閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)你選對了嗎？

一、閥門與自動化

為了成功的實現(xiàn)過程自動化，最重要的是要確保閥門自身能夠滿足過程及管道內(nèi)介質(zhì)的特殊要求。通常生產(chǎn)過程和工藝介質(zhì)能夠決定閥門的種類，閥芯的類型以及閥內(nèi)件和閥門的結(jié)構(gòu)和材料。

閥門選擇好后接下來就要考慮自動化的要求即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。可以簡單的按兩種基本的閥門操作類型來考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.旋轉(zhuǎn)式閥門（單回轉(zhuǎn)閥門）：

這類閥門包括：旋塞閥、球閥、蝶閥以及風(fēng)門或擋板。這類閥門需要已要求的力矩進(jìn)行90度旋轉(zhuǎn)操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.多回轉(zhuǎn)閥門：

這類閥門可以是非旋轉(zhuǎn)提升式閥桿或旋轉(zhuǎn)非提升式桿，或者說是他們需要多轉(zhuǎn)操作去驅(qū)動閥門到開或關(guān)的位置。這類閥門包括：直通閥（截止閥）、閘閥、刀閘閥等。作為一種選擇，直線輸出的氣動或液動氣缸或薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)也開來驅(qū)動上述閥門。

二、閥門與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)最廣泛的定義是：一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的驅(qū)動裝置，它利用某種驅(qū)動能源并在某種控制信號作用下工作。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機(jī)、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動作用。基本的執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于把閥門驅(qū)動至全開或全關(guān)的位置。用與控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠精確的使閥門走到任何位置。盡管大部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是用于開關(guān)閥門，但是如今的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡單的開關(guān)功能，它們包含了位置感應(yīng)裝置，力矩感應(yīng)裝置，電極保護(hù)裝置，邏輯控制裝置，數(shù)字通訊模塊及PID控制模塊等，而這些裝置全部安裝在一個緊湊的外殼內(nèi)。

目前共有四種類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們能夠使用不同的驅(qū)動能源，能夠操作各種類型的閥門。

1.電動多回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機(jī)構(gòu):

電力驅(qū)動的多回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)是最常用、最可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型之一。使用單相或三相電動機(jī)驅(qū)動齒輪或蝸輪蝸桿最后驅(qū)動閥桿螺母，閥桿螺母使閥桿產(chǎn)生運(yùn)動使閥門打開或關(guān)閉。

多回轉(zhuǎn)式電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以快速驅(qū)動大尺寸閥門。為了保護(hù)閥門不受損壞，安裝在在閥門行程的終點的限位開關(guān)會切斷電機(jī)電源，同時當(dāng)安全力矩被超過時，力矩感應(yīng)裝置也會切斷電機(jī)電源，位置開關(guān)用于指示閥門的開關(guān)狀態(tài)，安裝離合器裝置的手輪機(jī)構(gòu)可在電源故障時手動操作閥門。

這種類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點是所有部件都安裝在一個殼體內(nèi)，在這個防水、防塵、防爆的外殼內(nèi)集成了所有基本及先進(jìn)的功能。主要缺點是，當(dāng)電源故障時，閥門只能保持在原位，只有使用備用電源系統(tǒng)，閥門才能實現(xiàn)故障安全位置（故障開或故障關(guān)）

2.電動單回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)類似于電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要差別是執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終輸出的是1/4轉(zhuǎn)即90度的運(yùn)動。新一代電動單回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)合了大部分多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜功能，例如：使用非侵入式用戶友好的操作界面實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定與診斷功能。

單回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊可以安裝到小尺寸閥門上，通常輸出力矩可達(dá)800公斤/米，另外所需電源較小，它們可以安裝電池來實現(xiàn)故障安全操作。

3.流體驅(qū)動多回轉(zhuǎn)式或直線輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

這種類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常用于操作直通閥（截止閥）和閘閥，它們使用氣動或液動操作方式。結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，很容易實現(xiàn)故障安全操作模式。

通常情況下人們使用電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來驅(qū)動閘閥和截止閥，只有在無電源時才考慮使用液動或氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4.流體驅(qū)動單回轉(zhuǎn)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

氣動、液動單回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)非常通用，它們不需要電源并且結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。它們應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛。通常輸出從幾公斤/米到幾萬公斤/米。它們使用氣缸及傳動裝置將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直角輸出，傳動裝置通常有：撥叉、齒輪齒條、杠桿。齒輪齒條在全行程范圍內(nèi)輸出相同力矩，它們非常適用于小尺寸閥門，撥叉具有較高效率，在行程起點具有高力矩輸出非常適合于大口徑閥門。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般安裝電磁閥、定位器或位置開關(guān)等附件來實現(xiàn)對閥門的控制和監(jiān)測。這種類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)很容易實現(xiàn)故障安全操作模式

選擇一臺合適的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型和規(guī)格時必須考慮下列要素：

1.驅(qū)動能源：

最常用的驅(qū)動能源是電源或流體源，如果選擇電源為驅(qū)動能源，對于大尺寸閥門一般選用三相電源，對于小尺寸閥門可選用單相電源。一般電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可有多種電源類型供選擇。有時也可選直流供電，此時可通過安裝電池實現(xiàn)電源故障安全操作。流體源種類很多，首先可以是不同的介質(zhì)如：壓縮空氣、氮氣、天然氣、液壓流體等，其次它們可以具備各種壓力，第三,執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有各種尺寸以提供各種輸出力力矩。

2.閥門類型：

當(dāng)選擇閥門用執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，必須要知道閥門的種類，這樣才可以選擇正確的執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型。有些閥門需要多回轉(zhuǎn)驅(qū)動，有些需要單回轉(zhuǎn)驅(qū)動，有些需要往復(fù)式驅(qū)動，它們影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型的選擇。通常多回轉(zhuǎn)的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)比電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)價格要貴，但是往復(fù)式直行程輸出的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)價格比電動多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)便宜。

對于90度回轉(zhuǎn)的閥門如：球閥、碟閥、旋塞閥，最好通過閥門廠商獲得相應(yīng)閥門。

3.力矩大小：

對于90度回轉(zhuǎn)的閥門如：球閥、碟閥、旋塞閥，最好通過閥門廠商獲得相應(yīng)閥門力矩大小，大部分閥門廠商是通過測試閥門在額定壓力下閥門所需的操作力矩，他們將這一力矩提供給客戶。對于多回轉(zhuǎn)的閥門情況有所不同，這些閥門可分為：往復(fù)式（提升式）運(yùn)動-閥桿不旋轉(zhuǎn)、往復(fù)式運(yùn)動-閥桿旋轉(zhuǎn)、非往復(fù)式-閥桿旋轉(zhuǎn)，必須測量閥桿的直徑，閥桿連接螺紋尺寸以決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)格。

三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型

一旦執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型和閥門所需驅(qū)動力矩確定了，就可以使用執(zhí)行機(jī)構(gòu)廠商提供的數(shù)據(jù)表或選型軟件進(jìn)行選型。有時還需考慮閥門操作的速度和頻率。

流體驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)行程速度，但是三相電源的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有固定的行程時間。部分小規(guī)格的直流電動單回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)行程速度。

1.開關(guān)控制：

自動控制閥最大的好處是可以遠(yuǎn)距離的操作閥門，這就意味著操作人員可以坐在控制室控制生產(chǎn)過程而不需要親臨現(xiàn)場去人工操作閥門的開和關(guān)。人們只需鋪設(shè)一些管線連接控制室和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動能源通過管線直接激勵電動或氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常用的4-20mA信號來反饋閥門的位置。

2.連續(xù)控制：

如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)被要求用于控制過程系統(tǒng)的液位、流量或壓力等參數(shù)，這是要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動作的工作，可以用4-20mA信 號作為控制信號，然而這個信號可能會和過程一樣頻繁的改變。如果需要非常高頻率動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只有選擇特殊的能頻繁啟停的調(diào)節(jié)型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)一個過程中 需要多臺執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，可以通過使用數(shù)字通訊系統(tǒng)將各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來，這樣可大大降低安裝費用。數(shù)字通訊回路可以快速高效的傳遞指令和收集信息。目前有多種通訊方式如：FOUNDATIONFIELDBUS、PROFIBUS、DEVICENET、HART和專為閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計的PAKSCAN等。數(shù)字通訊系統(tǒng)不單單可以降低投資費用，它們還可以收集大量閥門信息，這些信息對于閥門的預(yù)測性維護(hù)程序非常有價值。

3.預(yù)測性維護(hù)：

操作人員可以借助內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲器來記錄閥門每次動作時力矩感應(yīng)裝置測得的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來監(jiān)測閥門運(yùn)行的狀態(tài)，可以提示閥門是否需要維修，也可以用這些數(shù)據(jù)來診斷閥門。

針對閥門可以診斷如下數(shù)據(jù)：

（1）閥門密封或填料摩擦力

（2）閥桿、閥門軸承的摩擦力矩

（3）閥座摩擦力

（4）閥門運(yùn)行中的摩擦力

（5）閥芯的所受的動態(tài)力

（6）閥桿螺紋摩擦力

（7）閥桿位置

上述大部分?jǐn)?shù)據(jù)存在于所有種類的閥門，但著重點不同，例如：對于蝶閥，閥門運(yùn)行中的摩擦力是可以忽略的，但對于旋塞閥這個力數(shù)值卻很大。

不同的閥門具有不同的力矩運(yùn)行曲線，例如：對于楔式閘閥，開啟和關(guān)閉力矩都非常大，其它行程時 只有填料摩擦力和螺紋摩擦力，關(guān)閉時，液體靜壓力作用在閘板上增加了閥座摩擦力，最終楔緊效應(yīng)使力矩迅速增大直到關(guān)閉到位。所以根據(jù)力矩曲線的變化可以預(yù)測出將會發(fā)生的故障，可以對預(yù)測性維護(hù)提供有價值的信息。

4.智能變頻控制：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過程中，由于電機(jī)的頻繁啟動，導(dǎo)致工作時額定頻率的變化，通過智能變頻控制可使頻率達(dá)到額定值，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作更可靠和穩(wěn)定。