智能型电液执行机构设计及技术特点

      1 前言
        由于液压控制具有输出力（力矩）大，稳定性好，控制性能不受外界条件限制的特点，电液执行机构被用作催化、裂化装置中阀门控制的主要设备。然而，一直以来，受控制理念的限制，石化行业中应运的各种电液执行机构大都以电液伺服阀为核心控制元件，采用电液伺服的模拟控制系统。但电液伺服控制系统的抗污染能力差，模拟信号的输出性能扰动较大。为了避免电液伺服控制系统在控制上的不足，“智能”型电液执行机构用电液比例阀作为核心控制元件，应用现代数字控制理念，提高了电液执行机构对油液的抗污染能力，改善了电液控制系统的输出特性。“智能”伺服放大器丰富的数据接口和便捷的红外遥控操作使该电液执行机构真正达到了人工智能控制的目的。“智能”型电液执行机构的设计促进了石化行业控制设备的更新换代，该产品已广泛的应运于国内外各大炼厂。
        2　系统组成及反馈原理图
        “智能”型电液执行机构由放大元件（ISA智能伺服放大器）、执行元件（伺服液压缸）、测量元件（装在液压缸内部的磁滞伸缩位移传感器）以及推动执行元件运动的压力油回路系统组成。以上元件组成了一个单回路闭环负反馈系统，系统反馈方框图如图1所示。

        3　压力油回路系统组成及液压流程图
        “智能“型电液执行机构压力油回路是以中高压齿轮泵作为动力源，采用比例阀作核心控制元件。区别于以往电液执行机构常用叶片泵和柱塞泵作为动力源的惯例，“智能”型电液执行机构液压回路简单，漏点少，便于检测故障，能更好的适应石化行业的控制要求，其滑阀电液执行机构液压流程图如图2所示。

1 过滤器　2、19 截止阀　3 定量齿轮泵　4、7 单向阀5 高压过滤器　6 溢流阀　8、9 蓄能器
10 压力表　11 点动电磁阀12、14 液压锁　13 伺服液压缸　15 手动换向阀　16 电液比例阀
17 压力传感器 18 泄荷电磁阀　20 液控单向阀　21 热交换器22 液位计　23 液位温度开关　油箱
图2　滑阀电液执行机构液压流程图

        4　泵、电机单元的设计及其技术特点
        “智能”型电液执行机构的泵、电机单元设计了2种泵运行模式，即：间歇运行和连续运行。同时也设计了5种泵启动顺序（双泵配置时），即：A泵单独启动，B泵单独启动，AB泵同时启动，A泵先于B泵启动，B泵先于A泵启动。此外，考虑到泵间歇运行时的控制安全，泵还单独设计了强制启停功能，即在间歇运行模式下根据装置的控制要求泵仍然可以随时进行强制启动或停止。无论泵的运行模式还是泵的启动顺序以及强制启停功能都是通过ISA智能伺服放大器进行远程控制，启停方便，运行可靠。尤其是泵的间歇运行模式延长了泵、电机的使用寿命，降低了不必要的电力能源浪费。同时，泵间歇运行模式下液压油源温升较小，液压油的运动及动力黏度等油液特性变化不大，有利于液压油的品质稳定，也延缓了O形圈等橡胶密封件的老化周期。
        5　液压控制单元的设计及技术特点
        液压控制单元由集成块装配和油源装配两大部分组成。集成块装配部分集成了实现阀体控制所需要的各种阀类，还包含实现阀体控制特殊要求所需要的电子及液压附件。各种阀类和液压附件如图2所示。值得一提的是这些液压元件基本上采用高品质进口件，极大保证了“智能”型电液执行机构液压系统的可靠性。油源装配部分包括盛装足量液压油的油箱、连接液压油路的油管以及连接两个油管端头的卡套式螺纹接头组件。集成块装配和油源装配两部分有效结合形成了强有力的液压控制单元，此液压控制单元可实现阀门手动机械操作、自动操作、机械锁位操作、阀位点动操作以及自保操作。
        5.1　手动机械操作
        手动机械操作时，将手动换向阀15切换至“手动”位置，此时液压缸13前后两腔均与回油通道接通，泵3至主油路的压力油不再进入液压缸13两腔，而是通过手动换向阀15与油箱24形成的回路直接回油箱24。手动换向阀15换向前后液压油的流程对照如图3所示。

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        5.2　自动操作
        自动操作时比例阀16通电，比例阀16根据得到的电流信号的大小给比例电磁铁一与电流信号成正比的电磁力，该电磁力推动（拉伸）阀芯运动。当电流消失时，电磁铁失去电磁力，与电磁铁相反侧的弹簧推动（拉伸）比例阀阀芯归位，这样即可形成一个自动控制过程。
        5.3　点动操作

        点动操作分为手动（本地）点动和自动（远程）点动，手动点动时将放大器控制面板上调节/点动按钮切换开关旋转至箭头指向“点动”位置，如图4所示。此时，图2所示液压流程图中比例阀16锁位，流经比例阀16的压力油被自动切断。然后短按“点动开阀”按扭，图2所示流程图中点动电磁阀11左侧通电，点动电磁阀11的阀芯向右移动，电磁阀左腔打开，压力油进入液压缸13右侧，液压缸13活塞杆向左移动，阀门被打开。相反，短按“点动关阀”按扭时阀门被关闭。点动开阀和点动关阀时的局部液压流程如图5所示。

        自动点动时图2所示液压流程图中比例阀16自动锁位，流经比例阀16的压力油被自动切断。当远程控制室发出远程点动开阀指令时，图2所示流程图中点动电磁阀11左触点吸合，液压缸13活塞杆向左运动，阀门打开。相反，控制室发出点动关阀指令时，阀门关闭。点动操作的优势在于只要具备220VAC电源和足够的系统压力，即便在ISA伺服放大器关闭的情况下依然可以实现阀门的开启或关闭。
        5.4　机械锁位操作
        机械锁位操作发生在信号丢失、反馈丢失、跟踪丢失3种情况下。当智能伺服放大器检测到以上3种丢失中的1种或多种发生后，为确保阀门不被误操作，机械锁位自动发生。此时，如图2所示液压流程图中比例阀16断电，比例阀16处于锁位位置，通过比例阀进入液压缸13的压力油被切断，泵3出口压力油与液压缸13之间的回路被破坏，系统出现憋压，系统压力瞬间升高，当ISA智能放大器检测到系统压力升高后，泄荷电磁阀18通电，泵3出口的压力油通过泄荷电磁阀18将液孔单向阀20打开，这样，泵3出口压力油直接回到油箱24 机械锁位时的局部液压流程图如图6所示。

        需要说明的是：机械锁位是一种意外情况下的安全保障措施。一旦机械锁位发生后阀位被锁死而不能运动，要恢复阀位的运动必须先解除锁位，解除锁位时只需给比例阀16通电即可。
        5.5　自保操作
        自保操作功能多用在需要快速关闭的蝶阀电液执行机构上。根据自保时阀门的位置可以分为自保开阀和自保关阀；根据自保时自保电磁阀的通断电情况可分为通电自保和断电自保。如图7所示，虚线方框内即为蝶阀为了实现自保快速关闭阀门时额外增加的快速电磁阀及液压附件。当自保操作时，点动电磁阀11、比例电磁阀16同时通电（断电），这样，泵3出口的压力油可以同时流向液压缸。此外，当ISA智能伺服放大器接收到自保信号后，蓄能器内储存的压力油也流向液压缸。因此，当自保操作发生后，压力油由正常操作时的单通道流向液压缸变成自保时的三通道流向液压缸。这样，当自保发生时，通过自保信号调动了系统的所有压力油资源，利用了所有能通向液压缸的压力油通道。显然，在要求快速关闭或开启的阀门控制系统中自保操作意义重大。
图7 “智能”型电液蝶阀自保操作时的液压流程图
        6　ISA智能伺服放大器的设计及技术特点
        ISA智能伺服放大器的设计采用西门子最先进的芯片技术，将数字控制与电液控制完美的结合起来，其螺丝紧定接线端子操作灵活方便，接线箱采用高低压分开，避免了高低压之间的电磁干扰。方便的USB数据输出/输入插口以及红外遥控操作体现了它向微机化过渡的特征。密码登陆方式避免了不必要的误操作，提高了其安全性能。其强大的操作功能方便了催化、裂化装置控制设备的操作步骤。它所具有的语言选择功能更是将电液执行机构顺利的推向国际市场。ISA智能伺服放大器微机式的简洁操作方式以及强大的数字操作功能使其成为名副其实的“人工智能”伺服放大器。
        7　总结
        “智能”型电液执行机构的设计是催化、裂化装置上阀门控制设备的一次创新，它一改过去的模拟控制理念，将电液执行机构的控制方式更新为数字控制。该产品的问世是国产电液执行机构向国外大中型炼油厂推广的企及，它先进的制造工艺、简洁而功能强大的液压控制回路、简单易学的数字化调试、微机式的数据备份、USB接口数据输入/输出以及远红外遥控操作都是该产品“智能”化的体现。