智能定位器對(duì)蝶閥流量特性的校正及在V型濾池的應(yīng)用

    1濾后水調(diào)節(jié)閥的工作原理

   V型濾池是采用恒水位過濾控制方式運(yùn)行的，圖1顯示了恒水位過濾的工作過程。過濾時(shí)通過超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濾池的水位變化，根據(jù)水位的變化控制濾后水調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到恒水位控制的目的。該水廠濾池的工作液位為石英砂以上1.20m，液位計(jì)顯示此液位值為2.40m。當(dāng)濾池液位上升（>2.40m）或下降時(shí)（<2.40m），通過PID運(yùn)算使濾后水調(diào)節(jié)閥開啟度增大或減小，使濾床之上的水位保持恒定（穩(wěn)定在2.40m）。可以看出，濾后水調(diào)節(jié)閥及閥門定位器是水??濾池穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。濾后水調(diào)節(jié)閥的這種工作方式，決定了閥門頻繁動(dòng)作的特性，這就要求進(jìn)一步提高技術(shù)水平和延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

圖1 恒水位過濾“液位計(jì)—濾后水調(diào)節(jié)閥”PID調(diào)節(jié)示意圖

    2 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

    在實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)濾后水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 濾后水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻率統(tǒng)計(jì)圖

   在此工況下，濾池液位的恒定效果比較好（±1.8cm）。在15min內(nèi)閥門動(dòng)作了85次，動(dòng)作頻率高達(dá)5.7次/min，每天動(dòng)作8160次，動(dòng)作角行程為1102°，按照這個(gè)動(dòng)作頻率計(jì)算，該閥門相當(dāng)于每天全開、全關(guān)1057次。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，這種頻繁動(dòng)作對(duì)閥門的損傷是非常大的。水廠運(yùn)行不到半年，閥門各部分構(gòu)件均出現(xiàn)了不同程度的磨損，驅(qū)動(dòng)蝶閥的雙作用氣缸的缸體橡膠密封圈2個(gè)多月就出現(xiàn)磨損并開始泄漏，繼續(xù)運(yùn)行到3個(gè)月時(shí)，氣缸的動(dòng)作就變得緩慢，必須更換橡膠圈才能恢復(fù)使用；而蝶
閥閥體本身的磨損也較嚴(yán)重，閥門轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，長(zhǎng)期這樣運(yùn)行將很快損壞。

    3蝶閥流量特性曲線在液位調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

    3.1蝶閥使用狀態(tài)下流量特性曲線的測(cè)量

   使用的蝶閥公稱直徑為DN350，為了解閥門在實(shí)際使用狀態(tài)下的流量特性，實(shí)地測(cè)定了安裝后蝶閥的流量特性曲線。采用的方法是：通過定位器將閥門的開啟度設(shè)定在某一數(shù)值（如5%、10%），測(cè)定液位從2.60～2.40m下降的時(shí)間，通過體積變化計(jì)算出該開啟度下的流量，然后改變閥門開啟度，采用同樣的方法測(cè)量從5%～100%的流量，繪制成如圖3所示的蝶閥在使用狀態(tài)下的流量特性曲線。

圖3 蝶閥流量特性曲線

    3.2智能型閥門定位器對(duì)流量曲線的校正

   對(duì)于V型濾池來(lái)說(shuō)，采用PID控制方式對(duì)蝶閥進(jìn)行開度調(diào)節(jié)可以達(dá)到恒定液位的目的，而PID控制是典型的線性調(diào)節(jié)，但從實(shí)際所測(cè)得的流量特性曲線來(lái)看，蝶閥實(shí)際工作狀態(tài)的特性為快開，主要工作范圍為10%～50%，在此區(qū)段蝶閥的開啟度變化40%，流量變化57.2%，這會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的超調(diào)，即其流量特性的畸變是比較嚴(yán)重的。對(duì)于PID調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，蝶閥理想的工作特性曲線應(yīng)該是直線，但目前因?yàn)殚y門的流量特性畸變，直接影響了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。閥門流量特性的畸變使控制系統(tǒng)的輸出變得不可預(yù)計(jì)，因此有必要對(duì)蝶閥的畸變進(jìn)行校正，而該水廠采用了西門子的智能型電氣閥門定位器，具有對(duì)閥門流量特性校正的功能。在其功能菜單中，SL0～SL20可以設(shè)定數(shù)值轉(zhuǎn)折點(diǎn)，每個(gè)設(shè)定點(diǎn)可以從5%的行程上賦予流量特性值。這些點(diǎn)組成一個(gè)多邊形，共由20條直線組成，從而導(dǎo)出一個(gè)理想的閥門特性曲線。采用這種方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)閥門流量特性的畸變進(jìn)行補(bǔ)償，如表1所示。

表1 采用智能定位器對(duì)蝶閥流量特性的校正（實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)）

續(xù)表1

   表1的畸變補(bǔ)償方式，在定位器得到PLC給定的開度信號(hào)后，通過儲(chǔ)存在智能定位器中的理想狀態(tài)閥門流量特性曲線數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換得到相對(duì)應(yīng)的理想相對(duì)流量，再據(jù)此算出實(shí)際需要的開度行程信號(hào)控制蝶閥，這樣由PLC給定的閥門相對(duì)開度與蝶閥的實(shí)際輸出流量校正為直線的關(guān)系，如圖3所示。

    3.3閥門調(diào)節(jié)性能的綜合優(yōu)化

   采取上述措施后，對(duì)PLC編程軟件進(jìn)行了優(yōu)化，認(rèn)識(shí)到在維持濾池恒水位的基礎(chǔ)上降低閥體動(dòng)作頻率是解決問題的*根本方法。對(duì)PID調(diào)節(jié)后的輸出增加了一些限制條件：

    ①原恒水位穩(wěn)定帶設(shè)定為±2cm，為使恒水位過濾達(dá)到一定精度，同時(shí)又不使出水比例閥頻繁動(dòng)作，將恒水位穩(wěn)定帶調(diào)整為±5cm；
    ② 增大PID調(diào)節(jié)的死區(qū)，當(dāng)濾池液位在設(shè)定液位的±3cm內(nèi)波動(dòng)時(shí)，不輸出閥門動(dòng)作指令；
    ③ 當(dāng)P ID運(yùn)算后，閥門動(dòng)作幅度<3°時(shí)，不輸出閥門動(dòng)作指令；
    ④調(diào)整PID的各項(xiàng)系數(shù)，減小比例項(xiàng)常數(shù)，增大積分項(xiàng)常數(shù)，減小閥門的動(dòng)作幅度，也降低閥門動(dòng)作的靈敏度，反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整尋找合適的參數(shù)；
    ⑤ 降低閥門動(dòng)作指令的輸出頻率，上述情況下每30s輸出一次PID指令；
    ⑥ 如果水位變化在±5cm以外，每5s輸出一次PID指令。

   通過采取以上的綜合處理與優(yōu)化措施，大幅減少了濾后水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作頻率，調(diào)整后該閥門每天動(dòng)作不足1000次，半年多來(lái)的使用證明，其故障率大大降低，穩(wěn)定性能提高很多。

    4 結(jié)語(yǔ)

   綜上所述，為減少濾后水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作頻率，測(cè)量了蝶閥在V型濾池使用工況下的流量特性曲線，通過西門子智能型閥門定位器對(duì)蝶閥流量特性曲線進(jìn)行校正，并結(jié)合PLC編程軟件的優(yōu)化，將V型濾池濾后水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作頻率從8000次/d減少至1000次/d以下，水位的變化在±5cm左右，大大降低了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了閥門使用壽命，提高了供水穩(wěn)定性。