0086 15335008985
Cat:Štvrťrok otočte elektrický pohon
Elektrické zariadenie s čiastočným rotačným ventilom QM série QM obsahuje typový typ spínača, integrálny typ, regulač...
Pozri podrobnosti
V modernej priemyselnej automatizácii môže výber správneho typu pohonu určiť, či systém beží presne alebo či zlyhá pri zaťažení. Elektrické pohony sa stali základom riadenia procesov v oblasti ropy a zemného plynu, úpravy vody, výroby energie a výroby. Na rozdiel od pneumatických alebo hydraulických alternatív ponúkajú elektrické pohony čistejšiu inštaláciu, programovateľné ovládanie a užšiu integráciu spätnej väzby. Nie všetky elektrické pohony sú však rovnaké – ich mechanický výkon, typ pohybu a rozsah krútiaceho momentu sa výrazne líšia v závislosti od aplikácie.
Táto príručka rozdeľuje tri hlavné kategórie používané v priemyselnom prostredí: viacotáčkové, štvrťotáčkové a lineárne elektrické pohony. Každý z nich má odlišnú mechanickú funkciu a pochopenie týchto rozdielov je rozhodujúce pre inžinierov pri rozhodovaní o obstarávaní alebo dizajne.
Priemyselný elektrický pohon je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanický pohyb na ovládanie ventilov, klapiek, brán alebo iných komponentov na riadenie prietoku. Mechanizmus jadra zvyčajne zahŕňa elektrický motor poháňajúci prevodovku, ktorá potom vydáva požadovaný krútiaci moment alebo ťah. Integrovaná elektronika zabezpečuje spätnú väzbu polohy, koncové spínanie a komunikáciu s riadiacimi systémami, ako sú SCADA, DCS alebo PLC.
Posun smerom k elektrickému ovládaniu sa zrýchlil z niekoľkých dôvodov:
Odhady odvetvia naznačujú, že elektrické pohony v súčasnosti predstavujú viac ako 35 % všetkých nových inštalácií automatizácie ventilov na celom svete, pričom tento podiel rastie približne o 6 % ročne, keďže zariadenia využívajú programy digitálnej transformácie.
Bez ohľadu na typ výstupného pohybu majú priemyselné elektrické pohony spoločnú vnútornú architektúru:
| Komponent | Funkcia | Spoločná technológia |
|---|---|---|
| Elektromotor | Vytvára rotačnú energiu | AC indukcia, DC bezkomutátorový, krokový |
| Prevodovka / hnacie ústrojenstvo | Znásobuje krútiaci moment, znižuje otáčky | Šnekové súkolesie, čelné súkolesie, planétové súkolesie |
| Snímač polohy | Hlási polohu ventilu alebo drieku | Potenciometer, kodér, resolver |
| Riadiaca elektronika | Interpretuje signály, poháňa motor | PCB s mikrokontrolérom, H-most |
| Koncové spínače | Definuje hranice na konci cesty | Mechanická vačka, magnetická, optická |
| Manuálne prepínanie | Umožňuje ručnú obsluhu pri výpadku prúdu | Ručné koleso s vypínacím mechanizmom |
| Kryt | Chráni vnútorné časti pred prostredím | Hliníkové alebo nerezové, krytie IP67/IP68 |
A Viacotáčkový elektrický pohon vytvára nepretržitý rotačný výkon vyžadujúci viac ako jednu celú otáčku na dokončenie zdvihu ventilu. Táto kategória sa primárne používa na ovládanie posúvačov, guľových ventilov, stavidiel a guľových ventilov so stúpajúcim driekom, kde driek musí prejsť mnohými otáčkami, aby dosiahol úplne otvorenú alebo úplne zatvorenú polohu.
Elektromotor poháňa šnekové súkolesie alebo súkolesie so šikmým ozubením, ktoré súčasne znižuje rýchlosť a znásobuje krútiaci moment. Výstup sa zvyčajne dodáva cez štandardizovanú maticu vretena alebo hnaciu objímku, ktorá priamo zaberá so stúpajúcim alebo nestúpajúcim vretenom ventilu. Pretože výstupný hriadeľ sa pri otváraní nepretržite otáča v jednom smere a pri zatváraní sa otáča, presné sledovanie polohy je nevyhnutné.
Viacotáčkové pohony sú navrhnuté pre aplikácie s vysokým krútiacim momentom. Priemyselné jednotky zvyčajne zahŕňajú nasledujúce rozsahy:
Prevádzkový čas motora na zdvih priamo súvisí s prevodovým pomerom a rýchlosťou motora, zvyčajne sa pohybuje od 15 sekúnd do niekoľkých minút v závislosti od požadovaného počtu otáčok a zvolenej výstupnej rýchlosti.
Pri špecifikácii viacotáčkového elektrického pohonu pre priemyselný projekt musia inžinieri vyhodnotiť nasledujúce parametre v porovnaní s požiadavkami na ventil a proces:
| Parameter | Typický rozsah | Vplyv na výber |
|---|---|---|
| Výstup Torque | 10 - 32 000 Nm | Musí prekročiť moment odtrhnutia ventilu s bezpečnostným faktorom |
| Počet otáčok | 1,5 - 500 otáčok | Určuje prevodový pomer a čas zdvihu |
| Napájacie napätie | 110V, 220V, 380V, 480V AC | Musí zodpovedať energetickej infraštruktúre lokality |
| Pracovný cyklus | 15 minút, 30 minút, S2/S4 | Určuje prípustnú prevádzkovú frekvenciu |
| Kryt Rating | IP65 až IP68 | Určuje vhodnosť na umývanie alebo ponorené použitie |
| Komunikačný protokol | 4-20mA, HART, PROFIBUS | Musí byť kompatibilný s existujúcim riadiacim systémom |
Viacotáčkové servopohony sa objavujú prakticky v každom odvetví ťažkého priemyslu. Medzi opakujúce sa prípady použitia patria uzatváracie ventily so stúpajúcim vretenom na vodovodnom potrubí, guľové ventily na zberačoch pary, stavidlá pri čistení odpadových vôd a nožové posúvače v okruhoch banského kalu. V každom scenári je schopnosť modulovať prietok v akomkoľvek bode dráhy drieku – nielen v úplne otvorenej alebo úplne zatvorenej polohe – definujúcou výhodou oproti jednoduchším alternatívam zapnutia/vypnutia.
A Štvrťotáčkový elektrický pohon poskytuje presne 90 stupňov rotačného výkonu na otvorenie alebo zatvorenie ventilu. Táto kategória zahŕňa guľové ventily, škrtiace ventily, zátkové ventily a tlmiče – všetky sa menia z úplne otvoreného na úplne zatvorené pomocou jednej štvrtiny otáčky hriadeľa.
Motor poháňa redukčnú prevodovku, ktorá poskytuje 90 stupňov rotácie s vysokým krútiacim momentom pri nízkych otáčkach. Výstupná spojka je v súlade s normou ISO 5211, ktorá definuje rozmery montážnej príruby a geometriu objímky pohonu. Táto štandardizácia umožňuje namontovať jeden model pohonu medzi viacerých výrobcov ventilov bez vlastných adaptérov.
Štvrťotáčkové pohony vytvárajú výstupy krútiaceho momentu kalibrované na odporový krútiaci moment ventilu v jeho najnáročnejšom bode zdvihu. V prípade guľových ventilov je tento bod typicky stredný zdvih, keď má otvor prietoku 45 stupňov a tlakový rozdiel je najvyšší. Konvencie dimenzovania zvyčajne používajú bezpečnostný faktor 1,25 až 1,5 nad menovitý krútiaci moment ventilu.
Mnohé štvrťotáčkové aplikácie vyžadujú, aby sa ventil pri strate napájania alebo riadiaceho signálu posunul do definovanej polohy. To sa dosahuje dvoma hlavnými mechanizmami:
| Bezpečný mechanizmus | Prevádzkový princíp | Najlepšie sa hodí pre |
|---|---|---|
| Jarný návrat | Nabitá pružina poháňa ventil pri strate výkonu | Bezpečnostné uzávery, protipožiarne vedenia |
| Zálohovanie batérie (ESD) | Palubná batéria poháňa motor pri strate signálu | Núdzové uzatváracie ventily s riadením doby zdvihu |
| Návrat kondenzátora | Kondenzátor sa vybíja, aby poháňal motor | Rýchlo pôsobiace izolačné ventily |
Dizajn s vratnou pružinou zvyšuje mechanickú zložitosť a vyžaduje pravidelnú kontrolu pružiny, zatiaľ čo konštrukcie batérie a kondenzátora ponúkajú programovateľné polohy zlyhania vrátane zlyhania na mieste, ktoré drží ventil v jeho poslednej známej polohe pri strate signálu.
Štvrťotáčkové pohony sa dodávajú v dvoch funkčných triedach. Jednotky zapínania a vypínania jednoducho poháňajú ventil buď k pevnému zastaveniu a sú optimalizované pre rýchlosť spínania a výdrž. Modulačné jednotky pridávajú proporcionálne riadenie polohy s riadiacim vstupom 4-20 mA alebo 0-10 V, čo umožňuje ventilu udržiavať akýkoľvek uhol medzi 0 a 90 stupňami na základe signálu procesnej požiadavky. Modulačné pohony vyžadujú spätnú väzbu polohy s vyšším rozlíšením a sofistikovanejšiu riadiacu elektroniku, ale poskytujú schopnosť regulácie prietoku, ktorá je nevyhnutná v aplikáciách škrtenia procesov.
Tam, kde je rotačný výstup nepraktický alebo kde konštrukcia ventilu vyžaduje priamočiary pohyb vretena, poskytuje riešenie lineárny elektrický pohon (v priemyselných katalógoch nazývaný aj vložkový elektrický pohon). Tieto jednotky premieňajú otáčanie motora na axiálny ťah pomocou vodiacej skrutky, guľôčkovej skrutky alebo mechanizmu valčekovej skrutky.
Typ skrutky určuje účinnosť, nosnosť a životnosť:
Kapacita lineárneho pohonu je definovaná skôr prítlačnou silou a dĺžkou zdvihu než krútiacim momentom a otáčkami:
| triedy | Ťahový výstup | Dĺžka zdvihu | Typický typ ventilu |
|---|---|---|---|
| Ľahký priemysel | 0,5 kN - 5 kN | 25 - 150 mm | Regulačné ventily, malé guľové ventily |
| Stredne priemyselný | 5 kN - 50 kN | 100 - 400 mm | Uzatváracie ventily, membránové ventily |
| Ťažký priemysel | 50 kN - 200 kN | 300 - 1 000 mm | Veľké stavidlá, nožové stavidlá, stavidlá |
Lineárne elektrické pohony priamo konkurujú pneumatickým valcom v priamom pohybe. Medzi kľúčové výkonnostné diferenciátory patria:
Lineárne pohony nasadené vo vonkajšom, morskom alebo chemicky agresívnom prostredí vyžadujú špecifickú ochranu proti vniknutiu a špecifikácie materiálu. IP67 (dočasné ponorenie) a IP68 (nepretržité ponorenie) sú štandardom pre podmorské alebo zaplaviteľné inštalácie. Pre nebezpečné miesta sú povinné jednotky certifikované podľa ATEX 1/Zóna 2 alebo IECEx s ohňovzdorným alebo zvýšeným bezpečnostným krytom motora. Externý hardvér z nehrdzavejúcej ocele a elektronika s konformným povlakom predlžujú životnosť v pobrežnom prostredí a v prostredí s vysokou vlhkosťou.
Výber medzi viacotáčkovým, štvrťotáčkovým a lineárnym pohonom vyžaduje prispôsobenie výstupného pohybu pohonu mechanickým požiadavkám ventilu. V tabuľke nižšie sú zhrnuté rozdiely, ktoré sú najdôležitejšie pre rozhodovanie:
| Kritériá | Viacnásobná otočka | Štvrťotáčko | Lineárne |
|---|---|---|---|
| Výstup Motion | Viacnásobné otáčanie (nepretržité) | Otočenie o 90 stupňov | Axiálne (priama čiara) |
| Primárne typy ventilov | Brána, zemeguľa, stavidlo | Lopta, motýľ, zástrčka | Glóbus, brána, bránica, nôž |
| Rozsah krútiaceho momentu / sily | 10 - 32 000 Nm | 5 - 8 000 Nm | Ťah 0,5 - 200 kN |
| pozícia Control | Modulácia, zapnutie/vypnutie | Modulácia, zapnutie/vypnutie | Modulácia, zapnutie/vypnutie |
| Možnosti zabezpečenia proti poruchám | Batéria, kondenzátor | Pružina, batéria, kondenzátor | Pružina, batéria |
| Štandardná montáž | ISO 5210 | ISO 5211 | EN ISO 15081, vlastné príruby |
| Zložitosť inštalácie | Stredná | Nízka | Nízka to Medium |
Všetky tri kategórie pohonov podporujú zapínanie/vypínanie a proporcionálnu moduláciu. Miera sofistikovanosti ovládania zabudovaná do jednotky sa však značne líši. Jednotky zapínania a vypínania vstupnej úrovne používajú jednoduché mechanické koncové spínače a jediné ovládacie relé. Modulačné jednotky stredného rozsahu pridávajú analógovú spätnú väzbu polohy s 4-20 mA alebo 0-10 V I/O. Pokročilé inteligentné aktuátory obsahujú digitálny polohovač s PID slučkou, fieldbus komunikáciou, testovaním čiastočného zdvihu a záznamom diagnostických dát – to všetko v kryte pohonu.
Pre kritické riadiace slučky, kde presnosť polohy ventilu ovplyvňuje kvalitu alebo bezpečnosť produktu, môžu inteligentné modulačné pohony s integrovanou diagnostikou znížiť neplánované prestoje detekciou opotrebovania sedla, nárastu trenia v upchávke vretena a trendov vôle prevodu skôr, ako spôsobia poruchy procesu.
Pred montážou akéhokoľvek elektrického servopohonu nasledujúce overovacie kroky obmedzia zlyhania pri uvádzaní do prevádzky:
Nesprávna kalibrácia koncového spínača je hlavnou príčinou poškodenia pohonu v prvom roku prevádzky. Koncové spínače otvorenia a zatvorenia musia byť nastavené tak, aby zastavili napájanie motora skôr, ako ventil dosiahne svoj mechanický pevný doraz. V prípade posúvačov a guľových ventilov by mal uzavretý limit znížiť výkon motora, keď je kotúč pevne usadený, ale predtým, ako krútiaci moment motora prekročí maximálne povolené zaťaženie sedla ventilu. Pre guľové a škrtiace ventily je 90-stupňová zarážka pohybu nastavená v vačkovom mechanizme pohonu a mala by byť overená indikátorom stupňa, a nie hmatom.
| Aktivita | Interval | Poznámky |
|---|---|---|
| Vizuálna kontrola krytu a káblových vstupov | Mesačne | Skontrolujte vniknutie, koróziu, uvoľnené upchávky |
| Funkčný test manuálneho ovládania | Štvrťročne | Zabezpečte, aby sa spojkový mechanizmus voľne zapínal a vypínal |
| Overenie koncového spínača a momentového spínača | Každých 6 mesiacov | Prevádzka pri zaťažení; potvrdiť, že pozície zodpovedajú spätnému čítania DCS |
| Skúška čiastočného zdvihu (pre bezpečnostné ventily) | Mesačne to quarterly | Potvrdzuje pohyb pohonu a ventilu bez úplného cyklu |
| Prevodovka grease renewal | Každých 3-5 rokov | Podľa plánu výrobcu; používajte špecifikovanú triedu maziva |
| Výmena batérie (ak je namontovaná) | Každých 3-5 rokov | Najprv test kapacity; proaktívne vymeniť pred poruchou |
Pochopenie vzťahu medzi príznakmi a príčinami umožňuje tímom údržby konať skôr, ako dôjde k úplnému zlyhaniu:
Viacotáčkový pohon sa otáča mnohými plnými otáčkami, aby zdvihol ventil z otvorenia do zatvorenia, vďaka čomu je vhodný pre posúvače a ventily so stúpajúcimi alebo nestúpajúcimi vretenami. Štvrťotáčkový pohon poskytuje presne 90 stupňov rotácie, čo zodpovedá pohybu guľových ventilov, škrtiacich ventilov a kužeľových ventilov z otvorenia do zatvorenia. Tieto dva typy zdieľajú podobnú elektroniku a technológiu motora, líšia sa však v konštrukcii prevodovky a normách výstupnej spojky.
Začnite s údajmi odtrhovacieho momentu a prevádzkového momentu zverejneného výrobcom ventilu pri maximálnom diferenčnom tlaku, ktorý ventil uvidí. Použite bezpečnostný faktor aspoň 1,25, aby ste zohľadnili opotrebovanie sedadla, teplotné vplyvy a kolísanie tlaku v potrubí. Pri modulačných aplikáciách zvážte aj krútiaci moment v strede zdvihu v polohe 45 stupňov, ktorá je zvyčajne najvyššia pre guľové ventily. Zvolený výstupný krútiaci moment ovládača musí prekročiť túto vypočítanú požiadavku v celom rozsahu prevádzkových teplôt.
Vo väčšine prípadov áno. Kľúčovými požiadavkami sú, aby dĺžka zdvihu a prítlačná sila elektrickej jednotky zodpovedali alebo prekračovali špecifikácie pneumatického valca a aby geometria pripojenia konca tyče bola kompatibilná s strmeňom ventilu a konektorom drieku. Niektoré pneumatické valce obsahujú aj integrované polohovadlá, ktoré musia byť replikované v riadiacej elektronike servopohonu. Infraštruktúra napäťového a signálneho vedenia musí byť vedená do miesta ventilu, čo si môže vyžadovať dodatočnú inštaláciu vedenia.
Moderné priemyselné elektrické pohony podporujú širokú škálu protokolov v závislosti od úrovne produktu. Na základnej úrovni sú univerzálne diskrétne zapojenie (príkazy otvárania/zatvárania, spätnoväzbové kontakty otvárania/zatvárania) a analógovej spätnej väzby polohy 4-20 mA. Inteligentné aktuátory strednej triedy pridávajú HART pre prekryvnú komunikáciu na slučke 4-20 mA. Pokročilé jednotky podporujú PROFIBUS DP, Foundation Fieldbus, Modbus RTU/TCP, DeviceNet a čoraz viac protokoly založené na Ethernete, ako napríklad PROFINET a EtherNet/IP, pre integráciu s architektúrami Industry 4.0.
Pre typické vonkajšie nadštandardné inštalácie vystavené dažďu a čisteniu hadicou je minimálnym prijateľným hodnotením IP65 (prachotesné a chránené proti prúdu vody). V pobrežných prostrediach alebo aplikáciách s potenciálnym zaplavením sa odporúča IP67 (dočasné ponorenie do 1 metra) alebo IP68 (nepretržité ponorenie). Na materiáli krytu záleží rovnako ako na hodnotení IP: liaty hliník s epoxidovým náterom vyhovuje väčšine prostredí, zatiaľ čo nehrdzavejúca oceľ 316 je určená pre pobrežné, námorné a silné kyseliny alebo zásady.
Požadovaná frekvencia testovania čiastočného zdvihu závisí od cieľovej úrovne integrity bezpečnosti (SIL) pre bezpečnostnú funkciu a overených údajov o poruchovosti pohonu pri používaní. V praxi väčšina aplikácií SIL 2 vykonáva testy čiastočného zdvihu každý jeden až tri mesiace, aby sa zachovala požadovaná pravdepodobnosť zlyhania na požiadanie. Skúška čiastočného zdvihu zvyčajne posúva ventil o 10 až 30 percent jeho dráhy, čo je dostatočné na overenie mechanickej voľnosti pohybu bez narušenia toku procesu.