Для автоматизации работы регулирующих клапанов используются приводы. Они могут работать за счет энергии сжатого воздуха или с помощью электричества. В этом материале мы разберемся, чем отличаются эти виды приводов. Дополнительно рассмотрим, что такое позиционер и зачем он нужен.
Исполнительный механизм
Любой регулирующий клапан в своей конструкции имеет подвижную часть, которая открывает и закрывает поток. Эта деталь перемещается внутри корпуса и частично или полностью закрывают проходной канал. Если канал может быть перекрыт полностью - то клапан называется запорно-регулируюший, если перекрытие частичное - то регулирующий.
Положение запорного элемента зависит от вида привода. Одни могут работать только в режиме «Вкл» и «Выкл» (арматура без регулирующей функции), другие движутся непрерывно и останавливаются в любой точке (регулирующая арматура).
Пневматические приводы
Эти механизмы функционируют благодаря подаче сжатого воздуха. Он поступает в цилиндр под большим давлением и двигает исполнительный элемент. Одна из особенностей этих устройств — способность работать с высокой частотой. То есть, они могут перемещать клапаны быстро и часто.
Приводы этого типа делятся на подвиды в зависимости от конструкции.
Поршневые
Их устанавливают в случаях, когда механизм должен создавать большое усилие и перемещать шток на значительное расстояние. С такой задачей не справятся мембранные модели.
В таком приводе установлен цилиндр, внутри которого двигается поршень. При поступлении воздуха он перемещает механизм в одном (одностороннего действия) или двух (двустороннего действия) направлениях.
Привод может иметь разный объем цилиндра. В зависимости от него и давления воздуха регулируется усилие.
Мембранные
В мембранных пневматических приводах (часто называются МИМ - мембранный исполнительный механизм) используется эластичный элемент (резиновая мембрана), который может менять форму при подаче сжатого воздуха. Привод сделан так, чтобы возникала сила, величина которой равна произведению давления воздуха на площадь мембраны. Создаваемого усилия достаточно, чтобы воздействовать на пружину, которая перемещает шпиндель и, через него, закрывающий механизм.
Мембранный привод прямого и обратного действия
В мембранных приводах используется пружина, которая расположена с одной стороны эластичного элемента. В зависимости от конструкции при подаче воздуха с одной стороны диафрагмы она может перемещать механизм в прямом или обратном направлении. Иными словами, нужно отличать нормально закрытое и нормально открытое состояния.
Выбор модели зависит от требований безопасности при эксплуатации инженерных сетей. Нужно знать, какое положение должна занять арматура при обрыве трубопровода для подачи воздуха.
Например, если клапан подает пар к нагревательному оборудованию, то имеет смысл ставить нормально закрытый механизм. В случае аварии он перекроет поток и предотвратит аварийную ситуацию. И наоборот, если трубопровод подает охладитель, то лучше использовать клапан, который при потере давления остается открытым.
Как давление воздуха влияет на движение клапана
В пневматических приводах воздух не просто создает нужное усилие для перемещения запорного механизма. Его можно рассматривать как способ управления регулирующей арматурой. То есть, при увеличении или уменьшении давления изменяется и прикладываемое усилие.
Чаще всего используются приводы, рассчитанные на давление воздуха в диапазоне 0,2–1 бар. Для примера рассмотрим пневмопривод обратного действия, в котором пружина оттягивает закрывающий элемент.
Если правильно откалибровать пневматический механизм, то при подаче воздуха, когда давление достигнет отметки 0,2 бар, пружина перестанет сопротивляться и запорный элемент сдвинется с места. Проходное отверстие откроется. По мере увеличения давления до 1 бар шток продолжит движение, пока не откроет проход полностью. Таким образом можно управлять транспортируемой средой.
Но при расчете давления для перемещения штока нужно учитывать гистерезис или задержку отклика. При подаче сжатого воздуха из-за трения шток будет перемещаться медленнее и позднее. Особенно сильно это проявляется на механизмах небольшого размера. Чтобы компенсировать это, нужно установить позиционер на арматуру в сборе.
Он нужен еще и потому, что создаваемое сжатым воздухом усилие должно преодолеть противодействующие силы:
- Давление жидкости, которая воздействует на запирающую деталь;
- Трение подвижных частей друг о друга;
- Сопротивление уплотняющих элементов.
Также создаваемое усилие должно быть таким, чтобы запор плотно входил в седло корпуса и герметично удерживался в нем.
Позиционеры запорной арматуры
В некоторых случаях давления воздуха в 0,2 – 1 бар, который подается в камеру диафрагмы, может не хватить для перемещения запора. Его будет удерживать сильная сила трения и воздействие среды. Выходом из ситуации может быть повышение давления или установка более мощных пружин.
Но инженеры усовершенствовали механизм, добавив в него позиционер. Это дополнительная деталь в приводе, которая крепится к стойкам или коромыслу, соединяется со шпинделем рычажным механизмом. Это позволяет контролировать положение клапана. Для приведения в действие этого устройства нужно подать воздух под большим давлением, чем необходимо для работы клапана.
Позиционер сравнит входной сигнал с тем, в каком положении находится запорный элемент. После этого он обеспечивает выходное давление, которое нужно приводу.
Если установить позиционер на запорной арматуре, которая открывается при подаче сжатого воздуха, диапазон сжатия и разжимания пружины можно увеличить, чтобы усилить силу закрытия. В результате повысится максимальный перепад давления для конкретного клапана. Давление воздуха можно проще регулировать, чтобы преодолеть трение. В результате влияние гистерезиса уменьшится.
Обратите внимание, что позиционер представляет собой пропорциональный механизм. Следовательно, как и пропорциональный регулятор он обеспечивает смещение механизма. Диапазон пропорционального регулирования обычно составляет 3–6%. Но чувствительность можно изменять путем настройки. Сделать это можно согласно технической документации, которая прилагается к арматуре.
Благодаря позиционеру обеспечивается линейная зависимость между давлением сжатого воздуха, который подается в систему, и положением запорного элемента клапана. За счет этого при определенной величине входного сигнала механизм будет занимать одно и то же положение. На это не будет влиять перепад давления, сила трения штока, гистерезис эластичного элемента и другие факторы.
Кроме того, позиционер выступает в качестве усилителя. На него воздействует давление воздуха, в результате чего он генерирует собственный сигнал высокого давления и кратно увеличивает его. Следовательно, он создает больше усилие, чем диафрагма, чтобы переместить запорный элемент клапана в нужное положение.
В некоторых пневматических приводах для арматуры используются электропневматические преобразователи. В них управляющим сигналом служит электрический импульс величиной от 4 до 20 мА, который уже приводит в действие сам клапан. Устройства могут работать полностью автоматически, получая управляющие сигналы от внешних сенсоров.
В каких случаях нужен позиционер
Чаще всего позиционер в пневматических приводах запорной арматуры используют в таких ситуациях:
- Нужно точно расположить запорный элемент клапана в проходном отверстии.
- Необходимо, чтобы клапан срабатывал как можно быстрее. Благодаря позиционеру можно подать в рабочую камеру воздух под более высоким давлением.
- Для увеличения давления, при котором привод и арматура сработают. В этом случае он будет играть роль усиливающего механизма.
- Если из-за высокого трения деталей (например, в сальниковой набивке) создается слишком высокий гистерезис, который недопустим для конкретной инженерной системы.
- Если перепад давления в транспортируемой среде приводит к изменению положения запорного элемента арматуры.
Безопасность пневматических систем
Одним из плюсов пневматического привода является его безопасная эксплуатация во взрывоопасной среде. Механизм при срабатывании ни при каких обстоятельствах не может вызвать искру. Следовательно, воспламенение исключается.
Вторым плюсом будет возможность создания большого усилия для закрытия клапана, что важно при сильных перепадах давления.
Но при выборе пневматических систем нужно учитывать некоторые ограничения этого технического решения в сравнении с электрическими вариантами.
Для устранения этого ограничения используют комбинацию пневматического механизма и электронной системы управления. В конструкцию такого устройства добавляют преобразователь.
Этот компонент принимает управляющий электрический импульс силой от 4 до 20 мА. После этого он преобразует его в пневматический сигнал с давлением от 0,2 до 1 бар. Затем он подается в привод.
Происходит трансформация электрического сигнала в пневматическую энергию. Причем это преобразование осуществляется вне взрывоопасной зоны или вдали от перегретой окружающей среды, которая возникает возле трубопровода и установленного клапана.
Многие датчики, которые используют для автоматизации работы инженерных систем, оборудованы аналоговыми выходами. Например, выдают импульс силой от 3 до 20 ма или от 0 до 10 В. Их можно трансформировать в цифровую форму.
Эту задачу выполняет контроллер, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Однако современные производители предлагают датчики, которые могут преобразовывать его автоматически. Плюс цифрового варианта в том, что он менее подвержен воздействию внешних помех.
По этой причине аналоговые сигналы используют только для передачи импульса на небольшое расстояние. Более длинные провода невозможны из-за сопротивления проводника. Но при этом нужно учитывать, что до сих пор применяют много приводов, которые работают от аналогового сигнала. Из-за этого создать сеть дистанционного управления трубопроводами на основе электронных сигналов сложнее.
Особенности цифровых позиционеров
Цифровой или, как его еще называют, интеллектуальный позиционер может определять положение клапана относительно проходного отверстия. Он трансформирует эту информацию в цифровой формат, который затем можно передать в АСУ ТП.
Цифровой позиционер, благодаря встроенному микропроцессору, имеет следующие особенности:
- Позволяет точно определить положение клапана;
- Его можно адаптировать к изменениям запорного элемента и обеспечить герметичность запирания;
- Цифровому позиционеру для срабатывания необходимо меньше воздуха в сравнении с аналоговым;
- Автоматизируется процесс настройки и калибровки арматуры;
- Цифровое устройство автоматически посылает сигнал о своей исправности или выявленных дефектах;
- Можно организовать централизованный контроль состояния арматуры во всех трубопроводах.
Обмен данными производится по унифицированным производственным протоколам, в том числе Profibus, HART® и других.
В последнее время производственные объекты оснащают запорной арматурой с поддержкой среды Fieldbus. Связь такого типа имеет намного больше плюсов и возможностей, чем классические аналоговые системы.
Как выбрать клапан и пневматический привод к нему
Рассмотрим подробнее, каким образом нужно выбирать клапан для трубопроводной системы:
- Определить, в каком положении должен находиться запорный элемент при потере давления в управляющей камере позиционера;
- Выбрать привод и пружину, которые могут открывать или закрывать запор при перепадах давления;
- Определить, нужен ли в приводе позиционер;
- Выяснить, какой тип управляющего сигнала нужно использовать — пневматический или электрический. От этого зависит необходимость в преобразователе.
Поворотные пневмоприводы и позиционеры
К поворотным типам клапанов относятся дроссельные и шаровые. В них также можно использовать приводы, которые способны создавать вращательное движение. Чаще всего применяют поршневые модели.
Они состоят из нескольких элементов:
- Центральный вал;
- Поршни;
- Центральная камера.
Для взаимодействия поршней и вала используются зубчатые колеса. Для приведения в действие клапана в центральную камеру подают воздух, который толкает поршень из камеры. Присоединенная к нему рейка с зубцами вращает вал, который передает это движение на шток клапана. При снижении давления поршень движется в обратном направлении благодаря пружинам.
Также существуют клапаны двустороннего действия, в которых прямое и обратное движение происходит за счет подаваемого воздуха. Рабочие камеры в этом случае расположены по обе стороны от поршня. Эти модели также можно оборудовать позиционерами.
Обратите внимание, что для работы пневмоприводов на объекте должны использоваться компрессоры и трубы для подачи сжатого воздуха. Во избежание поломок перед каждым приводом обычно ставят регулятор и фильтр очистки. Особенно важна чистота и сухость воздуха для контроллеров, позиционеров и преобразователей.
Электрические приводы
Механизмы с электромотором используют в том случае, если на объекте нет источника сжатого воздуха или его применять невозможно. Для приведения в действие запорного элемента нужны электродвигатели переменного тока с напряжением 220 В или 380 В или постоянного с напряжением 24 В.
Для управления клапанами используют два типа приводов:
Открыто-закрыто
Это базовая версия, которая имеет три состояния:
- Открывание запорного элемента;
- Закрывание крана (затвора, клина);
- Отсутствие движения.
В позиционерах движение в прямом и обратном направлениях реализовано с помощью трехпозиционного или двух двухпозиционных переключателей. Они имеют напряжение привода или заменяются подходящими по характеристикам реле.
Для предотвращения повреждения электродвигателей монтируют ограничивающие устройства. Благодаря им исключается излишнее перемещение запорного механизма. Принцип их действия основан на измерении максимального крутящего момента или достижении нужного положения. Если это произойдет, устройство перекроет подачу тока и выключит двигатель.
Концевые выключатели хороши тем, что их можно настраивать для ограничения расстояния перемещения клапана большого диаметра. Плюс датчиков крутящего момента в том, что они измеряют усилие закрытия седла. Следовательно, можно избежать заклинивания во время работы.
Концевые выключатели можно использовать вместе с пружиной, которая обеспечивает плотное прилегание запорного элемента к седлу.
Модулирующий
Это регулируемый привод, который можно использовать для позиционирования клапанов инженерных систем. В этих устройствах устанавливают более мощные двигатели и управляющую электронику. Они рассчитаны на частое и быстрое срабатывание.
Как правило, в состав привода входит система позиционирования, которая работает под управлением аналогового сигнала. Он поступает в устройство и указывает, какое положение должен занять запирающий элемент между конечными выключателями.
Для контроля арматуры часто оборудуют датчиками положения. Они передают информацию о фактическом состоянии клапана в контур позиционирования. Таким образом, привод может сам выбирать положение в зависимости от полученного управляющего сигнала.
В пневматических приводах в случае аварийной потери давления предусмотрена предохранительная функция. При поломке пневматической системы он откроется или закроется.
В электрических этот механизм реализован с помощью так называемого «пружинного резерва». Он закрывает или открывает клапан в случае отсутствия питания или потери управляющего сигнала. Также в приводах может быть предусмотрен элемент питания, что повышает отказоустойчивость системы.
В интернет-магазине «Кран-Клапан» в можете купить пневмоприводы одностороннего действия, заказать пневмоприводы двустороннего действия и другое оборудование для запорно-регулирующей арматуры по низкой цене.