比例、伺服电液控制技术在催化装置滑阀中的应用比较简

比例、伺服电液控制技术在催化装置滑阀中的应用比较

任志光

(洛阳三隆安装检修有限公司 , 河南 洛阳471012)

摘要：2010年8月，洛阳石化二联合催化双动滑阀(南)由伺服电液控制机构升级改造为比例电液控制机构，这是洛阳石化催化裂化装置建成以来使用的第一台比例电液控制机构。本文介绍了比例及伺服电液控制机构的工作原理，并通过对抗污染能力、调试过程难易程度、能耗、对硬件诊断的支持与否、响应频率、生产操作以及运行维护等七方面将两电液控制机构进行了比较，最终得出了比例电液控制机构比起伺服电液控制机构具有更多优点，更适合催化裂化装置生产环境下工作的结论。

关键词：比例阀 ； 伺服阀 ； 电液控制机构

中图分类号：TQ050.2文献标识码：B

收稿日期：2014-11-12

作者简介：任志光(1983-)，男，工程师，从事石化仪表行业维护工作，电话：18965553075。

0前言

目前洛阳石化二联合催化有8台电液控制机构，分别用于再生滑阀、待生塞阀、双动滑阀(两台)、汽油沉降器滑阀(3台)、主风机高温蝶阀。相对于气动执行机构来说它具有控制精度高、输出推力大、响应速度快、动作平稳等优点，在催化裂化装置的安全平稳生产、生产操作优化过程中起着关键作用。

目前再生滑阀、待生塞阀、双动滑阀采用的均是由兰州炼油化工机械厂生产的LBHF系列的伺服电液控制机构，由于该系列的控制机构中的位置放大器、反馈放大器、报警板以及电源板等关键电路板已停产，造成备件采购困难，导致特阀设备存在严重隐患，而目前比例电液控制机构的应用已非常广泛，在其他炼厂使用的效果也比较好，对LBHF系列的伺服电液控制机构的替代技术也比较成熟。基于以上原因，2010年8月洛阳石化将二联合催化装置双动滑阀(南)由之前的伺服电液控制机构升级改造为由九江环球科技开发有限公司生产的BLF-ⅢB系列的比例电液控制机构，这是洛阳石化催化裂化装置建成以来使用的第一台比例电液控制机构。本文就目前洛阳石化使用的比例与伺服电液控制机构的工作原理进行了介绍，并对二者进行了比较。

1伺服电液控制机构工作原理

伺服电液控制机构是通过伺服阀来实现电信号与油信号之间的转换的。

1.1　伺服阀控制原理

伺服阀的工作是基于前置级控制阀的力矩马达和输出级滑阀之间的力反馈原理。前置级偏转板射流放大器由流放盘和开有导流窗口的偏转板组成。射流盘开有一条射流通道和两条对称相同的接受通道，射流通道将射流喷嘴与压力油源连通，两个接受口与滑阀阀芯PC1、PC2相通，结构如图1所示。

图1　伺服阀结构图

当外界有控制信号输入到伺服阀线圈中时，在衔铁组件上产生一个电磁力使衔铁组件绕枢轴转动，偏转板发生偏转使喷口中射出的液体经射流放大器的偏转板全部射入与PC1腔(以射入PC1腔为例)，此时PC1>PC2，使阀芯产生一个向左的位移；连接在衔铁组件上的反馈杆以力的形式来测定阀芯

的位置，这种力称为反馈力，且随着阀芯左移距离的加大而增大。当阀芯左移产生的反馈力与输入信号产生的电磁力相平衡时，阀芯停止向左运动，停留在一个新的平衡位置；射流放大器的偏转板恢复到中间位置。伺服阀由C2口提供与输入信号成比例的流量。

1.2　阀位控制原理

阀位控制是通过伺服放大器来完成的，其采用的是插板式结构，由位置放大器、反馈放大器、报警板和电源板组成，其控制阀位的控制框图见图2。

图2　伺服电液控制机构阀位控制框图

伺服放大器一方面接受来自主控室的4~20 mA的输入指示信号，另一方面接受位移传感器的反馈信号。这个电压信号经过反馈放大器的处理，被送到比较器中作为输入指令信号进行比较，得到一个偏差信号。位置放大器将在偏差信号的作用下输出控制电流以驱动电液伺服阀。电液伺服阀控制伺服油缸带动阀体动作。当阀位到达输入指令信号所要求的位置时，偏差信号减少到零，位置放大器不再向电液伺服阀输出控制电流，伺服油缸停止运动，阀位保持在这个位置上，同时反馈放大器还向中控室提供一个4~20 mA的电流信号显示阀位。

1.3　伺服电液控制技术实际应用中的问题

在伺服电液执行结构长期使用过程中，存在如下问题：

1.3.1伺服阀堵塞

由于伺服阀对液压油颗粒含量要求非常高，所以在使用过程中，必须严密监控整个油系统的运行状况，一旦油系统进入催化剂粉尘或其他污染物，将直接导致伺服阀故障，即整个电液执行机构将无法使用。一旦出现该故障将只能采取更换或返厂维修，维修周期以及成本均很高。

1.3.2集成电路板故障判断困难

伺服电液执行机构信号计算与判断是通过伺服放大器、反馈放大器以及报警板等电路板所组成，且其本身没有硬件诊断功能，一旦电路板出现故障，维护人员以及操作人员无法第一时间给出判断，只能通过替换法判断电路板故障，费时费力，对维保人员技术水平要求极高，不利于维护。

1.3.3备件可供性差

该系列电液执行机构已投用十余年，目前，该系列伺服电液执行机构的位置放大器、反馈放大器、报警板以及电源板等关键电路板已停产，造成备件采购困难，导致滑阀设备存在严重隐患。

2比例电液控制机构工作原理

比例电液控制机构是通过比例阀来实现电信号与油信号之间的转换的。

2.1　比例阀控制原理

如图3所示它由前置级和放大级两部分组成。其中前置级由电液比例双向减压阀构成，放大级由液动比例双向节流阀构成。

1.减压阀芯　2、3.电磁铁　4.主阀芯

前置级由两端比例电磁铁2、3分别控制双向减压阀阀芯1的位移。如果左端比例电磁铁2输入电流I1，则产生电磁吸力FE1使减压阀阀芯1右移，右边阀口开启，供油压力由p经阀口后减压为pc(控制压力)。因pc经流道反馈作用到阀芯右端面(阀芯左端通回油pd)，形成一个与电磁吸力FEl方向相反的液压力F1，当Fl=FEl时，阀芯停止右移稳定在一定的位置，减压阀右边阀口开度一定，压力pc保持一个稳定值。显然控制压力pc与供油压力pS无关，仅与比例电磁铁的电磁吸力即输入电流大小成比例。

放大级由阀体、主阀芯、左右端盖等零件组成。当前置级输出的控制压力pc经阻尼孔缓冲后作用在主阀芯4右端时，液压力克服左端弹簧力使阀芯左移(阀芯左端弹簧腔通回油pd)开启阀口，油口ps(供油压力)与A通，B与T(回油线)通。随着弹簧压缩量增大、弹簧力增大，当弹簧力与液压力相等时，主阀芯停止左移稳定在某位置，阀口开度一定。因此，主阀开口大小也取决于输入的电流大小。

2.2　阀位控制原理

图4　比例电液控制机构阀位控制框图

阀位控制是由西门子PLC-200来完成的，如图4所示，中控室的4～20 mA自控信号SP、位移传感器经位移放大器转换的信号(阀位信号)PV分别经I/0端子输入S-235 A/D模数转换模块，并将SP、PV两信号进行PID运算，其运算结果再由S-235 D/A数模转换模块 ，在其输出端R、V端子输出(-10 V)-(0 V)-(+10 V)给比例阀配套的功率放大器做输入信号，根据预先设置的编程指令运算控制比例阀的各线圈，使相应油道开通，可控制阀门的运行，而位移传感器经位移放大器转换后信号输入至中控室进行阀位显示。

3比例、伺服电液控制机构的比较

3.1　抗污染能力的比较

抗污染能力是比例阀与伺服阀之间性能上最根本的差异。

抗污染能力差是伺服阀的通病，这是由伺服阀的结构和其工作原理决定的，因为其最小流通孔径仅为35 μm。这也是其在使用过程中出现故障的最主要的原因，而且伺服阀一旦被污染，只能更换或返厂清洗，无法短时间内处理正常，且清理或更换的成本代价很高。为了控制响应速度及精度，伺服电液控制机构对液压油的过滤等级要求很高，有“新油即脏油”的概念，即：要求加新油前用≤10 μm过滤器对新油进行过滤。并且在安装伺服阀时要求只有在安装之前才能把运输护板摘下，且不准带手套操作，不准用棉布和棉纱擦拭安装面和油口，这些措施都是为了防止外界环境污染伺服阀。

而比例阀就不同了，其最小流通孔径为1.5 mm，远远大于伺服阀的最小流通孔径35 μm，所以比例阀的抗污染能力要远大于伺服阀。这还可以从它们对液压油的过滤等级之间的要求看出来：比例阀为ISO 4406，代号16/13。即：每毫升液压油中，直径大于5 μm的颗粒小于640个，大于15 μm的颗粒小于80个。而伺服阀为ISO4406，代号为15/11。即：每毫升液压油中，大于5 μm的颗粒小于320个，大于15 μm的颗粒小于20个。

因此比例阀对液压油清洁度要求要比伺服阀低得多，即在同等条件下比例阀要比伺服阀的工作寿命更长。这也是比例阀比伺服阀更适合在催化裂化装置这种空气中粉尘多的环境下工作的原因。

3.2　调试过程的比较

相对于伺服电液控制机构，比例电液控制机构的调试过程要方便得多，主要体现在：调试点数量和调试步骤操作上。

3.2.1调试点数量的比较

伺服放大器每块电路板侧面均有电位器旋钮调试点，包括输入零点、输入量程、传感器零点、传感器量程、反馈零点、反馈量程、跟踪时间、跟踪带宽等16个调试点，而这并不是全部，还有一些隐蔽的调试点隐藏在电路板上，这些调试点位于电路板正面，且无使用工器具的空间，操作起来很不方便。

比例电液控制机构阀位控制是由西门子PLC-200及与比例阀配套的功率放大器来控制比例阀的，PLC与功率放大器均是按预先设定的程序进行工作的，没有外部调试点，只有与位移传感器配套的放大器有零点、量程两个外部调试点。

3.2.2调试步骤操作的比较

由于伺服电液控制机构外部调试点多直接导致其调试步骤操作复杂，每一步出现问题均需调整调试点(电位器旋钮或拨码开关)，而比例电液控制机构很多调试参数可通过PG(工业编程器)或PC进行设定，大大缩短了调试时间。以跟踪时间的调试为例。

伺服电液控制机构调试跟踪时间的步骤如下：①调整本地控制旋钮使偏差显示为“0”。②迅速旋转本地控制旋钮至极限位置，并开始计时，当面板上“跟踪丢失”红色指示灯发光时停止计时。所得时间就是跟踪时间。③跟踪时间不符合要求，则调整报警板上的“跟踪时间”。④重复上述步骤直到跟踪时间符合要求为止。

而比例电液控制机构只需通过PG或PC通讯至PLC，设置其中的跟踪时间，调试即可。

比较得知，因为PLC本身的时钟周期精度很高，一次设定基本能满足调试要求，而伺服电液控制机构采用的是手动计时，精度根本无法保证，且调整跟踪时间的电位旋钮也无法精确显示调整了多少时间，完全凭经验操作，因此需要反复调试，调试时间势必要比比例电液控制机构长。

3.3　对硬件诊断是否支持

伺服放大器是电路板以插卡结构组成的，而各电路板均无硬件故障指示灯，也不支持硬件诊断，所以在其判断硬件问题时只能凭借经验和电路板更换来判断故障原因，尤其是电源板基准电压故障，因为位置放大器与反馈放大器均需靠该基准电压来进行信号比较，如果基准电压出现故障，表现出来的现象为位置信号，反馈信号均失常，与位置放大器、反馈放大器本身硬件故障的现象是相同的，短时间内很难判断到底哪块电路板出现问题。

而比例电液控制机构采用的是西门子PLC-200进行阀位控制，所以当其中某一模块出现硬件故障时，其CPU的SF灯会立即报警，而且该报警可通过开关量模块传递给主控室的DCS，使工艺人员可以在工艺操作的同时第一时间发现现场硬件故障并联系处理，同时西门子PLC-200的硬件故障还可以通过STEP7-MICRO软件对其进行诊断，读出错误代码，根据错误代码查阅手册即可得到硬件故障的发生时间、具体故障模块位置、甚至是导致故障的原因，大大缩短了故障判断的时间。

3.4　响应频率的比较

由于结构与工作原理的差异，伺服阀的响应频率要远远高于比例阀，伺服阀的响应频率为200 Hz，比例阀的响应频率为20 Hz，而二联合催化目前所用的控制系统为横河的DCS-CS3000，且该系统所有模块均采用基本扫描方式，即：数据刷新频率为1 Hz，而装置上所有特阀的电液控制机构的输入信号均由该系统提供，所以比例阀20 Hz的响应频率对于该控制系统的控制精度及稳定性具有足够的裕度。

3.5　能耗的比较

电液控制机构能耗主要来自油泵工作，伺服电液控制机构的油泵是长期无间歇运行。而比例电液控制机构采用的是压力循环控制系统，即：当液压系统达到工作压力上限时，油泵就卸荷，油泵电机处于轻负荷运行，当液压系统压力到工作压力下限时，油泵就加载，油泵电机处于带负荷运行。

3.6　生产操作的比较

在滑阀的操作过程中经常会遇到由“DCS远程”操作与“就地”操作之间的切换。针对伺服电液执行机构如果执行该操作，需要操作人员按照规程与油路图找到相应阀门的编号，按顺序方可操作，操作人员要接受专门的培训，方可执行该操作，且操作是否完成没有任何提示，即：遇到“跟踪丢失”、“输入丢失”、“反馈丢失”等重要报警，并不能对切换产生提示，但实际出现该报警后远程无法操作，会给操作人员带来操作错觉，以导致其认为已切换DCS远程操作到位，而导致误操作。

而比例电液执行机构采用一键式切换与PLC逻辑相结合，使切换简单可靠。方法如下：①无任何报警时，只需现场一个按键即可实现DCS远程与本地操作实现无扰切换，且切换是否成功有相应的指示灯作为提示。只需简单培训，操作人员即可掌握。②当出现“跟踪丢失”、“输入丢失”、“反馈丢失”等重要报警时如果之前为现场操作模式，则PLC逻辑禁止操作人员无法切换至DCS远程操作，相应指示灯也停留在现场模式，如果出现该情况操作人员也会先查看是否存在相关报警，避免了无切换提示带来的错觉。从上不难发现，由PLC组成的比例电液执行机构更利于操作人员进行操作。

3.7　运行维护上的比较

在维护方面上，由于比例电液执行机构运算单元采用的是西门子S7-200系列PLC卡件，属于常规PLC卡件，比起伺服电液执行机构的计算单元——集成电路板，备件数量更充足、采购更方便、故障率更低，且对维修人员要求也更低。

4结论

通过比较不难发现比例电液控制机构比伺服电液控制机构有更多的优点，特别是抗污染能力强，因为催化裂化装置本身环境中就会包含催化剂等粉尘，特别是开工时期尤为明显，所以说比例电液控制机构更适合催化裂化装置的环境。虽然其响应频率相对较低但完全能满足催化装置横河DCS控制系统的需要。所以比起伺服电液控制机构，比例电液控制机构更适合在催化裂化装置运行。