《控制阀信息》2010 南京易捷自动测试技术限责任公司 崔慧华
1、 三断保护控制阀是过程控制中重要的执行器,通常控制阀带安全位置,断信号和断气时阀门保持全开或全关的位置;由于生产工艺的需要,有时要求控制阀带三断保护功能,控制阀在断电、断气源、断信号情况下,控制阀必须在有效的时间内维持原来的阀位,为系统处理故障赢得时间。
常规的三断保护设计,由信号比较器、电磁阀、保位阀、定位器和气动控制阀组成。
信号比较器和电磁阀需要24V供电工作,在本安系统中,信号比较器和电磁阀要设计为低功耗系统,对器件要求较高,而且正常时电磁阀长期得电,影响使用寿命。
2、 先导压电阀P9
先导压电阀片P9(图1)通过压电薄片工作,其结构为极薄弹性金属片两面粘结压电晶体,在压电片的两个工作面上真空镀膜形成两个电极。
不通电时压缩空气输入孔1封闭,输出孔2和大气孔3相通,输出气压为0;通电时上层晶体收缩,下层晶体伸长,产生杠杆效应,使机械变形可扩大到几十微米,大气孔3封闭,压
缩空气由孔1流向孔2,产生输出气压信号,先导压电阀响应时间小于2mS。
图1 P9的工作原理 | 图2 三断保护E/P内部气路图 |
3、 三断保护E/P气动路带三断保护的智能定位器,将三断保护功能集成到定位器中,主要是由定位器关键部件单、双作用气动放大器E/P来完成。
PV1 | PV2 | P1 | P2 | 阀门 | |
ON | ON | ON | ON | 非法 | |
ON | OFF | 进气 | 排气 | 关 | PV1=ON:B打开→RV1打开→P1进气 D打开→P2排气 PV2=OFF:A关闭→RV2关闭→C关闭 |
OFF | ON | 排气 | 进气 | 开 | PV1=OFF:B关闭→RV1关闭→D关闭 PV2=ON:A打开→RV2打开→P2进气 C打开→P1排气 |
OFF | OFF | 保持 | 保持 | 保持 | A、B、C、D、RV1、RV2关闭 P1、P2保持,达到保位效果 |
断信号、断气源 | P1、P2保持 | ||||
图2 三断保护E/P内部逻辑真值表 |
信号中断:图2气路图为失电情况,从上分析,断信号的情况下,可以实现保位。
气源中断:当气源中断或小于先导工作压力1.2Bar,先导将失去气压供应,无论PV1和PV2是否打开或关闭,RV1、RV2、C、D都在P1、P2的自身压力和弹簧的压力下关闭,实现断气保位。
电源中断:带三断保护的智能定位器本身的工作电源来自4-20mA输入信号,在2线制下工作,不需要任何辅助工作电源,所以电源中断是不存在的。
4、 三断保位密封设计
三断保护维持阀位时间是三断保护的重要参数,从图2气路图中分析,密封由RV1、RV2、C、D四个小阀门的橡胶密封和下部弹簧以及执行器内部的压力共同完成。
双作用执行器由于两缸同时保持在相同的压力下,保位时间比同压力的单作用执行器要长得多。
执行器内部的压力大时,定位器的保位效果较好,控制阀管道内压力(非负压阀门)和阀推杆的摩擦力会加强保位效果。
控制阀在低压力下,加大RV1、RV2、C、D的弹簧力会有助于保证密封效果,但弹力增加会使单向阀RV1、RV2的压差增加,正常设计的定位器供气和执行器间的压差一般为0.4-0.6Bar,适当加大RV1和RV2的弹力,但不要超过压差范围;否则需要提高气源压力才能达到全行程。
将RV1和RV2的密封设计为硬度60度左右橡胶球,柔软而且弹性好,在弹簧和执行器内部的压力下,球和锥面密封凡尔线环带会很宽,起到双重密封作用。
5、 三断保位时间测试
三断保护测试使用带HART总线的定位器,先将阀门运行到一定位置,断开E/P气动放大器(相当于断信号)、关闭气源并通大气。
用百分表测量行程、测量执行器内部压力,并由HART软件进行实时监控,测试使用无负载的单作用执行器。
图4 三断保护测试
执行器弹簧压力:0.7-3.0Bar 1小时行程下降小于3%(图5) 保位效果很好执行器弹簧压力:0.4-2.0Bar 1小时行程下降小于5% 保位效果好
执行器弹簧压力:0.2-1.0Bar 1小时行程下降小于5-10%(图6) 保位效果一般
实际现场测试情况表明,执行器启动气压大于0.4Bar时,30分钟小时内执行器的任何阀位下降均小于5%。
图5 0.7-3.0Bar执行器保位曲线(5小时),时间/行程
图6 0.2-1.0Bar执行器保位曲线(5小时),时间/行程
6、 三断保位时间分析
有三断保位的控制阀尽量选启动压力比较高的执行器,如果允许选不带弹簧双缸执行器,双缸执行器平衡时两缸压力为气源压力的1/2,保位时间可以维持很长。
7、 单作用执行器的三断保位
根据图2的气路,将P1或P2堵住,就可以实现单作用三断保护。
8、三断保位注意事项
控制阀实际使用时难以保证杂物、水或油进入气源,气接头松动等情况,
造成膜室漏气,一旦漏气保位时间可能只有几分钟,所以对重要阀门除了三断保护外,实时监控和连锁保护非常必要。
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