液压控制阀开闭控制集成系统设计
作者： 李章金 马梁华摘 要： 本文研究设计的液压控制阀开闭控制系统，集成了水位精准控制模块采用压力变送器实现水位闭环控制，装置经过设计选择控制器、安装及确定控制方式等三方面构成，实现厘米级控制精度。提高了蓄水池补水液压控制的稳定性，保证了厂区供水的稳定，避免因缺水导致的设备的故障，为生产稳定性提供强有力的支持。
关键词： 液压控制阀 水位精准控制 系统集成 系统设计
中图分类号： TH137文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）03-0020-03
Design of the Integrated System for the Opening and Closing Control of Hydraulic Control Valves
LI Zhangjin MA Lianghua
Zhaotong Cigarette Factory， Hongta Tobacco （Group） Co.， Ltd.， Zhaotong， Yunnan Province， 657000 China
Abstract： This article studies and designs an opening and closing control system of hydraulic control valves， which integrates the precise water level control module， and uses the pressure transmitter to achieve closed-loop water level control. Through the design selection， installation and control mode determination of the controller， the device achieves centimeter-level control accuracy. Several on-site trial runs have shown that the system has achieved the effects of high-precision water level control， fast response speed， and safe and reliable operation， which improves the stability of hydraulic control for reservoir replenishment， ensures stable water supply in the factory area， and avoids equipment malfunctions caused by water shortage， so as to provide strong support for production stability.
Key Words： Hydraulic control valve； Accurate water level control； System integration； System design
300 m3的市政蓄水池起到昭通卷烟厂供水中转的作用，还能保证厂区供水管网水压的稳定性，满足消防用水的安全。其配套设施为一个水泵房，市政供水流经蓄水池后，用水泵抽到2 000方水池，再由2 000方水池分配至厂区各用水点。市政蓄水池供水由管径为DN200的两路供水管接入，为保持水池水位在一定区间，避免水泵干抽、烧毁电机的事故，在两路进水管道上分别安装浮球式液压水位控制阀来控制水池水位。但经运行验证其不能连续、有效地控制水池的水位，此不可靠性不但会造成水电资源浪费，严重时还会影响设备运行及生产[1]。因此，亟需解决浮球式液压水位控制阀的不可靠性。本课题分析液压水位控制阀的问题所在，研制一套补水液压控制阀开闭控制装置，通过为期一年的时间来检验其安全可靠性。
1 液压控制阀开闭控制装置研制
1.1 开闭控制装置控制精度分析
市政水池容积为V=300 m3，高H=4 000 mm，v= 0.075 m3/mm；补水流量Q=260 m3/h，q=0.072 m3/s；溢水高度hˊ=3 800 mm，水位上限h"=3 500 mm，Δh=300 mm。控制装置的快速开闭响应时间决定水位偏差Δhˊ，若Δhˊ<100 mm，则响应时间<104 s。查阅可知：电动阀响应时间15 s，Δhˊ=±14 mm；电磁阀的响应时间30 s，Δhˊ=±30 mm。说明水池水位的控制精度要求不高，控制装置电气控制可以实现。
1.2 分解方案比选
装置设计由控制器、安装及控制方式三方面构成，分别需要确定控制阀、继电器、安装方式、连接单元、水位控制方式及通信方式等具体内容。
1.2.1 控制阀选用
对工厂现有备件电动阀与电磁阀，从开关形式、工作原理、用途、单价等方面进行比较，分别进行20次试验漏液量测试，如表1所示[2]。结合现场环境与测试结果，电磁阀结构简单、成本低、控制简单、防泄漏性能优异、启闭迅速，适合用在小流量、小压力和开关频率大的地方，因此选用电磁阀。
1.2.2 继电器选用
常用的是电磁式、电子式和机械式。本文使用继电保护测试仪分别测量这三类继电器对各种回路的速断时间，如表2所示。根据表2测试数据分别绘制直方图进行分析后得出结论，如表3所示。
1.2.3 安装方式
功能方面，水池上限水位3.5±0.1 m；电动阀、电磁阀的关断时间15/30 s，可控制水位偏差在±14/30 mm；具备冗余控制功能。进行高度分析发现，浮球阀安装高度上移至3.8 m（与溢水管高度3.8 m一致），区间无缓冲区域。浮球下垂0.1 m，实际浮球位置为3.7 m。如控制水位在3.5±0.03 m，偏差上限位3.53 m，水池上限距浮球0.17 m，可以做到浮球阀只作为备用控制装置，同时装置运行正常的情况下，浮球阀不接触水面。
综上所述，得出该装置具备可靠度高，水位设定区间大，具备冗余关闭的功能等。
1.2.4 连接方式选择
本文采用L9（34）正交试验，对管材、管径、三通接头三个因素分别选取三个位极分析，选择性能合格的连接单元方案，如表4、表5所示。
比较9次测试的水流阻力，第6次试验最小，为0.21 MPa，组合为A2B3C1。对正交试验的结果进行计算后比较：对于三通接头，位极2为0.72 MPa，位极最小；对于管材，位极3为0.85 MPa，位极最小；对于管径，位极1为0.84 MPa，位极最小。因此，最优方案为A2B3C1，即4 cm2镀铬管mc4三通接头。
1.2.5 水位控制方式
基于故障率低、可靠性高、检修方便、水位观察调整方便及控制水位偏差≤100 mm的目标，对现有电极式、干簧管、电缆式水位开关及烟变送器等方式从结构、测量精度、原理、优缺点等方面分析比较，确定采用压力变送器。该方式除价格偏贵外，具备检修方便、水位限制调整方便、可显示当前液位值、抗干扰强、控制精度高等优点。
1.2.6 数据通信接口选择
选择RS485接口，其采用差分信号负逻辑，采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强。
1.3 结果测试
通过了以下测试：设计管道系统图（如图1所示）、设计电控制原理、电磁阀选型安装、电子继电器组装、控制管理改进调试、三通接头安装、电控系统安装、通信接口安装及整机组装与调试等[4]。
1.3.1 相关参数设置
蓄水池深4 000 mm对应水压40 kPa，压力变送器量程范围0～50 kPa，在智能显示报警仪上设置上下限位报警值分别为30 kPa与15 kPa，设置上下限位报警回差值用来消除报警。上下限位回差值统一设定为2 kPa，即当水池水位压力低于28 kPa时上限位报警消除，高于17 kPa时下限位报警消除。
1.3.2 调试运行流程
电磁阀正常工作时，旁通阀关闭，液压控制阀开闭由电磁阀启闭来实现，当电磁阀打开时，控制液压阀开闭的管道开始排水，进水管内有压水将液压控制阀内活塞托起，密封面打开，液压控制阀开启供水；电磁阀关闭时，管道排水关闭，活塞下移将密封面封闭，停止供水；当电磁阀故障不能正常启闭时，手动打开旁通阀，液压控制阀开闭控制由浮球阀开闭来实现[5]。测试得到水位误差柱折线图（如图2所示）。水位最大误差值均小于3 cm，该液压控制阀开闭控制装置表现优异。
2 结语
市政蓄水池补水液压控制阀开闭控制装置的研制，提高了蓄水池补水液压控制的稳定性，保证了厂区供水，避免因缺水导致的设备故障，为生产稳定性提供了强有力的支持。该装置解决了溢水事件频繁发生的问题，减少了水资源浪费。同时，装置设置在水池外部，无需检修人员进入有限空间作业，提供了一个相对安全的检维修环境，也有效提高了工作效率。
参考文献
[1]红塔烟草（集团）有限责任公司.一种液压控制阀开闭控制的装置：CN201921373085.2[P].2020-11-10.
[2]王小娟，刘俊霞，胡兵.基于模糊控制的清水池水位控制系统设计[J].计算机测量与控制，2016，24（4）： 105-107.
[3]黄美信，陈建城，于任鑫，等.输水管道泄漏智能在线监测预警系统设计及实现[J].福建水力发电，2021（1）：58-61，64.
[4]侯英娜，黄国庆，费霞丽，等.基于管网实时在线模型的爆管预警应用[J].净水技术，2023，42（8）：190-197.
[5]程伟平.供水管网爆管监测体系研究[J].给水排水， 2021，57（8）：145-153.