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控制閥在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的作用

控制系統(tǒng)的基本組成
(1) 人工控制
以圖1-1所示液位控制為例，說明人工控制的有關(guān)概念。液位是工藝需要控制的變量，操作員根據(jù)液位高低調(diào)節(jié)排放閥的開度，使液位保持在工藝所需的高度。人工控制的過程如下。
1 操作員用眼睛觀測容器液位，經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳到大腦。
2 大腦對(duì)液位觀測值與工藝期望值進(jìn)行比較，經(jīng)分析和判別，發(fā)出控制指令。
3 根據(jù)大腦發(fā)出的控制指令，操作員通過手操縱閥門，改變閥門開度，使排出流量變化。
4 反復(fù)上述步驟，使液位維持在期望值。
(2) 自動(dòng)控制
因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程需要控制的溫度、壓力、流量等參數(shù)成百上千，人工控制難以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的要求，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制精度低、響應(yīng)時(shí)間長等缺點(diǎn)。各種自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬人工控制的方法，用儀表、計(jì)算機(jī)等裝置代替操作員的眼、大腦、手等的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。簡單控制系統(tǒng)包含檢測元件和變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象等。圖1-2 是簡單控制系統(tǒng)的框圖。

檢測元件和變送器(Sensor and Transmitter) 用于檢測被控變量，將檢測信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如，熱電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，溫度變送器將電阻或熱電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的氣壓或電流、電壓信號(hào)等。
控制器(Controller)將檢測變送環(huán)節(jié)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，獲得偏差信號(hào)，按一定控制規(guī)律對(duì)偏差信號(hào)(Error Signal) 進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算輸出送執(zhí)行器。控制器可用模擬儀表實(shí)現(xiàn)，也可用微處理器組成的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，例如，DCS (分布控制系統(tǒng)) 和FCS (現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)) 中采用的PID控制功能模塊等。
執(zhí)行器(Actuator) 處于控制環(huán)路的終位置，也稱為終元件(Final Control Element).執(zhí)行器用于接收控制器的輸出信號(hào)，并控制操縱變量變化。在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用中，執(zhí)行器采用控制閥。其他執(zhí)行器有計(jì)量泵、調(diào)節(jié)擋板等。近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，一些控制系統(tǒng)已采用變頻器和相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)(泵) 等設(shè)備組成執(zhí)行器。
生產(chǎn)過程(被控對(duì)象) 的負(fù)荷變化或者操作條件改變時(shí)，通過檢測元件和變送器的檢測和變送，將過程的被控變量送控制器，經(jīng)控制規(guī)律運(yùn)算后的輸出送執(zhí)行器，改變過程中相應(yīng)的流體流量，使被控變量與設(shè)定值保持一致?？梢姡瑱z測元件和變送器的作用類似于人的眼睛，控制器的作用類似于人的大腦，執(zhí)行器的作用類似于人的手腳。
與人工控制的控制過程類似，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾影響時(shí)，用檢測變送儀表檢測過程的被控變量信號(hào)(模擬人眼的功能)，控制器將檢測變送信號(hào)與設(shè)定值比較，按一定控制規(guī)律對(duì)其偏差值進(jìn)行運(yùn)算(模擬人腦的功能)，并輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變操縱變量(模擬人手的功能)，使被控變量回復(fù)到設(shè)定值。

控制閥在控制系統(tǒng)中的作用
(1) 控制閥的重要性
控制閥(Control valve) 用于調(diào)節(jié)流體流量。根據(jù)國標(biāo)GB/T 17213 《工業(yè)過程控制閥第一部分控制閥術(shù)語和總則》的規(guī)定，應(yīng)稱為控制閥。但目前仍有一些文獻(xiàn)將它稱為調(diào)節(jié)閥(Adjusting valve)。從控制系統(tǒng)整體看，一個(gè)控制系統(tǒng)控制的好壞，都要通過控制閥來實(shí)現(xiàn)?？刂崎y的重要性表現(xiàn)如下。
1 控制閥是節(jié)流裝置，它是動(dòng)部件。與檢測元件和變送器、控制器比較，在控制過程中，控制閥需要不斷改變節(jié)流件的流通面積，使操縱變量變化，以適應(yīng)負(fù)荷變化或操作條件的改變。因此，對(duì)控制閥閥組件的密封、耐壓、腐蝕等提出更高要求。例如，密封會(huì)使控制閥摩擦力增加，控制閥死區(qū)加大，造成控制系統(tǒng)控制品質(zhì)變差等。
2 控制閥的閥內(nèi)件與過程介質(zhì)直接接觸?？刂崎y和檢測元件與過程介質(zhì)接觸的不同點(diǎn)如下。
a.接觸介質(zhì)不同。對(duì)控制閥的耐腐蝕性、強(qiáng)度和剛度、材料等有更高要求。a
b.檢測元件與過程介質(zhì)可采用隔離液等方法隔離，控制閥通常與過程介質(zhì)直接接觸，
很難采用隔離的方法與過程介質(zhì)隔離。
3 控制閥的活動(dòng)部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因，它不僅造成資源
或物料的浪費(fèi)，也污染環(huán)境，引發(fā)事故。
4 控制閥是通過閥內(nèi)件的節(jié)流改變流體流阻實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，因此，是耗能元件。為此，降低能耗，降低控制閥的壓力損失，和較好地控制品質(zhì)之間要合理選擇和兼顧。
5 控制閥對(duì)流體進(jìn)行節(jié)流的同時(shí)，也造成噪聲。例如，當(dāng)閥出口壓力低于液體的蒸汽壓力時(shí)，造成閃蒸; 當(dāng)閥下游壓力高于液體燕汽壓力時(shí)，造成汽蝕?？刂崎y造成的噪聲和控制閥流路的設(shè)計(jì)、操作壓力、被控介質(zhì)特性等有關(guān)，因此，降低噪聲，降低壓力損失等對(duì)控制閥的應(yīng)用提出更高要求。
6 控制閥的適應(yīng)性強(qiáng)。它被安裝在各種不同的生產(chǎn)過程，生產(chǎn)過程的低溫、高溫、高壓大流量、微小流量等操作條件需要控制閥具有各種不同的功能，控制閥應(yīng)能適應(yīng)不同應(yīng)
用的要求。
7 檢測元件和變送器、控制器等發(fā)展快，投人的人力和物力多。相對(duì)來看，通常認(rèn)為控制閥結(jié)構(gòu)簡單，因此，對(duì)控制閥投人研究和開發(fā)的人力和物力相對(duì)不足。
(2) 控制閥在控制系統(tǒng)中的作用
控制閥在控制系統(tǒng)中的作用如下。
1 控制閥用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中流體的流量，從面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中有關(guān)工藝變量的作用。與手動(dòng)閥門不同，控制閥可自動(dòng)調(diào)節(jié)，不需要人工操縱，因此，可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。
2 控制閥能夠在供給它的能源或信號(hào)中斷時(shí)及時(shí)回復(fù)到安全狀態(tài)，避免事故發(fā)生。通過控制閥故障關(guān)(FC) 或故障開(FO) 或故障保持(FR) 等選擇，使控制閥關(guān)閉。打開或保持故障時(shí)開度，防止事故的發(fā)生或蔓延。
3 控制閥可補(bǔ)償被控對(duì)象的非線性特性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是系統(tǒng)的開環(huán)增益在運(yùn)行過程中保持恒定。對(duì)被控對(duì)象具有非線性特性的生產(chǎn)過程，例如，溫度控制等具有飽和非線性特性的生產(chǎn)過程，可通過選擇控制閥的流量特性，補(bǔ)償被控對(duì)象的非線性，使生產(chǎn)過程穩(wěn)定運(yùn)行。