油化验室钢瓶防漏阀门控制系统设计

王 胡，陈慧如，任 凯

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529000）

0 引言

当前的阀门控制系统主要应用于重要工业生产场景。常见的有选用液压阀门作为控制系统的执行机构，控制系统先用变频器控制电机，由电机驱动液压装置，实现对阀门的控制[1]。还有针对煤矿开采企业易发生瓦斯爆炸的高危情况，对矿井的排水阀门控制系统进行设计，控制系统中增加对控制电机的电压、电流、力矩的测量，构成闭环反馈控制系统[2]。还有针对发电厂除尘难题，设计一套基于PLC 的阀门控制系统，该控制系统具有良好的人机交互界面，可以实现人工与自动两种模式的切换，提高了设备的利用率，且便于实现分散控制[3]。

现有的阀门控制系统多以PLC、变频器或其他复杂的逻辑控制器为核心，解决了较为重要的工业生产环境中的阀门控制问题。现有控制系统体积庞大，造价高昂，维护更换难度较大。设计的阀门控制系统，主要应用于小型气体钢瓶的阀门开关，仅用少量继电器、切换开关及小型电磁阀门设计出一种轻质、廉价的小型阀门控制系统，该系统可以实现对钢瓶阀门的延时关闭以及忘关闭提醒功能。

1 变压器油化学分析工作简介

在电力系统的油化学分析工作中，其核心是分析变压器油长期运行过程中的分解产物，这些分解产物通常包含有烃类分解物即CH4、C2H6、C2H4和C2H2，以及其他非烃类气体H2、O2、CO和CO2。主要采用的是色谱分析法，即利用各种化学分解产物在色谱分离柱中的分离系数不同，对混合气体进行分离定性分析[4]。整个分析过程中，对非烃类气体H2、O2、CO 和CO2进行燃烧转化分析，过程中会产生高温，因此整个过程必须通入惰性气体保护，同时推动各气体成分在色谱仪中的流动与分离[5]。

由于色谱分析仪较为精密，为保证分析精度，在分析工作完成后，必须通以30 min 的惰性气体，正是由于其特殊要求，多次出现工作人员在分析工作结束后忘关闭阀门的情况，这也是油化工作的痛点之一。

2 钢瓶阀门控制系统的设计思路

变压器油化学分析工作属于电气试验的范畴，但又明显区别于常规的电气试验。由于该项工作涉及到诸多化学分析的基础知识，在操作过程中有多个气体钢瓶的阀门开关，稍有疏忽就会出现漏关气体钢瓶阀门的情况。

根据上述的油化学分析中的痛点所在，设计的阀门控制系统必须具备阀门漏气检测、自动关闭、以及报警提醒功能。对于漏气的检测主要是利用在钢瓶漏气时气压会缓慢降低，同时排气口有气体流过两个物理现象，因此采用压力传感器与气体流速传感器相配合的方式；对于自动关闭阀门和报警是在压力传感器有信号以后同时接通电磁阀电源与报警回路。基于上述的设计构想，利用少量继电器与开关和指示灯等，完全可以实现基本的逻辑判断与功能执行，同时使该控制系统具备了轻量化、低成本的优点。

3 钢瓶阀门控制系统的电路设计

基于对上述阀门控制系统，气压感测、自动关闭、报警提醒功能的分析。建立在简单的继电器以及切换开关元件的基础上设计的各元件电路连接逻辑如图1 所示。

图1 电路连接逻辑

利用到常见的交直流开关电源，即直流12 V/5 V 的开关电源。该电路同时需要DC 5 V 与DC 12 V 电源，所以在选取开关电源时可以选用多种电压兼容的型号。图1 的上半部分为钢瓶的漏气检测和报警提示电路。其工作原理是在气体压力开关检测到气体流动后，继电器被激活，由继电器的其他接点来启动电磁阀门的开关以及报警提醒电路。在该电路中同时还预留远程提醒与远程控制模块，为后续的智能手机远程控制提供了可能。图1 的下半部分是延时开闭电路，其主要特点是将延时继电器串接电磁阀的控制回路中，延时继电器可以设定需要的延时时间，这是实现气体延时通入的关键，同时设置手动开关，利用备用电磁阀2 进行手动控制。

4 钢瓶阀门控制系统的气路设计

电路的设计是实现检测、延时、关断、报警功能。而阀门控制系统的最终目标是对钢瓶气体流动的按需控制，因此气路设计是整个控制系统设计的重要组成部分。惰性气体钢瓶的出口处的气路设计如图2 所示。将主要的控制执行机构电磁阀加装于钢瓶出口，将控制部件安装于色谱分析仪处，方便实现控制。特别说明图2 中的多种颜色的箭头状图形，代表的是不同型号的气体管道的转换接头，浅灰色双向、三向，直角箭头分别代表2分外螺纹转4 mm 穿板快插；4 mm 三通快插；2 分（1/4）外螺纹转4 mm 直角快插。深灰色双向箭头代表3 mm 卡套转4 mm穿板快插。黑色三向箭头代表4 mm 三通快插转2 分外螺纹。在不同应用场景下分接头可以根据实际调整，使该气路设计具有良好的兼容性。

图2 气路设计

5 控制系统部件选型与实物样机搭建

根据控制系统的电路设计与气路设计，元件选型及数量见表1。

由上述部件搭建控制系统的调试样机平台如图3 所示。经过反复调试所构建的样机可以实现所需的检测，自动关闭，报警提醒的基本功能。且整体体积较小，成本较低。

图3 控制系统的调试样机平台

6 结束语

在传统工业应用场景的阀门控制系统的基础上，针对气体钢瓶阀门忘关闭漏气的情况，设计一套具有漏气检测、自动关闭、报警提醒功能的小型气体阀门控制系统，该系统是传统复杂阀门控制系统的简化，在实现基本功能的前提下，具有轻量化、低成本的优点，构建了试验样机，经调试能够很好地解决工作中的痛点。