自動化儀表又稱過程檢測、控制儀表，它是實現(xiàn)化工生產過程自動化、提高化工生產效率的重要工具。

化工自動化控制儀表作業(yè)：指化工自動化控制儀表系統(tǒng)安裝、維修、維護的作業(yè)。

危險化學品安全作業(yè)證理論知識考試采取計算機閉卷考試方式，滿分100分，80分及以上為合格

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控制系統(tǒng)與控制閥

控制閥又稱執(zhí)行器，控制閥在自動控制系統(tǒng)中的作用就是接收控制器輸出的控制信號，改變操縱變量，使生產過程按預定要求正常進行。在生產現(xiàn)場，控制閥直接控制工藝介質，若選型或使用不當，往往會給生產過程的自動控制帶來困難。因此執(zhí)行器的選擇和使用是一個重要的問題。

一、執(zhí)行器概述

執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成。執(zhí)行機構是指根據控制器控制信號產生推力或位移的裝置；調節(jié)機構是根據執(zhí)行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥，

執(zhí)行器按其能源形式可分為氣動、電動和液動三大類。液動執(zhí)行器推力最大，但較笨重，現(xiàn)在很少使用。

電動執(zhí)行器的執(zhí)行機構和調節(jié)機構是分開的兩部分，以兩相交流電機為動力的位置伺服機構，作用是將輸人的直流電流信號線性地轉換為位移量。電動執(zhí)行器安全防爆性能較差，電機動作不夠迅速，且在行程受阻或閥桿被軋住時電機易受損。盡管近年來電動執(zhí)行器在不斷改進并有擴大應用的趨勢，但總體上不如氣動執(zhí)行器應用得普遍。

氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構和調節(jié)機構是統(tǒng)一的整體，其執(zhí)行機構有薄膜式和活塞式兩類�；钊�式行程長，適用于要求有較大推力的場合，而薄膜式行程較小，只能直接帶動閥桿。化工廠一般均采用薄膜式。由于氣動執(zhí)行器有結構簡單、輸出推力大、動作平穩(wěn)可靠、本質安全防爆等優(yōu)點，因此氣動薄膜控制閥在化工、煉油生產中獲得了廣泛的應用。氣動薄膜控制閥的外形和內部結構如圖5-2所示。氣動執(zhí)行器與電動執(zhí)行器的執(zhí)行機構不同，但控制閥是相同的。

二、執(zhí)行機構

(一)氣動執(zhí)行機構

1.薄膜式

氣動薄膜執(zhí)行機構是最常見的執(zhí)行機構，其形式有傳統(tǒng)結構和改進結構。

(1)傳統(tǒng)型。傳統(tǒng)的氣動薄膜執(zhí)行機構如圖5-3所示。

氣動薄膜執(zhí)行機構有正作用和反作用兩種形式。圖5-3(a)中信號壓力增加時，推桿向下移動，這種結構稱為正作用式；圖5-3(b)中信號壓力增加時，推桿向上移動，這種結構稱為反作用式。國產正作用式執(zhí)行機構稱為ZMA型，反作用式執(zhí)行機構稱為ZMB型。較大口徑的控制閥都是采用正作用的執(zhí)行機構。信號壓力通過波紋膜片的上方(正作用式)或下方(反作用式)進入氣室后，在波紋膜片上產生一個作用力，使推桿移動并壓縮或拉伸彈簧，當彈簧的反作用力與薄膜上的作用力相平衡時，推桿穩(wěn)定在一個新的位置。信號壓力越大，作用在波紋膜片上的作用力越大，彈簧的反作用力也越大，即推桿的位移量越大。這種執(zhí)行機構的特性是比例式的，即推桿輸出位移(又稱行程)與輸入氣壓信號成正比。

(2)側裝式氣動執(zhí)行機構。這是一種新穎的執(zhí)行機構。

側裝式氣動執(zhí)行機構的特點是將薄膜式膜頭裝在支架的側面，采用杠桿傳動把力矩放大，擴大執(zhí)行機構的輸出力，所以有時也稱為增力式執(zhí)行機構。當氣壓信號輸人氣室后，產生水平方向的推力，使推桿1帶動搖板2逆時針方向轉動，再通過連接板3使連桿4帶動閥芯向下移動，是正作用式；連接板連在搖板2的右側，當氣壓信號輸入氣室后，連桿4帶動閥芯向下移動，是反作用式。

2.活寒式

活塞式執(zhí)行機構屬于強力氣動執(zhí)行機構，結構如圖5-5所示。其氣缸允許的操作壓

力高達0.5MPa,且無彈簧抵消推力，因此輸出推力很大，特別適用于高靜壓、高壓差、大口徑場合。它的輸出特性有兩位式和比例式。兩位式是根據活塞兩側的操作壓力的大小而動作，活塞由高壓側推向低壓側，使推桿從一個極端位置移動到另一個極端位置，其行程達25～100mm,適用于雙位控制系統(tǒng)；比例式是指推桿的行程與輸入壓力信號成比例關系，必須帶有閥門定位器，它適用于對控制質量要求較高的系統(tǒng)。

(二)電動執(zhí)行機構

電動執(zhí)行器以電能為動力，由電動機帶動減速裝置。它接受來自調節(jié)器的標準信號(模擬量或數(shù)字量),將其變成相對應的機械位移(轉角、直線或多轉)操縱調節(jié)閥。

在防爆要求不高且無合適氣源的情況下可以使用電動執(zhí)行器。相對氣動、液動執(zhí)行器而言，電動執(zhí)行器主要有三點優(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，更便于采用電子信息新技術。

電動執(zhí)行機構一般可以分為直行程、角行程和多轉式三種。

直行程電動執(zhí)行機構的輸出軸輸出各種大小不同的直線位移，通常用來推動單座、積座、三通、套筒等形式的控制閥。

角行程電動執(zhí)行機構的輸出軸輸出角位移，轉動角度范圍小于360°,通常用來推動蝶閥、球閥、偏心旋轉閥等轉角式控制閥。

多轉式電動執(zhí)行機構的輸出軸輸出各種大小不等的有效圈數(shù)，通常用于推動閘閥或由執(zhí)行電動機帶動旋轉式的調節(jié)機構，如各種泵等。

近年來，電動執(zhí)行機構朝智能化方向發(fā)展。智能電動執(zhí)行機構的伺服放大器中采用了微處理器系統(tǒng)，所有控制功能均可通過編程實現(xiàn)。智能電動執(zhí)行機構具有數(shù)字通信接口，具有HAI訂協(xié)議或現(xiàn)場總線通信功能，成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點。有的伺服放大器中還采用變頻器技術，可更有效控制伺服電機動作。減速器采用新穎傳動結構，運行平穩(wěn)、傳動效率高，無爬行、摩擦小。位置發(fā)送器采用新技術和新方法，有的采用霍爾效應傳感器，直接感應閥桿的縱向或旋轉動作，實現(xiàn)了非接觸式定位檢測；有的采用特殊電位器，電位器中裝有球軸承和特種導電材質做成的電阻薄片；有的采用磁阻效應的非接觸式旋轉角度傳感器。

智能電動執(zhí)行器利用微機和現(xiàn)場總線通信技術將伺服放大器與執(zhí)行機構合為一體，不僅實現(xiàn)了雙向通信、PID調節(jié)、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能，還增設了行程保護、過力矩保護、電動機過熱保護、斷電信號保護、輸出現(xiàn)場閥位指示和故障報警等功能。它可進行現(xiàn)場或遙控操作，完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換，

智能電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢可以歸納為：機電一體化結構逐步取代組合式結構，智能化控制技術逐步取代純電子控制技術，帶通信技術功能的逐步取代不帶通信技術的，數(shù)字控制方式逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制方式，運用紅外遙控的非接觸式調試技術逐步取代接觸式手動調試技術等等。

三、調節(jié)閥

(一)調節(jié)閥結構

從流體力學觀點看，調節(jié)閥是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。

由于閥芯在閥體內移動，改變了閥芯與閥座間的流通面積，改變了閥的阻力系數(shù)，操縱變量(調節(jié)介質)的流量也就相應地改變，從而達到調節(jié)工藝變量的目的。

圖5-6為最常用的直通雙座調節(jié)閥，調節(jié)閥閥桿上端通過螺母與執(zhí)行機構推桿連接，推桿帶動閥桿及閥桿下端的閥芯上下移動，流體從左側進入調節(jié)閥，然后經閥芯與閥座之間的間隙從右側流出。

調節(jié)閥的閥芯與閥桿間用銷釘連接，這種連接形式使閥芯根據需要可以正裝(正作用)也可以倒裝(反作用)。

執(zhí)行器如氣動薄膜調節(jié)閥的執(zhí)行機構和調節(jié)機構組合起來可以實現(xiàn)氣開和氣關式兩種調節(jié)。由于執(zhí)行機構有正、反兩種作用方式，調節(jié)閥也有正、反兩種作用方式，因此就共有四種組合方式組成氣開或氣關型式。

氣開式是輸入氣壓越高時開度越大，而在失氣時則全關，故稱FC型；氣關式是輸入氣壓越高時開度越小，而在失氣時則全開，故稱FO型。

對于雙座閥和公稱通徑DN25以上的單座閥。對于單導向閥芯的高壓閥、角型調節(jié)閥、DN25以下的直通單座閥、隔膜閥等由于閥體限制閥芯只能正裝。

一般情況下，閥體材料采用鑄鐵，特殊情況下，如遇到高溫、低溫、高壓、腐蝕性等介質時，目前除用鑄鋼、不銹鋼等材料外，各種特殊合金鋼、高分子材料也得到廣泛的應用。

調節(jié)閥中介質與外界的密封，一般用填料函來實現(xiàn)，但在遇到劇毒、易揮發(fā)等介質時，可以用波紋管密封。

(二)調節(jié)閥類型

根據不同的使用要求，調節(jié)閥有許多類型，這里僅介紹其中的幾種。

1.直通單座調節(jié)閥

閥體內有一個閥芯和閥座，流體從左側進入，經閥芯從右側流出。由于只有一個閥芯和閥座，容易關閉，因此泄漏量小，但閥芯所受到流體作用的不平衡推力較大，尤其是在高壓差、大口徑時受力更大。直通單座調節(jié)閥適用于壓差較小、要求泄漏量較小的場合。

2.直通雙座調節(jié)閥

直通雙座調節(jié)閥的，閥體內有兩個閥芯和閥座，流體從左側進入，經過上下閥芯匯合在一起從右側流出。它與同口徑的單座閥相比，流通能力增大20%左右，但泄漏量大，而不平衡推力小。直通雙座調節(jié)閥適用于閥兩端壓差較大、對泄漏量要求不高的場合，但由于流路復雜而不適用于高黏度和帶有固體顆粒的液體。

3.角型調節(jié)閥

角型調節(jié)閥除閥體為直角外，其他結構與單座閥相類似，如圖5-10所示。角型閥的流向一般都是底進側出，此時它的穩(wěn)定性較好，然而在高壓差場合，為了延長閥芯使用壽命而改用側進底出的流向，但容易發(fā)生振蕩。角型調節(jié)閥流路簡單、阻力小、不易堵塞，適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒物質流體的調節(jié)。

4.隔膜調節(jié)閥

隔膜調節(jié)閥用耐腐蝕襯里的閥體和耐腐蝕隔膜代替閥芯閥座組件，由隔膜位移起調節(jié)作用。隔膜調節(jié)閥耐腐蝕性強，適用于強酸、強堿等強腐蝕性介質的調節(jié)。它的結構簡單、流路阻力小，流通能力較同口徑的其他閥大，無泄漏量。但由于隔膜和襯里的限制，耐壓、耐溫較低，一般只能在壓力低于1MPa、溫度低于150℃的情況下使用。

5.三通調節(jié)閥

三通調節(jié)閥分合流閥和分流閥兩種類型，前者是兩路流體混為一路,后者是一路流體分為兩路。在閥芯移動時，總的流量可以不變，但兩路流量比例得到了調節(jié)。

三通閥常用于換熱器的旁路調節(jié)，工藝要求載熱體的總量不能改變的情況。一般用分流閥或合流閥都可以，只是安裝位置不同而已，分流閥在進口，合流閥在出口。此外，在采用合流閥時，如果兩路流體溫度相差過大，會造成較大的熱應力，因此溫差通常不能超過150℃。

6.套筒型調節(jié)閥

套筒型調節(jié)閥如圖5-14所示。它的結構特點是在單座閥體內裝有一個套筒，閥塞能在套筒內移動。當閥塞上下移動時，改變了套筒開孔的流通面積，從而控制調節(jié)介質流量。

它的主要特點是：由于閥塞上有均壓平衡孔，不平衡推力小，穩(wěn)定性很高且噪聲小。因此適用于高壓差、低噪聲等場合，但不宜用于高溫、高黏度、含顆粒和結晶的介質控制。

四、閥門定位器

閥門定位器是氣動控制閥的主要附件，它與氣動控制閥配套使用。閥門定位器接受控制器輸出信號，然后將控制器的輸出信號成比例地輸出到執(zhí)行機構，當閥桿移動以后，其位移量又通過機械裝置負反饋作用于閥門定位器，因此它與執(zhí)行機構組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。采用閥門定位器，能夠增加執(zhí)行機構的輸出功率，改善控制閥性能。由于目前使用電動控制器居多，因此這里介紹電—氣閥門定位器。

(一)電一氣閥門定位器

電—氣閥門定位器具有電——氣轉換和閥門定位器雙重作用，其輸入信號是電動控制器的輸出電流(0～10mA直流電流或4～20mA直流電流),輸出氣壓信號(20～100kPa),去操縱氣動薄膜控制閥，其原理如圖5-15所示。

電—氣閥門定位器是按力矩平衡原理工作的。輸人信號電流通入到力矩馬達的線圈2兩端，與永久磁鋼1作用后對主杠桿3產生一個電磁力矩，主杠桿3繞支點16作逆時針轉動，于是擋板14靠近噴嘴15,使噴嘴背壓升高，經放大器17放大后輸出氣壓也隨之升高。輸出氣壓作用在氣動控制閥膜頭9上，推動閥桿向下移動，并帶動反饋桿10繞支點5轉動，反饋凸輪6隨著逆時針轉動，通過滾輪11使副杠桿7繞支點8轉動，并將反饋彈簧12拉伸，對主杠桿3產生反饋力矩。當反饋力矩與電磁力矩相平衡時，閥桿就穩(wěn)定在某一位置，從而使閥桿位移與輸人電流成比例關系。調零彈簧13調整零位。在分程控制時，可通過零位調整和反饋彈簧反力的調整，使定位器在輸入信號范圍內(如4～12mA或12～20mA等),輸出均為20～100kPa。

(二)閥門定位器作用

1.改善閥的穩(wěn)態(tài)特性

采用閥門定位器后，只要控制器輸出信號稍有變化，經過噴嘴——擋板系統(tǒng)及放大器的作用，就可使通往控制閥膜頭的氣壓大有變動，以克服閥桿的摩擦和消除控制閥不平衡力的影響，從而保證閥門位置按控制器發(fā)出的信號正確定位。改善穩(wěn)態(tài)特性后，能使控制閥適用于下列情況：

(1)要求閥位作精確調整的場合；

(2)大口徑、高壓差等不平衡力較大的場合；

(3)為防止泄漏而需要將填料函壓得很緊，例如高壓、高溫或低溫等場合；

(4)工藝介質中有固體顆粒被卡住，或是高黏滯的情況。

2.改善閥的動態(tài)特性

定位器改變了原來閥的一階滯后特性，減小時間常數(shù)，使之成為比例特性。一般說來，如氣壓傳送管線超過60m時，應采用閥門定位器。

3.改變閥的流量特性

通過改變定位器反饋凸輪的形狀，可使控制閥的線性、對數(shù)、快開流量特性：互換。

4.用于分程控制

用一個控制器控制兩個以上的控制閥，使它們分別在信號的某一個區(qū)段內完成全行程移動。例如，使兩個控制閥分別在4～12mA直流電流及12～20mA直流電流的信號范圍內完成全行程移動。

5.用于閥門的反向動作

閥門定位器有正、反作用之分。正作用時，輸入信號增大，輸出氣壓也增大；反作用時，輸人信號增大，輸出氣壓減小。采用反作用式定位器可使氣開閥變?yōu)闅怅P閥，氣關閥變?yōu)闅忾_閥。

※復習與總結※

1.在化工生產中經常使用的控制系統(tǒng)有可編程邏輯控制器、分散型控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。通過這些系統(tǒng)均可以實現(xiàn)對化工反應裝置的安全控制，由于這些系統(tǒng)的開發(fā)主要以實現(xiàn)過程控制為主，也可同時設計成具有安全控制功能。

2.DCS主要由操作站、控制站及通訊系統(tǒng)等三大部分組成；ESD基本組成大致可分為三部分：傳感器單元、邏輯運算單元、最終執(zhí)行單元。

3.執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用就是接收控制器輸出的控制信號，改變操縱變量，使生產過程按預定要求正常進行。

4.執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成。執(zhí)行機構是指根據控制器控制信號產生推力或位移的裝置；調節(jié)機構是根據執(zhí)行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。