水泥廠用的閥門控制

引言
    水泥生產線上的電氣設備除了電動機之外，數量上*多的就是閥門。水泥廠使用的閥門不但數量多，而且種類也不少。各種類型的閥門應根據不同的工藝要求選擇，在電氣與控制上有不同的特點。
    從電氣的角度來看，可將閥門分為電磁閥、電動閥、執行器三大類，以下分別進行討論。
    1 電磁閥
    1.1 應用
    電磁閥在水泥廠大多用于庫底物料的卸出，*典型的是生料庫底的六支路卸料系統。每條支路上電磁閥和調節閥一起使用，電磁閥用來控制料流的開關，調節閥用來控制料流的大小。此外，電磁閥常用于氣路閥門的控制。
    1.2 電氣
    電磁閥的控制，準確地講是電磁閥－氣動閥的聯合控制。電磁閥的主要結構是一個線圈，當線圈得電時吸動鐵芯，鐵芯的上下移動控制氣缸的供氣方向，初始（線圈不得電）時，壓縮空氣由一個方向進入氣動閥的氣缸，氣缸活塞運動到一頭（關限位）。當線圈得電時，鐵芯被吸下，壓縮空氣由另一個方向進入氣缸，于是氣缸活塞就運動到另一頭（開限位）。當線圈又不得電時，鐵芯移回初始位置，壓縮空氣又由初始方向進入氣缸氣缸，活塞也返回到原先位置。
    電磁閥通常使用220VAC電源，電功率很小，往往主回路只采用1個中間繼電器即可，也沒有過多的保護。
    1.3 控制
    圖1是電磁閥的電氣控制圖。它與一般電機的控制基本相同。惟一的區別在于，對于電機，我們關注的是電機是否在“運行”；而對于閥門，則關注的是閥門處于何種“狀態”。因此，要求電磁閥要加裝限位信號。

圖1 電磁閥的電氣控制圖
    
    電磁閥有中控、機旁兩種操作方式。既可以由中控發DCS驅動命令，也可以在機旁按“起動”或“停止”按鈕。無論采用哪種方式，都應該能正確顯示出限位信號。
    另外，還有一個需要注意的問題是選擇初始位置。初始位置應該是在電磁閥失電或氣動閥沒有壓縮空氣時，閥門的安全位置狀態。這一點對于安全是很重要的，需要根據工藝要求而定。通常初始位置是選擇“閥門關”，也有極少數電磁閥的初始位置選擇“閥門開”。
    2 電動閥
    2.1 應用
    在水泥廠的閥門中，電動閥的應用*多*廣。其應用之一是選擇料流方向，例如同一輸送物料經過電動閥，可選擇去A方向還是去B方向；應用之二是庫頂的輸送物料經過電動閥，打開或者關閉電動閥，可控制是否直接入庫。電動閥還有其他的應用。
    2.2 電氣
    電動閥是由1臺可逆電機驅動的。電機正轉時，帶動閥門朝正方向運動，碰到正限位時停止。同樣，電機反轉時，帶動閥門朝反方向運動，碰到反限位時停止。與電磁閥相比，電動閥沒有氣缸，也不需要壓縮空氣，在限位狀態不帶電，工作更可靠。另外，電動閥自身能產生輸出扭矩。
    電動閥又可分為以下幾種形式：
    （1）轉軸式電動閥。由電機帶動減速齒輪機構，輸出軸直接帶動閥門軸旋轉。
    （2）電動推桿。電機的正反轉帶動推桿的伸縮運動，從而控制閥門的開關。
    （3）電動閘閥。電機的正反轉帶動螺旋桿，直接使料倉底的活動閘板閥插進或退出。
    電動閥一定要有正、反兩個限位信號，不可缺少。限位信號必須能準確地反映閥門的位置，并且保證電動閥運行到限位點時產生限位信號。有些電動閥還帶有扭矩開關，它根據閥門運動時是否遇有大的阻力而產生信號。當閥門運動到限位位置，一般也會有大的阻力。限位信號與扭矩信號有所區別，以限位信號為好。
    2.3 控制
    電動閥的主體是正反轉電機，但控制方式與正反轉電機不同。電動閥必須要有限位信號，并且通過限位信號停電機。圖2為電動閥的電氣控制圖。

圖2 電動閥的電氣控制圖

    電動閥有中控、機旁兩種操作方式。機旁操作在現場按鈕盒，按下“正轉”按鈕，電機正轉，碰到正限位后電機停；按下“反轉”按鈕，電機反轉，碰到反限位后電機停。
    電動閥的中控信號有“備妥”信號、“正、反驅動”信號、電機“正、反運行”信號、“正、反限位”信號。這些信號的相互關系為：
    （1）正反信號的一致性。即正驅動、正運行、正限位相一致，反驅動、反運行、反限位相一致。
    （2）如果“驅動”發出后而沒有“運行”信號，則產生“運行故障”。若在規定時間內沒有“限位”信號，則產生“限位故障”。這里的規定時間，應稍長于電動閥從一個限位到另一限位的實際運動時間。其目的是防止電動閥長期通電。
    因為電動閥有中控、機旁兩種操作方式，電動閥的正反限位信號也應有兩套，一套是常閉接點作為機旁操作接點，一套是常開接點作為中控操作接點，兩套接點不要混用。
    2.4 編程
    （1）故障信號問題。電動閥有運行故障和限位故障兩種故障信號，它們可統一在畫面上作為故障顯示，但沒有必要記錄到故障表中，因為電動閥的運行過程是很短的。
    （2）單機操作問題。在編程中，一般的電動閥只設計“單機操作”。先單開電動閥使之處于所需限位，然后再啟動相關的電機機組。即不把電動閥放在機組中，只將電動閥的限位信號作為相關電機的聯鎖條件。
    （3）機組操作問題。個別情況下，也可能將電動閥安排在機組中。①閥門操作不固定。例如分料用的閥門，動作方向可左可右。這時需先設置“選擇”位，以確定方向。②閥門操作固定。例如風機閥門，在機組啟動時，“閥門為關限位”作為啟動聯鎖，先啟動風機，再打開閥門。在機組停車時，將閥門關閉。
    （4）聯鎖問題。有兩種聯鎖方式：一是電動閥對其他電機的聯鎖；二是其他電機對電動閥的聯鎖。
    圖3是一個物料分支的情況。M1皮帶機輸送物料，當電動閥為LM1限位時，物料流到M2皮帶；當電動閥為LM2限位時，物料流到M3皮帶。因此，皮帶機M1的運行聯鎖關系應由兩部分組成：電動閥LM1且電機M2運行，電動閥LM2且電機M3運行。但如果要求進行電動閥切換而M1皮帶不停機，上述聯鎖關系則不滿足要求。解決方法一是利用驅動信號延時，屏蔽掉電動閥運轉過程的時間；二是利用反限位，即電動閥LM2反且電機M2運行，電動閥LM1反且電機M3運行。

圖3 物料分支示意圖

    3 執行器
    3.1 應用
    執行器在水泥廠主要有兩個方面的用途。一是風機閥門，在風機入口處往往有1個控制閥門，以利于啟動風機和調節風量；二是調節閥，改變閥門開度，調節物料的流量。不論是風機閥門，還是調節閥，都是通過電動執行器來調節閥門的開度，要求閥門開度大小可調。閥門開度是模擬量。
    3.2 電氣
    圖4是一種電動執行器的功能接線圖。
    由圖4可以看出：
    （1）電動執行器的內部也是1臺正反轉的電機，相當于電動閥的結構。
    （2）它的主要調節方式是通過模擬量。從中控（或調節器）給出一個開度設定的模擬信號（AO），輸入到執行器。執行器會自動地命令電機轉動，帶動閥門，直到閥門的反饋值AI等于設定開度為止。這種調節方式稱為AO－AI調節，大多數電動執行器屬于這種方式。

圖4 電動執行器的功能接線圖

    （3）電動執行器進行數值比較。當后者大于前者時電機正轉，開大閥門；當后者小于前者時電機反轉，關小閥門；當后者等于前者時電機不轉動。當“方式切換”信號為“合”時，電動執行器以上述的模擬量方式進行調節；當它為“斷”時，電動執行器還可以開關量方式進行調節。有“開操作”接點和“關操作”接點，可直接控制電機的正反轉。這種方式也為編程提供了一個新的控制思路。
    3.3 控制
    電動執行器的控制相對簡單，其操作編程有以下兩種方式：
    （1）操作員先設定閥門開度“設定值”，計算機將相應的4～20mA電流送給執行器，電動執行器自動將“設定值”與“反饋值”作比較，根據比較結果驅動電機，調節閥門開度，當反饋開度等于設定開度為止。
    （2）中控畫面只顯示閥門的反饋值。操作員根據調節需要，發出電機“正轉”、“反轉”命令。命令傳給電動執行器的“開操作”、“關操作”接點，控制電機轉動，調節閥門開度。
    4 結語
    在水泥生產工藝中，有時并不是直接要求閥門開度的數值，而是通過調節閥門開度來滿足一定的風量、物料流量。這時，閥門開度的設定值不再是固定值，它根據實際的風量、流量不斷改變。這就是一個模擬量PID調節的問題。