水泥厂的阀门控制

    引言
    水泥生产线上的电气设备除了电动机之外，数量上最多的就是阀门。水泥厂使用的阀门不但数量多，而且种类也不少。各种类型的阀门应根据不同的工艺要求选择，在电气与控制上有不同的特点。
    从电气的角度来看，可将阀门分为电磁阀、电动阀、执行器三大类，以下分别进行讨论。
    1 电磁阀
    1.1 应用
    电磁阀在水泥厂大多用于库底物料的卸出，最典型的是生料库底的六支路卸料系统。每条支路上电磁阀和调节阀一起使用，电磁阀用来控制料流的开关，调节阀用来控制料流的大小。此外，电磁阀常用于气路阀门的控制。
    1.2 电气
    电磁阀的控制，准确地讲是电磁阀－气动阀的联合控制。电磁阀的主要结构是一个线圈，当线圈得电时吸动铁芯，铁芯的上下移动控制气缸的供气方向，初始（线圈不得电）时，压缩空气由一个方向进入气动阀的气缸，气缸活塞运动到一头（关限位）。当线圈得电时，铁芯被吸下，压缩空气由另一个方向进入气缸，于是气缸活塞就运动到另一头（开限位）。当线圈又不得电时，铁芯移回初始位置，压缩空气又由初始方向进入气缸气缸，活塞也返回到原先位置。
    电磁阀通常使用220VAC电源，电功率很小，往往主回路只采用1个中间继电器即可，也没有过多的保护。
    1.3 控制
    图1是电磁阀的电气控制图。它与一般电机的控制基本相同。惟一的区别在于，对于电机，我们关注的是电机是否在“运行”；而对于阀门，则关注的是阀门处于何种“状态”。因此，要求电磁阀要加装限位信号。

图1 电磁阀的电气控制图

     
    电磁阀有中控、机旁两种操作方式。既可以由中控发DCS驱动命令，也可以在机旁按“起动”或“停止”按钮。无论采用哪种方式，都应该能正确显示出限位信号。
    另外，还有一个需要注意的问题是选择初始位置。初始位置应该是在电磁阀失电或气动阀没有压缩空气时，阀门的安全位置状态。这一点对于安全是很重要的，需要根据工艺要求而定。通常初始位置是选择“阀门关”，也有极少数电磁阀的初始位置选择“阀门开”。
    2 电动阀
    2.1 应用
    在水泥厂的阀门中，电动阀的应用最多最广。其应用之一是选择料流方向，例如同一输送物料经过电动阀，可选择去A方向还是去B方向；应用之二是库顶的输送物料经过电动阀，打开或者关闭电动阀，可控制是否直接入库。电动阀还有其他的应用。
    2.2 电气
    电动阀是由1台可逆电机驱动的。电机正转时，带动阀门朝正方向运动，碰到正限位时停止。同样，电机反转时，带动阀门朝反方向运动，碰到反限位时停止。与电磁阀相比，电动阀没有气缸，也不需要压缩空气，在限位状态不带电，工作更可靠。另外，电动阀自身能产生输出扭矩。
    电动阀又可分为以下几种形式：
    （1）转轴式电动阀。由电机带动减速齿轮机构，输出轴直接带动阀门轴旋转。
    （2）电动推杆。电机的正反转带动推杆的伸缩运动，从而控制阀门的开关。
    （3）电动闸阀。电机的正反转带动螺旋杆，直接使料仓底的活动闸板阀插进或退出。
    电动阀一定要有正、反两个限位信号，不可缺少。限位信号必须能准确地反映阀门的位置，并且保证电动阀运行到限位点时产生限位信号。有些电动阀还带有扭矩开关，它根据阀门运动时是否遇有大的阻力而产生信号。当阀门运动到限位位置，一般也会有大的阻力。限位信号与扭矩信号有所区别，以限位信号为好。
    2.3 控制
    电动阀的主体是正反转电机，但控制方式与正反转电机不同。电动阀必须要有限位信号，并且通过限位信号停电机。图2为电动阀的电气控制图。

图2 电动阀的电气控制图

    电动阀有中控、机旁两种操作方式。机旁操作在现场按钮盒，按下“正转”按钮，电机正转，碰到正限位后电机停；按下“反转”按钮，电机反转，碰到反限位后电机停。
    电动阀的中控信号有“备妥”信号、“正、反驱动”信号、电机“正、反运行”信号、“正、反限位”信号。这些信号的相互关系为：
    （1）正反信号的一致性。即正驱动、正运行、正限位相一致，反驱动、反运行、反限位相一致。
    （2）如果“驱动”发出后而没有“运行”信号，则产生“运行故障”。若在规定时间内没有“限位”信号，则产生“限位故障”。这里的规定时间，应稍长于电动阀从一个限位到另一限位的实际运动时间。其目的是防止电动阀长期通电。
    因为电动阀有中控、机旁两种操作方式，电动阀的正反限位信号也应有两套，一套是常闭接点作为机旁操作接点，一套是常开接点作为中控操作接点，两套接点不要混用。
    2.4 编程
    （1）故障信号问题。电动阀有运行故障和限位故障两种故障信号，它们可统一在画面上作为故障显示，但没有必要记录到故障表中，因为电动阀的运行过程是很短的。
    （2）单机操作问题。在编程中，一般的电动阀只设计“单机操作”。先单开电动阀使之处于所需限位，然后再启动相关的电机机组。即不把电动阀放在机组中，只将电动阀的限位信号作为相关电机的联锁条件。
    （3）机组操作问题。个别情况下，也可能将电动阀安排在机组中。①阀门操作不固定。例如分料用的阀门，动作方向可左可右。这时需先设置“选择”位，以确定方向。②阀门操作固定。例如风机阀门，在机组启动时，“阀门为关限位”作为启动联锁，先启动风机，再打开阀门。在机组停车时，将阀门关闭。
    （4）联锁问题。有两种联锁方式：一是电动阀对其他电机的联锁；二是其他电机对电动阀的联锁。
    图3是一个物料分支的情况。M1皮带机输送物料，当电动阀为LM1限位时，物料流到M2皮带；当电动阀为LM2限位时，物料流到M3皮带。因此，皮带机M1的运行联锁关系应由两部分组成：电动阀LM1且电机M2运行，电动阀LM2且电机M3运行。但如果要求进行电动阀切换而M1皮带不停机，上述联锁关系则不满足要求。解决方法一是利用驱动信号延时，屏蔽掉电动阀运转过程的时间；二是利用反限位，即电动阀LM2反且电机M2运行，电动阀LM1反且电机M3运行。

图3 物料分支示意图

    3 执行器
    3.1 应用
    执行器在水泥厂主要有两个方面的用途。一是风机阀门，在风机入口处往往有1个控制阀门，以利于启动风机和调节风量；二是调节阀，改变阀门开度，调节物料的流量。不论是风机阀门，还是调节阀，都是通过电动执行器来调节阀门的开度，要求阀门开度大小可调。阀门开度是模拟量。
    3.2 电气
    图4是一种电动执行器的功能接线图。
    由图4可以看出：
    （1）电动执行器的内部也是1台正反转的电机，相当于电动阀的结构。
    （2）它的主要调节方式是通过模拟量。从中控（或调节器）给出一个开度设定的模拟信号（AO），输入到执行器。执行器会自动地命令电机转动，带动阀门，直到阀门的反馈值AI等于设定开度为止。这种调节方式称为AO－AI调节，大多数电动执行器属于这种方式。

图4 电动执行器的功能接线图

    （3）电动执行器进行数值比较。当后者大于前者时电机正转，开大阀门；当后者小于前者时电机反转，关小阀门；当后者等于前者时电机不转动。当“方式切换”信号为“合”时，电动执行器以上述的模拟量方式进行调节；当它为“断”时，电动执行器还可以开关量方式进行调节。有“开操作”接点和“关操作”接点，可直接控制电机的正反转。这种方式也为编程提供了一个新的控制思路。
    3.3 控制
    电动执行器的控制相对简单，其操作编程有以下两种方式：
    （1）操作员先设定阀门开度“设定值”，计算机将相应的4～20mA电流送给执行器，电动执行器自动将“设定值”与“反馈值”作比较，根据比较结果驱动电机，调节阀门开度，当反馈开度等于设定开度为止。
    （2）中控画面只显示阀门的反馈值。操作员根据调节需要，发出电机“正转”、“反转”命令。命令传给电动执行器的“开操作”、“关操作”接点，控制电机转动，调节阀门开度。
    4 结语
    在水泥生产工艺中，有时并不是直接要求阀门开度的数值，而是通过调节阀门开度来满足一定的风量、物料流量。这时，阀门开度的设定值不再是固定值，它根据实际的风量、流量不断改变。这就是一个模拟量PID调节的问题。