第4讲 执行器

过程控制系统,主讲人：钱艳平能源与电气学院,2,第四讲执行器,4.1调节阀4.1.1执行机构4.1.2调节机构4.1.3调节阀的流量特性4.2变频器4.3执行器的选择及使用,3,第四讲执行器,执行器接受控制器输出的控制信号，转换成位移（直线或角位移）或速度，用于控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。相当于控制系统的“手脚”。,4,第四讲执行器,执行器的种类调节阀：在管道流体控制中使用最多。变频器：部分场合可取代调节阀，具有明显的优势（可靠、节能）。其他执行设备：如步进电动机、电磁阀等。功能简单，过程控制中使用较少。,5,第四讲执行器,执行器对过程控制系统的影响执行器直接影响过程控制系统的控制质量（如调节阀的口径大小、流量特性、易堵、振荡等）。调节阀安装在生产现场，直接与介质接触。通常在高温、高压、强腐蚀、易燃易爆、剧毒等场合下工作。它是过程控制中除传感器外，另一种易出现故障的设备。,6,4.1调节阀,由执行机构和调节机构（即阀体）两部分组成。执行机构分为三大类：气动、电动和液动。从本质上说，执行机构是一个位置伺服系统。不管执行机构如何，三类阀体可互换。,7,4.1调节阀,气动薄膜直通单座阀,气动薄膜直通双座阀,气动蝶阀,气动球阀,气动切断阀,电动直通单座阀,电动隔膜阀,电动三通阀,气动薄膜角形阀,电磁阀,手动截止阀,8,4.1.1执行机构,（一）气动执行机构它是以140kP的压缩空气为能源，以20100kP气压信号为输入控制信号；具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出推力大、维修方便、本质安全防爆和价格低廉等特点。,9,（一）气动执行机构,10,（一）气动执行机构,气动执行机构的动态特性为一阶惯性环节。其时间常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关，一般为数秒到数十秒之间。,11,（二）电动执行机构,电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器,12,（三）气动、电动执行机构比较,13,4.1.2调节机构,（一）工作机理调节机构（阀体）本质上是一个节流元件，通过改变阀芯行程从而改变调节阀的开度（Opening），达到控制流量的目的。行程的变化对流量的影响与阀门前后的压差、阀的开度（流通截面）、阀芯的流量特性有关。,14,（一）工作机理,阀芯的正装与反装,正装,反装,15,（二）常用调节机构,1、直通单座调节阀阀体内只有一个阀芯和一个阀座。结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）允许压差小。,它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。,直通,16,（二）常用调节机构,2、直通双座调节阀阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大,双导向结构,它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。,17,（二）常用调节机构,3、角形调节阀阀体为直角形；流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节；角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好；在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡；还适用于工艺管道直角形配管场合。,18,（二）常用调节机构,4、三通调节阀阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度、配比和旁路调节。三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出；三通分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于150，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。,19,（二）常用调节机构,5、蝶形调节阀蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量；结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大；特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合；泄漏较大；蝶阀通常工作转角应小于70，此时流量特性与等百分比特性相似；多用于开关阀。,20,（三）气动调节阀作用方式,21,4.1.3调节阀的流量特性,（一）流量系数由调节阀的节流原理：流量系数C的定义：在给定行程下，阀前后压差0.1MPa、流体密度为1g/cm3时，每小时通过阀的流体流量。,流量系数反映了阀的流通能力,22,（二）流量特性,1、流量特性定义指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系。相对流量，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比；相对开度，即调节阀某一开度的行程与全行程之比。,23,2、理想流量特性,调节阀前后压差不变时，得到的理想流量特性，它完全取决于阀芯的形状。,24,（1）理想直线流量特性,调节阀相对流量与阀心的相对开度成直线关系：其中，R为调节阀的理想可调比：,25,（2）理想等百分比流量特性,其数学表达式行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比流量特性。等百分比流量特性特点：小开度时，控制缓和平稳；大开度时，控制灵敏有效。,26,（3）理想抛物线流量特性,相对流量与相对开度成抛物线关系，即平方根关系：它介于直线与等百分比流量特性之间，也称近似等百分比流量特性。,27,（4）理想快开流量特性,在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就达到最大：结构简单，主要适用于双位控制。,28,3、工作流量特性,（1）串联管系,29,3、工作流量特性,（1）串联管系,随着S100值减小直线特性快开特性对数特性直线特性实际使用中，一般希望S100值不低于0.30.5。,30,3、工作流量特性,（2）并联管系,31,3、工作流量特性,（2）并联管系对流量特性的影响,旁路阀全关时，实际工作特性理想特性,32,3、工作流量特性,（2）并联管系对可调比的影响旁路阀逐渐开启，e增加，可调比急剧下降。使管路中可控流量减少，严重时甚至会导致并联管系中调节阀失去控制作用。,希望阀全开流量比不低于0.5，最好不低于0.8。,33,（三）调节阀的选择,调节阀的选择主要包括：阀体结构公称直径流量特性开关型式,34,（四）调节机构的选择,1、阀体结构的选择工艺介质的种类流体介质的温度、压力等流经阀的最大、最小流量等,35,（四）调节机构的选择,2、公称直径的选择主要考虑工艺管道的直径，满足工艺生产要求。3、流量特性的选择目前均基于工程经验，不同的过程控制系统有相对成熟的选择经验供参考。,实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性,36,（四）调节机构的选择,3、流量特性的选择（1）考虑系统的控制品质,适当地选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变。,37,（四）调节机构的选择,3、流量特性的选择（2）考虑工艺管道情况,38,（四）调节机构的选择,3、流量特性的选择（3）考虑负荷变化情况直线特性：小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到破坏，因此在S100值小、负荷变化大的场合，不宜采用。等百分比特性：流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。,1）常用的调节阀流量特性为“线性”和“等百分比”2）在设计过程中，当流量特性难以确定时，优先选用“等百分比”特性，它的适应性更强。,39,（四）调节机构的选择,4、气开、气关选择定义：气开式：当信号压力增加时，阀门开大；气关式：信号压力增加时，阀门关小。主要出于以下考虑：考虑事故状态时人身、工艺设备的安全；考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。,40,（四）调节机构的选择,4、气开、气关选择例1：采用改变气体排出量来维持受压容器内的压力恒定，试问调节阀应选择气开式还是气关式？,气关式,41,（四）调节机构的选择,4、气开、气关选择例2：1）如果介质是由强腐蚀性的，在生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？2）如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？,气开式,气关式,42,4.2变频器,将频率、电压固定的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电。变频技术用于交流鼠笼式异步电动机的调速，其性能已经胜过以往的交流调速方式。,43,4.2.1通用变频器原理,44,4.2.2变频器节能原理,泵流量、扬程、功率与转速关系：流量：扬程：功率：可见，当通过调节转速来控制流量（一般都在基频以下）时，功率呈立方关系降低，节能效果十分显著。,45,4.2.2变频器节能原理,扬程特性曲线,管阻特性曲线,46,4.2.3变频器的典型应用,变频器与笼型电动机的结合是交流电动机调速系统的最佳选择。特点：较高的控制精度及较宽的调速范围；显著的节能效果；易于实现自动控制及远程控制等性能。在以风机、泵为调节手段的过程控制中，调节阀已被变频逐步取代。,47,4.2.3变频器的典型应用,（一）浆池液位控制系统常规液位控制原理：根据液位LT，由LC控制调节阀。存在问题：阀易磨损，特别是液体含有颗粒杂质时。经济性差，使用维护成本高。,48,4.2.3变频器的典型应用,（一）浆池液位控制系统液位变频控制原理：根据液位LT，由LC控制拖动泵的变频器。优点：无易损件，维护工作量少，系统稳定可靠。具有极佳的节能效果！,49,4.2.3变频器的典型应用,（二）浓缩池浓度变频控制冶金行业选矿工艺中，以前采用手动调整渣浆泵的出口阀通过调节泵的排出量以控制浓度。自动控制设计在卸料口矿浆管路上安装浓度计，根据浓度的变化对泵的转速进行变频调节。,50,4.2.3变频器的典型应用,（二）浓缩池浓度变频控制,51,4.3执行器的选择及使用注意事项,调节阀的选择：考虑安全防爆，注意气动和电动执行器的选择。考虑工艺介质，注意防堵。,52,4.3执行器的选择及使用注意事项,变频器的选择：注意变频器容量的选择标准是变频器额定电流大于电机工作电流，而不是功率大于电机功率。注意恒转矩负载和变转矩负载的不同性质，过程控制中一般都是