无论您的最终工艺目标是什么,都需要在整个过程中的各个位置控制流速。需要严格调节过程变量,例如流量,温度,压力,罐液位等,以实现所需目标,同时保持操作安全性和可靠性。控制阀物理上控制过程介质,而执行器则是操作的心脏和大脑-根据工厂过程控制系统的“指令”机械定位阀门。

执行器绝不是随便买的商品,而是提供了至关重要的过程控制。确实,选择正确的执行器会在过程失败和成功之间产生巨大差异。

例如,在将汽油和乙醇装载到卡车上进行运输之前,请考虑一下用于混合汽油和乙醇的执行器的作用。目的是控制乙醇与汽油的准确比例,但是由于乙醇与水的可混溶性,汽油和乙醇的热膨胀率不同,以及需要将混合的混合物与水隔离,这构成了挑战。由于这些原因,通常在直接装载到加油车中时进行实时混合,几乎没有变化比例的空间。要获得所需的控制以避免昂贵的不合规格混合,首先要进行准确,一致和可靠的阀门致动。

阀门执行器

指定阀门执行器的设计注意事项和需求评估

指定执行器需要注意几个细节,所有这些细节都应在设计过程中尽早考虑。设计工程师应在需求评估期间解决以下问题,以帮助指导规范过程。

•可用功率和成本: 将有多少能量用于执行器的运行?大多数工厂都希望尽可能高效地运行以节省成本并实现环境可持续性目标。高压电动执行器不仅消耗更多的能量,而且运行三相线的成本可能很高。运行和支持气动基础设施的成本甚至更高。一些较新的电动执行器可以在12伏特电压下运行,使工厂能够将其安装在偏远地区,并用太阳能电池板或燃料电池供电。低功率要求也使备用电源经济。

•控制目标: 您的过程对变化有多大的容忍度?执行器的精度和可重复性在这里起着关键作用。执行器是否需要间歇或连续工作?具有占空比限制的执行器如果过于频繁地启动和停止,则可能会过热并跳闸,并且用于限制调制的死区可能太宽,无法提供足够精细的分辨率来实现所需的控制。另一方面,能够进行连续调制的执行器可以响应恒定的控制请求并提供更好的分辨率。

•环境安全条件: 是否存在爆炸性气体或粉尘?如果是,则执行器选择必须带有适当的Class and Division认证。

•环境操作条件: 预期的环境温度范围是多少?执行器是否处于极端恶劣的天气条件下或浸入水中?执行器的外壳认证和额定温度范围是否适合生产环境?并非所有的执行器都能在所有条件下运行。

•阀门类型: 过程使用旋转直角回转或线性控制阀吗?为一种应用选择最佳的阀门类型本身就是一门科学,但是一旦为每种应用做出选择,就必须考虑适当的执行器样式。

•执行器尺寸: 使用哪种类型的阀门以及需要多少力来致动它们?执行器必须与阀门类型及其所需的扭矩或推力相匹配。尺寸过小的致动器可能无法在所有条件下都操作阀门,而尺寸过大的致动器可能会损坏阀杆。在某些情况下,就像蝶阀相比于运行扭矩具有更高的座扭矩要求,可能需要使用较小的较低扭矩的执行机构来指定连杆连接,而不是将较大的执行机构直接安装到阀杆上。可以使用联动装置来表征执行器应用于阀门的扭矩曲线。所以,正确设计的连杆机构可以使用尺寸较小的执行器,以实现阀门所需的较低运行扭矩,同时在阀座处产生更高的扭矩。优点是更经济和节省空间/重量的致动器。无论采用哪种安装方式,执行机构的尺寸过大和尺寸过小都会导致阀门控制不佳。

在控制阀执行器中的目标

需求评估完成后,您将可以更好地选择合适的执行器来满足过程要求。

执行器的精度和重复超精细运动的能力至关重要。从某种意义上说,执行器对于过程几乎是不可见的。避免使执行器的死区时间或死区变化很大,从而限制了对阀位置进行小而即时的更改的能力。较宽的死区使执行器在过程发生重大变化之前一直等待,直到对阀门做出反应并重新定位。相反,需要寻找一种在几毫秒内达到其全速和扭矩并在几毫秒内停止的执行器,从而提供快速,可靠和精确的阀门操作。还要研究执行器的可靠性记录:如果执行器倾向于每隔几个月停止工作,则可能会大大延迟生产。

在评估执行器选件时,工程师需要意识到气动,液压和常规电动执行器设计的局限性。例如,气动执行器容易产生粘滞/打滑响应,死区时间过多,性能随条件变化而变化以及性能随时间下降的情况。他们还需要昂贵且不可靠的空气系统,这些系统可能会结冰或被污染。

液压执行器可以提供良好的控制性能,因为与为气动执行器提供动力的空气不同,液压流体不可压缩,从而消除了粘滞/打滑和不一致的响应。但是,它们更加复杂,可能需要昂贵的维护。液压油泄漏是另一个问题,可能造成过程和/或安全隐患。泄漏可能会使饮用水或食品加工等过程受到污染的风险。当在炉子或锅炉周围的燃烧应用中使用时,它们还会引起火灾危险。

阀门执行器

 

基于蜗轮和感应电动机设计的常规电动执行器消除了气动和液压方面的缺点,但也有其自身的问题。它们施加了占空比限制,以防止过热和电机损坏,使其适合于开闭或过程控制应用,但不适用于需要连续良好控制的地方。它们还牺牲了阀的位置,以提供更大的执行器死区,从而避免调制,并且不超过电动机的工作极限。这个问题,再加上蜗轮蜗杆引起的反冲和电动机惯性滑行,导致限制循环,气门控制不一致和差,以及较长的停机时间和维护费用。

为了实现精度,可重复性和可靠性的最佳组合,为连续,精确和调制控制而设计的电动执行器通常是明智的选择,并且它们是关注过程控制性能的应用的理想选择。在所有条件下,连续工作的执行器应能够在整个执行器行程的0.10%到0.15%的范围内进行位置变化,以避免由于最终控制元件的不良定位而导致不一致。

“最可靠的电动执行器使用同步永磁电动机代替感应电动机,以避免电动机烧毁。”

最可靠的电动执行器使用同步永磁电动机代替感应电动机,以避免电动机烧毁。他们还使用高效的正齿轮,以实现执行器输出以及阀门的精确,可重复的定位。这些执行器以低功耗运行,可以大幅度降低运行成本,同时提供多种具有成本效益的功率选择。低功耗还减少了停电的忧虑,因为在停电的情况下为故障定位响应提供备用电源或保持正常运行更为简单。更少的齿轮磨损可防止性能下降,提高可靠性并大大降低维护要求。

现在,市场上已经推出了具有变速功能,甚至更高的效率以及能够在低至12 VDC的直流电压下运行的连续占空比调制执行器设计的高级版本。这些新设计在保持高可靠性和低维护优势的同时,进一步提高了灵活性,效率,性能和应用适应性。

“正确的阀门执行器可以长时间提供响应迅速,严密且稳定的过程控制,而几乎不需要维护。”

选择执行器供应商时,除了产品性能外,还要考虑供应商的能力。从初始设计到安装和安装后支持的整个过程中,他们是否都有内部工程师与您合作?下班后有空吗?他们是否进行集中设计和制造,以便完全控制交货日期和紧急请求?他们是否全面测试每个执行器的性能,还是仅进行抽查?他们可以支持旧版产品并支持多少年?他们的产品保修期为多长时间?保修期是否可以无限次地开始/停止?

结论

执行器对过程质量,生产率,安全性,能耗,设备寿命和环境有重大影响。正确的执行器可以随时间提供响应迅速,紧密而稳定的过程控制,而几乎不需要维护。无论负载和条件如何变化,它们都应立即响应调制控制器的需求信号,并连续响应负载限制。它们不应受到粘滞/打滑响应,由诸如惯性滑行或其他性能不一致之类的因素引起的过冲。

由于这些原因,过程工程师需要仔细考虑他们的执行器选择。在过程控制性能是一个因素的情况下,连续工作的电动执行器能够随着时间的推移以及不断变化的过程条件进行精确,一致的控制。他们还应该考虑执行器的制造商和供应商,因为支持很重要,无论是今天,明天还是从现在开始。确保专注于产品的性能,其历史和与控制目标有关的功能。不是所有执行器都一样创建。