Kokios charakteristikos tinka elektriniams pavaroms automatiniam vožtuvo valdymui?

Aktuatoriaus tipo pritaikymas prie vožtuvo judėjimo: daugiafazis, ketvirtinis posūkis ir tiesiaeigis

Kaip vožtuvo geometrija lemia elektrinio aktuatoriaus architektūrą

Vožtuvų forma ir dizainas lemia, koks pavaros tipas tinka geriausiai. Tiesiaeigiams vožtuvams, įskaitant užtvankos ir globės stiliaus, reikalingos elektrinės pavaros, nes jos sukuria būtiną pastangą kamienui judinti vertikaliai. Kita vertus, sukamieji vožtuvai, tokie kaip rutuliniai ir sklendės, veikia geriau su momentu valdomomis pavaramis, kadangi jiems reikia apie 90 laipsnių sukimo jėgos tinkamam veikimui. Pagal naujausius pramonės tyrimus, atliktus Fluid Controls Institute savo 2023 m. ataskaitoje, apie trys iš keturių vožtuvų gedimų atsitinka tuomet, kai su vožtuvu jungiama netinkama pavaros sistema. Tai aiškiai parodo, kodėl tinkamas derinys yra toks svarbus sistemos patikimumui.

Momentas–sukimas vs. Pastanga–poslinkis: pagrindiniai principai renkantis pavarą

Pasirinkdami tinkamą elektrinį aktuatorių svarbiausia suprasti, kaip skirtingos jėgos veikia sistemoje. Sukimo vožtuvams mes vertiname sukimo momento konversiją į kampinį judesį, matuojamą niutonmetrais laipsniui. Tiesiaeigiai veikiantys vožtuvai veikia kitaip – jie verčia pastangos jėgą į faktinį nuvažiuotą atstumą, paprastai išreiškiamą kilonjutonais vienam milimetru. Įvertinant našumą, svarbu atsižvelgti į keletą veiksnių. Sandaros trintis gali labai skirtis priklausomai nuo naudojamų medžiagų: PTFE sandaros paprastai turi apie 0,1 trinties koeficientą, o metalinės sandaros gali pasiekti net 0,6. Svarbūs taip pat diferencialiniai slėgio apkrovos bei tai, ar komponentai atitinka ISO 5211 standartą flanšų sujungimams. Visus šiuos aspektus tinkamai suderinus galima išvengti nereikalingos mechaninės apkrovos ir užtikrinti, kad sistemos veiktų sklandžiai, be netikėtų gedimų.

Atvejo tyrimas: pneumatinio ketvirtinio posūkio aktuatoriaus pakeitimas 24 VDC elektriniais vienetais cheminėje gamykloje

Sieros rūgšties gamybos įrenginyje darbininkai pernai per didelį remontą pakeitė visus 58 sklendžių aktuatorius iš senų pneumatinės pavaros modelių į naujesnius 24 V nuolatinės srovės elektrinius variantus. Po beveik 18 mėnesių naudojant šias naujas sistemas, techninės priežiūros išlaidos sumažėjo beveik du kartus (apie 42 %), o suspausto oro suvartojimas taip pat žymiai sumažėjo – 67 %. Įspūdingiausia buvo visiškas įrangos gedimų nebuvimas tų pavojingų 1 zonų vietose, kuriose, jei kas nors sugestų, galėtų įvykti sprogimas. Šie realūs skaičiai rodo, kiek geriau elektriniai aktuatoriai veikia lyginant su tradiciniais metodais, kai kasdien tenka dirbti sunkiomis pramoninėmis sąlygomis.

Atsirandanti tendencija: hibridiniai ketvirtinio posūkio elektriniai aktuatoriai su HART protokolu ir padėties atsargine sistema

Hibridiniai ketvirtį posūkio elektriniai aktuatoriai, kurie sujungia elektrinius variklius su hidrauliniu slopinimu, dabar integruoja HART (Highway Addressable Remote Transducer) protokolą. Šios pažangios sistemos užtikrina ±0,5° padėties tikslumą ir prognozuojamąją diagnostiką, palaikančią SIL-3 saugos standartus. Naudojimas perdirbimo srityje nuo 2021 m. išaugo 200 %, kai didėja poreikis protingesnėms ir saugesnėms valdymo sistemoms.

Atrankos strategija: atitinkamo vožtuvo tipo suderinimas su elektriniu aktuatoriumi ir ISO 5211 standartais

Vamzdžio tipas	Judesį	Aktuatoriaus tipas	ISO 5211 sukimo momento klasė
Užtvanka/Globus	Tiesus	Daugelio posūkių	F05–F30
Rutulinis/Ilgasparnis	90° posūkis	Ketvirtį posūkio	F10–F60
Valdymas	Reguliuojamas	Dalinis pasukimas	F20–F80

Visada taikykite 1,5 karto saugos faktorių apskaičiuotoms sukimo ar stūmos jėgoms. Patikrinkite tvirtinimo matmenis pagal ISO 5211 standartus, kad užtikrintumėte mechaninę suderinamumą ir išvengtumėte apkrovos sukeltų gedimų.

Sukimo momentas, stūmos jėga ir veikimo ciklo trukmė: elektrinių aktuatorių parinkimas realiosioms apkrovoms

Kodėl paleisties metu reikalingas sukimo momentas gali būti 3 kartus didesnis už darbo metu reikalingą: statinio trinties ir diferencialinio slėgio poveikis

Kai reikia priversti kažką judėti, statinė trintis labai padidina reikalingą jėgą. Elektriniams aktuatoriams dažnai reikia net triskart daugiau sukimo momento tik tam, kad pradėtų judėti, lyginant su tuo, kai jie jau veikia. O dalykai darosi dar sudėtingesni esant diferencialiniam slėgiui. Kietai uždaryti vožtuvai patiria visą sistemos slėgio apkrovą, todėl iš pradžių juos atidaryti sunkiau. Vienas žinomas gamintojas neseniai atliko tyrimus ir atrado kažką įdomaus: apie du trečdalius visų aktuatorių perkrovų atsiranda būtent paleidimo metu. Todėl taip svarbu teisingai parinkti matmenis. Jei inžinieriai neatsižvelgs į šiuos staigius apkrovos šuolius, varikliai gali užgesti arba pavaros gali būti pažeistos dar nepaleidus įrangos tinkamai.

Reikiamo sukimo momento skaičiavimas pagal ISO 5211: Saugos koeficientai, stemelio skersmuo ir vožtuvo klasė

ISO 5211 nustato standartizuotas vožtuvų ir aktuatorių poravimo sukimo momento skaičiavimo metodes. Svarbūs parametrai apima:

Parametras	Poveikis sukimo momentui
Stemelio skersmuo	2× didesnis skersmuo = 4× didesnis sukimo momentas
Vožtuvo klasė (ASME)	Klasei 900 reikia 3× didesnio sukimo momento nei klasei 150
Saugumo faktorius	Dinaminėms apkrovoms reikia ne mažiau kaip 25 %

Inžinieriai taip pat privalo atsižvelgti į skysčio savybes ir valdymo dažnumą. Per mažas matmuo gali sukelti ankstyvą gedimą, o per dideli – nereikalingus kaštus ir energijos švaistymą.

Atvejo analizė: elektrinio vožtuvo gedimas dėl korozijos sukeltos stem galling jūroje esančiame LNG objekte

Jūroje esantis LNG objektas patyrė pakartotinius kriogeninių rutulinių vožtuvų aktuatorių gedimus dėl chlorido sukeltos korozijos ant 316L nerūdijančio plieno stiebo, kuri sukelia galling. Gedimo eiga buvo tokia:

1. Korozijos duobutės sukuria paviršiaus nelygumus
2. Paleidimo metu sukimo momentas padidėja daugiau nei iki 450 N·m dėl padidėjusio trinties koeficiento
3. Dantytųjų krumpliaračių dantys sulūžta šaltam paleidimui esant -162°C

Sprendimas – pereiti prie Inconel vožtuvų kotų ir naudoti molibdeno disulfido dengimą – sumažino paleidimo sukimo momentą 41 % ir pašalino įbrėžimus, užtikrinant patikimą veikimą.

Inovacija: realaus laiko sukimo momento stebėjimas su integruotais deformacijos matuokliais ir prognozuojamoji techninė priežiūra

Šiuolaikiniai elektriniai varikliai dažnai turi integruotus deformacijos matuoklius išvesties velenėliuose, kurie leidžia nuolat matuoti sukimo momentą su apie 2 % tikslumu. Praktiškai tai reiškia, kad operatoriai gali aptikti problemas dar nepasireiškus rimtesniems gedimams, automatiškai gauna įspėjimus, kada reikia tepimo, nes trinties lygis pernelyg padidėja, bei galima atsisakyti grafikinės techninės priežiūros ir remontuoti įrangą tik tada, kai to reikia. Pagal keliose pramonės aikštelėse atliktus praktinius tyrimus, tokie stebėjimo sistemos sumažino netikėtus įrenginių išsijungimus maždaug 90 procentų. Toks patikimumo padidėjimas reiškia ženkliai geresnį gamybos linijų ir gamybos procesų veikimą be pertraukų.

Valdymo našumas: Įjungti/išjungti, moduliacija ir išmanus integracija elektriniams aktuatoriams

4–20 mA signalo slinkimo sprendimas analoginėse moduliuojančiose elektrinėse aktuose

Kai 4–20 mA analoginėse sistemose atsiranda signalo poslinkis, tai sutrikdo moduliuojamųjų elektrinių aktuatorių padėties grįžtamąjį ryšį, dėl ko visa valdymo sistema tampa mažiau tikslia. Tai atsitinka dėl keleto priežasčių. Pagrindinės yra elektromagnetiniai trikdžiai (EMI), erzinaširdžiai žemės ciklai ir paros metu kintanti temperatūra. Pramoninėse aplinkose neapsaugoti kabeliai sukelia didelių problemų, nes leidžia įtampų šuolius, kurie gali pakeisti signalo kokybę iki ±5 %, pagal ISA-18.2 standartus. Norėdami išspręsti šias problemas, inžinieriai paprastai pirmiausia įrengia suktinės poros apsaugotus laidus. Jie taip pat naudoja galvinės izoliacijos priemones, kad atskirtų skirtingas grandinės dalis. Kai kurie specialistai taip pat teikia pirmenybę kontūrui maitinamiems signalo keitikliams. Įdomu tai, kad naujesni diagnostikos įrankiai, stebintys signalo poslinkį laikui bėgant, iš tikrųjų gerokai sumažino kalibravimo poreikius. Lauko tyrimai parodė apie 40 % sumažėjimą reikalingų kalibravimų, kai įdiegiami šie pažangūs stebėjimo sprendimai.

Kritiniai valdymo rodikliai: Skiriamoji geba, histerezė ir reakcijos laikas PID kilpos suderinamumui

Trys pagrindiniai rodikliai nustato elektrinio aktuatoriaus suderinamumą su PID valdymo kilpomis:

• Rezoliucija (≤0,1 %) sumažina perteklinį svyravimą reguliavimo taikymuose
• Histerėzis (<1 % ėjimo ilgio) užtikrina pakartotinę poziciją be negalios juostos klaidų
• Atsakymo laikas (≤2 sekundės) neleidžia svyravimui greituose procesuose, tokiuose kaip slėgio valdymas

Sistemos, viršijančios 3 % histerezę arba 500 ms reakcijos vėlavimą, turi nestabilumo riziką – ypač kritinėse paslaugose, pvz., garo reguliavime, kur delsti atsakas gali sukelti slėgio šuolius. Šiuolaikiniai aktuatoriai su enkoderio atvirkštine ryšio grandine pasiekia histerezę žemiau 0,5 %, atitinkantys IEC 60534-8-3 klasės V standartus sandariajam uždarymui ir tiksliajam valdymui.

Aplinkos ir energijos reikalavimai patikimam elektrinio aktuatoriaus veikimui

Įtampos kritimo valdymas 24 VDC elektriniuose aktuatoriuose siekiant apsaugoti PLC I/O modulius

Kai įtampa krenta žemiau 20 voltų tipiškoje 24 VDC sistemoje, tai dažnai sukelia problemų vykdymo mechanizmams ir gali iš tikrųjų pažeisti brangius PLC įvesties/išvesties modulius dėl reiškinio, vadinamo induktyviuoju atsitraukimu. Norint apsaugoti nuo šios problemos, technikai paprastai įrengia linijos reaktorius arba įtampos stabilizatorius ne daugiau kaip penkių metrų atstumu nuo tos vietos, kur yra vykdymo mechanizmas. Būtina taip pat naudoti ekranuotus laidus su tinkamu įžeminimu bei vykdymo mechanizmus, kurie turi taip vadinamas žemos įtampos blokavimo grandines (UVLO). Šios specialios grandinės tiesiog išjungia veikimą, kai įtampa krenta žemiau 21 volto. Visoje šalyje esančios įmonės pranešė apie reikšmingus pagerinimus po to, kai įdiegė tokias apsaugos priemones. Vienas neseniai atliktas tyrimas parodė, kad valymo įrenginiai pastebimai sumažino PLC gedimus – praėjusiais metais ISA surinkti duomenys rodo maždaug trečdaliu mažiau incidentų.

Galingumo mažinimas dėl karščio, aukščio ir pavojingų zonų: ATEX, IECEx ir aukštos temperatūros veikimas

Kai elektriniai aktuatoriai veikia karštoje aplinkoje arba aukštesniuose aukščiuose virš jūros lygio, jie linkę prarasti sukimo momentą, nes šiluma mažiau efektyviai išsisklaido. Už kiekvieno laipsnio Celsijaus virš 40 °C sukimo momento reitingas sumažėja apie 3 %. Panašiai, dirbant aukščiau 1000 metrų virš jūros lygio, našumas mažėja maždaug 1 % kas papildomus 100 metrų. Saugumas taip pat yra svarbi problema pavojingose vietovėse, kurios klasifikuojamos kaip I ar II klasių zonos. Šie aktuatoriai turi turėti specialius sertifikatus, tokius kaip ATEX arba IECEx. Jie reikalauja sprogimui atsparių korpusų teritorijoms su dujomis (grupės IIA/B), dulkių uždegimo apsaugos su IP6X apsaugos laipsniu ir temperatūros klasifikacijų nuo T1 iki T6, atitinkančių aplinkinių medžiagų savaiminio užsidegimo taškus. Kai kurios modeliai, skirti ekstremaliai karštai aplinkai, įtraukia keramikos guolius ir H klasės izoliaciją, leidžiančią jiems patikimai veikti net tada, kai temperatūra pasiekia iki 150 °C. Tai juos daro tinkamus taikymui ten, kur standartinė įranga tiesiog sugestų dėl apkrovos.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kodėl svarbu derinti aktoriatoriaus tipą su vožtuvo judesiu?

Neteisingai suderinus aktoriatorių su vožtuvo judesiu, tai gali sukelti sistemos neefektyvumą ir vožtuvų gedimus, apie kuriuos pranešama, kad trys iš keturių vožtuvų gedimų yra dėl netinkamo aktoriatoriaus poravimo.

Kokie aspektai svarbūs renkantis elektrinį aktoriatorių?

Renkantis aktoriatorių svarbu atsižvelgti į vožtuvo tipą (sukamąjį ar tiesiaeigį), reikiamą sukimo ar stūmimo jėgą, medžiagų sudėtį, diferencialinį slėgį ir atitiktį ISO 5211 standartams.

Kokie yra pneumatinio aktoriatoriaus keitimo elektriniu privalumai?

Pneumatinių aktoriatorių keitimas elektriniais gali žymiai sumažinti techninės priežiūros išlaidas, mažinti oro suvartojimą bei pagerinti sistemos saugumą ir patikimumą, kaip parodyta chemijos ir pramonės taikymuose.

Kokie sprendimai egzistuoja elektrinių aktoriatorių signalo dreifo problemoms spręsti?

Signalų kryptį galima sumažinti užtikrinant tinkamą ekranavimą ir įžeminimą, naudojant suktąją porą laidus ir diegiant pažangias diagnostikos priemones, skirtas stebėti ir koreguoti poslinkį.

Kaip aplinkos veiksniai veikia elektrinių aktuatorių našumą?

Tokios sąlygos kaip karštis, aukštis virš jūros lygio ir pavojingos aplinkos gali sumažinti sukimo momento talpą ir padidinti įrangos gedimo riziką, todėl būtina tinkamai planuoti ir užtikrinti atitiktį sertifikavimo reikalavimams.