浅谈阀门限位开关的设计与应用

汪肢因

（重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400700）

阀门限位开关是自控系统中检测阀门状态的一种现场仪表，用以将阀门的开启或关闭位置以开关量（触电）的信号输出，被程控器接受或计算机寻访采样，确认后执行下一程序。也可以作为自系统中重要阀门联锁保护及远程报警指示之用。

在过程自动化应用中，阀门位置检测传感器是标准气动执行机构的典型解决方案。在当今阀门自动化市场，结构紧凑、安装方便的直接安装型解决方案变得愈加流行。直接安装型阀位传感器降低了对安装空间的要求，可以确保可靠的检测距离，并且使阀门位置监控变得简单、精确。

1 阀门限位开关的技术要求及结构设计、特点

阀门限位开关采用的结构形式多种多样，它的技术要求，一般包括：

1）开关盒内置开关种类，一般可分为无源式开关和有源式开关。

2）防爆等级，根据应用场所不同可分为：防爆型和非防爆型。其中防爆型主要采用本质安全防爆和隔爆防爆两种方式。

3）防护等级。

4）环境温度。

5）开关盒材料。

6）开关数量。

7）触电形式。

8）触点容量。

9）电气接口。

如图1所示，本文介绍的阀门限位开关总体结构由开关盒（1、2）、内置开关3、感应零部件4、传动零件5、电气接口6、就地显示部件8和O形圈组成。

图1 结构示意图Fig.1 Structural diagram

其特点如下：

1）采用两个两线制的感应式接近开关。

2）开关盒采用隔爆方式防爆。

3）防护等级达到IP67。

4）能满足恶劣的环境温度要求，如：-40℃～+80℃。

5）开关盒采用压铸铝合金壳体。

6）凸轮上嵌入感应金属片，“快速位置”凸轮，不用工具即可进行快速调整。

7）双线接口，满足多种电缆接口标准。

8）此阀门限位开关小巧，且接线腔空间大。

9）采用多接点接线端子排，并有额外接线位置。电磁阀的接线可在壳体内，减少现场的走线，提高现场的整洁度。

2 内置限位开关种类

2.1 无源式开关

传统的阀门限位开关，采用无源触点的机械式开关。它在工作时，其内部没有任何形式的电源存在，无需外加电源即可在有信号时工作。常见有直动式开关、滚轮式开关、微动式开关。开关形式通常为：单刀双掷SPDT、单刀单掷SPST、双刀双掷DPDT。实际上，一般机械式开关输出电流大，通常交/直流两用，但触点间距小、动作行程短，内置簧片及组成单元可动部件较多，当用于恶劣工况或运用现场管道振动较明显的场合，易受机械振动，具有开关量响应滞后或间续传递的隐患现象。经常用于非防爆或有隔爆要求的场合。常用品牌：霍尼韦尔Honeywell、美国艾默生TopWorx、德国西锁Westlock等。

单刀单掷SPST无源式开关工作原理示意图如图2所示。

图2 单刀单掷SPST无源式开关工作原理示意图Fig.2 Diagram of passive switching operation

图3 电感式接近开关原理图Fig.3 Schematic diagram of inductive proximity switch

2.2 有源式开关

有源式开关在工作时，其内部有电源存在，除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。常见的有源式开关有：电感式接近开关、电容式接近开关和磁式接近开关。其中电感式接近开关是目前阀门开关位置检测的传感器其中使用最多的一类。它主要由3大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测目的。

具有非接触发、可在不同的检测距离内动作，发出的信号稳定无脉动、动作稳定可靠、重复定位精度高以及适用于苛刻环境条件等特点，是阀位开关位置检测的理想内置元件之一，本文以电感式有源开关为例。电感式接近开关原理图如图3所示。

一般情况下，电感式感应开关还具有以下特点：

1）符合NAMER标准，最大限度地提高互换性。

2）具有本质安全防爆认证。

3）具有功能安全SIL认证。

4）满足高温、低温使用环境。

5）内部采用环氧树脂灌封成一体，能在各类恶劣环境下可靠工作。

NAMURA是“德国测量与控制标准委员会”制定的一项标准，是倍加福（P+F）提出的，以它为标准制定的。现在很多安全栅厂家和PLC厂家的I/O模块都支持它。

结合上述内置开关的特点，不难看出机械式阀门限位开关属于微动开关进行机械撞击，输出电流大并交/直流两用。而电感式开关，输出电流小，通常为直流，工作寿命高于机械式限位开关，两种限位开关都能满足大多数的实际现场要求，但在化工生产现场或周围环境可能存在腐蚀气体的场所，机械式开关易受环境气体的影响及金属碰撞的影响，相对寿命缩短。即此类运用推荐选择感应式开关。另外限位开关的运用选择还应依据现场有无防爆要求，防护等级要求多少，电缆接口尺寸，明确需有源触点或无源触点，以及提供电压等级条件。

需要注意的是，在选用接近开关的前提下在设计时需要考虑最小间隙，接近开关应不能相互干扰。因此，两个接近开关之间必须要保持一个最小距离。

3 制造工艺分析

如图1所示，文章介绍的阀门限位开关隔爆形式采用平面隔爆。

1）失效问题

限位开关里面的O形圈老化失效，会造成限位开关达不到IP67的防护要求。

2）关键零件加工

其中上盖、主体、主轴的隔爆面属于关键加工位置。按照GB/T3638.2-2010《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》的要求根据腔体内体积的大小，上盖与主体的平面隔爆处要求，最大间隙：0.10mm；隔爆接合面长度：L≥9.5mm；粗糙度：1.6。主体与主轴之间的圆柱隔爆面尺寸要求：L≥12.5mm，粗糙度：1.6。

3）符合NAMUR安装标准

内置不锈钢轴及安装支架，其设计及制造符合NAMUR标准，为实现连接尺寸配套统一，配套运用时，需明确配置执行机构顶装的螺栓孔距和输出轴的高度。

4 参与控制系统

阀门限位开关现场使用的工作原理：阀门限位开关检测阀位转角位移，通过同轴连接件或反馈杆传动轴产生旋转，让金属片感应电感式接近开关，从而使开关组件的触点闭合或断开，通过接线端子向外部传送开关量信号，并通过指示器就地显示，参与系统的联锁动作。阀门限位开关参与控制系统示意图，如图4所示。

如图5所示，电感式开关型号：NCN3-F31K-N4与安全栅型号：KFD2-SR2-Ex2.W、控制系统DCS对应接线图。

一般故障情况：电感式的阀门限位开关是本质安全防爆产品，在现场需要配套使用安全隔离栅。否则，过大的电压会造成感应式接近开关烧坏，导致阀门限位开关无法使用。

图4 阀门限位开关参与控制系统示意图Fig.4 Schematic diagram of valve limit switch participating in control system

图5 详细接线图Fig.5 Detailed wiring diagram

5 结束语

在自动控制系统中，阀门限位开关作为阀门的基础配件，通过与阀门连接杆（轴）触发信号的转换，可靠的控制和监测阀门整机运动位置或行程，实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。它的工作原理简单，可靠性是未来发展的方向。