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关于使用先进的阀门实行器提高精密过程控制的应用笔记

来源:上海自动化仪表有限企业编辑:发表时间:2019-07-18 09:11:24


      工业过程设计和控制是复杂的事务。有许多物理限制和相互作用的变量会影响产量,效率,产品质量,操作安全性和环境。控制阀实行器对所有人都至关重要。
      无论您的最终工艺目标是什么,都需要在整个过程中的不同点控制流速。流量,温度,压力,油箱水平等过程变量需要严格控制,以达到预期目标,同时保持操作安全性和可靠性。虽然控制阀是物理控制过程介质的,但实行器是操作的核心和大脑,需要根据工厂过程控制系统的“指令”机械定位阀门。实行器不仅仅是一种插件,而是提供极为重要的过程控制。实际上,选择正确的实行器会在过程失败和成功之间产生巨大差异。
      例如,考虑在将汽油和乙醇装载到卡车上运输之前用于混合汽油和乙醇的实行器的作用。目标是控制乙醇与汽油的准确比例,但汽油和乙醇的不同热膨胀率以及由于乙醇在水中的混溶性而将混合的混合物与水分离的需要带来了挑战。由于这些原因,混合通常是在直接装载到油罐车中时实时完成的,并且比率变化的空间很小。
 

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用于指定阀门实行器的设计考虑因素和需求评估:
      指定实行器需要注意几个细节,所有这些都应该尽可能早地在设计过程中考虑。设计工程师应在需求评估期间解决以下问题,以帮助引导规范过程:
      1.电源可用性和成本: 运行实行器需要多少能量?大多数工厂希翼尽可能高效地运行以节省资金并实现环境可持续性目标。高压电动实行器不仅消耗更多能量,而且运行三相线路成本也很高。运行和支撑气动基础设施的成本更高。一些较新的电动实行器可以在12伏电压下运行,使工厂能够将它们安装在偏远地区,并将其从太阳能电池板或燃料电池中运行。低功率要求也使备用电源经济。
      2.控制目标: 您的流程对变化有多大的容忍度?实行器的精度和可重复性在这里起着关键作用。实行器是否需要间歇或连续工作?具有占空比限制的实行器如果经常启动和停止会过热和跳闸,并且用于限制调制的死区可能太宽而无法提供足够精确的分辨率来实现所需的控制。另一方面,能够连续调制的致动器可以响应恒定的控制请求并提供更好的分辨率。
      3.环境安全条件: 是否存在爆炸性气体或粉尘?如果是,则实行器选择必须具有适当的级别和部门认证。
      4.环境运行条件: 预期的环境温度范围是多少?实行器是否在恶劣的极端天气或外部淹没?实行机构的外壳认证和额定温度范围是否适合生产环境?并非所有实行器都能在所有条件下运行。
      5.阀门类型: 该过程是使用旋转四分之一转还是线性控制阀?为应用选择最佳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,就必须考虑适当的实行器类型。
      6.实行器尺寸: 使用什么类型的阀门以及需要多大的力来驱动它们?实行器必须与阀门类型及其所需的扭矩或推力相匹配。尺寸过小的实行器可能无法在所有条件下操作阀门,而尺寸过大的实行器可能会损坏阀杆。在某些情况下,与运行转矩相比具有较高的安装扭矩要求的蝶阀,使用较小的较低扭矩实行器指定连杆连接而不是将较大的实行器直接安装到阀杆上可能是合适的。连杆可用于表征致动器施加到阀门的扭矩曲线。所以,正确设计的连杆使得可以使用较小的致动器,其尺寸适合于阀门所需的较低运行扭矩,同时在阀座处产生更高的扭矩。优点是更经济且空间/重量有效的致动器。无论安装方法如何,超大尺寸和尺寸过小的实行器都会导致阀门控制不良。
      完成需求评估后,您将能够更好地指定正确的实行器以满足工艺要求。
      实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,实行器几乎应该对过程不可见。避免实行器具有广泛变化的死区时间或死区,这限制了对阀门位置进行小的即时更改的能力。宽死区导致实行器等待,直到反应和重新定位阀门之前过程发生剧烈变化。相反,寻找一个在毫秒内达到其全速和扭矩并且以毫秒为单位停止的实行器,从而提供快速,可靠和精确的阀门操作。还要研究实行器的可靠性跟踪记录:如果它每隔几个月就会停止工作,那么生产可能会有很大的延迟。
      在评估实行器选项时,工程师需要了解气动,液压和传统电动实行器设计的局限性。例如,气动实行器易受粘/滑响应,死时间过长,随着时间的变化而性能不一致以及性能随时间降低。它们还需要昂贵且不可靠的空气系统,其可能冻结或被污染。
      液压实行器可以提供良好的控制性能,因为与为气动实行器提供动力的空气不同,液压油是不可压缩的,因此消除了粘/滑和不一致的响应。但是,它们更复杂,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。泄漏会使饮用水或食品加工等过程受到污染的风险。当用于炉子或锅炉周围的燃烧应用时,它们也会引起火灾危险。
 

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      基于蜗轮和感应电动机设计的传统电动实行器消除了气动和液压缺点,但也存在其自身的问题。它们施加了占空比限制以防止过热和电机损坏,使其适用于开关或过程控制应用,但不适用于需要持续良好控制的场合。它们还牺牲了阀门定位,以实现更宽的实行器死区,以避免调制并且不超过电机的负载限制。这个问题加上蜗轮引起的间隙和电机滑行,有助于限制循环,不一致和不良的阀门控制,以及高停机时间和维护。
      为实现精度,可重复性和可靠性的最佳组合,设计用于连续,精确和调制控制的电动实行器通常是明智的选择,并且它们非常适用于需要考虑过程控制性能的应用。连续实行型实行器应能够在所有条件下始终如一地在完整实行器行程的0.10%至0.15%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的不一致。
      最可靠的电动实行器使用同步永磁电机代替感应电机,以避免电机烧坏。它们还使用高效的正齿轮传动装置,以实现实行器输出和阀门的精确,可重复定位。这些实行器以低功耗工作,可以大幅降低运营成本,同时提供更多种经济实惠的电源选择。低抽取也减少了停电问题,因为它可以更简单地为失效位置响应提供备用电源,或者在停电时维持正常运行。减少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。
      先进版本的连续工作调制实行器设计具有可变速度功能,甚至更高的效率以及在低至12VDC的直流电压下运行的能力。这些新设计进一步提高了灵活性,效率,性能和应用适用性,同时保持了高可靠性和低维护优势。
结论:
      实行器对过程质量,生产率,安全性,能耗,设备寿命和环境有重大影响。正确的实行器可以随着时间的推移提供响应性,紧密和稳定的过程控制,几乎不需要维护。无论负载和条件如何变化,它们都应马上响应调制控制器需求信号,并且不受任何限制。它们不应受到粘滞/滑动响应,由于电机滑行或其他性能不一致等因素引起的过冲。
      由于这些原因,工艺工程师需要仔细考虑其实行器选择。在过程控制性能是一个因素的情况下,连续工作电动实行器能够在不断变化的工艺条件下随时间精确,一致地控制。他们还应该考虑实行器制造商和供应商,因为支撑事项,今天,明天和几年后。务必关注产品的性能,历史以及对您的控制目标至关重要的功能。
 

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