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1 概述
調節(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。調節(jié)閥也被稱為自控系統(tǒng)的手足，它的耐用程度及動作靈敏與否，直接關系著自控系統(tǒng)的質量。實際工作及有關資料均表明，調節(jié)系統(tǒng)中70%左右的故障出自調節(jié)閥。因此，保證調節(jié)閥的準確運行，是關系自控系統(tǒng)能否正常運行的重要前提。
2 調節(jié)閥在水廠中的應用
2.1 電動調節(jié)閥的使用情況
橋東水廠是經老廠改造而來的，始建于1983年，1999年停產，2005年2月改造后重新投產，日產量為12萬噸/日。全部凈水工藝過程采用由計算機自動控制。橋東水廠的電動調節(jié)閥選用國產的電動調節(jié)比例閥。該閥門由電動執(zhí)行器、閥體、控制三部分組成，一體化結構設計，集調節(jié)、伺服于一體，結構簡單，接線方便。輸入信號為4～20mA模擬信號，控制電機正轉、反轉或停轉，從而達到連續(xù)調節(jié)閥位開度，實現生產過程自動控制的目的。位置反饋信號輸出4～20mA模擬信號，用來監(jiān)視閥門的開度。溫度保護開關裝在控制腔內，可以對電機進行過熱保護。在實際控制調節(jié)閥門的過程中遇到了過不少問題，經過多次整改與完善，積累了一些使用的經驗，供同行借鑒。
據了解，電動調節(jié)閥在自來水廠的過濾工藝中主要用于不頻繁的調節(jié)，即在一定的開度下濾池達不到要求，就改為另一開度。而不是閉環(huán)控制中那種與給定值進行比較的反饋反饋控制。在對橋東水廠濾池控制設計中，最初設想采用PID控制進行給定值的恒水位控制。控制原理圖如圖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PLC對電動調節(jié)閥進行控制。不久閥門就無法工作，后經廠家檢查，發(fā)現電機功率及控制器部分達不到該廠的使用要求，更換配件后，閥門可正常使用。
使用一段時間后，發(fā)現閥門出現兩種情況：
(1) 由于PID控制過于精確，電動調節(jié)閥的靈敏度又比較高，使用不久就發(fā)現電機線圈發(fā)熱程度高，這種情況很容易將執(zhí)行器電機燒壞；
(2) 執(zhí)行器的機械部分由于長時間頻繁動作，造成齒牙磨損嚴重，不得不更換加工備件。
筆者發(fā)現通過用PID控制電動閥門，過濾水量、水質是得到了保證，但調節(jié)閥卻經常出現問題，調節(jié)閥使用的效果不太理想。解決的辦法有兩個：
(1) 更換執(zhí)行器和控制設備：由于閥門已經裝好，大批量更換已不大可能，其次也不能保證其它品牌的設備就能應用的很好；
(2) 更改PLC控制程序：在控制程序上進行適當調整，使調節(jié)閥能安全的運行。最初運用偏差控制方法，在程序設計時進行分段判斷，水位每上升100mm就進行開度調節(jié)，在使用過程中也是差強人意，經常水位得不到保證，也影響了過濾效果。后來在PLC執(zhí)行PID程序中，加入計時器（時間可在電腦中設定），當計時時間到，將PID算出的控制值送給調節(jié)閥，此控制值在設定的計時時段內保持不變。下一次計時又將新的采樣值送給調節(jié)閥，這樣即能保證調節(jié)閥的正常使用，又能保證過濾的水質及濾池的水位，有很強的實用性。流程圖如圖2所示。
圖2 閥門控制流程圖
2.2 氣動調節(jié)閥的使用情況
江北水廠于1999年9月投產，江北水廠采用的是氣水反沖洗V型濾池，它具有出水水質好、運行周期長、反沖洗效果好和便于自動化管理的特點。濾池采用的是法國Amri的氣動蝶閥，按類型可分為比例調節(jié)型的濾水閥和開關型的反沖洗水閥、反沖洗氣閥、放氣閥，它們具有響應時間短，氣密性、調節(jié)性能優(yōu)異的優(yōu)點。經過五年的實踐，筆者逐漸了解、掌握氣動蝶閥的性能、運行規(guī)律，并能因地制宜地從軟、硬兩方面對調節(jié)系統(tǒng)進行改造，取得了一定的經濟效益和社會效益，保證了供水水質和水量。在這里主要闡述對氣動比例調節(jié)閥的應用體會。
(1) 氣動比例調節(jié)閥動作頻率的整定
氣動比例調節(jié)閥是由氣動執(zhí)行器、閥體、控制三部分組成，其輸入控制信號為4~20mA模擬信號，位置反饋信號輸出4~20mA模擬信號以便進行開度監(jiān)視。其工作原理如下：首先由直動式電磁閥（先導閥）提供控制氣流，再去控制氣控閥（三位四通氣路分配器）閥芯的運動，實現主閥換向。換向后的壓縮氣體進入氣缸，推動活塞，驅動閥體動作。控制程序采用PID控制，因此動作非常頻繁，調節(jié)閥的頻率可達2次/秒。水廠運行不到一年，各閥門構件均出現不同程度的磨損。氣控閥（三位四通氣路分配器）閥芯磨損嚴重。致使調節(jié)閥速度減慢直至無法動作。為了找到即能達到恒水位控制要求，又能減少執(zhí)行器磨損的方法，進行了多次實驗，如更改PLC控制程序、修改PID的控制參數，效果都不夠明顯。最后通過修改主線路板，加大允許誤差，問題才得以解決。經過一段時間的調整和觀察，在保證各組濾池的液位變化能夠控制在±10mm的情況下，調節(jié)閥動作頻率由2次/秒降到了6次/分，大大延長了執(zhí)行器的壽命。
(2) 對電磁換向閥的改造
在氣動比例調節(jié)閥中，執(zhí)行器接受由電磁閥傳來的氣動信號，產生驅動力，用以克服制動力距使閥板打開或關閉，從而完成調節(jié)流量的作用。執(zhí)行部分中的氣路換向是很關鍵的，它關系到整個氣路能否暢通。由于選用的是進口閥門，其中的三位四通氣控閥屬于易損件，購買一個大約折合人民幣4000元，價格昂貴，并且采購周期非常長，從訂貨起至少要兩個月時間才能到貨，維護起來很不方便。控制盒結構圖、原理圖如圖3所示。該控制盒內的電磁閥與氣控閥是分開的。
圖3 氣動控制盒結構圖及氣動控制原理圖
2005年1月，對其實施了改造。將原有的電磁換向閥取消，用國產三位五通電磁閥取而代之。用0.2mm2導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換原有的氣管并與新的三位五通電磁換向閥連接起來，用來控制閥體。其中一個國產的三位五通電磁換向閥價格僅為200元，大大節(jié)省了資金。三位五通電磁換向閥結構圖、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構圖及原理圖
經過通電試驗，改造后的調節(jié)閥開關正常，到目前已正常運行5個月，運行情況良好。實施此次改造，給日后設備維護和采購帶來極大的方便，同時也節(jié)約了大筆維護資金，僅單個調節(jié)閥改造就節(jié)約成本9000元（包括電磁閥、氣控閥）。
(3) 電動調節(jié)閥與氣動調節(jié)閥比較
調節(jié)閥的構造、類型、式樣很多、工作原理也不盡相同。在這里主要是對使用過的兩種調節(jié)閥進行比較。
相對氣動調節(jié)閥而言，電動調節(jié)閥主要有3點優(yōu)勢：
(1)無需特殊的氣源和空氣凈化等裝置。即使電源失電時，也能保持原執(zhí)行位置；
(2) 可遠距離傳輸信號，電纜敷設比氣管和液體管道敷設方便得多，且便于線路檢查；
(3) 與計算機連接方便簡潔，更適應采用電子信息新技術。
其缺點主要有：
(1)耐用性差，控制腔中要增加多重保護才能有效的保護電動調節(jié)閥。
(2) 對工作環(huán)境的要求偏高。如易燃、易爆、潮濕的環(huán)境就不適用。
氣動調節(jié)閥具有以下特點：
(1) 維護方便，管路不易堵塞，且沒有介質變質，補充和更換的問題；
(2) 工作環(huán)境適應性好，工作安全可靠、不污染環(huán)境；
(3) 氣動元件結構簡單，制造容易，易于標準化、系列化和通用化。其缺點在使用過程中主要發(fā)現氣動系統(tǒng)有較大的排氣噪聲，工作時需加消聲器。
在使用過程中還發(fā)現，對調節(jié)閥的選型是最重要的環(huán)節(jié)，調節(jié)閥的工作質量在很大程度上與它的執(zhí)行機構和閥芯的加工質量和裝配質量有關。調節(jié)閥的構造、類型、式樣很多，因此選擇適合工藝要求的閥門，將起到事半功倍的效果。
3 結論
一個自動控制系統(tǒng)的功能就在于：在各種干擾來時能迅速克服干擾準確回復到設定值上，發(fā)揮其平抑干擾的作用。在這個系統(tǒng)中沒有好的調節(jié)系統(tǒng)就不可能進行準確的控制。因此調節(jié)器的品質和正確使用是影響系統(tǒng)的工作品質的重要因素。如果不能針對調節(jié)對象的特點，采用適當的調節(jié)規(guī)律和參數來進行調節(jié)，那就無法獲得良好的調節(jié)質量，甚至系統(tǒng)根本不能正常工作。
事實證明，只要對控制對象性能徹底了解，采用合適的控制規(guī)律就能得到較好的調節(jié)系統(tǒng)品質。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號