淺談閥門限位開關(guān)的設計與應用

汪肢因

（重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400700）

閥門限位開關(guān)是自控系統(tǒng)中檢測閥門狀態(tài)的一種現(xiàn)場儀表，用以將閥門的開啟或關(guān)閉位置以開關(guān)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(zhí)行下一程序。也可以作為自系統(tǒng)中重要閥門聯(lián)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(zhí)行機構(gòu)的典型解決方案。在當今閥門自動化市場，結(jié)構(gòu)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?？煽康臋z測距離，并且使閥門位置監(jiān)控變得簡單、精確。

1 閥門限位開關(guān)的技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)設計、特點

閥門限位開關(guān)采用的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，它的技術(shù)要求，一般包括：

1）開關(guān)盒內(nèi)置開關(guān)種類，一般可分為無源式開關(guān)和有源式開關(guān)。

2）防爆等級，根據(jù)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(zhì)安全防爆和隔爆防爆兩種方式。

3）防護等級。

4）環(huán)境溫度。

5）開關(guān)盒材料。

6）開關(guān)數(shù)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(guān)總體結(jié)構(gòu)由開關(guān)盒（1、2）、內(nèi)置開關(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)。

2）開關(guān)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(huán)境溫度要求，如：-40℃～+80℃。

5）開關(guān)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(diào)整。

7）雙線接口，滿足多種電纜接口標準。

8）此閥門限位開關(guān)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(nèi)，減少現(xiàn)場的走線，提高現(xiàn)場的整潔度。

2 內(nèi)置限位開關(guān)種類

2.1 無源式開關(guān)

傳統(tǒng)的閥門限位開關(guān)，采用無源觸點的機械式開關(guān)。它在工作時，其內(nèi)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(guān)、滾輪式開關(guān)、微動式開關(guān)。開關(guān)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(guān)輸出電流大，通常交/直流兩用，但觸點間距小、動作行程短，內(nèi)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(xiàn)場管道振動較明顯的場合，易受機械振動，具有開關(guān)量響應滯后或間續(xù)傳遞的隱患現(xiàn)象。經(jīng)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(guān)工作原理示意圖如圖2所示。

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

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

2.2 有源式開關(guān)

有源式開關(guān)在工作時，其內(nèi)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(guān)有：電感式接近開關(guān)、電容式接近開關(guān)和磁式接近開關(guān)。其中電感式接近開關(guān)是目前閥門開關(guān)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(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)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(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式檢測目的。

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

一般情況下，電感式感應開關(guān)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(zhì)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(huán)境。

5）內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂灌封成一體，能在各類惡劣環(huán)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?，F(xiàn)在很多安全柵廠家和PLC廠家的I/O模塊都支持它。

結(jié)合上述內(nèi)置開關(guān)的特點，不難看出機械式閥門限位開關(guān)屬于微動開關(guān)進行機械撞擊，輸出電流大并交/直流兩用。而電感式開關(guān)，輸出電流小，通常為直流，工作壽命高于機械式限位開關(guān)，兩種限位開關(guān)都能滿足大多數(shù)的實際現(xiàn)場要求，但在化工生產(chǎn)現(xiàn)場或周圍環(huán)境可能存在腐蝕氣體的場所，機械式開關(guān)易受環(huán)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(guān)。另外限位開關(guān)的運用選擇還應依據(jù)現(xiàn)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(guān)的前提下在設計時需要考慮最小間隙，接近開關(guān)應不能相互干擾。因此，兩個接近開關(guān)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(guān)隔爆形式采用平面隔爆。

1）失效問題

限位開關(guān)里面的O形圈老化失效，會造成限位開關(guān)達不到IP67的防護要求。

2）關(guān)鍵零件加工

其中上蓋、主體、主軸的隔爆面屬于關(guān)鍵加工位置。按照GB/T3638.2-2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》的要求根據(jù)腔體內(nèi)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(nèi)置不銹鋼軸及安裝支架，其設計及制造符合NAMUR標準，為實現(xiàn)連接尺寸配套統(tǒng)一，配套運用時，需明確配置執(zhí)行機構(gòu)頂裝的螺栓孔距和輸出軸的高度。

4 參與控制系統(tǒng)

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

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

一般故障情況：電感式的閥門限位開關(guān)是本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，在現(xiàn)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(guān)燒壞，導致閥門限位開關(guān)無法使用。

圖4 閥門限位開關(guān)參與控制系統(tǒng)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(jié)束語

在自動控制系統(tǒng)中，閥門限位開關(guān)作為閥門的基礎(chǔ)配件，通過與閥門連接桿（軸）觸發(fā)信號的轉(zhuǎn)換，可靠的控制和監(jiān)測閥門整機運動位置或行程，實現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測。它的工作原理簡單，可靠性是未來發(fā)展的方向。