自动化仪表又称过程检测、控制仪表，它是实现化工生产过程自动化、提高化工生产效率的重要工具。

化工自动化控制仪表作业：指化工自动化控制仪表系统安装、维修、维护的作业。

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控制系统与控制阀

控制阀又称执行器，控制阀在自动控制系统中的作用就是接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。在生产现场，控制阀直接控制工艺介质，若选型或使用不当，往往会给生产过程的自动控制带来困难。因此执行器的选择和使用是一个重要的问题。

一、执行器概述

执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀，

执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。液动执行器推力最大，但较笨重，现在很少使用。

电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输人的直流电流信号线性地转换为位移量。电动执行器安全防爆性能较差，电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受损。尽管近年来电动执行器在不断改进并有扩大应用的趋势，但总体上不如气动执行器应用得普遍。

气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。由于气动执行器有结构简单、输出推力大、动作平稳可靠、本质安全防爆等优点，因此气动薄膜控制阀在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。气动薄膜控制阀的外形和内部结构如图5-2所示。气动执行器与电动执行器的执行机构不同，但控制阀是相同的。

二、执行机构

(一)气动执行机构

1.薄膜式

气动薄膜执行机构是最常见的执行机构，其形式有传统结构和改进结构。

(1)传统型。传统的气动薄膜执行机构如图5-3所示。

气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式。图5-3(a)中信号压力增加时，推杆向下移动，这种结构称为正作用式；图5-3(b)中信号压力增加时，推杆向上移动，这种结构称为反作用式。国产正作用式执行机构称为ZMA型，反作用式执行机构称为ZMB型。较大口径的控制阀都是采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方(正作用式)或下方(反作用式)进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，作用在波纹膜片上的作用力越大，弹簧的反作用力也越大，即推杆的位移量越大。这种执行机构的特性是比例式的，即推杆输出位移(又称行程)与输入气压信号成正比。

(2)侧装式气动执行机构。这是一种新颖的执行机构。

侧装式气动执行机构的特点是将薄膜式膜头装在支架的侧面，采用杠杆传动把力矩放大，扩大执行机构的输出力，所以有时也称为增力式执行机构。当气压信号输人气室后，产生水平方向的推力，使推杆1带动摇板2逆时针方向转动，再通过连接板3使连杆4带动阀芯向下移动，是正作用式；连接板连在摇板2的右侧，当气压信号输入气室后，连杆4带动阀芯向下移动，是反作用式。

2.活寒式

活塞式执行机构属于强力气动执行机构，结构如图5-5所示。其气缸允许的操作压

力高达0.5MPa,且无弹簧抵消推力，因此输出推力很大，特别适用于高静压、高压差、大口径场合。它的输出特性有两位式和比例式。两位式是根据活塞两侧的操作压力的大小而动作，活塞由高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移动到另一个极端位置，其行程达25～100mm,适用于双位控制系统；比例式是指推杆的行程与输入压力信号成比例关系，必须带有阀门定位器，它适用于对控制质量要求较高的系统。

(二)电动执行机构

电动执行器以电能为动力，由电动机带动减速装置。它接受来自调节器的标准信号(模拟量或数字量),将其变成相对应的机械位移(转角、直线或多转)操纵调节阀。

在防爆要求不高且无合适气源的情况下可以使用电动执行器。相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有三点优势：

(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，更便于采用电子信息新技术。

电动执行机构一般可以分为直行程、角行程和多转式三种。

直行程电动执行机构的输出轴输出各种大小不同的直线位移，通常用来推动单座、积座、三通、套筒等形式的控制阀。

角行程电动执行机构的输出轴输出角位移，转动角度范围小于360°,通常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋转阀等转角式控制阀。

多转式电动执行机构的输出轴输出各种大小不等的有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动旋转式的调节机构，如各种泵等。

近年来，电动执行机构朝智能化方向发展。智能电动执行机构的伺服放大器中采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现。智能电动执行机构具有数字通信接口，具有HAI订协议或现场总线通信功能，成为现场总线控制系统中的一个节点。有的伺服放大器中还采用变频器技术，可更有效控制伺服电机动作。减速器采用新颖传动结构，运行平稳、传动效率高，无爬行、摩擦小。位置发送器采用新技术和新方法，有的采用霍尔效应传感器，直接感应阀杆的纵向或旋转动作，实现了非接触式定位检测；有的采用特殊电位器，电位器中装有球轴承和特种导电材质做成的电阻薄片；有的采用磁阻效应的非接触式旋转角度传感器。

智能电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体，不仅实现了双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，还增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位指示和故障报警等功能。它可进行现场或遥控操作，完成手动操作及手动/自动之间无扰动切换，

智能电动执行器的发展趋势可以归纳为：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，带通信技术功能的逐步取代不带通信技术的，数字控制方式逐步取代传统的模拟控制方式，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术等等。

三、调节阀

(一)调节阀结构

从流体力学观点看，调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。

由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，改变了阀的阻力系数，操纵变量(调节介质)的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺变量的目的。

图5-6为最常用的直通双座调节阀，调节阀阀杆上端通过螺母与执行机构推杆连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间的间隙从右侧流出。

调节阀的阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可以正装(正作用)也可以倒装(反作用)。

执行器如气动薄膜调节阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关式两种调节。由于执行机构有正、反两种作用方式，调节阀也有正、反两种作用方式，因此就共有四种组合方式组成气开或气关型式。

气开式是输入气压越高时开度越大，而在失气时则全关，故称FC型；气关式是输入气压越高时开度越小，而在失气时则全开，故称FO型。

对于双座阀和公称通径DN25以上的单座阀。对于单导向阀芯的高压阀、角型调节阀、DN25以下的直通单座阀、隔膜阀等由于阀体限制阀芯只能正装。

一般情况下，阀体材料采用铸铁，特殊情况下，如遇到高温、低温、高压、腐蚀性等介质时，目前除用铸钢、不锈钢等材料外，各种特殊合金钢、高分子材料也得到广泛的应用。

调节阀中介质与外界的密封，一般用填料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，可以用波纹管密封。

(二)调节阀类型

根据不同的使用要求，调节阀有许多类型，这里仅介绍其中的几种。

1.直通单座调节阀

阀体内有一个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和阀座，容易关闭，因此泄漏量小，但阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大，尤其是在高压差、大口径时受力更大。直通单座调节阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。

2.直通双座调节阀

直通双座调节阀的，阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座阀相比，流通能力增大20%左右，但泄漏量大，而不平衡推力小。直通双座调节阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高黏度和带有固体颗粒的液体。

3.角型调节阀

角型调节阀除阀体为直角外，其他结构与单座阀相类似，如图5-10所示。角型阀的流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好，然而在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发生振荡。角型调节阀流路简单、阻力小、不易堵塞，适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调节。

4.隔膜调节阀

隔膜调节阀用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯阀座组件，由隔膜位移起调节作用。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱等强腐蚀性介质的调节。它的结构简单、流路阻力小，流通能力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，耐压、耐温较低，一般只能在压力低于1MPa、温度低于150℃的情况下使用。

5.三通调节阀

三通调节阀分合流阀和分流阀两种类型，前者是两路流体混为一路,后者是一路流体分为两路。在阀芯移动时，总的流量可以不变，但两路流量比例得到了调节。

三通阀常用于换热器的旁路调节，工艺要求载热体的总量不能改变的情况。一般用分流阀或合流阀都可以，只是安装位置不同而已，分流阀在进口，合流阀在出口。此外，在采用合流阀时，如果两路流体温度相差过大，会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150℃。

6.套筒型调节阀

套筒型调节阀如图5-14所示。它的结构特点是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，改变了套筒开孔的流通面积，从而控制调节介质流量。

它的主要特点是：由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定性很高且噪声小。因此适用于高压差、低噪声等场合，但不宜用于高温、高黏度、含颗粒和结晶的介质控制。

四、阀门定位器

阀门定位器是气动控制阀的主要附件，它与气动控制阀配套使用。阀门定位器接受控制器输出信号，然后将控制器的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，因此它与执行机构组成一个闭环系统。采用阀门定位器，能够增加执行机构的输出功率，改善控制阀性能。由于目前使用电动控制器居多，因此这里介绍电—气阀门定位器。

(一)电一气阀门定位器

电—气阀门定位器具有电——气转换和阀门定位器双重作用，其输入信号是电动控制器的输出电流(0～10mA直流电流或4～20mA直流电流),输出气压信号(20～100kPa),去操纵气动薄膜控制阀，其原理如图5-15所示。

电—气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。输人信号电流通入到力矩马达的线圈2两端，与永久磁钢1作用后对主杠杆3产生一个电磁力矩，主杠杆3绕支点16作逆时针转动，于是挡板14靠近喷嘴15,使喷嘴背压升高，经放大器17放大后输出气压也随之升高。输出气压作用在气动控制阀膜头9上，推动阀杆向下移动，并带动反馈杆10绕支点5转动，反馈凸轮6随着逆时针转动，通过滚轮11使副杠杆7绕支点8转动，并将反馈弹簧12拉伸，对主杠杆3产生反馈力矩。当反馈力矩与电磁力矩相平衡时，阀杆就稳定在某一位置，从而使阀杆位移与输人电流成比例关系。调零弹簧13调整零位。在分程控制时，可通过零位调整和反馈弹簧反力的调整，使定位器在输入信号范围内(如4～12mA或12～20mA等),输出均为20～100kPa。

(二)阀门定位器作用

1.改善阀的稳态特性

采用阀门定位器后，只要控制器输出信号稍有变化，经过喷嘴——挡板系统及放大器的作用，就可使通往控制阀膜头的气压大有变动，以克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡力的影响，从而保证阀门位置按控制器发出的信号正确定位。改善稳态特性后，能使控制阀适用于下列情况：

(1)要求阀位作精确调整的场合；

(2)大口径、高压差等不平衡力较大的场合；

(3)为防止泄漏而需要将填料函压得很紧，例如高压、高温或低温等场合；

(4)工艺介质中有固体颗粒被卡住，或是高黏滞的情况。

2.改善阀的动态特性

定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般说来，如气压传送管线超过60m时，应采用阀门定位器。

3.改变阀的流量特性

通过改变定位器反馈凸轮的形状，可使控制阀的线性、对数、快开流量特性：互换。

4.用于分程控制

用一个控制器控制两个以上的控制阀，使它们分别在信号的某一个区段内完成全行程移动。例如，使两个控制阀分别在4～12mA直流电流及12～20mA直流电流的信号范围内完成全行程移动。

5.用于阀门的反向动作

阀门定位器有正、反作用之分。正作用时，输入信号增大，输出气压也增大；反作用时，输人信号增大，输出气压减小。采用反作用式定位器可使气开阀变为气关阀，气关阀变为气开阀。

※复习与总结※

1.在化工生产中经常使用的控制系统有可编程逻辑控制器、分散型控制系统、现场总线控制系统。通过这些系统均可以实现对化工反应装置的安全控制，由于这些系统的开发主要以实现过程控制为主，也可同时设计成具有安全控制功能。

2.DCS主要由操作站、控制站及通讯系统等三大部分组成；ESD基本组成大致可分为三部分：传感器单元、逻辑运算单元、最终执行单元。

3.执行器在自动控制系统中的作用就是接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。

4.执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。