淺談閥門限位開關的設計與應用

汪肢因

（重慶川儀調節閥有限公司，重慶 400700）

閥門限位開關是自控系統中檢測閥門狀態的一種現場儀表，用以將閥門的開啟或關閉位置以開關量（觸電）的信號輸出，被程控器接受或計算機尋訪采樣，確認后執行下一程序。也可以作為自系統中重要閥門聯鎖保護及遠程報警指示之用。

在過程自動化應用中，閥門位置檢測傳感器是標準氣動執行機構的典型解決方案。在當今閥門自動化市場，結構緊湊、安裝方便的直接安裝型解決方案變得愈加流行。直接安裝型閥位傳感器降低了對安裝空間的要求，可以確保可靠的檢測距離，并且使閥門位置監控變得簡單、精確。

1 閥門限位開關的技術要求及結構設計、特點

閥門限位開關采用的結構形式多種多樣，它的技術要求，一般包括：

1）開關盒內置開關種類，一般可分為無源式開關和有源式開關。

2）防爆等級，根據應用場所不同可分為：防爆型和非防爆型。其中防爆型主要采用本質安全防爆和隔爆防爆兩種方式。

3）防護等級。

4）環境溫度。

5）開關盒材料。

6）開關數量。

7）觸電形式。

8）觸點容量。

9）電氣接口。

如圖1所示，本文介紹的閥門限位開關總體結構由開關盒（1、2）、內置開關3、感應零部件4、傳動零件5、電氣接口6、就地顯示部件8和O形圈組成。

圖1 結構示意圖Fig.1 Structural diagram

其特點如下：

1）采用兩個兩線制的感應式接近開關。

2）開關盒采用隔爆方式防爆。

3）防護等級達到IP67。

4）能滿足惡劣的環境溫度要求，如：-40℃～+80℃。

5）開關盒采用壓鑄鋁合金殼體。

6）凸輪上嵌入感應金屬片，“快速位置”凸輪，不用工具即可進行快速調整。

7）雙線接口，滿足多種電纜接口標準。

8）此閥門限位開關小巧，且接線腔空間大。

9）采用多接點接線端子排，并有額外接線位置。電磁閥的接線可在殼體內，減少現場的走線，提高現場的整潔度。

2 內置限位開關種類

2.1 無源式開關

傳統的閥門限位開關，采用無源觸點的機械式開關。它在工作時，其內部沒有任何形式的電源存在，無需外加電源即可在有信號時工作。常見有直動式開關、滾輪式開關、微動式開關。開關形式通常為：單刀雙擲SPDT、單刀單擲SPST、雙刀雙擲DPDT。實際上，一般機械式開關輸出電流大，通常交/直流兩用，但觸點間距小、動作行程短，內置簧片及組成單元可動部件較多，當用于惡劣工況或運用現場管道振動較明顯的場合，易受機械振動，具有開關量響應滯后或間續傳遞的隱患現象。經常用于非防爆或有隔爆要求的場合。常用品牌：霍尼韋爾Honeywell、美國艾默生TopWorx、德國西鎖Westlock等。

單刀單擲SPST無源式開關工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 單刀單擲SPST無源式開關工作原理示意圖Fig.2 Diagram of passive switching operation

圖3 電感式接近開關原理圖Fig.3 Schematic diagram of inductive proximity switch

2.2 有源式開關

有源式開關在工作時，其內部有電源存在，除了輸入信號外，還必須要有外加電源才可以正常工作。常見的有源式開關有：電感式接近開關、電容式接近開關和磁式接近開關。其中電感式接近開關是目前閥門開關位置檢測的傳感器其中使用最多的一類。它主要由3大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，觸發驅動控制器件，從而達到非接觸式檢測目的。

具有非接觸發、可在不同的檢測距離內動作，發出的信號穩定無脈動、動作穩定可靠、重復定位精度高以及適用于苛刻環境條件等特點，是閥位開關位置檢測的理想內置元件之一，本文以電感式有源開關為例。電感式接近開關原理圖如圖3所示。

一般情況下，電感式感應開關還具有以下特點：

1）符合NAMER標準，最大限度地提高互換性。

2）具有本質安全防爆認證。

3）具有功能安全SIL認證。

4）滿足高溫、低溫使用環境。

5）內部采用環氧樹脂灌封成一體，能在各類惡劣環境下可靠工作。

NAMURA是“德國測量與控制標準委員會”制定的一項標準，是倍加福（P+F）提出的，以它為標準制定的。現在很多安全柵廠家和PLC廠家的I/O模塊都支持它。

結合上述內置開關的特點，不難看出機械式閥門限位開關屬于微動開關進行機械撞擊，輸出電流大并交/直流兩用。而電感式開關，輸出電流小，通常為直流，工作壽命高于機械式限位開關，兩種限位開關都能滿足大多數的實際現場要求，但在化工生產現場或周圍環境可能存在腐蝕氣體的場所，機械式開關易受環境氣體的影響及金屬碰撞的影響，相對壽命縮短。即此類運用推薦選擇感應式開關。另外限位開關的運用選擇還應依據現場有無防爆要求，防護等級要求多少，電纜接口尺寸，明確需有源觸點或無源觸點，以及提供電壓等級條件。

需要注意的是，在選用接近開關的前提下在設計時需要考慮最小間隙，接近開關應不能相互干擾。因此，兩個接近開關之間必須要保持一個最小距離。

3 制造工藝分析

如圖1所示，文章介紹的閥門限位開關隔爆形式采用平面隔爆。

1）失效問題

限位開關里面的O形圈老化失效，會造成限位開關達不到IP67的防護要求。

2）關鍵零件加工

其中上蓋、主體、主軸的隔爆面屬于關鍵加工位置。按照GB/T3638.2-2010《爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》的要求根據腔體內體積的大小，上蓋與主體的平面隔爆處要求，最大間隙：0.10mm；隔爆接合面長度：L≥9.5mm；粗糙度：1.6。主體與主軸之間的圓柱隔爆面尺寸要求：L≥12.5mm，粗糙度：1.6。

3）符合NAMUR安裝標準

內置不銹鋼軸及安裝支架，其設計及制造符合NAMUR標準，為實現連接尺寸配套統一，配套運用時，需明確配置執行機構頂裝的螺栓孔距和輸出軸的高度。

4 參與控制系統

閥門限位開關現場使用的工作原理：閥門限位開關檢測閥位轉角位移，通過同軸連接件或反饋桿傳動軸產生旋轉，讓金屬片感應電感式接近開關，從而使開關組件的觸點閉合或斷開，通過接線端子向外部傳送開關量信號，并通過指示器就地顯示，參與系統的聯鎖動作。閥門限位開關參與控制系統示意圖，如圖4所示。

如圖5所示，電感式開關型號：NCN3-F31K-N4與安全柵型號：KFD2-SR2-Ex2.W、控制系統DCS對應接線圖。

一般故障情況：電感式的閥門限位開關是本質安全防爆產品，在現場需要配套使用安全隔離柵。否則，過大的電壓會造成感應式接近開關燒壞，導致閥門限位開關無法使用。

圖4 閥門限位開關參與控制系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of valve limit switch participating in control system

圖5 詳細接線圖Fig.5 Detailed wiring diagram

5 結束語

在自動控制系統中，閥門限位開關作為閥門的基礎配件，通過與閥門連接桿（軸）觸發信號的轉換，可靠的控制和監測閥門整機運動位置或行程，實現順序控制、定位控制和位置狀態的檢測。它的工作原理簡單，可靠性是未來發展的方向。