Bộ truyền động và bộ định vị van điều khiển

Van điều khiển cần bộ truyền động để vận hành. Hướng dẫn này thảo luận ngắn gọn sự khác biệt giữa bộ truyền động điện và khí nén, mối quan hệ giữa thuật ngữ tác động trực tiếp và tác động ngược, và điều này ảnh hưởng thế nào đến khả năng kiểm soát của van. Tầm quan trọng của bộ định vị được thảo luận liên quan đến chức năng và lý do cần thiết cho nhiều ứng dụng.

Bộ truyền động Trong Mô-đun 5, ‘Lý thuyết điều khiển’, một phép loại suy được sử dụng để mô tả điều khiển quy trình đơn giản:

• Cơ bắp cánh tay và bàn tay (bộ truyền động) quay van - (thiết bị được kiểm soát).

Một dạng thiết bị điều khiển, van điều khiển, đã được đề cập. Bộ truyền động là lĩnh vực quan tâm hợp lý tiếp theo.

Vận hành van điều khiển liên quan đến việc định vị phần di chuyển (nút van, bóng hoặc cánh) tương đối với đế cố định của van. Mục đích của bộ truyền động van là định vị chính xác nút van ở vị trí được chỉ định bởi tín hiệu điều khiển.

Bộ truyền động nhận tín hiệu từ hệ thống điều khiển và, để đáp lại, di chuyển van sang vị trí hoàn toàn mở hoặc hoàn toàn đóng, hoặc vị trí mở hơn hoặc đóng hơn (tùy thuộc vào hành động điều khiển ‘bật/tắt’ hay ‘liên tục’ được sử dụng).

Có một số cách để cung cấp truyền động này. Mô-đun này sẽ tập trung vào hai loại chính:

• Khí nén.
• Điện. Các bộ truyền động quan trọng khác bao gồm loại thủy lực và loại tác động trực tiếp. Những loại này được thảo luận trong Mô-đun 7, ‘Thiết bị điều khiển: Điều khiển tự hành’.

Bộ truyền động khí nén - vận hành và tùy chọn Bộ truyền động khí nén thường được sử dụng để điều khiển van và có sẵn trong hai dạng chính; bộ truyền động piston (hình 6.6.1) và bộ truyền động màng (hình 6.6.2)

Bộ truyền động piston Bộ truyền động piston thường được sử dụng khi hành trình của bộ truyền động màng quá ngắn hoặc lực đẩy quá nhỏ. Khí nén được áp dụng lên piston rắn chứa trong xi lanh rắn. Bộ truyền động piston có thể là tác động đơn hoặc tác động kép, có thể chịu áp suất đầu vào cao hơn và cung cấp thể tích xi lanh nhỏ hơn, có thể hoạt động tốc độ cao. Bộ truyền động màng Bộ truyền động màng có khí nén được áp dụng lên màng linh hoạt gọi là màng. Hình 6.6.2 cho thấy màng cuộn trong đó diện tích màng hiệu dụng gần như không đổi trong suốt hành trình truyền động. Các loại bộ truyền động này là tác động đơn, trong đó khí chỉ được cung cấp vào một bên của màng, và chúng có thể là tác động trực tiếp (lò xo thu hồi) hoặc tác động ngược (lò xo mở rộng). Tác động ngược (lò xo mở rộng) Lực vận hành được tạo ra từ áp suất khí nén, được áp dụng lên màng linh hoạt. Bộ truyền động được thiết kế sao cho lực từ áp suất khí, nhân với diện tích màng, vượt qua lực tác dụng (theo hướng ngược lại) bởi lò xo.

Màng (hình 6.6.2) được đẩy lên trên, kéo trục lên, và nếu trục được kết nối với van tác động trực tiếp, nút van được mở. Bộ truyền động được thiết kế sao cho với thay đổi cụ thể của áp suất khí, trục sẽ di chuyển đủ để di chuyển van qua toàn bộ hành trình từ hoàn toàn đóng sang hoàn toàn mở.

Khi áp suất khí giảm, lò xo di chuyển trục theo hướng ngược lại. Phạm vi áp suất khí bằng đánh giá lò xo bộ truyền động đã nêu, ví dụ 0,2 - 1 bar.

Với van lớn hơn và/hoặc chênh lệch áp suất cao hơn cần đối phó, cần nhiều lực hơn để đạt được chuyển động van đầy đủ.

Để tạo nhiều lực hơn, cần diện tích màng lớn hơn hoặc phạm vi lò xo cao hơn. Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất thiết bị điều khiển cung cấp nhiều loại bộ truyền động khí nén để phù hợp với nhiều loại van - bao gồm diện tích màng tăng dần, và lựa chọn phạm vi lò xo để tạo ra các lực khác nhau.

Các sơ đồ trong hình 6.6.3 cho thấy các thành phần của bộ truyền động khí nén cơ bản và hướng di chuyển trục khi áp suất khí tăng. Bộ truyền động tác động trực tiếp (lò xo thu hồi) Bộ truyền động tác động trực tiếp được thiết kế với lò xo bên dưới màng, có khí được cung cấp vào không gian phía trên màng. Kết quả, khi áp suất khí tăng, là di chuyển trục theo hướng ngược lại so với bộ truyền động tác động ngược.

Hiệu ứng của chuyển động này lên độ mở van phụ thuộc vào thiết kế và loại van được sử dụng, và được minh họa trong hình 6.6.3.

Tuy nhiên, có một lựa chọn thay thế, được thể hiện trong hình 6.6.4. Bộ truyền động khí nén tác động trực tiếp được kết nối với van điều khiển có nút van tác động ngược (đôi khi gọi là ‘nút van treo’). Lựa chọn giữa điều khiển khí nén tác động trực tiếp và tác động ngược phụ thuộc vào vị trí van nên quay về trong trường hợp hỏng nguồn cung khí nén. Van nên đóng hay mở rộng? Lựa chọn này phụ thuộc vào tính chất ứng dụng và yêu cầu an toàn. Đối với van hơi nên đóng khi mất khí, và van làm mát nên mở khi mất khí. Sự kết hợp giữa loại bộ truyền động và van phải được xem xét. Hình 6.6.5 và hình 6.6.6 cho thấy hiệu ứng ròng của các kết hợp khác nhau. Ảnh hưởng của chênh lệch áp suất lên nâng van Khí được đưa vào buồng màng là tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển khí nén. Áp suất khí tín hiệu được sử dụng rộng rãi nhất là 0,2 bar đến 1 bar. Xem xét bộ truyền động tác động ngược (lò xo mở rộng) với lò xo tiêu chuẩn 0,2 đến 1,0 bar, lắp vào van tác động trực tiếp (hình 6.6.7). Khi cụm van và bộ truyền động được hiệu chuẩn (hoặc ‘thiết lập trên bàn’), nó được điều chỉnh sao cho áp suất khí 0,2 bar sẽ bắt đầu vượt qua sức cản của lò xo và di chuyển nút van khỏi đế.

Khi áp suất khí tăng, nút van di chuyển dần xa khỏi đế, cho đến cuối cùng ở áp suất khí 1 bar, van mở 100%. Điều này được thể hiện đồ thị trong hình 6.6.7.

Bây giờ xem xét cụm này được lắp trong đường ống trong ứng dụng giảm áp, với 10 bar g ở phía thượng nguồn và kiểm soát áp suất hạ nguồn ở 4 bar g.

Chênh lệch áp suất qua van là 10 - 4 = 6 bar. Áp suất này tác động lên mặt dưới nút van, cung cấp lực có xu hướng mở van. Lực này bổ sung cho lực được cung cấp bởi áp suất khí trong bộ truyền động.

Do đó, nếu bộ truyền động được cung cấp khí ở 0,6 bar (nửa chừng giữa 0,2 và 1 bar), ví dụ, thay vì van đạt vị trí mở 50% dự kiến, độ mở thực tế sẽ lớn hơn, do lực bổ sung từ chênh lệch áp suất.

Ngoài ra, lực bổ sung này có nghĩa là van không đóng ở 0,2 bar. Để đóng van trong ví dụ này, tín hiệu điều khiển phải được giảm xuống khoảng 0,1 bar.

Tình huống hơi khác với van hơi điều khiển nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt, vì chênh lệch áp suất qua van sẽ thay đổi giữa:

• Tối thiểu, khi quy trình yêu cầu nhiệt tối đa, và van điều khiển mở 100%.
• Tối đa, khi quy trình đạt nhiệt độ và van điều khiển đóng. Áp suất hơi trong bộ trao đổi nhiệt tăng khi tải nhiệt tăng. Điều này có thể được thấy trong Mô-đun 6.5, Ví dụ 6.5.3 và Bảng 6.5.7.

Nếu áp suất phía trước van điều khiển không đổi, thì, khi áp suất hơi tăng trong bộ trao đổi nhiệt, chênh lệch áp suất qua van phải giảm.

Hình 6.6.8 cho thấy tình huống với khí áp dụng lên bộ truyền động tác động trực tiếp. Trong trường hợp này, lực trên nút van do chênh lệch áp suất tạo ra hoạt động ngược lại áp suất khí. Hiệu ứng là nếu bộ truyền động được cung cấp khí ở 0,6 bar, ví dụ, thay vì van đạt vị trí mở 50% dự kiến, phần trăm mở sẽ lớn hơn do lực bổ sung từ chênh lệch áp suất. Trong trường hợp này, tín hiệu điều khiển phải được tăng lên khoảng 1,1 bar để đóng hoàn toàn van. Có thể hiệu chuẩn lại van và bộ truyền động để tính đến lực do chênh lệch áp suất tạo ra, hoặc có thể sử dụng lò xo khác nhau, áp suất khí và kết hợp bộ truyền động. Cách tiếp cận này có thể cung cấp giải pháp kinh tế cho van nhỏ, với chênh lệch áp suất thấp và khi kiểm soát chính xác không cần thiết. Tuy nhiên, thực tế là:

• Van lớn hơn có diện tích lớn hơn để chênh lệch áp suất tác động, do đó tăng lực được tạo ra, và có ảnh hưởng ngày càng lớn đến vị trí van.
• Chênh lệch áp suất cao hơn có nghĩa là lực cao hơn được tạo ra.
• Van và bộ truyền động tạo ra ma sát, gây ra hiện tượng trễ. Van nhỏ có thể có ma sát lớn hơn tương đối so với tổng lực liên quan. Giải pháp là lắp bộ định vị vào cụm van/bộ truyền động. (Thông tin thêm về bộ định vị được cung cấp sau trong Mô-đun này).

Lưu ý: Để đơn giản, các ví dụ trên giả định không sử dụng bộ định vị, và hiện tượng trễ bằng không.

Công thức được sử dụng để xác định lực đẩy có sẵn để giữ van trên đế cho các kết hợp van và bộ truyền động khác nhau được thể hiện trong hình 6.6.9.

Trong đó:

A = Diện tích hiệu dụng của màng

Pmax = Áp suất tối đa cho bộ truyền động (thường là 1,2 bar)

Smax = Thiết lập trên bàn tối đa của lò xo

Pmin = Áp suất tối thiểu cho bộ truyền động (thường là 0 bar)

Smin = Thiết lập trên bàn tối thiểu của lò xo

Lực đẩy có sẵn để đóng van phải cung cấp ba chức năng:

1. Vượt qua chênh lệch áp suất chất lỏng tại vị trí đóng.
2. Vượt qua ma sát trong van và bộ truyền động, chủ yếu tại kín trục van và bộ truyền động.
3. Cung cấp lực kín giữa nút van và đế van để đảm bảo mức độ kín chặt yêu cầu. Các nhà sản xuất van điều khiển thường sẽ cung cấp đầy đủ chi tiết về chênh lệch áp suất tối đa mà các kết hợp van và bộ truyền động/lò xo khác nhau có thể hoạt động; Bảng trong hình 6.6.10 là ví dụ về dữ liệu này.

Lưu ý: Khi sử dụng bộ định vị, cần tham khảo tài liệu của nhà sản xuất để biết áp suất khí tối thiểu và tối đa.

Bộ định vị Đối với nhiều ứng dụng, áp suất 0,2 đến 1 bar trong buồng màng có thể không đủ để đối phó với ma sát và chênh lệch áp suất cao. Áp suất điều khiển cao hơn và lò xo mạnh hơn có thể được sử dụng, nhưng giải pháp thực tế là sử dụng bộ định vị.

Đây là thiết bị bổ sung (xem hình 6.6.11), thường được lắp vào giá đỡ hoặc trụ của bộ truyền động, và nó được liên kết với trục bộ truyền động bằng cánh tay phản hồi để giám sát vị trí van. Nó yêu cầu nguồn cung khí áp suất cao riêng, được sử dụng để định vị van. Bộ định vị van liên kết tín hiệu đầu vào và vị trí van, và sẽ cung cấp bất kỳ áp suất đầu ra nào cho bộ truyền động để thỏa mãn mối quan hệ này, theo yêu cầu của van, và trong giới hạn áp suất cung cấp tối đa. Khi bộ định vị được lắp vào van và bộ truyền động ‘khí mở’, phạm vi lò xo có thể được tăng để tăng lực đóng, và do đó tăng chênh lệch áp suất tối đa mà van cụ thể có thể chịu. Áp suất khí cũng sẽ được điều chỉnh khi cần để vượt qua ma sát, do đó giảm hiệu ứng trễ. Ví dụ: Lấy bộ truyền động dòng PN5400 lắp vào van DN50 (xem Bảng trong hình 6.6.10)

Bộ truyền động điện ****Khi nguồn khí nén không có sẵn hoặc không mong muốn, có thể sử dụng bộ truyền động điện để điều khiển van. Bộ truyền động điện sử dụng động cơ điện với yêu cầu điện áp trong phạm vi: 230 Vac, 110 Vac, 24 Vac và 24 Vdc. Có hai loại bộ truyền động điện; VMD (Điều khiển mô-tơ van) và Điều biến.

VMD (Điều khiển mô-tơ van) Phiên bản cơ bản này của bộ truyền động điện có ba trạng thái:

1. Điều khiển van mở.
2. Điều khiển van đóng.
3. Không di chuyển. Hình 6.6.20 cho thấy hệ thống VMD trong đó hành trình tiến và lùi của bộ truyền động được điều khiển trực tiếp từ bất kỳ bộ chuyển đổi 3 vị trí bên ngoài hoặc hai bộ chuyển đổi 2 vị trí. Các công tắc được đánh giá ở điện áp bộ truyền động và có thể được thay thế bằng rơ le phù hợp.

Các thiết bị giới hạn được lắp bên trong bộ truyền động VMD để bảo vệ động cơ khỏi hư hỏng hành trình quá mức. Các thiết bị này dựa trên hoặc mô-men xoắn tối đa của động cơ hoặc công tắc giới hạn vị trí vật lý. Cả hai thiết bị đều dừng động cơ bằng cách ngắt nguồn điện động cơ.

• Công tắc giới hạn vị trí có ưu điểm có thể điều chỉnh để giới hạn hành trình van trong van quá khổ.
• Công tắc mô-men xoắn có ưu điểm cung lực đóng xác định trên đế van, bảo vệ bộ truyền động trong trường hợp trục van bị kẹt.
• Nếu chỉ sử dụng công tắc giới hạn vị trí, chúng có thể được kết hợp với khớp nối lò xo để đảm bảo kín chặt van. Bộ truyền động VMD có thể được sử dụng cho truyền động bật/tắt hoặc cho điều khiển điều biến. Bộ điều khiển định vị van bằng cách điều khiển van mở hoặc đóng trong một thời gian nhất định, để đảm bảo nó đạt vị trí mong muốn. Phản hồi vị trí van có thể được sử dụng với một số bộ điều khiển Điều biến Để định vị van điều khiển theo yêu cầu hệ thống, bộ truyền động điều biến có thể được sử dụng. Các thiết bị này có thể có động cơ đánh giá cao hơn (thường 1 200 lần khởi động/giờ) và có thể có điện tử tích hợp.

Mạch định vị có thể được bao gồm trong bộ truyền động điều biến, chấp nhận tín hiệu điều khiển tương tự (thường 0-10 V hoặc 4-20 mA). Bộ truyền động sau đó diễn giải tín hiệu điều khiển này, như vị trí van giữa các công tắc giới hạn.

Để đạt được điều này, bộ truyền động có cảm biến vị trí (thường là điện trở xoay), phản hồi vị trí van thực tế về mạch định vị. Bằng cách này, bộ truyền động có thể được định vị dọc theo hành trình theo tỷ lệ với tín hiệu điều khiển. Sơ đồ của bộ truyền động điều biến được thể hiện trong hình 6.6.21.. Bộ truyền động khí nén có tính năng an toàn tích hợp; nếu nguồn khí hoặc tín hiệu điều khiển hỏng, van sẽ đóng. Để cung cấp chức năng này trong bộ truyền động điện, các phiên bản ‘dự trữ lò xo’ có sẵn sẽ mở hoặc đóng van khi mất điện hoặc tín hiệu điều khiển. Thay vào đó, an toàn có thể được cung cấp bằng pin.

Bộ truyền động điện cung cấp lực xác định, có thể bị giới hạn trên các phiên bản dự trữ lò xo. Bảng biểu của nhà sản xuất nên luôn được tham khảo khi lựa chọn.

Khi tính cỡ bộ truyền động, nên tham khảo bảng dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất cho chênh lệch áp suất tối đa qua van (xem hình 6.6.22).

Một giới hạn khác của bộ truyền động điện là tốc độ di chuyển van, có thể thấp đến 4 mm/giây, trong hệ thống thay đổi nhanh có thể quá chậm.