淺談電磁感應技術在隔爆型智能閥門定位器中的應用

蹇開任

（重慶川儀調節閥有限公司，重慶 400700）

0 引言

改革開放四十多年以來，國內防爆電氣設備制造行業得到了迅猛發展，產品防爆技術水平更是取得了飛速的進步。防爆電氣設備主要指在危險場所、易燃易爆場所使用的電氣設備，主要用于冶金、電力、石油、化工和煤炭等含有易燃易爆氣體或粉塵的場所。在易燃易爆環境中使用的電氣設備，結構上應能防止使用中產生火花、電弧或危險溫度成為安裝地點爆炸性混合物的引燃源[1]。基于此，人們在實踐中總結出許多有效的工業防爆技術和方法，主要包含本質安全型防爆（Ex i）、隔爆型防爆（Ex d）、正壓型防爆（Ex p）、充砂型防爆（Ex q）、澆封型防爆（Ex m）、增安型防爆（Ex e）和油浸型防爆（Ex o）等。其中，隔爆型防爆型式是防爆電氣設備最常采用的一種防爆技術，分3種保護等級：“da”（EPL“Ma”或“Ga”）的防護形式，只是適用于便攜式可燃氣體監測器的催化式傳感器，用于0區防爆；“db”（EPL“Mb”或“Gb”）的防護形式，是傳統意義上的隔爆防護，用于1區防爆；“dc”（EPL“Mc”或“Gc”）的防護形式，適用于帶有電子開關接觸器的電氣設備和部件，用于2區防爆。

圖1 隔爆型電氣設備防爆原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of flameproof electrical equipment

隔爆型防爆的原理是利用帶有一定強度的隔爆外殼（鋁合金或不銹鋼等）將設備內部空間與周圍的環境隔開，將可能產生火花、電弧和危險溫度的零部件放入隔爆外殼內[2]，其防爆原理示意圖如圖1所示。隔爆外殼的防爆接合面通常采用平面、圓筒、螺紋和膠粘等方式，每種方式在不同防爆等級下均有不同的要求，目的均是在隔爆外殼內部發生爆炸時，外殼可以承受產生的爆炸壓力而不損壞，同時防爆接合面又可以冷卻火焰，降低火焰的傳播速度，使火焰或危險的火焰生成物不能穿越隔爆接合面而點燃外部爆炸性環境，從而達到隔爆目的。

隔爆型防爆等防爆技術的運用，使智能閥門定位器被廣泛應用于石油、化工、冶金等領域危險場所的自動控制系統中，是閥門智能控制不可或缺的關鍵組成部分。

1 隔爆型智能閥門定位器的工作原理及過程

隔爆型智能閥門定位器（以HVP30智能閥門定位器為例）通常采用鋁合金或不銹鋼外殼，圓筒接合面、螺紋接合面和膠粘接合面等多種密封形式相結合，以適應不同零部件的特殊性能要求。定位器控制分為自動模式和手動模式，自動模式是通過DCS系統、上位機等輸出的控制信號進行遠程控制，手動模式是通過磁按鍵現場輸出控制信號，自動模式和手動模式均是通過將控制信號和從執行機構采集的反饋信號在CPU中做對比，然后根據兩者的偏差值（有正負之分）輸出電信號驅動I/P轉換單元，接著由I/P轉換單元輸出對應電信號的氣壓信號，由氣壓信號控制閥門到達指定位置，達到控制的效果；HVP30智能閥門定位器的工作流程如圖2所示。

HVP30智能閥門定位器的工作過程如下：

1）HVP30智能閥門定位器的整個控制回路采用兩線制（即電源、4mA～20mA模擬信號、雙向數字通訊信號同在兩根線上傳輸），當DCS給出的4mA～20mA信號傳給CPU，與閥位傳感器從執行機構采集的反饋信號的反饋值進行比較，CPU根據偏差的大小和方向進行控制計算。

2）CUP根據計算結果，向I/P單元中的壓電閥發出控制指令使其進行開、閉動作。壓電閥依據控制CPU給出的不同長度的脈沖，輸出相應的壓力增量；同時，閥位傳感器又從執行機構采集最近的反饋信號，再次與CPU的運算結果進行比較運算；多次重復此步驟，直到系統控制指令和采集閥位差值（取絕對值）在產品允許范圍內（死區值）時結束。

圖2 定位器工作流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of working flow of valve positioner

3）通過多次控制輸出信號到執行機構，通過執行機構腔內壓力的變化控制閥門的行程[4]，具體如下：

◇ 當控制偏差很大時，控制電路對壓電閥輸出寬幅脈沖信號，大幅度地改變執行機構的信號壓力，驅動閥門快速移向目標閥位值。

◇ 隨著閥位接近要求的位置，目標位置與采集反饋位置的差值變小，控制電路對壓電閥輸出一個小脈寬的脈沖信號，斷續、小幅度地改變執行機構的信號壓力，使執行機構平緩地接近目標位置。

◇ 當閥門到達目標位置時（死區范圍），控制電路對壓電閥無脈沖信號輸出，定位器輸出保持為零，使閥門穩定在目標位置。

HVP30智能閥門定位器的主要功能特點：

◇ 快速安裝和初始化。

◇ 防雷擊保護功能。

◇ 免開蓋按鍵操作。

◇ 可動零件少，抗振性能好，防護能力強，能適應惡劣的使用環境。

◇ 具有HART通信和電流反饋功能。

◇ 自診斷功能：自動診斷信號超量程、輸入信號中斷、閥位信號中斷等功能。

◇ 組態功能：輸出行程特性、動作方式、死區、行程范圍、報警限設定。

◇ 行程運行范圍分布統計功能。

◇ 環境溫度分布統計及極限溫度顯示、報警功能。

2 基于電磁感應技術的磁按鍵結構及控制原理

圖3 磁按鍵結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic induction of magnetic key

防爆型閥門定位器使用場合為可能發生爆炸的環境（如：可燃性氣體、粉塵環境，煉油、石化等行業），產品不允許在帶電狀態下打開隔爆接合面進行調試，需要在安全區域調試完成后轉移到非安全區的工作環境中，給現場調試帶來了很大的困擾，而采用電磁感應的方式則可以實現不影響防爆接合面的情況下在危險場合對閥門定位器進行調試，其具體結構如圖3所示。

該部件主要由一個磁按鍵和帶有干簧管和電路板構成，磁按鍵和干簧管分別位于隔爆外殼的外側和內側。磁按鍵上面是一塊圓柱體形的永磁合金，干簧管（Reed Switch）也稱舌簧管或磁簧開關，是一種磁敏的特殊開關，具有體積小、響應速度快、穩定性高等特點。當磁按鍵靠近干簧管時，簧片的觸點部分就會被磁力吸引，當吸引力大于簧片的彈力（吸合值PI）時，常開接點就會吸合，形成通路；當磁按鍵松開，磁力減小到一定程度（小于斷開值DO）時，接點被簧片的彈力打開，形成斷路；通過磁按鍵觸發或斷開干簧管的觸點，起到控制后端電路的作用。

磁按鍵的電磁感應原理如圖4所示。

圖4中開關打開與閉合范圍是表示為x軸和y軸。這些范圍代表磁按鍵在干簧管附近沿著Y軸運動的物理位置，打開點與關閉點都與磁鐵沿著Y軸的運動有關，磁鐵垂直于開關平面，在x,y軸展示了相應的開合點和維持點。磁鐵的平移沿著Y軸進行，但與x軸的距離是變化的，展示了沿x軸不同距離的閉合點的變化，通過限制磁按鍵的移動范圍，使感應產生1個閉合點和打開點[5]。而圖中的保持范圍說明了干簧管的磁滯現象，這種現象會因為開關種類的不同而存在相當大的差異。因此，設計合適的控制距離范圍和選擇合適參數的干簧管是控制閥門定位器性能的關鍵。

3 結束語

圖4 磁按鍵電磁感應示意圖Fig.4 Schematic diagram of electromagnetic induction of magnetic key

隔爆型智能閥門定位器在可能發生爆炸的環境中是不允許打開蓋操作，傳統操作模式為在安全區域將產品調試完成后，再轉移到工作環境中，或者直接選擇帶通訊模塊的產品型號進行上位操作，這樣做不僅增加了工作量，還提高了設備成本，將電磁感應技術應用在隔爆型智能閥門定位器中，使產品具有在危險環境中進行調試和故障檢測的能力，不僅提高了生產效率，還大大減少了企業的安裝維修成本。