控制閥的（三斷）保護方案及分析
摘要：闡述了控制閥（三斷）保護的各種方案，分析了各種方案的工作原理及、缺點及適用條件。
關鍵詞：三斷保護、控制閥、智能(模擬)電－氣閥門定位器、電－氣轉換器、保位閥、電磁換向閥。
控制閥在過程控制系統的重要作用是人所共知的，控制閥正常工作時需要系統提供氣（電）源、信號源，其氣（電）源、信號源的正確提供是控制閥正常工作的Z基礎的保證。由于控制閥工作的重要性要求，因此，要求過程控制系統要保證氣（電）源、信號源能夠正確、連續的提供給控制閥。而實際情況是：過程控制系統無法 100﹪毫無差錯地保證上述氣（電）源、信號源（簡稱三源）正確、連續的提供，因此，在控制閥上要采取相應的保護措施，即控制閥的三斷（斷氣源、電源、信號源）保護措施。
實際上，控制閥的控制方式有許多種，連接的附件又是多種多樣的，那么，控制閥的三斷保護措施及方案又會各有不同。一般情況下采取三斷保護措施的控制閥大多需要有位置反饋裝置，輸出反饋信號，配有手輪機構，實現故障時的手動操作。本文根據三斷保護的不同要求，列舉不同的保護方案，并對不同的保護方案進行分析，與業界同行共同探討。
本文討論的三斷保護方案主要有以下幾種：
一、 智能電－氣閥門定位器方案（控制閥配用智能電－氣閥門定位器）
二、 模擬電－氣閥門定位器方案（控制閥配用模擬電－氣閥門定位器）
三、 電－氣轉換器＋氣動閥門定位器方案（控制閥配用電－氣轉換器＋氣動閥門定位器）
四、 模擬氣動閥門定位器方案（控制閥配用模擬氣動閥門定位器）
五、 智能電動控制閥方案
另外本文還將討論其他特殊情況下的保護方案。 一、 智能電－氣閥門定位器方案（控制閥配用智能電－氣閥門定位器）
其體方案見圖1 圖1
本方案主要由氣動控制閥、智能電－氣閥門定位器、失電（信號）比較器、單電控電磁換向閥、氣動保位閥等組成。其工作原理如下：
1、斷氣源：當控制系統氣源故障（失氣）時，氣動保位閥自動關閉將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內，輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應設定在略低于氣源的Z小值時啟動。
2、斷電源：當控制系統電源故障（失電）時，失電（信號）比較器控制單電控電磁換向閥的輸出電壓消失，單電控電磁換向閥失電，單電控電磁換向閥內的滑閥在復位彈簧的作用下滑動，電磁閥換向，將氣動保位閥的膜室壓力排空，氣動保位閥關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內，輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。
3、斷信號：當控制系統信號故障（失信號）時，失電（信號）比較器檢測到后，斷掉單電控電磁換向閥的電壓信號，單電控電磁換向閥失電，單電控電磁換向閥內的滑閥在復位彈簧的作用下滑動，電磁閥換向，將氣動保位閥的膜室壓力排空，氣動保位閥關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內，輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。
位置反饋信號由智能電－氣閥門定位器給出，無需配用閥位信號返回器。一般情況下，智能電－氣閥門定位器本身自帶或附加位置反饋模塊即可實現位置反饋。
本方案的點：所用附件相對較少（無需閥位信號返回器），占用空間較小。安裝、調試比較方便、簡單、快捷。“三斷"保護啟動時，系統反應較快，動作迅速。
本方案的缺點：電磁閥長期帶電，影響使用壽命。整體造價較，對所配用的附件性要求較。
二、 模擬電－氣閥門定位器方案（控制閥配用模擬電－氣閥門定位器）
其體方案見圖2 圖2
本方案主要由氣動控制閥、模擬電－氣閥門定位器、失電（信號）比較器、單電控電磁換向閥、氣動保位閥、閥位信號返回器等組成。其工作原理與智能電－氣閥門定位器方案相同。
位置反饋信號由閥位信號返回器給出。
本方案的點：“三斷"保護啟動時，系統反應較快，動作迅速。整體造價比方案（一）低。
本方案的缺點：電磁閥長期帶電，影響使用壽命。配用附件較多，安裝、調試比方案（一）復雜一些，閥位反饋需另配閥位信號返回器，在配用手輪的情況下，比較復雜。
三、 電－氣轉換器＋氣動閥門定位器方案（控制閥配用電－氣轉換器＋氣動閥門定位器）
其體方案見圖3 圖3
本方案主要由氣動控制閥、模擬氣動閥門定位器、電－氣轉換器、氣動保位閥、閥位信號返回器等組成。其工作原理如下：
1、斷氣源：當控制系統氣源故障（失氣）時，用于控制氣源丟失的氣動保位閥自動關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內，輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應設定在略低于氣源的Z小值時啟動。
2、斷信號：當控制系統信號故障（失信號）時，電－氣轉換器的輸出信號壓力同步丟失，用于控制信號丟失的氣動保位閥自動關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內，輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應設定在略低于輸入信號的Z小值時啟動。
由于本方案沒有電源，故無斷電源保護。
位置反饋信號由閥位信號返回器給出。
本方案的點：無需電源保護，只實現兩斷保護即可，可用于防爆要求嚴格的場合。
本方案的缺點：斷信號保護時，有極短時的滯后，配用附件較多，安裝、調試比方案（一）復雜一些，閥位反饋需另配閥位信號返回器，在配用手輪的情況下，比較復雜。
四、 模擬氣動閥門定位器方案（控制閥配用模擬氣動閥門定位器）
其體方案見圖4 圖4
本方案主要由氣動控制閥、模擬氣動閥門定位器、氣動保位閥、閥位信號返回器等組成。其工作原理如下：
1、斷氣源：當控制系統氣源故障（失氣）時，用于控制氣源丟失的氣動保位閥自動關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內，輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應設定在略低于氣源的Z小值時啟動。
2、斷信號：當控制系統信號故障（失信號）時，用于控制信號丟失的氣動保位閥自動關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內，輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應設定在略低于輸入信號的Z小值時啟動。斷信號保護時，有一定的滯后，滯后的時間與氣動信號管線的長短有關。
由于本方案沒有電源，故無斷電源保護。
位置反饋信號由閥位信號返回器給出。
本方案的點：配用附件較少，方便安裝、調試。整體造價較低，可用于防爆要求特別的場合。
本方案的缺點：斷信號保護時，有一定的滯后，滯后的時間信號管線的長短有關。閥位反饋需另配閥位信號返回器，在配用手輪的情況下，比較復雜。只適用于氣動信號場合。
五、智能電動控制閥方案
智能電動控制閥是由智能電動執行機構與閥門組成，智能電動執行機構本身有斷電源保位功能，斷信號時可選擇保持原位、全關、全開的功能。并且本身帶有閥位信號返回功能。應用范圍較廣。（工作原理圖略）
本方案的點：無需接入氣源，只實現兩斷保護即可。占用空間較小。安裝、調試比較方便、簡單、快捷。“兩斷"保護啟動時，系統反應較快，動作迅速。閥門本身有閥位信號返回功能，無需另裝閥位信號返回器。
本方案的缺點：整體造價較，在防爆要求特別嚴格的場合，使用受限。
以上方案是三斷保護方案的Z基本的方案，且在三斷時，閥門保持在原位置（保位）。
如果需要其它保護方式，可在以上方案上變化即可。
下面介紹一種氣源故障（失氣）時，雙作用閥門實現全開或全閉的保護方案。見圖5
圖5
本方案主要由控制閥、氣控換向閥、定位器、自鎖閥、單向閥、減壓閥、儲氣罐等組成。其工作原理如下：
當控制系統氣源故障（失氣）時，自鎖閥（其作用方式與保位閥相反）自動打開，將氣控換向閥的控制氣源撤消，氣控換向閥的滑閥在彈簧的作用下復位，兩個氣控換向閥中的其中一個排氣，另一個進氣，單向閥關閉，氣源由儲氣罐中儲存的氣源向閥門供氣，從而實現閥門的全關或全開。全關或全開的轉換可通過調整氣控換向閥的連接方式實現。
如果要實現閥門保位，加裝氣動保位閥并改變管路連接，用自鎖閥直接控制保位閥，取消氣控換向閥、單向閥、儲氣罐即可。
若要實現斷氣源時，能夠保證閥門有若干次的動作，可采用以下方案。見圖6 圖6
本方案由儲氣罐、單向閥、閉鎖閥、截止閥等組成。其工作原理如下：
當氣源故障（失氣）時，單向閥關閉，閉鎖閥失氣，在閉鎖閥的滑閥在彈簧的作用下復位，氣路換向，斷開系統的氣源管路，接通儲氣罐管路，由儲氣罐向閥門供氣，以保證閥門有若干次動作，實現連續控制的目的。由于儲氣罐的容量有限，且儲氣罐中的氣源壓力隨著閥門動作不斷下降，不可長期使用儲氣罐為閥門供氣。本方案配用儲氣罐的容量應比一般保護用儲氣罐的容量大。本方案在斷氣源時，閥門動作的次數與儲氣罐的容量有關。
以上列出的若干種保護方案只是幾種基本形式，若要實現不同的保護目的可在上述方案中適當修改。由于所列方案各有、缺點，在實際使用中，應根據現場的體情況，可按實際需要選用不同的方案。對于三斷保護，在預算可能的情況下，綜合各種因素，筆者推薦方案（一）、方案（五）。
