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  • 控制閥問題多?執行機構你選對了嗎?


    因為越來越多的工廠采用了自動化控制,人工操作被機械或自動化設備所替代,人們要求執行機構能 夠起到控制系統與閥門機械運動之間的界面作用,更要求執行機構增強工作安全性能和環境保護性能。在一些危險性的場合,自動化的執行機構裝置能減少人員的傷害。某些特殊閥門要求在特殊情況下緊急打開或關閉,閥門執行機構能阻止危險進一步擴散同時將工廠損失減至最少。對一些高壓大口徑的閥門,所需的執行機構輸 出力矩非常大,這時所需執行機構必須提高機械效率并使用高輸出的電機,這樣平穩的操作大口徑閥門。

    一、閥門與自動化

    為了成功的實現過程自動化,最重要的是要確保閥門自身能夠滿足過程及管道內介質的特殊要求。通常生產過程和工藝介質能夠決定閥門的種類,閥芯的類型以及閥內件和閥門的結構和材料。

    閥門選擇好后接下來就要考慮自動化的要求即執行機構的選擇??梢院唵蔚陌磧煞N基本的閥門操作類型來考慮執行機構。

    1.旋轉式閥門(單回轉閥門)

    這類閥門包括:旋塞閥、球閥、蝶閥以及風門或擋板。這類閥門需要已要求的力矩進行90度旋轉操作的執行機構

    2.多回轉閥門

    這類閥門可以是非旋轉提升式閥桿或旋轉非提升式桿,或者說是他們需要多轉操作去驅動閥門到開或關的位置。這類閥門包括:直通閥(截止閥)、閘閥、刀閘閥等。作為一種選擇,直線輸出的氣動或液動氣缸或薄膜執行機構也開來驅動上述閥門。

    二、閥門與執行機構

    對于執行機構最廣泛的定義是:一種能提供直線或旋轉運動的驅動裝置,它利用某種驅動能源并在某種控制信號作用下工作。

    執行機構使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機、氣缸或其它裝置將其轉化成驅動作用?;镜膱绦袡C構用于把閥門驅動至全開或全關的位置。用與控制閥的執行機構能夠精確的使閥門走到任何位置。盡管大部分執行機構都是用于開關閥門,但是如今的執行機構的設計遠遠超出了簡單的開關功能,它們包含了位置感應裝置,力矩感應裝置,電極保護裝置,邏輯控制裝置,數字通訊模塊及PID控制模塊等,而這些裝置全部安裝在一個緊湊的外殼內。
    目前共有四種類型的執行機構,它們能夠使用不同的驅動能源,能夠操作各種類型的閥門。
    1.電動多回轉式執行機構
    電力驅動的多回轉式執行機構是最常用、最可靠的執行機構類型之一。使用單相或三相電動機驅動齒輪或蝸輪蝸桿最后驅動閥桿螺母,閥桿螺母使閥桿產生運動使閥門打開或關閉。
    多回轉式電動執行機構可以快速驅動大尺寸閥門。為了保護閥門不受損壞,安裝在在閥門行程的終點的限位開關會切斷電機電源,同時當安全力矩被超過時,力矩感應裝置也會切斷電機電源,位置開關用于指示閥門的開關狀態,安裝離合器裝置的手輪機構可在電源故障時手動操作閥門。
    這種類型執行機構的主要優點是所有部件都安裝在一個殼體內,在這個防水、防塵、防爆的外殼內集成了所有基本及先進的功能。主要缺點是,當電源故障時,閥門只能保持在原位,只有使用備用電源系統,閥門才能實現故障安全位置(故障開或故障關)
    2.電動單回轉式執行機構
    這種執行機構類似于電動多回轉執行機構,主要差別是執行機構最終輸出的是1/4轉即90度的運動。新一代電動單回轉式執行機構結合了大部分多回轉執行機構的復雜功能,例如:使用非侵入式用戶友好的操作界面實現參數設定與診斷功能。
    單回轉執行機構結構緊湊可以安裝到小尺寸閥門上,通常輸出力矩可達800公斤/米,另外所需電源較小,它們可以安裝電池來實現故障安全操作。
    3.流體驅動多回轉式或直線輸出執行機構
    這種類型執行機構經常用于操作直通閥(截止閥)和閘閥,它們使用氣動或液動操作方式。結構簡單,工作可靠,很容易實現故障安全操作模式。
    通常情況下人們使用電動多回轉執行機構來驅動閘閥和截止閥,只有在無電源時才考慮使用液動或氣動執行機構。
    4.流體驅動單回轉式執行機構
    氣動、液動單回轉執行機構非常通用,它們不需要電源并且結構簡單,性能可靠。它們應用的領域非常廣泛。通常輸出從幾公斤/米到幾萬公斤/米。它們使用氣缸及傳動裝置將直線運動轉換為直角輸出,傳動裝置通常有:撥叉、齒輪齒條、杠桿。齒輪齒條在全行程范圍內輸出相同力矩,它們非常適用于小尺寸閥門,撥叉具有較高效率,在行程起點具有高力矩輸出非常適合于大口徑閥門。氣動執行機構一般安裝電磁閥、定位器或位置開關等附件來實現對閥門的控制和監測。這種類型執行機構很容易實現故障安全操作模式
    選擇一臺合適的閥門執行機構類型和規格時必須考慮下列要素:
    1.驅動能源
    最常用的驅動能源是電源或流體源,如果選擇電源為驅動能源,對于大尺寸閥門一般選用三相電源,對于小尺寸閥門可選用單相電源。一般電動執行機構可有多種電源類型供選擇。有時也可選直流供電,此時可通過安裝電池實現電源故障安全操作。流體源種類很多,首先可以是不同的介質如:壓縮空氣、氮氣、天然氣、液壓流體等,其次它們可以具備各種壓力,第三,執行機構具有各種尺寸以提供各種輸出力力矩。
    2.閥門類型
    當選擇閥門用執行機構時,必須要知道閥門的種類,這樣才可以選擇正確的執行機構類型。有些閥門需要多回轉驅動,有些需要單回轉驅動,有些需要往復式驅動,它們影響了執行機構類型的選擇。通常多回轉的氣動執行機構比電動多回轉執行機構價格要貴,但是往復式直行程輸出的氣動執行機構價格比電動多回轉執行機構便宜。
    對于90度回轉的閥門如:球閥、碟閥、旋塞閥,最好通過閥門廠商獲得相應閥門。

    3.力矩大小

    對于90度回轉的閥門如:球閥、碟閥、旋塞閥,最好通過閥門廠商獲得相應閥門力矩大小,大部分閥門廠商是通過測試閥門在額定壓力下閥門所需的操作力矩,他們將這一力矩提供給客戶。對于多回轉的閥門情況有所不同,這些閥門可分為:往復式(提升式)運動-閥桿不旋轉、往復式運動-閥桿旋轉、非往復式-閥桿旋轉,必須測量閥桿的直徑,閥桿連接螺紋尺寸以決定執行機構規格。

    三、執行機構選型

    一旦執行機構類型和閥門所需驅動力矩確定了,就可以使用執行機構廠商提供的數據表或選型軟件進行選型。有時還需考慮閥門操作的速度和頻率。

    流體驅動的執行機構可調節行程速度,但是三相電源的電動執行機構只有固定的行程時間。部分小規格的直流電動單回轉執行機構可調節行程速度。
    1.開關控制
    自動控制閥最大的好處是可以遠距離的操作閥門,這就意味著操作人員可以坐在控制室控制生產過程而不需要親臨現場去人工操作閥門的開和關。人們只需鋪設一些管線連接控制室和執行機構,驅動能源通過管線直接激勵電動或氣動執行機構,通常用的4-20mA信號來反饋閥門的位置。
    2.連續控制
    如果執行機構被要求用于控制過程系統的液位、流量或壓力等參數,這是要求執行機構頻繁動作的工作,可以用4-20mA信 號作為控制信號,然而這個信號可能會和過程一樣頻繁的改變。如果需要非常高頻率動作的執行機構,只有選擇特殊的能頻繁啟停的調節型執行機構。當一個過程中 需要多臺執行機構時,可以通過使用數字通訊系統將各個執行機構連接起來,這樣可大大降低安裝費用。數字通訊回路可以快速高效的傳遞指令和收集信息。目前有多種通訊方式如:FOUNDATIONFIELDBUS、PROFIBUS、DEVICENET、HART和專為閥門執行機構設計的PAKSCAN等。數字通訊系統不單單可以降低投資費用,它們還可以收集大量閥門信息,這些信息對于閥門的預測性維護程序非常有價值。

    3.預測性維護

    操作人員可以借助內置的數據存儲器來記錄閥門每次動作時力矩感應裝置測得的數據,這些數據可以用來監測閥門運行的狀態,可以提示閥門是否需要維修,也可以用這些數據來診斷閥門。

    針對閥門可以診斷如下數據:

    (1)閥門密封或填料摩擦力

    (2)閥桿、閥門軸承的摩擦力矩

    (3)閥座摩擦力

    (4)閥門運行中的摩擦力

    (5)閥芯的所受的動態力

    (6)閥桿螺紋摩擦力

    (7)閥桿位置

    上述大部分數據存在于所有種類的閥門,但著重點不同,例如:對于蝶閥,閥門運行中的摩擦力是可以忽略的,但對于旋塞閥這個力數值卻很大。

    不同的閥門具有不同的力矩運行曲線,例如:對于楔式閘閥,開啟和關閉力矩都非常大,其它行程時 只有填料摩擦力和螺紋摩擦力,關閉時,液體靜壓力作用在閘板上增加了閥座摩擦力,最終楔緊效應使力矩迅速增大直到關閉到位。所以根據力矩曲線的變化可以預測出將會發生的故障,可以對預測性維護提供有價值的信息。

    4.智能變頻控制

    執行機構在工作過程中,由于電機的頻繁啟動,導致工作時額定頻率的變化,通過智能變頻控制可使頻率達到額定值。

    例如:由于電阻或外力原因,電機啟動速度變慢,導致執行機構行程控制的誤差,運用智能變頻控制,可以改變輸入轉速,從而使執行機構的工作更可靠和穩定。


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