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水厂自控系统中调节阀的应用
The Application of regulating Valve in Waterworks Automatic control System
文瑾瑜 张戎
Wen,Jinyu Zhang,Rong
摘要：调节阀应用的情况，直接影响到自控系统的品质，采用合适的控制规律和参数来控制调节阀，将对生产起到重要作用。本文系统阐述了惠州自来水总公司使用电动、气动两种调节阀的效果及部分技改措施。
关键词：电动调节阀、气动调节阀、执行机构、PLC、自控系统
Abstract: The regulating valve application situation affects directly the quality of automatic control system. It will produce the vital role if the appropriate control rule and the parameter controls the regulating valve was used. This article elaborated systematically the effect and the partial technological transformation measure of Huizhou water supply corporation used both electrically operated and air operated regulating valves.
Key word: Electrically operated regulating valve, Air operated regulating valve, executive component, PLC, Automatic control system
一、概述
调节阀直接安装在水工艺管道上，是水厂自控系统的重要组成部分，调节阀也被称为自控系统的手足，它的耐用程度及动作灵敏与否，直接关系着自控系统的质量。实际工作及有关资料均表明，调节系统中70%左右的故障出自调节阀。因此，保证调节阀的准确运行，是关系自控系统能否正常运行的重要前提。
二、调节阀在水厂中的应用
惠州市自来水总公司现有三间水厂，工艺处理流程为常规的自来水工艺。三间水厂工艺中主要不同的是在过滤环节，河南岸水厂、桥东水厂采用的是普通快滤池，江北水厂采用的是V型滤池，滤池过滤完成过滤和反冲洗两个环节。普通快滤池采用单水反冲洗，阀门选用电动蝶阀；V型滤池采用气水混合反冲洗工艺，阀门选用气动蝶阀。在水厂常规工艺中，最难控制的就是过滤环节，为了保证过滤的水量及水质，滤水的阀门需要满足开度可调节的要求。
1、电动调节阀的使用情况
桥东水厂是经老厂改造而来的，始建于1983年，1999年停产，2005年2月改造后重新投产，日产量为12万吨/日。全部净水工艺过程采用由计算机自动控制。桥东水厂的电动调节阀选用国产的电动调节比例阀。该阀门由电动执行器、阀体、控制三部份组成，一体化结构设计，集调节、伺服于一体，结构简单，接线方便。输入信号为4∽20mA模拟信号，控制电机正转、反转或停转，从而达到连续调节阀位开度，实现生产过程自动控制的目的。位置反馈信号输出4∽20mA模拟信号，用来监视阀门的开度。温度保护开关装在控制腔内，可以对电机进行过热保护。在实际控制调节阀门的过程中遇到了过不少问题，经过多次整改与完善，积累了一些使用的经验，供同行借鉴。
据了解，电动调节阀在自来水厂的过滤工艺中主要用于不频繁的调节，即在一定的开度下滤池达不到要求，就改为另一开度。而不是闭环控制中那种与给定值进行比较的反馈控制。我们在对桥东水厂滤池控制设计中，最初设想采用PID控制进行给定值的恒水位控制。控制原理图如图1：
图1 滤水控制原理图
首先将编制好的PID控制程序通过PLC对电动调节阀进行控制。没过多久阀门就不能动作了，后经厂家检查，发现电机功率及控制器部分达不到我厂的使用要求，更换配件后，阀门可正常使用。
使用一段时间后，发现阀门出现两种情况：
1）由于PID控制过于精确，电动调节阀的灵敏度又比较高，使用不久就发现电机线圈发热历害，这种情况很容易将执行器电机烧坏；
2）执行器的机械部分由于长时间频繁动作，造成齿牙磨损严重，不得不更换加工备件。
我们发现通过用PID控制电动阀门，过滤水量、水质是得到了保证，但调节阀却经常出现问题，调节阀使用的效果不太理想。解决的办法有两个：A、更换执行器和控制设备：由于阀门已经装好，大批量更换已不大可能，其次也不能保证其它品牌的设备就能应用的很好；B、更改PLC控制程序：在控制程序上进行适当调整，使调节阀能安全的运行。最初我们运用偏差控制方法，在程序设计时进行分段判断，水位每上升100mm就进行开度调节，在使用过程中也是差强人意，经常水位得不到保证，也影响了过滤效果。后来在PLC执行PID程序中，加入计时器（时间可在电脑中设定），当计时时间到，将PID算出的控制值送给调节阀，此控制值在设定的计时时段内保持不变。下一次计时又将新的采样值送给调节阀，这样即能保证调节阀的正常使用，又能保证过滤的水质及滤池的水位，有很强的实用性。流程图见图2 ：
图2 阀门控制流程图
2、气动调节阀的使用情况
江北水厂于1999年9月投产，江北水厂采用的是气水反冲洗V型滤池，它具有出水水质好，运行周期长，反冲洗效果好和便于自动化管理的特点。滤池采用的是法国Amri的气动蝶阀，按类型可分为比例调节型的滤水阀和开关型的反冲洗水阀、反冲洗气阀、放气阀，它们具有响应时间短，气密性、调节性能优异的优点。经过五年的实践，我们逐渐了解、掌握气动蝶阀的性能、运行规律，并能因地制宜地从软、硬两方面对调节系统进行改造，取得了一定的经济效益和社会效益，保证了供水水质和水量。在这里主要阐述对气动比例调节阀的应用体会：
2．1 气动比例调节阀动作频率的整定
气动比例调节阀是由气动执行器、阀体、控制三部分组成，其输入控制信号为4∽20mA模拟信号，位置反馈信号输出4∽20mA模拟信号以便进行开度监视。其工作原理如下：首先由直动式电磁阀（先导阀）提供控制气流， 再去控制气控阀（三位四通气路分配器）阀芯的运动，实现主阀换向。换向后的压缩气体进入气缸，推动活塞，驱动阀体动作。控制程序采用PID控制，因此动作非常频繁，调节阀的频率可达2次/秒。水厂运行不到一年，各阀门构件均出现不同程度的磨损。气控阀（三位四通气路分配器）阀芯磨损严重。致使调节阀速度减慢直至无法动作。为了找到即能达到恒水位控制要求，又能减少执行器磨损的方法，我们进行了多次实验，如更改PLC控制程序，修改PID的控制参数，效果都不够明显。最后通过修改主线路板，加大允许误差。问题才得以解决。经过一段时间的调整和观察，在保证各组滤池的液位变化能够控制在+10mm的情况下, 调节阀动作频率由2次/秒降到了6次/分，大大延长了执行器的寿命。
2、2 对电磁换向阀的改造
在气动比例调节阀中，执行器接受由电磁阀传来的气动信号，产生驱动力，用以克服制动力距使阀板打开或关闭，从而完成调节流量的作用。执行部分中的气路换向是很关键的，它关系到整个气路能否畅通。由于我们选用的是进口阀门。其中的三位四通气控阀属于易损件，购买一个大约折合人民币4000元，价格昂贵，并且采购周期非常长，从订货起，最短都要两个月时间才能到货，维护起来很不方便。控制盒结构图、原理图见图3。该控制盒内的电磁阀与气控阀是分开的。
图3 气动控制盒结构图及气动控制原理图
2005年1月，我们对其实施了改造。将原有的电磁换向阀取消，用国产三位五通电磁阀取而代之。用0.2mm2导线将主板电路与三位五通电磁阀相连，提供控制气流。用订作的快速接头转换原有的气管并与新的三位五通电磁换向阀连接起来，用来控制阀体。其中一个国产的三位五通电磁换向阀价格仅为200元，大大节省了资金。三位五通电磁换向阀结构图、原理图见图4。该电磁换向阀是由电磁阀和气控阀组合而成。
图4 三位五通电磁阀换向阀结构图及原理图
经过通电试验，改造后的调节阀开关正常，到目前已正常运行5个月，运行情况良好。实施此次改造，给日后设备维护和采购带来极大的方便，同时也节约了大笔维护资金，仅单个调节阀改造就节约成本9000元（包括电磁阀、气控阀）。
3、电动调节阀与气动调节阀比较
调节阀的构造、类型、式样很多、工作原理也不尽相同。在这里主要是对我们使用过的两种调节阀进行比较。
相对气动调节阀而言，电动调节阀主要有3点优势：(1)无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电时，也能保持原执行位置；(2)可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查；(3)与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。其缺点主要有：(1)耐用性差，控制腔中要增加多重保护才能有效的保护电动调节阀。(2)对工作环境的要求偏高。如易燃、易爆、潮湿的环境就不适用。
气动调节阀具有(1)维护方便，管路不易堵塞，且没有介质变质，补充和更换的问题；(2)工作环境适应性好，工作安全可靠、不污染环境； (3)气动元件结构简单，制造容易，易于标准化、系列化和通用化。其缺点在使用过程中主要发现气动系统有较大的排气噪声，工作时需加消声器。
在使用过程中我们还发现对调节阀的选型是最重要的环节，调节阀的工作质量在很大程度上与它的执行机构和阀芯的加工质量和装配质量有关。调节阀的构造、类型、式样很多，因此选择适合工艺要求的阀门，将起到事半功倍的效果。
3、结论：一个自动控制系统的功能就在于：在各种干扰来时能迅速克服干扰准确回复到设定值上，发挥其平抑干扰的作用。在这个系统中没有好的调节系统就不可能进行准确的控制。因此调节器的品质和正确使用是影响系统的工作品质的重要因素。如果不能针对调节对象的特点，采用适当的调节规律和参数来进行调节，那就无法获得良好的调节质量，甚至系统根本不能正常工作。
事实证明，只要对控制对象性能彻底的了解，采用合适的控制规律就能得到较好的调节系统品质。
参考文献
吴丛 蒲钟佑. 液压与气动 .北京理工大学出版社
作者简介
文瑾瑜（1970年— ）女，汉族，工学士, 电气自动化工程师 ,主要从事水厂自动化系统的设计及调试 联系电话: 13829985604
e-mail:Wenjyu@hotmail.com
张戎（1963—），男，汉族，工学士，给水排水高级工程师，惠州市自来水总公司总工程师，从事城市供水工作二十多年，对给水设计、施工、管理有丰富的经验。联系电话：0752—2816978。e-mail:ZhangRong817@21cn.com
Author brief introduction: Wen jinyu ,female, electric automation control engineer, Major
automation control system of water works' designing and debug. Tel:13829985604
e-mail:Wenjyu@hotmail.com
(516003 广东惠州 惠州市自来水总公司) 文瑾瑜 张戎 | 
