论文部分内容阅读
[摘要]：本文介绍了工业过程控制系统中调节流体流量的控制装置，它可通过对流体流量的控制来调节流体、温度、液位、压力等工艺参数。调节阀系统主要由两大部分组成：即执行器和阀体两部分组成。
[关键词]:调节 流体流量
中图分类号：TH113.2+3 文献标识码：TH 文章编号：1009-914X(2012)26-0255-03
西部原油成品油管道工程是中国石油天然气集团公司所确定“稳定东部，发展西部”的重要战略举措之一，它是目前国内已经投产的长输管线中自动化程度较高中的一条。西部管道引进美国REXA执行器搭配美国Emerson公司V250调节球阀组成电液调节阀系统。运行两年多来，工作平稳正常，效果良好。
1、V250调节球阀
V250 球阀采用专利的三角锥型球轴连接方式，确保阀门在最短的时间内克服高差压，把响应时间的死区缩至最小。阀门与执行器之间采用花键连接。花键连接也可确保阀门和执行器之间的响应。阀门球体采用文丘里的流线型球型设计，配合密封圈对球面的清刮，有自行清理的作用，确保介质不会在阀门内造成堵塞，尤其适用于浓稠的原油。修正等百流量特性，确保阀门在各开度都保持高度调节性能。
特点
a.调节性能好
b.流体自最小流量的起始点即可被有效的调节
c.流通能力大
d.特别适用于纤维性介质
2、REXA执行器
REXA执行器是美国REXA公司于二十世纪80年代末期，开发的一种机电液一体化智能型执行器，它是将电信号转换为力矩输出的转换装置，是调节阀系统的关键设备。由智能可控电机和独立、封闭液压控制系统组成，采用高度集成化、模块化、小型化设计，所有组件内部集成，一体化结构。
2.1 REXA执行器的结构
依赖预先设定的行程和信号范围等参数，控制模块把外部送入的控制信号转化为目标位置，智能可控电机接受控制模块的功能指令，控制动力模块，以角行程位移大力矩输出驱动被控对象，同时通过自身位移反馈，完成调节过程，实现各种功能控制。当前位置则通过装在执行器上的反馈组件确定。目标和当前位置之差即是误差。如果误差超出了死区（可设定），控制模块将通过启动马达来重新校正。
为把活塞移动到左边，泵改变旋转方向，通过A端口使FMV-2加压，FMV-2的阀芯在压差的作用下失去平衡移向左侧，托起它的逆止阀，打开端口D到口B，端口A到E。
高压流从端口E流到液压缸的右室，由于液压回路是闭合的，与流入活塞右侧数量相同的油必须从左侧流出。这股油流通过FMV-2打开的逆止阀进入泵吸口。
通过改变泵旋转方向，FMV逆向操作，即可移动活塞杆到右侧。
当泵停下来后。两个开关阀均关闭。液压油被封在油缸内。
馬达不需要进行操作就可以使位置得到保持，流量配对（Flow?Match?System简称FMV）系统使得执行器内部流体压力得以独立于外部载荷的大小和方向而保持恒定，执行器可以对控制信号迅速作出反应，输出平滑、精确的操作从而使系统取得其他方式极难达到的定位效果。流量配对系统允许Xpac以增量的方式定位，马达和泵只在执行其需要动作时运转，一旦油缸输出到达预定位置，泵马达即停止工作，流量配对系统可确保调节系统原位锁定，系统的调节任务不受泵马达启、停或反转的影响。
2.3 REXA执行器特性介绍
REXA执行器采用机电液一体化、集成化、模块化、小型化设计，易于实现系列化。
结构简单、体积小，无须外接油源和气源，可靠性高，寿命长。
具有标准模拟量控制方式，易于与控制器接口。可实现对被控对象特性的线性修正、水锤防护、过载保护；可对执行器的运行状态进行自动监测、诊断、报警和防护；可与上级控制系统进行通讯，实现对被控对象的智能闭环控制；对响应速度环引入了PI控制使它在具有高响应速度的同时具有很高的稳定性并有效地消除了超调（见图2.3）。
（1）定位精度小于全行程的0.15%；
（2）重复率小于全行程的0.1%；
（3）死区在控制信号的0.1%~5%范围内可调，最小可达0.05%；
（4）可接受4~20mA标准模拟量信号或脉冲信号；
3、智能型电液调节阀系统
西部管道调节阀采用REXA执行器与V250型调节球阀配套，REXA执行器的控制精度高于V250调节球阀的受控精度。调节阀与对应SCADA 控制系统组成电液调节系统。
比例（P）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少 偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的 不稳定。
积分（I）调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
主输油管线上的压力表和超声波流量计分别采集调节阀前、后的压力和瞬时流量，同时将这些数据上传给下位机PLC，PLC中的PID控制器基于内置预先调定的比例、积分、微分等参数向受控对象（电液执行机构）发出动作指令，执行机构接收到下位机发出的4～20mA模拟量信号后开始动作，实时阀门开度通过电液执行机构的位置反馈装置回传给下位机（反馈信号同样为4～20mA模拟量信号）。下位机收到当前阀门实时开度后不断给出重新调定的目标位置信号驱动执行机构带动调节球阀无限向目标位置靠近。当调节阀输出压力调定至目标值后执行机构停止动作，调节阀保持在当前目标位置，该控制周期结束。
[关键词]:调节 流体流量
中图分类号：TH113.2+3 文献标识码：TH 文章编号：1009-914X(2012)26-0255-03
西部原油成品油管道工程是中国石油天然气集团公司所确定“稳定东部，发展西部”的重要战略举措之一，它是目前国内已经投产的长输管线中自动化程度较高中的一条。西部管道引进美国REXA执行器搭配美国Emerson公司V250调节球阀组成电液调节阀系统。运行两年多来，工作平稳正常，效果良好。
1、V250调节球阀
V250 球阀采用专利的三角锥型球轴连接方式，确保阀门在最短的时间内克服高差压，把响应时间的死区缩至最小。阀门与执行器之间采用花键连接。花键连接也可确保阀门和执行器之间的响应。阀门球体采用文丘里的流线型球型设计，配合密封圈对球面的清刮，有自行清理的作用，确保介质不会在阀门内造成堵塞，尤其适用于浓稠的原油。修正等百流量特性，确保阀门在各开度都保持高度调节性能。
特点
a.调节性能好
b.流体自最小流量的起始点即可被有效的调节
c.流通能力大
d.特别适用于纤维性介质
2、REXA执行器
REXA执行器是美国REXA公司于二十世纪80年代末期，开发的一种机电液一体化智能型执行器，它是将电信号转换为力矩输出的转换装置，是调节阀系统的关键设备。由智能可控电机和独立、封闭液压控制系统组成，采用高度集成化、模块化、小型化设计，所有组件内部集成，一体化结构。
2.1 REXA执行器的结构
依赖预先设定的行程和信号范围等参数，控制模块把外部送入的控制信号转化为目标位置，智能可控电机接受控制模块的功能指令，控制动力模块，以角行程位移大力矩输出驱动被控对象，同时通过自身位移反馈，完成调节过程，实现各种功能控制。当前位置则通过装在执行器上的反馈组件确定。目标和当前位置之差即是误差。如果误差超出了死区（可设定），控制模块将通过启动马达来重新校正。
为把活塞移动到左边，泵改变旋转方向，通过A端口使FMV-2加压，FMV-2的阀芯在压差的作用下失去平衡移向左侧，托起它的逆止阀，打开端口D到口B，端口A到E。
高压流从端口E流到液压缸的右室，由于液压回路是闭合的，与流入活塞右侧数量相同的油必须从左侧流出。这股油流通过FMV-2打开的逆止阀进入泵吸口。
通过改变泵旋转方向，FMV逆向操作，即可移动活塞杆到右侧。
当泵停下来后。两个开关阀均关闭。液压油被封在油缸内。
馬达不需要进行操作就可以使位置得到保持，流量配对（Flow?Match?System简称FMV）系统使得执行器内部流体压力得以独立于外部载荷的大小和方向而保持恒定，执行器可以对控制信号迅速作出反应，输出平滑、精确的操作从而使系统取得其他方式极难达到的定位效果。流量配对系统允许Xpac以增量的方式定位，马达和泵只在执行其需要动作时运转，一旦油缸输出到达预定位置，泵马达即停止工作，流量配对系统可确保调节系统原位锁定，系统的调节任务不受泵马达启、停或反转的影响。
2.3 REXA执行器特性介绍
REXA执行器采用机电液一体化、集成化、模块化、小型化设计，易于实现系列化。
结构简单、体积小，无须外接油源和气源，可靠性高，寿命长。
具有标准模拟量控制方式，易于与控制器接口。可实现对被控对象特性的线性修正、水锤防护、过载保护；可对执行器的运行状态进行自动监测、诊断、报警和防护；可与上级控制系统进行通讯，实现对被控对象的智能闭环控制；对响应速度环引入了PI控制使它在具有高响应速度的同时具有很高的稳定性并有效地消除了超调（见图2.3）。
（1）定位精度小于全行程的0.15%；
（2）重复率小于全行程的0.1%；
（3）死区在控制信号的0.1%~5%范围内可调，最小可达0.05%；
（4）可接受4~20mA标准模拟量信号或脉冲信号；
3、智能型电液调节阀系统
西部管道调节阀采用REXA执行器与V250型调节球阀配套，REXA执行器的控制精度高于V250调节球阀的受控精度。调节阀与对应SCADA 控制系统组成电液调节系统。
比例（P）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少 偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的 不稳定。
积分（I）调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。
主输油管线上的压力表和超声波流量计分别采集调节阀前、后的压力和瞬时流量，同时将这些数据上传给下位机PLC，PLC中的PID控制器基于内置预先调定的比例、积分、微分等参数向受控对象（电液执行机构）发出动作指令，执行机构接收到下位机发出的4～20mA模拟量信号后开始动作，实时阀门开度通过电液执行机构的位置反馈装置回传给下位机（反馈信号同样为4～20mA模拟量信号）。下位机收到当前阀门实时开度后不断给出重新调定的目标位置信号驱动执行机构带动调节球阀无限向目标位置靠近。当调节阀输出压力调定至目标值后执行机构停止动作，调节阀保持在当前目标位置，该控制周期结束。