探討調節閥作用方式引發的故障及解決方案

皮宇

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

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探討調節閥作用方式引發的故障及解決方案

皮宇

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

稿件收到日期： 2015-04-20，修改稿收到日期： 2015-07-24。

摘要：針對工程項目中調節閥、執行機構、閥門定位器的作用方式與操作組態之間不匹配易引發潛在的安全問題，描述了常見的事故狀態，根據組態過程中出現的一系列顯示畫面與閥門實際開度不一致的現象，通過增加反向器，設計了一種簡單可靠的虛擬F． O閥門組態方式。實踐證明： 該方案有效解決了組態與現場閥門之間的聯動問題，提高了安全性。

關鍵詞：作用方式正作用反作用調節閥操作畫面DCS組態

在筆者最近實施的幾個工程項目中，遇到一個共性問題，調節閥在施工聯調聯校時，控制室顯示畫面(以下簡稱畫面)中閥門的開度與現場實際閥門開度很難保持一致，部分手操開度與實際閥開度一致，部分相反，尤其是很多進口的閥門。簡單地說，部分調節閥信號與閥門開度呈正向關系，給4mA信號時閥門關閉，給20mA信號時閥門全開，部分正好相反，而且與閥門的事故狀態沒有關系，操作人員期望畫面與現場開度一致，但是組態過程中遇到一定的困難，筆者針對該現象進行分析。

1現場閥門作用方式問題的產生及解決

1．1正反作用的定義

1) 嚴格意義上講，調節閥正反作用是針對不同對象定義的。當針對氣動調節閥整體，按作用方式不同可分為氣開閥與氣關閥兩種，氣開閥隨信號壓力增加而打開，無信號時閥處于關閉狀態；氣關閥隨信號壓力增加而逐漸關閉，無信號時閥處于全開狀態[1]。氣開閥在工程設計文件中定義為正作用(F．C)類型，即事故狀態時閥應該處于關閉位置；氣關閥在工程設計文件中定義為反作用(F．O)類型，即事故狀態時閥應該處于全開位置。

2) 針對執行機構而言，正反作用是指信號壓力增大時，執行機構的推桿向下動作的為正作用式執行機構，反之為反作用式執行機構[2-3]。

3) 針對閥門定位器而言，正反作用是指電信號增加時，輸出到執行機構的信號壓力增加為正作用，反之為反作用。

氣開閥不一定必須配正作用的執行機構，氣關閥也不一定必須配反作用執行機構，調節閥除與執行機構有關外，還與閥芯的結構及功能有關。為簡單起見，筆者將電信號與閥位的開度保持一致的氣開閥定義為正作用類型的F．C閥門，反之定義為反作用類型的F．O閥門。

1．2實際工程應用中對現場閥門作用方式的誤解

事故狀態下，閥門開與關的選擇主要是從生產安全角度來考慮。當儀表供氣系統故障等原因使信號壓力中斷時，即閥處于無儀表風信號壓力的情況，應考慮閥處于全開還是關閉狀態才能避免損壞設備，同時保護工作人員免受傷害。若閥處于全開位置危害小，則應選氣關閥，反之選氣開閥[1]。該狀態由工藝過程決定，而不是由儀表決定的，很多工程公司及設計院的閥門規格書中只定義了事故狀態，卻未定義作用方向。項目回路聯調時經常遇到的問題： 閥門廠家通常能夠嚴格按照規格書來設置事故空氣罐或復位彈簧的位置，直接將過濾減壓閥氣源關閉即可檢查該狀態，但是無論F．O或F．C閥門的信號方向通常為出廠標配正作用，閥門開度都隨信號開度增加而增加。這樣雖然組態很方便，畫面很容易與現場閥門開度一致，但不利于生產安全，但也有隨信號反向動作的，并無一定規律，進口閥門情況較嚴重。

1) 事故狀態一： 儀表風源失去，不管電信號如何，閥門F．O應在全開位，閥門F．C應在全關位。基本上所有的調節閥廠家都能夠滿足。

2) 事故狀態二：

a) 電纜損壞或接線松開，但是調節閥風源正常時，F．O閥門也應該在全開位(給4mA信號時閥門全開，給20mA信號時閥門全關，請注意這與操作界面給定的開度可能不一致，需要通過組態調整)。

b) 電纜斷掉或接線松開，但是調節閥風源正常時，F．C閥門應該在全關位(給20mA信號時閥門全開，給4mA信號時閥門全關，請注意這與操作界面給定的開度通常是一致的，不需要組態調整)。

閥門聯調時，部分F．O閥門的電信號與閥門反向，但是接線端子松開，氣源沒斷時閥門卻在全關位，因為部分單作用執行機構需配單作用閥門定位器且定位器出廠缺省為正作用，或雙作用氣缸配雙作用定位器作用方向與上下氣路連接匹配相反，解決方案很簡單，如果智能定位器能調整作用方向的，直接用Hart表調整定位器的作用方式組態，或修改上下氣缸氣路連接，使其與上述F．C及F．O的信號描述方向一致，通過這個環節僅能解決現場側閥門環節的安全問題。

2組態問題及解決方案

2．1操作員畫面組態產生的問題

通常DCS廠家的畫面組態對于調節閥手操基本上都有成熟的PID模塊及閥門手操器模塊。操作畫面中這些模塊上的調節閥操作都有標尺，基本上所有的操作人員都希望標尺上給出的實際開度就是調節閥真實的開度，而不需要考慮其他因素。

1) 對于正作用方式的F．C調節閥，組態及畫面沒有任何問題，易與PID流程圖或設計提供的IO點表達成一致。

2) 對于反作用方式的F．O調節閥，很容易出現聯調時閥門標尺與現場開度正好相反的情況，當現場調節閥通過上述過程標定好安全狀態后，可通過組態方式解決。

2．2F．O閥門組態解決方案

1) 對于簡單的單回路、串級副回路等，閥門手操的開度全部在PID模塊中設置實現，可以實現無擾動切換，當回路最終執行元件為F．O類型的閥門時，將原設計的PID作用改為反向。因為修改了PID作用，必須再將PID模塊下游AO模塊輸出的通道取反(相當于將F．O閥改為F．C閥，也有廠家PID模塊輸出可以直接取反)，這樣PID作用和輸出通道同時取反，回路仍然保持為負反饋閉環回路，相當于沒有修改。僅因為畫面鏈接的原因，強制增加了輸出通道取反，此時閥門通過PID的模式(Man/Auto)來設置，當選擇Man時，畫面輸入0(請注意手操是在PID正反作用的下游實施，手操的給定不受PID正反作用的影響)，相當于實際輸出100%(20mA，通過AO模塊取反后，信號方向已經反向)，F．O閥將全關，從而實現F．O閥操作員畫面設定與現場閥門實際開度一致，而且投自動時也不會產生問題。

2) 對于比較復雜的回路，PID模塊輸出可能又與其他邏輯或組態模塊有牽聯，或對于分程控制回路，一個PID模塊輸出信號給2個或更多調節閥時，每個閥門必須單獨設置手操器，PID模塊的手操功能需禁止，以防操作員誤動作，這些回路中的調節閥必須用手操器設置開度。此時，如果執行元件中有上述回路特征的F．O閥門時，必須想辦法將F．O閥處理為F．C閥，否則無法實現畫面手操器給定值與現場反作用F．O閥開度一致。實際上很多用戶如果現場閥門嚴格按照上述方式調校后，都采用修正相關上游組態模塊的方式來實現，例如： 將閥門分程模塊中0～100%反向設置為100%～0，或修改超馳控制的高低選擇，但是帶來的問題將繼續增多，可能引發隱蔽的錯誤，正常操作時不容易發現。例如超馳，當選擇器選中時，發現閥門動作方向與預定方向反向，導致誤操作發生危險，而且組態與設計文件PID圖及IO表完全對應不上，很難檢查其組態的正確性。

筆者設計了一個簡單可靠的組態方式，經過實踐檢驗比較有效，稱為虛擬F．O閥門組態方式，適用于以下組態情形： PID調節器與閥門之間除具有簡單的AO模塊以外，還存在其他邏輯(分程、超馳、同時作用、加和等)的復雜回路。以上情形不能通過PID模塊對閥門設置開度時，需對每個閥門單獨設置手操器。組態關系如圖1所示。

圖1　虛擬F．O閥門組態方式示意

圖1中，通過增加2個反向器使虛線內F．O閥門維持原來反作用信號方向的特性，這樣整個回路組態在虛線范圍上游不受任何影響，可嚴格按照PID圖或設計原圖組態，不需要做任何修改，僅在有F．O閥門的輸出環節局部做虛線內的處理。虛線框內緊挨閥門的AO模塊則作為鏈接上層操作員畫面的手操器，且設置為反向，這樣操作畫面相當于給F．C閥門手操，作用方向為正向，滿足了操作畫面設定與現場F．O閥開度一致的要求。但是上游增加反向器，相當于整個虛線內沒加反向，保持了整體回路的負反饋特性，回路投用自動或串級不受任何影響。整個虛線范圍相當于原F．O閥，可以稱為虛擬F．O閥門。

該組態唯一需要注意的是手操器由手動切自動時，如何無擾動實現，可能存在信號跟蹤的問題，這需要將其交給DCS廠家的專家來處理。

3結束語

以上為項目聯調中遇到的普遍問題，解決方案很多，例如調整現場閥門定位器全部為正作用信號方向等，這樣會削弱閥門的安全性，盡管解決方案更簡單，并不是值得推薦的最佳解決方案。

經過工程實踐檢驗，上述解決方案很好地兼顧了組態與現場閥門施工調校及設計文件的關系，且處理很簡單，具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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中圖分類號：TH137．52+3

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0080-02

作者簡介：皮宇(1973—)，男，重慶人，1995年畢業于石油大學工業過程自動化專業，獲學士學位，現工作于中石化洛陽工程有限公司儀電室，從事國內外工程設計工作，任高級工程師。