無論您的最終工藝目標是什么,都需要在整個過程中的各個位置控制流速。需要嚴格調節過程變量,例如流量,溫度,壓力,罐液位等,以實現所需目標,同時保持操作安全性和可靠性。控制閥物理上控制過程介質,而執行器則是操作的心臟和大腦-根據工廠過程控制系統的“指令”機械定位閥門。
執行器絕不是隨便買的商品,而是提供了至關重要的過程控制。確實,選擇正確的執行器會在過程失敗和成功之間產生巨大差異。
例如,在將汽油和乙醇裝載到卡車上進行運輸之前,請考慮一下用于混合汽油和乙醇的執行器的作用。目的是控制乙醇與汽油的準確比例,但是由于乙醇與水的可混溶性,汽油和乙醇的熱膨脹率不同,以及需要將混合的混合物與水隔離,這構成了挑戰。由于這些原因,通常在直接裝載到加油車中時進行實時混合,幾乎沒有變化比例的空間。要獲得所需的控制以避免昂貴的不合規格混合,首先要進行準確,一致和可靠的閥門致動。
指定閥門執行器的設計注意事項和需求評估
指定執行器需要注意幾個細節,所有這些細節都應在設計過程中盡早考慮。設計工程師應在需求評估期間解決以下問題,以幫助指導規范過程。
?可用功率和成本: 將有多少能量用于執行器的運行?大多數工廠都希望盡可能高效地運行以節省成本并實現環境可持續性目標。高壓電動執行器不僅消耗更多的能量,而且運行三相線的成本可能很高。運行和支持氣動基礎設施的成本甚至更高。一些較新的電動執行器可以在12伏特電壓下運行,使工廠能夠將其安裝在偏遠地區,并用太陽能電池板或燃料電池供電。低功率要求也使備用電源經濟。
?控制目標: 您的過程對變化有多大的容忍度?執行器的精度和可重復性在這里起著關鍵作用。執行器是否需要間歇或連續工作?具有占空比限制的執行器如果過于頻繁地啟動和停止,則可能會過熱并跳閘,并且用于限制調制的死區可能太寬,無法提供足夠精細的分辨率來實現所需的控制。另一方面,能夠進行連續調制的執行器可以響應恒定的控制請求并提供更好的分辨率。
?環境安全條件: 是否存在爆炸性氣體或粉塵?如果是,則執行器選擇必須帶有適當的Class and Division認證。
?環境操作條件: 預期的環境溫度范圍是多少?執行器是否處于極端惡劣的天氣條件下或浸入水中?執行器的外殼認證和額定溫度范圍是否適合生產環境?并非所有的執行器都能在所有條件下運行。
?閥門類型: 過程使用旋轉直角回轉或線性控制閥嗎?為一種應用選擇最佳的閥門類型本身就是一門科學,但是一旦為每種應用做出選擇,就必須考慮適當的執行器樣式。
?執行器尺寸: 使用哪種類型的閥門以及需要多少力來致動它們?執行器必須與閥門類型及其所需的扭矩或推力相匹配。尺寸過小的致動器可能無法在所有條件下都操作閥門,而尺寸過大的致動器可能會損壞閥桿。在某些情況下,就像蝶閥相比于運行扭矩具有更高的座扭矩要求,可能需要使用較小的較低扭矩的執行機構來指定連桿連接,而不是將較大的執行機構直接安裝到閥桿上。可以使用聯動裝置來表征執行器應用于閥門的扭矩曲線。所以,正確設計的連桿機構可以使用尺寸較小的執行器,以實現閥門所需的較低運行扭矩,同時在閥座處產生更高的扭矩。優點是更經濟和節省空間/重量的致動器。無論采用哪種安裝方式,執行機構的尺寸過大和尺寸過小都會導致閥門控制不佳。
在控制閥執行器中的目標
需求評估完成后,您將可以更好地選擇合適的執行器來滿足過程要求。
執行器的精度和重復超精細運動的能力至關重要。從某種意義上說,執行器對于過程幾乎是不可見的。避免使執行器的死區時間或死區變化很大,從而限制了對閥位置進行小而即時的更改的能力。較寬的死區使執行器在過程發生重大變化之前一直等待,直到對閥門做出反應并重新定位。相反,需要尋找一種在幾毫秒內達到其全速和扭矩并在幾毫秒內停止的執行器,從而提供快速,可靠和精確的閥門操作。還要研究執行器的可靠性記錄:如果執行器傾向于每隔幾個月停止工作,則可能會大大延遲生產。
在評估執行器選件時,工程師需要意識到氣動,液壓和常規電動執行器設計的局限性。例如,氣動執行器容易產生粘滯/打滑響應,死區時間過多,性能隨條件變化而變化以及性能隨時間下降的情況。他們還需要昂貴且不可靠的空氣系統,這些系統可能會結冰或被污染。
液壓執行器可以提供良好的控制性能,因為與為氣動執行器提供動力的空氣不同,液壓流體不可壓縮,從而消除了粘滯/打滑和不一致的響應。但是,它們更加復雜,可能需要昂貴的維護。液壓油泄漏是另一個問題,可能造成過程和/或安全隱患。泄漏可能會使飲用水或食品加工等過程受到污染的風險。當在爐子或鍋爐周圍的燃燒應用中使用時,它們還會引起火災危險。
基于蝸輪和感應電動機設計的常規電動執行器消除了氣動和液壓方面的缺點,但也有其自身的問題。它們施加了占空比限制,以防止過熱和電機損壞,使其適合于開閉或過程控制應用,但不適用于需要連續良好控制的地方。它們還犧牲了閥的位置,以提供更大的執行器死區,從而避免調制,并且不超過電動機的工作極限。這個問題,再加上蝸輪蝸桿引起的反沖和電動機慣性滑行,導致限制循環,氣門控制不一致和差,以及較長的停機時間和維護費用。
為了實現精度,可重復性和可靠性的最佳組合,為連續,精確和調制控制而設計的電動執行器通常是明智的選擇,并且它們是關注過程控制性能的應用的理想選擇。在所有條件下,連續工作的執行器應能夠在整個執行器行程的0.10%到0.15%的范圍內進行位置變化,以避免由于最終控制元件的不良定位而導致不一致。
“最可靠的電動執行器使用同步永磁電動機代替感應電動機,以避免電動機燒毀。”
最可靠的電動執行器使用同步永磁電動機代替感應電動機,以避免電動機燒毀。他們還使用高效的正齒輪,以實現執行器輸出以及閥門的精確,可重復的定位。這些執行器以低功耗運行,可以大幅度降低運行成本,同時提供多種具有成本效益的功率選擇。低功耗還減少了停電的憂慮,因為在停電的情況下為故障定位響應提供備用電源或保持正常運行更為簡單。更少的齒輪磨損可防止性能下降,提高可靠性并大大降低維護要求。
現在,市場上已經推出了具有變速功能,甚至更高的效率以及能夠在低至12 VDC的直流電壓下運行的連續占空比調制執行器設計的高級版本。這些新設計在保持高可靠性和低維護優勢的同時,進一步提高了靈活性,效率,性能和應用適應性。
“正確的閥門執行器可以長時間提供響應迅速,嚴密且穩定的過程控制,而幾乎不需要維護。”
選擇執行器供應商時,除了產品性能外,還要考慮供應商的能力。從初始設計到安裝和安裝后支持的整個過程中,他們是否都有內部工程師與您合作?下班后有空嗎?他們是否進行集中設計和制造,以便完全控制交貨日期和緊急請求?他們是否全面測試每個執行器的性能,還是僅進行抽查?他們可以支持舊版產品并支持多少年?他們的產品保修期為多長時間?保修期是否可以無限次地開始/停止?
結論
執行器對過程質量,生產率,安全性,能耗,設備壽命和環境有重大影響。正確的執行器可以隨時間提供響應迅速,緊密而穩定的過程控制,而幾乎不需要維護。無論負載和條件如何變化,它們都應立即響應調制控制器的需求信號,并連續響應負載限制。它們不應受到粘滯/打滑響應,由諸如慣性滑行或其他性能不一致之類的因素引起的過沖。
由于這些原因,過程工程師需要仔細考慮他們的執行器選擇。在過程控制性能是一個因素的情況下,連續工作的電動執行器能夠隨著時間的推移以及不斷變化的過程條件進行精確,一致的控制。他們還應該考慮執行器的制造商和供應商,因為支持很重要,無論是今天,明天還是從現在開始。確保專注于產品的性能,其歷史和與控制目標有關的功能。不是所有執行器都一樣創建。