Siłownik zaworu
Siłownik zaworu to mechanizm otwierania i zamykania zaworu . Zawory obsługiwane ręcznie wymagają obecności osoby, która będzie je regulować za pomocą mechanizmu bezpośredniego lub przekładniowego przymocowanego do trzpienia zaworu. Siłowniki napędzane mechanicznie, wykorzystujące ciśnienie gazu, ciśnienie hydrauliczne lub energię elektryczną, umożliwiają zdalną regulację zaworu lub umożliwiają szybką obsługę dużych zaworów. Siłowniki zaworów z napędem mechanicznym mogą być końcowymi elementami automatycznej pętli sterującej, która automatycznie reguluje jakiś przepływ, poziom lub inny proces. Siłowniki mogą służyć tylko do otwierania i zamykania zaworu lub mogą umożliwiać ustawienie pośrednie; niektóre siłowniki zaworów zawierają przełączniki lub inne sposoby zdalnego wskazywania położenia zaworu.
Wykorzystywane do automatyzacji zaworów przemysłowych siłowniki można znaleźć we wszelkiego rodzaju zakładach przetwórczych. Są stosowane w oczyszczalniach ścieków, elektrowniach , rafineriach , procesach wydobywczych i jądrowych, fabrykach żywności i rurociągach. Siłowniki zaworów odgrywają główną rolę w automatyzacji sterowania procesami . Zawory, które mają być zautomatyzowane, różnią się zarówno konstrukcją, jak i wymiarami. Średnice zaworów wahają się od jednej dziesiątej cala do kilku stóp.
typy
Typowe typy siłowników to: ręczne, pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i sprężynowe.
podręcznik
Siłownik ręczny wykorzystuje dźwignie, koła zębate lub koła do poruszania trzpieniem zaworu w określony sposób. Siłowniki ręczne są napędzane ręcznie. Siłowniki ręczne są niedrogie, zazwyczaj samodzielne i łatwe w obsłudze przez człowieka. Jednak niektórych dużych zaworów nie można obsługiwać ręcznie, a niektóre zawory mogą znajdować się w odległych, toksycznych lub nieprzyjaznych środowiskach, które w pewnych warunkach uniemożliwiają obsługę ręczną. Ze względów bezpieczeństwa niektóre sytuacje mogą wymagać szybszego działania niż ręczne siłowniki w celu zamknięcia zaworu.
Pneumatyczny
Ciśnienie powietrza (lub innego gazu) jest źródłem zasilania pneumatycznych siłowników zaworów. Stosowane są na zaworach liniowych lub ćwierćobrotowych. Ciśnienie powietrza działa na tłok lub membranę mieszka, tworząc siłę liniową na trzpieniu zaworu. Alternatywnie, ćwierćobrotowy siłownik typu łopatkowego wytwarza moment obrotowy, aby zapewnić ruch obrotowy w celu obsługi zaworu ćwierćobrotowego. Siłownik pneumatyczny może być ustawiony tak, aby był zamykany lub otwierany sprężyną, przy czym ciśnienie powietrza pokonuje sprężynę, aby zapewnić ruch. Siłownik „dwustronnego działania” wykorzystuje powietrze doprowadzane do różnych wlotów, aby przesunąć zawór w kierunku otwierania lub zamykania. Centralny system sprężonego powietrza może zapewnić czyste, suche, sprężone powietrze potrzebne do siłowników pneumatycznych. W niektórych typach, na przykład reduktorach sprężonego gazu, ciśnienie zasilania jest dostarczane ze strumienia gazu procesowego, a gaz odlotowy jest odprowadzany do powietrza lub odprowadzany do rurociągów procesowych o niższym ciśnieniu.
Hydrauliczny
Siłowniki hydrauliczne przekształcają ciśnienie płynu w ruch. Podobnie jak siłowniki pneumatyczne, stosowane są na zaworach liniowych lub ćwierćobrotowych. Ciśnienie płynu działające na tłok zapewnia liniowy nacisk na zasuwy lub zawory kulowe. Siłownik ćwierćobrotowy wytwarza moment obrotowy, który zapewnia ruch obrotowy w celu obsługi zaworu ćwierćobrotowego. Większość typów siłowników hydraulicznych może być wyposażona w funkcje zabezpieczające przed awarią, umożliwiające zamykanie lub otwieranie zaworu w sytuacjach awaryjnych. Ciśnienie hydrauliczne może być dostarczane przez niezależną hydrauliczną pompę ciśnieniową. W niektórych zastosowaniach, takich jak przepompownie wody, płyn procesowy może zapewniać ciśnienie hydrauliczne, chociaż siłowniki muszą być wykonane z materiałów kompatybilnych z płynem.
Elektryczny
Siłownik elektryczny wykorzystuje silnik elektryczny do dostarczania momentu obrotowego do obsługi zaworu. Są ciche, nietoksyczne i energooszczędne. Musi być jednak dostępna energia elektryczna, co nie zawsze ma miejsce, mogą też działać na baterie.
Wiosna
Siłowniki sprężynowe powstrzymują sprężynę. Po wykryciu jakiejkolwiek anomalii lub utracie zasilania sprężyna zostaje zwolniona, uruchamiając zawór. Mogą działać tylko raz, bez resetowania, dlatego są używane do celów jednorazowego użytku, takich jak sytuacje awaryjne. Mają tę zaletę, że nie wymagają silnego zasilania elektrycznego do poruszania zaworem, dzięki czemu mogą działać z ograniczonej mocy baterii lub automatycznie, gdy całe zasilanie zostanie utracone.
Ruch siłownika
_and_with_Linear_Pneumatic_Actuator_(R).jpg)
Siłownik liniowy otwiera i zamyka zawory, którymi można sterować siłą liniową, rodzaj nazywany czasem zaworem „wznoszącym się trzpieniem”. Te typy zaworów obejmują zawory kulowe, zawory kulowe z wznoszącym się trzpieniem, zawory regulacyjne i zasuwy. Dwa główne typy siłowników liniowych to membranowe i tłokowe.
Siłowniki membranowe są wykonane z okrągłego kawałka gumy i ściśnięte wokół jego krawędzi między dwiema stronami cylindra lub komory, co umożliwia wejście ciśnienia powietrza z każdej strony popychając kawałek gumy w jednym lub drugim kierunku. Pręt jest połączony ze środkiem membrany tak, że porusza się on pod wpływem nacisku. Pręt jest następnie połączony z trzpieniem zaworu, co pozwala zaworowi doświadczyć ruchu liniowego, otwierając się lub zamykając. Siłownik membranowy jest przydatny, gdy ciśnienie zasilania jest umiarkowane, a wymagany skok i siła zaworu są niskie.
Siłowniki tłokowe wykorzystują tłok, który porusza się wzdłuż cylindra. Tłoczysko przenosi siłę działającą na tłok na trzpień zaworu. Siłowniki tłokowe umożliwiają wyższe ciśnienie, większy zakres skoku i większe siły ciągu niż siłowniki membranowe.
Sprężyna służy do zapewnienia określonego zachowania w przypadku utraty mocy. Jest to ważne w przypadku incydentów związanych z bezpieczeństwem i czasami jest czynnikiem decydującym o specyfikacjach. Przykładem utraty zasilania jest wyłączenie sprężarki powietrza (głównego źródła sprężonego powietrza dostarczającego płyn do siłownika). Jeśli wewnątrz siłownika znajduje się sprężyna, spowoduje ona otwarcie lub zamknięcie zaworu i pozostanie w tej pozycji podczas przywracania zasilania. Siłownik może być określony jako „otwarcie awaryjne” lub „zamknięcie awaryjne”, aby opisać jego zachowanie. W przypadku siłownika elektrycznego utrata zasilania spowoduje zatrzymanie zaworu, chyba że istnieje rezerwowe źródło zasilania.
Typowym przedstawicielem zaworów, które mają być zautomatyzowane, jest zawór regulacyjny grzybkowy. Tak jak korek w wannie jest wciskany do odpływu, tak korek jest wciskany w gniazdo korka ruchem skokowym. Ciśnienie czynnika oddziałuje na grzybek, podczas gdy jednostka dociskowa musi zapewnić taką samą siłę ciągu, aby móc utrzymać i przesunąć grzybek wbrew temu ciśnieniu.
Cechy siłownika elektrycznego
Silnik (1)
Jako siłę napędową najczęściej stosuje się solidne asynchroniczne silniki trójfazowe prądu przemiennego, w niektórych zastosowaniach stosuje się również jednofazowe silniki prądu przemiennego lub prądu stałego. Silniki te są specjalnie przystosowane do automatyzacji zaworów, ponieważ zapewniają wyższy moment obrotowy od zatrzymania niż porównywalne silniki konwencjonalne, co jest niezbędnym wymogiem do usunięcia zakleszczonych zaworów. Oczekuje się, że siłowniki będą działać w ekstremalnych warunkach otoczenia, jednak generalnie nie są one używane do pracy ciągłej, ponieważ nagrzewanie się silnika może być nadmierne.
Czujniki krańcowe i momentu obrotowego (2)
Wyłączniki krańcowe sygnalizują osiągnięcie pozycji krańcowej. Wyłącznik momentu obrotowego mierzy moment obrotowy obecny w zaworze. Przekroczenie ustawionego limitu jest sygnalizowane w ten sam sposób. Siłowniki są często wyposażone w zdalny nadajnik położenia, który wskazuje położenie zaworu w postaci ciągłego 4-20mA .
Przekładnia (3)
Często przekładnia ślimakowa jest używana do zmniejszenia wysokiej prędkości wyjściowej silnika elektrycznego. Umożliwia to wysokie przełożenie redukcyjne w przekładni , co prowadzi do niskiej sprawności, która jest pożądana dla siłowników. Przekładnia jest więc samoblokująca, tzn. działająca na element zamykający zaworu zapobiega przypadkowej i niepożądanej zmianie położenia zaworu.
Mocowanie zaworu (4)
Mocowanie zaworu składa się z dwóch elementów. Po pierwsze: Kołnierz używany do trwałego połączenia siłownika z odpowiednikiem po stronie zaworu. Im wyższy moment obrotowy do przeniesienia, tym większy wymagany kołnierz.
Po drugie: typ napędu wyjściowego używanego do przenoszenia momentu obrotowego lub nacisku z siłownika na wałek zaworu. Tak jak istnieje wiele zaworów, istnieje również wiele przystawek do zaworów.
Wymiary i wykonanie kołnierza montażowego armatury oraz przyłączy armatury określa norma EN ISO 5210 dla napędów wieloobrotowych lub EN ISO 5211 dla napędów niepełnoobrotowych. Konstrukcja przyłączy zaworów do siłowników liniowych jest zasadniczo oparta na normie DIN 3358.
Obsługa ręczna (5)
W wersji podstawowej większość siłowników elektrycznych jest wyposażona w pokrętło do obsługi siłowników podczas rozruchu lub awarii zasilania. Koło ręczne nie porusza się podczas pracy silnika.
Elektroniczne ograniczniki momentu obrotowego nie działają podczas obsługi ręcznej. Mechaniczne ograniczniki momentu obrotowego są powszechnie stosowane w celu zapobiegania przeciążeniu momentu obrotowego podczas obsługi ręcznej.
Sterowanie siłownikiem (6)
Zarówno sygnały siłownika, jak i polecenia operacyjne DCS są przetwarzane w sterowaniu siłownika. Zadanie to może w zasadzie zostać przejęte przez sterowanie zewnętrzne, np. PLC . Nowoczesne siłowniki zawierają zintegrowane elementy sterujące, które lokalnie przetwarzają sygnały bez żadnych opóźnień. Sterowanie obejmuje również aparaturę rozdzielczą wymaganą do sterowania silnikiem elektrycznym. Mogą to być styczniki nawrotne lub tyrystory które jako element elektryczny nie podlegają zużyciu mechanicznemu. Sterowanie wykorzystuje rozdzielnicę do włączania i wyłączania silnika elektrycznego w zależności od obecnych sygnałów lub poleceń. Kolejnym zadaniem elementów sterujących siłownika jest dostarczanie do DCS sygnałów zwrotnych, np. po osiągnięciu położenia krańcowego zaworu.
Podłączenie elektryczne (7)
Przewody zasilające silnika oraz przewody sygnałowe służące do przesyłania poleceń do siłownika i wysyłania sygnałów zwrotnych o stanie siłownika są podłączone do przyłącza elektrycznego. Przyłącze elektryczne może być wykonane jako oddzielnie plombowana zatyczka zaciskowa lub złącze wtykowe. W celach konserwacyjnych okablowanie powinno być łatwe do odłączania i ponownego podłączania.
Połączenie magistrali komunikacyjnej (8)
Fieldbus jest coraz częściej wykorzystywana do transmisji danych w aplikacjach automatyzacji procesów. Dzięki temu napędy elektryczne mogą być wyposażone we wszystkie popularne interfejsy magistrali komunikacyjnej stosowane w automatyce procesowej. Do podłączenia przewodów danych magistrali komunikacyjnej wymagane są specjalne połączenia.
Funkcje
Automatyczne wyłączanie w pozycjach krańcowych
Po otrzymaniu polecenia zadziałania siłownik przesuwa zawór w kierunku OTWARTY lub ZAMKNIĘTY. Po osiągnięciu pozycji krańcowej uruchamiana jest procedura automatycznego wyłączania. Można zastosować dwa zasadniczo różne mechanizmy wyłączania. Sterowniki wyłączają siłownik, gdy tylko zostanie osiągnięty ustawiony punkt zadziałania. Nazywa się to limitem miejsc siedzących. Istnieją jednak typy zaworów, w przypadku których element zamykający musi zostać przesunięty w położenie końcowe z określoną siłą lub określonym momentem obrotowym, aby zapewnić szczelne uszczelnienie zaworu. Nazywa się to osadzeniem momentu obrotowego. Sterowniki są zaprogramowane tak, aby zapewnić wyłączenie siłownika po przekroczeniu ustawionej granicy momentu obrotowego. Pozycja krańcowa sygnalizowana jest wyłącznikiem krańcowym.
Funkcje bezpieczeństwa
Wyłącznik momentu obrotowego służy nie tylko do wyłączania momentu obrotowego w położeniu krańcowym, ale służy również jako zabezpieczenie przed przeciążeniem na całym skoku i chroni zawór przed nadmiernym momentem obrotowym. Jeżeli na element zamykający w położeniu pośrednim zadziała nadmierny moment obrotowy, np. z powodu uwięzionego przedmiotu, wyłącznik momentu zadziała po osiągnięciu ustawionego momentu wyłączającego. W tej sytuacji pozycja krańcowa nie jest sygnalizowana przez wyłącznik krańcowy. Sterowanie może zatem rozróżnić normalne zadziałanie wyłącznika momentu obrotowego w jednym z położeń krańcowych i wyłączenie w położeniu pośrednim z powodu nadmiernego momentu obrotowego.
Czujniki temperatury są wymagane do ochrony silnika przed przegrzaniem. W przypadku niektórych aplikacji innych producentów monitorowany jest również wzrost prądu silnika. Wyłączniki termiczne lub termistory PTC wbudowane w uzwojenia silnika w większości niezawodnie spełniają to zadanie. Wyzwalają się, gdy temperatura graniczna zostanie przekroczona, a elementy sterujące wyłączają silnik.
Funkcje kontroli procesu
W związku z postępującą decentralizacją w technice automatyzacji oraz wprowadzeniem mikroprocesorów coraz więcej funkcji zostało przeniesionych z DCS na urządzenia obiektowe. Ilość przesyłanych danych została odpowiednio zmniejszona, w szczególności dzięki wprowadzeniu technologii Fieldbus. Rozwój ten ma również wpływ na siłowniki elektryczne, których funkcje zostały znacznie rozszerzone. Najprostszym przykładem jest regulacja położenia. Nowoczesne pozycjonery są wyposażone w funkcję samoadaptacji, tj. zachowanie pozycjonowania jest monitorowane i stale optymalizowane za pomocą parametrów sterownika.
Tymczasem siłowniki elektryczne wyposażane są w pełnowartościowe regulatory procesowe (regulatory PID). Szczególnie w przypadku instalacji zdalnych, np. sterowania przepływem do podwyższonego zbiornika, siłownik może przejąć zadania sterownika PLC, który w innym przypadku musiałby być dodatkowo zainstalowany.
Diagnoza
Nowoczesne siłowniki posiadają rozbudowane funkcje diagnostyczne, które mogą pomóc w ustaleniu przyczyny awarii. Rejestrują również dane operacyjne. Badanie zarejestrowanych danych pozwala na optymalizację pracy poprzez zmianę parametrów oraz zmniejszenie zużycia zarówno siłownika jak i zaworu.
Rodzaje obowiązków
Obowiązek otwórz-zamknij
Jeśli zawór jest używany jako zawór odcinający, będzie on albo otwarty, albo zamknięty, a pozycje pośrednie nie będą utrzymywane...
Obowiązek pozycjonowania
Najazdy na zdefiniowane pozycje pośrednie są wykonywane w celu ustawienia statycznego przepływu przez rurociąg. Obowiązują takie same limity czasu pracy, jak w trybie otwarte-zamknięte.
Obowiązek modulujący
Najbardziej charakterystyczną cechą aplikacji z pętlą zamkniętą jest to, że zmieniające się warunki wymagają częstej regulacji siłownika, na przykład w celu ustawienia określonego natężenia przepływu. Wrażliwe aplikacje z zamkniętą pętlą wymagają regulacji w odstępach kilku sekund. Wymagania stawiane siłownikowi są wyższe niż w trybie otwórz-zamknij lub w trybie pozycjonowania. Konstrukcja siłownika musi być w stanie wytrzymać dużą liczbę uruchomień bez pogorszenia dokładności sterowania.
Warunki serwisu
Siłowniki są określane na żądaną żywotność i niezawodność dla danego zestawu warunków pracy aplikacji. Oprócz obciążenia statycznego i dynamicznego oraz czasu reakcji wymaganego dla zaworu, siłownik musi wytrzymać zakres temperatur, środowisko korozji i inne warunki specyficzne dla danego zastosowania. Zastosowania siłowników zaworów są często związane z bezpieczeństwem, dlatego operatorzy instalacji stawiają wysokie wymagania dotyczące niezawodności urządzeń. Awaria siłownika może spowodować wypadki w instalacjach sterowanych procesem, a toksyczne substancje mogą przedostać się do środowiska.
Instalacje sterowania procesami eksploatowane są często przez kilkadziesiąt lat, co uzasadnia wyższe wymagania dotyczące żywotności urządzeń.
Z tego powodu siłowniki są zawsze projektowane z wysoką ochroną obudowy. Producenci wkładają dużo pracy i wiedzy w przed korozją .
Ochrona obudowy
Rodzaje ochrony obudowy są określone zgodnie z kodami IP normy EN 60529. Podstawowe wersje większości siłowników elektrycznych są zaprojektowane do drugiego najwyższego stopnia ochrony obudowy IP 67. Oznacza to, że są one zabezpieczone przed wnikaniem pyłu i wody podczas zanurzenia (30 min. przy maks. słupie wody 1 m). Większość producentów siłowników dostarcza również urządzenia do stopnia ochrony IP 68, który zapewnia ochronę przed zanurzeniem do max. słup wody 6m.
Temperatura otoczenia
Na Syberii mogą wystąpić temperatury do –60°C, aw zakładach przetwórstwa technicznego +100°C. Stosowanie odpowiedniego środka smarnego ma kluczowe znaczenie dla pełnej pracy w tych warunkach. Smary , które mogą być używane w temperaturze pokojowej, mogą stać się zbyt twarde w niskich temperaturach, aby siłownik mógł pokonać opór wewnątrz urządzenia. W wysokich temperaturach smary te mogą ulec upłynnieniu i utracić właściwości smarne. Przy doborze siłownika bardzo ważna jest temperatura otoczenia i wybór odpowiedniego środka smarnego.
Ochrona przed eksplozją
Siłowniki są stosowane w aplikacjach, w których może wystąpić atmosfera potencjalnie wybuchowa. Obejmuje to między innymi rafinerie, rurociągi , poszukiwania ropy i gazu czy nawet wydobycie . W przypadku wystąpienia potencjalnie wybuchowej mieszaniny gazu z powietrzem lub gazu z pyłem siłownik nie może działać jako źródło zapłonu. Należy unikać gorących powierzchni na siłowniku oraz iskier zapłonowych wytwarzanych przez siłownik. Można to osiągnąć za pomocą ognioszczelnej obudowy, w której obudowa jest zaprojektowana tak, aby iskry zapłonowe nie opuszczały obudowy nawet w przypadku wybuchu wewnątrz.
Siłowniki przeznaczone do tych zastosowań, będące urządzeniami przeciwwybuchowymi, muszą zostać dopuszczone przez jednostkę badawczą (jednostkę notyfikowaną). Ochrona przeciwwybuchowa nie jest znormalizowana na całym świecie. W Unii Europejskiej obowiązuje ATEX 94/9/EC, w USA NEC (zatwierdzenie przez FM ) lub CEC w Kanadzie (zatwierdzenie przez CSA ). Siłowniki przeciwwybuchowe muszą spełniać wymagania projektowe tych dyrektyw i rozporządzeń.
Dodatkowe zastosowania
Małe siłowniki elektryczne mogą być używane w wielu różnych zastosowaniach związanych z montażem , pakowaniem i testowaniem . Takie siłowniki mogą być liniowe , obrotowe lub stanowić kombinację obu tych elementów i mogą być łączone w celu wykonywania pracy w trzech wymiarach. Siłowniki tego typu są często stosowane jako zamienniki siłowników pneumatycznych .