智能型比例阀控制电液执行机构应用研究.pdf

仪器仪表 与应用 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 0 8 ，4 5 3 AUT M AT1 0N I N PETR CHEM I CAI ，1 NDUS TRY 智 能型 比例 阀控 制 电液执行机构应用研究 郭建平 郭俊杰2 1 ．北 京燕 山石化公司 炼油厂 ， 北 京 1 0 2 5 0 3 ； 2 ．九江环球科技 开发有限公司 ， 江西 九江3 3 2 0 0 8 摘 要 介绍 了一种 获得专利 的智能型 比例阀控制 电液执行机构的工作原理 、 性能特点 以及在炼油厂装置 应川情况。 该 电液执行机构具有对 过滤精 度要求低 ， 故 障率低 ， 节约 电能等优点 ， 且采用 P 1 C控制 ， 增强了系统稳定性 ， 并对该 电液执行 机构 的应用进行了展望。 关 键 词 可编程序控 制器 ； 比例 阀； 液压控制 中图分类号 T P 2 1 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 0 8 0 4 ～ 0 0 5 3 0 2 1 引 言 随着 中国炼油 行业 控制 技术 的发 展 ， 对生产 过 程 的关键设 备 电液 执 行 机构 提 出 了更 高 的要 求 。 目前 ， 国内炼 油装 置上 广泛 采用 的是 伺服 阀控 制 的 电液 执行 机构 。其 控制 性能 虽能 满足 要求 ， 但 因其对油液的过滤精度要求高 ， 抗污能力低 ， 很容 易堵塞造成故障 ， 且油温高 、 漏油点多， 直接影响工 厂 的生产 安全 和经 济效 益 。为此 ， 迫 切需 要开发 新 的数 字式 、 抗 污能 力强 、 运行 平稳 、 工作 可 靠 的电液 执行 机构 。 九江 环 球 科 技 开发 有 限公 司 开 发 的 B I F H I 型智 能 型 比例 阀控 制 电 液 执 行 机 构 运 用 比例 阀 P L C控 制技 术开 发 全数 字 化 电液执 行 机 构 。该 产 品 已通过 江西 省科技 厅组 织 的技术 鉴定 ， 并 获得 国 家专 利证 书 。 该 产 品选用 德 国生产 的 比例 阀 ， 输 出流 量正 比 于 比例 阀控 制线 圈 的 电流 ， 属 线 性 比例控 制 系统 。 由 P I C和 数字 功 率放 大 器构 成 电液 比例 控 制 器 ， 其 主 要 工 作 原 理 是 采 用 C P U， A／ D， D／ A 控 制 电 路 ， 按输 入 信 号 呈 线 性 比例来 控 制 比例 阀 线 圈 电 流 。即通 过 对电 的 比例 控 制 达 到 对 液 压 的 比例 控 制 ， 以实 现 电液 比例控 制 。 油 站 选用 智 能 型 压力 变 送 控制 器 进 行 问 断加 压循 环控 制 ， 系统 控 制 在 额 定 压力 下 静 压 运 行 ， 适 合长期稳定工作并节能降耗 。整个系统由油站 、 防 爆电控箱 、 防爆 电源箱 、 防爆接线箱等组成 。所有 部件在控制柜内， 便于集 中控制与维修保养 。 2智能型 比例 电液 控 制机构 的特 点 该 电液控 制机构 电液 控制 阀为 比例 阀 ， 输 出流 量 正 比于 比例 阀控 制绕 组 的输 入 信号 ， 属 于线性 控 制系统。而射流管阀采用不问断加压 ， 多余的油靠 溢流阀溢流 ， 油温高， 使液压油容易老化 ， 沉淀物增 多 ， 容易 产生堵 塞 ， 故 障发 生频 繁 。 比例 阀 的 孔 径 中 6 mm， 射 流 管 阀 的 孔 径 中0 ． 5 mm。 电液 比例 阀对 工 作 油 液 清 洁 度 要 求 比 射流管 阀低， 其抗污染 能力强、 运行平 稳、 工作可 靠 。 比例 阀的最 大输 出是 1 2 V D C ／ 1 ． 8 A 射 流管 阀的最大输出是6 0 mA ， 这是提 高运行 可靠性 的 技术 之一 。比例 阀有较 大 1 0 0 o ～3 O 0 o 额 定控 制 电 流 零 位 中位 死 区 ， 可靠 性 好 ， 不产 生 零 漂 ； 在 无 输入信号时 ， 即使是在开环 回路中也能保证中位可 靠 锁 定 。有力 地 克服 了射 流 管 阀容 易 产 生零 飘 的 缺点 。液 压 系统在 间 断控制 额定 压 力下静 压 运行 ， 适合 长期 稳定 操作 。 据 国外 对 同类 产 品所建 议过 滤精 度要 求 ， 比例 阀为 I S O A A 0 0 6 ， 代号 1 6 ／ 1 3 。即每 毫升 油液 巾， 大 于 5 m 颗粒小 于 6 4 0个 ， 大于 1 5 m 颗粒 小 于 8 O个 。伺 服 阀为 I S O4 4 0 6 ， 代 号为 1 5 ／ 1 1 。且 『 J 每 毫 升油 液 中 ， 大于 5 m 颗 粒小 于 3 2 0个 ， 大 于 1 5 m 颗粒小于 2 o个 。因此 比例阀对油液清洁度要求 比 伺 服 阀低 ， 所 以 比例 阀一 般 采 用 1 0 m 全 流量 过 滤器 就 能达 到液 压系 统 中油液 清 洁度要求 ， 从而避 免采 用伺 服 阀使 喷 嘴 赌 塞 ， 造 成 控 制 系 统 失 灵 的 故障 。 比例 阀与伺 服 阀均 为线性 控制 特性 ， 其 差异 在 于 动频 特性 。比例 阀为 1 0 Hz ， 而伺服 阀为 3 0 Hz 。 对实 际 动频特 性 不超 过 1 Hz的控 制 系 统 而 言 ， 采 用 比例 阀 ， 对 系统 的控 制精 度和 系统 稳定 度具 有足 够 裕 度 。 该设备 采用 间断加压控制静压运行 ， 即当液 系 收稿 I_ I 期 2 0 0 8 0 4 1 3 修 改稿 。 作者简介 郭建平 ， I 9 9 0年毕 业于燕 化职 工大学化 工机械设 备专 业， 现任燕化公 司炼油事业部设备处处长 ， 任工 程师 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 统达到工作压力上 限时， 油 泵就卸 荷 ， 油泵 电机处 于 轻负荷运行 ， 靠两个 2 5 L蓄 能器保 压运行 。当液 压 系统压力 到工作压 力下 限时 ， 油泵就 加载 ， 油 泵 电机 处于带负荷运行 。具有 节能 降耗 功能 ， 电液控制机构 每天耗 电9 6 k W／ h 。 每小时增压时 间 1 ～1 ． 5 mi n ， 每天 增压 2 O次 ， 共 计 3 6 m i n ， 耗 电2 ． 4 k W／ h ， 待 机 耗 电 2 O ， 耗 电 1 9 ． 2 k W／ h ， 共耗 电2 1 ． 6 k W／ h ， 每天可 节 省7 4 k W／ h 。 一年可节电约2 ． 6 1 0 k W h ， 而且降低 油温 、 延长 电机油泵的寿命等特点 。 3 P L G控制 系统 3． 1 阀位 控 制系统 阀位控 制 系 统 由 P L C完 成 。 主控 制 室 来 的 4 ～2 O mA 自控信号 S P， 位移传感器的信号 阀位 信号 PV分 别输入 A／ D模数 转换模 块， 并进 行 P I D运 算 ， 其 数 字 量 运 算 结果 由 D ／ A 数模 转 换模 块输出， 作为 比例阀设计配套 的功率放大器的输入 信号， 根据预先设置的编程指令运算 ， 输出信 号控 制 比例阀各线圈， 使相应油道开通 ， 可控制阀门的 运行 。控 制 系统原 理如 图 1 所 示 。 辽 表 室4 ～ 2 0 mA --4 液位 ／ 温 度传感器 I 控 制信 号 - - 4 压力 传感器 J P L C 控制 -- q自 锁阀 D V 1 I 自 保信号 一 系 统 调 节 器 信 号 C P U ， - 4自 保 阀 D V 2 l A ／ D ． - - 4 卸荷阀 D V 3 I L 位 机 控 制 信 号 D ／ A 宗 合 报 警 信 号 -- ．q 电 液 比 例 阀 s V l H 执 被 4 ～ 2 0 m A 阀 位 l现 场 手 操 阀 s V 2 H 毳 玩 控 回讯 信 号 构 阀 1一 ]L L 1 ， I 自 l 一 - -．q 电 机 ／ 泵 机组l 图 1 智 能型 比例 阀控 制 电液执行 机构 原理 3 ． 2联 锁控 制 系统 主 要 由 P L C的 S一 2 2 4主机 和扩 展 卡 2块 来 完 成 。 比例 阀 S V1由 S P控 制 的 前 提 条 件 是 电磁 阀 DV1带 电 ， 而 D V1带 电 的 条 件 是 S P 与 PV的 差值 △ V不 超 差 。 只要 3个 信 号 中有 一 个 不 正 常 ， 系 统 都 要 进 入 自锁 状 态 。 这 些 自锁 和 其他报警信号经一次元件采集后均送人 P L C系 统 按 预 先 组 态 好 的 程 序 运 行 ， 且 修 改 编 程 和 控 制 方 案 极 为 方 便 ， 无 特 殊 情 况 硬 件 一 般 不 需 修 改 、 更 换 或 添 加 。P L C正 常 工 作 中基 本 不 需 要 大 量 维 护 。 4 液压 控制 系统 工作原 理 4 ． 1 液压 系统 原 理 液压 系统原 理 如 图 2所示 。 图 2 液 压 系统 原 理 4 ． 2液 压 系统工 作原 理 由泵 电 机 D 拖 动 油 泵 P， 经 过 截 止 阀 M1 ， 将 油箱 中低 压 油 ， 抽 人 油 泵 P内 ， 产 生 高 压 油 ， 经 过 单 向 阀 V4 ， 精 滤器 u 一 2 ， 截 止 阀 M2 ， 送人 蓄能 器 Z L 1 ， Z I 2 ， 储 存并 建 立 系 统压 力 ， 当 系 统压 力 达 到 工作 压力上 限时 ， 压 力 变送 器 S 1所 带 触 点 转 为 断 开 ， 经 过 P L C判 断 ， 使 卸荷 电磁 阀 D V3失 电 ， 则 油 泵 所排 出油经 D V3回流 油箱 ， 油 泵 电机 处 于轻 载 运 行 ， 液压 控制 系 统 处 于 由 Z L 1 ， Z L 2所 建 立 起 的 压 力下 运 行 。随 着 阀 门 的 不 断 运 行 ， 系 统 压 力 下 降 ， 当 降至 工作压 力下 限时 ， S 1已断 开 的触点 又 闭 合 ， 经 P L C判 断 ， 使 D V3得 电 ， 则 油泵 P所 排 出油 向液压 系统供 油 ， 直至达 到 系统工 作 压力上 限。溢 流 阀 AV 调整 在额 定压 力 ， 确保 液压 控制 系统 安全 运行 。 由油 站来 的 高 压油 ， 经 过 控 制 油 路块 ， 进 入 电 磁 阀 D V1的 P端 ， 若操纵 方 式设 置 自控 ， 系 统操 作 条件 正常 ， DV1带 电 ， 高压 油 通 过 D V1的相 应 油 道 ， 进 入 液控 单 向阀 V1 ， V2 ， V3的控 制 端 使 其 呈 双 向流通 状态 ， 使 其 油 道变 为 通 道 ， 则 高 压 油 经 过 V1 进 入 比例 阀 S V1的 P端 ， 此 时 只需 改 变 S V1 相应控制绕组 的控制电流幅值 ， 就能改变 S V1两 个 输 出 口的流 向与 流量 ， 即操 纵 伺服 油 缸 S G 活塞 移 动 的方 向与速 度 ， 实施 阀 门开 与 阀门关 的操 作 。 若 操 纵 方 式 设 置 在 现 场 或 系 统 产 生 故 障 时 ， 则 DV1 失 电 ， 使 液 控单 向 阀 V1 ， V2 ， V3控 制 口接 低 压 ， 切断 S V1的供油油道 ， 使伺服油缸活塞不能移 动 ， 实施 就地 锁定 ， 此 时高 压油 经过 DV1的相 应 油 下 转 第 5 7页 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 薛东胜 ． 工业气相 色谱仪 和质 谱仪 的应用 高精度 的分 析仪 表 。工业 气 相 色谱 分 析 仪 技 术 成 熟 ， 广 泛应 用于 乙烯 裂解 、 分离 、 催化 裂 化等 石油 化 工装置 ， 用 于测量 C ～C ， H。 ， N。 ， C O， C O 2 ， S 2 ， H S等 多种 组分 。 质谱仪 因其 极 快 的分 析 速 度 ， 近 年来 ， 正 得 到 越来越 多 的应 用 。质 谱 仪 1 0 s级 的 分 析 速 度 ， 克 服 了色谱 仪需 要几 分 钟 甚 至 几 十 分钟 分 析 时 问 的 滞后 问题 ， 能为 用户 带来及 时 准确 的分 析结果 。现 在国际上有一种做法， 就是用 1台质谱仪替代原有 的几 台色谱 仪 ， 并 已经取得 了一些成 功 的经验 。 但 是 ， 质 谱仪 也 不 是 万 能 的 ， 比如 在 分 析 含 有 不确定组分的混合物时 ， 质谱仪不能将不确定组分 分离 掉 ； 而色谱 仪 本 身 就 是一 个 很 好 的分 离 仪器 ， 可根 据需要 来确 定 色 谱 柱 的数 量 和采 用 何 种 切 柱 技术 。如需 要缩 短 分 析 周期 和保 护 色 谱 柱 不 受 重 组分污染 ， 可在待测组分流 出色谱柱后， 用载气反 方向吹入色谱柱 ， 将不要分析的重组 分吹出； 为了 使 有用 的组 分和 不需要 的组分 分离 ， 可 用一个 色谱 柱先将 它们 分开 ， 然后 将 不需 要 的 组 分 反 吹 掉 ， 保 留有用 的组 分进 分析 柱进 一步 分离 ， 这就 是 色谱独 有 的“ 反 吹” 和“ 预切 ” 技术 。 安 装上 ， 工业 气相 色谱 分析 仪和 质谱 仪对 环境 的要求 较高 ， 通 常都安 装在 现场 分析 小屋 或分 析 间 内 。色谱 仪 的柱箱 需要 恒 温加热 ， 质谱 仪需 要 真空 泵 ， 因此 ， 色谱 仪 和质谱 仪 都需要 单 独 的仪表供 电 ， 供电负 荷为 2 ～3 k V A／ 台 。 5应用 举例 相 比较 而言 ， 质 谱 仪更 加 适 用 于 工 艺 复 杂 、 快 速多变 的 过 程 。 以 环 氧 乙烷 E O 装 置 为 例 来 说 明 。E O 装置 以乙烯 和 氧气 为 原 料 ， 在催 化 剂 的作 用 下 ， 反应 产 生 E O。反 应 器 、 循 环 气 中 主 要 的 介 质 是 C 。 H ， O 、 E O， 以及 制 稳 剂 CH ， N z和 反 应 生成 的 C oz 。 E O 氧化 是极 快 的 反应 过 程 ， 乙 烯 和氧 气 的混 合物 易燃 易 爆 ， 氧 气 的浓 度 决 定 着 催 化 剂 的 选 择 性 ； E O 是爆 炸极 限较 宽 的化 工介 质 ， 既 要谋 求 E O 的产 品最 大化 ， 又 要 控 制 在爆 炸 下 限之 下 ， 反 应 的 操 作 弹性 较 小 。 因此 ， 控 制 C H ， O ， E O 的 含 量 是 反应 器安 全 和性 能 的关 键 。 E O 反应 是循 环操 作 的 ， 循 环 气循 环 一 个 周 期 不到 3 mi n 。需 要测 量 的分 析 流路 为 4个 ， 分 别 为 反应器 的入口、 出 口和循环气压缩机的出口。每个 流 路需 要 分析 9个 组 分 。如 果使 用工 业 气 相 色 谱 仪 ， 即便使用 4台色谱仪 ， 每个流路 1台， 最短的分 析时间也需要约 4 ～5 mi n ； 如果使用 1台色谱仪进 行 多流 路 分 析 ， 则 检 测 周 期 可 达 2 0 mi n ， 甚 至 更 长 ， 其 问 E O循 环 气 已经 循 环 了 多 个周 期 ， 造 成 这 4个 流路 只能 是不 同循 环周 期 的样 气 ， 各 流路 不 能 同时进 行 比较 。 采用质谱仪可 以全面解决这一难题 。算 上采 样 、 预处 理 的时 间 ， 质 谱仪 3 0 S 可 以 完成 1个 流路 的分 析 ， 采用 1台质谱 仪完 成 4流路 的 采样分 析 的 时 间为 2 mi n ， 4个 流 路 的 分 析 数 据 处 在 同 一循 环 气周 期 内 ， 通 过计 算 机 和 相 应 软 件 ， 及 时 计算 出 反 应转 化率 、 催 化剂 选 择 性 ， 实 现 了 E O 反应 的 实 时 监视 。 上 接 第 5 4页 道 ， 进 入 手 操 阀 S V2的 P端 ， 操 纵 S V2的手 柄 方 向， 就 能 改变 S V2两 个输 出 口的流 向 ， 实 施 阀 门开 或 阀门关操 作 ， 通 过 调节 调速 阀 T V 可控 制 阀 门开 或关 的运行 速度 。 DV2用于系统 自保 快关 运行操作 ， 一旦接 受 自保 信 号 ， D V2带 电 ， 系 统 高 压 油 经 过 DV2的 油道， 不管系统处于何种操作方式和系统是否处于 自锁状 态均 实施 快速关 闭 打开 操作 。 5应 用研究 分析 智能型 比例 阀控制 电液执行 机构 的 开发研 制 成 功 ， 填 补 了 国 内 这 项 技 术 的 空 白 。 由 于 液 压 系 统 中 的 电磁 换 向 阀 和 比例 阀选 用 了 进 口产 品 ， 电路 采 用 P L C控 制 比例 阀 ， 克 服 了环 境 所 造 成 的 不 稳 定 影 响 ， 消 除 了 原 电 液 执 行 机 构 漏 油 和射 流 管 阀 的 喷 嘴 容 易 堵 塞 而 引 起 的 故 障 ， 采 用 了 间 断 加 压 静 压 运 行 ， 使 油 温 低 ， 不 易 老 化 ， 能保 证 长 周 期 运 行 ， 节 约 了 大 量 电 能 。 如 果 国 内石 化 行 业 按 照 2 0 0 0台 在役 运 行 ， 年 可 节 约 电 5．4 1 0 k Wh。 目前 ， 国 内已有 北 京 燕 山 石 化 公 司等 2 O余 家 石化 炼 油厂 选用 了该产 品 ， 分别 用 于再 生 、 待 生 、 双 动滑 阀 、 碟 阀 、 闸 阀、 风 机 导 叶控 制 。使 用 情 况 证 明 智 能型 比例 阀控 制 电液执 行 机 构性 能 稳定 、 操 作维修方便、 质量可靠 ， 基本做到无故障、 无漏油， 是企业 安 全生产 的一个 重要 保证 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m