油化驗室鋼瓶防漏閥門控制系統設計

王 胡，陳慧如，任 凱

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

當前的閥門控制系統主要應用于重要工業生產場景。常見的有選用液壓閥門作為控制系統的執行機構，控制系統先用變頻器控制電機，由電機驅動液壓裝置，實現對閥門的控制[1]。還有針對煤礦開采企業易發生瓦斯爆炸的高危情況，對礦井的排水閥門控制系統進行設計，控制系統中增加對控制電機的電壓、電流、力矩的測量，構成閉環反饋控制系統[2]。還有針對發電廠除塵難題，設計一套基于PLC 的閥門控制系統，該控制系統具有良好的人機交互界面，可以實現人工與自動兩種模式的切換，提高了設備的利用率，且便于實現分散控制[3]。

現有的閥門控制系統多以PLC、變頻器或其他復雜的邏輯控制器為核心，解決了較為重要的工業生產環境中的閥門控制問題。現有控制系統體積龐大，造價高昂，維護更換難度較大。設計的閥門控制系統，主要應用于小型氣體鋼瓶的閥門開關，僅用少量繼電器、切換開關及小型電磁閥門設計出一種輕質、廉價的小型閥門控制系統，該系統可以實現對鋼瓶閥門的延時關閉以及忘關閉提醒功能。

1 變壓器油化學分析工作簡介

在電力系統的油化學分析工作中，其核心是分析變壓器油長期運行過程中的分解產物，這些分解產物通常包含有烴類分解物即CH4、C2H6、C2H4和C2H2，以及其他非烴類氣體H2、O2、CO和CO2。主要采用的是色譜分析法，即利用各種化學分解產物在色譜分離柱中的分離系數不同，對混合氣體進行分離定性分析[4]。整個分析過程中，對非烴類氣體H2、O2、CO 和CO2進行燃燒轉化分析，過程中會產生高溫，因此整個過程必須通入惰性氣體保護，同時推動各氣體成分在色譜儀中的流動與分離[5]。

由于色譜分析儀較為精密，為保證分析精度，在分析工作完成后，必須通以30 min 的惰性氣體，正是由于其特殊要求，多次出現工作人員在分析工作結束后忘關閉閥門的情況，這也是油化工作的痛點之一。

2 鋼瓶閥門控制系統的設計思路

變壓器油化學分析工作屬于電氣試驗的范疇，但又明顯區別于常規的電氣試驗。由于該項工作涉及到諸多化學分析的基礎知識，在操作過程中有多個氣體鋼瓶的閥門開關，稍有疏忽就會出現漏關氣體鋼瓶閥門的情況。

根據上述的油化學分析中的痛點所在，設計的閥門控制系統必須具備閥門漏氣檢測、自動關閉、以及報警提醒功能。對于漏氣的檢測主要是利用在鋼瓶漏氣時氣壓會緩慢降低，同時排氣口有氣體流過兩個物理現象，因此采用壓力傳感器與氣體流速傳感器相配合的方式；對于自動關閉閥門和報警是在壓力傳感器有信號以后同時接通電磁閥電源與報警回路。基于上述的設計構想，利用少量繼電器與開關和指示燈等，完全可以實現基本的邏輯判斷與功能執行，同時使該控制系統具備了輕量化、低成本的優點。

3 鋼瓶閥門控制系統的電路設計

基于對上述閥門控制系統，氣壓感測、自動關閉、報警提醒功能的分析。建立在簡單的繼電器以及切換開關元件的基礎上設計的各元件電路連接邏輯如圖1 所示。

圖1 電路連接邏輯

利用到常見的交直流開關電源，即直流12 V/5 V 的開關電源。該電路同時需要DC 5 V 與DC 12 V 電源，所以在選取開關電源時可以選用多種電壓兼容的型號。圖1 的上半部分為鋼瓶的漏氣檢測和報警提示電路。其工作原理是在氣體壓力開關檢測到氣體流動后，繼電器被激活，由繼電器的其他接點來啟動電磁閥門的開關以及報警提醒電路。在該電路中同時還預留遠程提醒與遠程控制模塊，為后續的智能手機遠程控制提供了可能。圖1 的下半部分是延時開閉電路，其主要特點是將延時繼電器串接電磁閥的控制回路中，延時繼電器可以設定需要的延時時間，這是實現氣體延時通入的關鍵，同時設置手動開關，利用備用電磁閥2 進行手動控制。

4 鋼瓶閥門控制系統的氣路設計

電路的設計是實現檢測、延時、關斷、報警功能。而閥門控制系統的最終目標是對鋼瓶氣體流動的按需控制，因此氣路設計是整個控制系統設計的重要組成部分。惰性氣體鋼瓶的出口處的氣路設計如圖2 所示。將主要的控制執行機構電磁閥加裝于鋼瓶出口，將控制部件安裝于色譜分析儀處，方便實現控制。特別說明圖2 中的多種顏色的箭頭狀圖形，代表的是不同型號的氣體管道的轉換接頭，淺灰色雙向、三向，直角箭頭分別代表2分外螺紋轉4 mm 穿板快插；4 mm 三通快插；2 分（1/4）外螺紋轉4 mm 直角快插。深灰色雙向箭頭代表3 mm 卡套轉4 mm穿板快插。黑色三向箭頭代表4 mm 三通快插轉2 分外螺紋。在不同應用場景下分接頭可以根據實際調整，使該氣路設計具有良好的兼容性。

圖2 氣路設計

5 控制系統部件選型與實物樣機搭建

根據控制系統的電路設計與氣路設計，元件選型及數量見表1。

由上述部件搭建控制系統的調試樣機平臺如圖3 所示。經過反復調試所構建的樣機可以實現所需的檢測，自動關閉，報警提醒的基本功能。且整體體積較小，成本較低。

圖3 控制系統的調試樣機平臺

6 結束語

在傳統工業應用場景的閥門控制系統的基礎上，針對氣體鋼瓶閥門忘關閉漏氣的情況，設計一套具有漏氣檢測、自動關閉、報警提醒功能的小型氣體閥門控制系統，該系統是傳統復雜閥門控制系統的簡化，在實現基本功能的前提下，具有輕量化、低成本的優點，構建了試驗樣機，經調試能夠很好地解決工作中的痛點。