Актуатори с едностранно и двустранно действие: Критерии за избор, дизайн с предпазна функция и диагностика на повреди на място

Основната разлика и защо е важна в приложения за безопасност

Еднопосочен задвижващ механизъм използва инструментален въздух за движение в една посока и пружина за връщане в безопасна позиция при спиране на въздуха. Двупосочен задвижващ механизъм използва въздушно налягане за движение в двете посоки. Премахването на въздуха от двупосочен задвижващ механизъм оставя клапана в последната му позиция — той не се връща в безопасно състояние.

Това разграничение е критично при приложения на SIS. IEC 61511 изисква всеки краен елемент да има дефинирана и проверима безопасна позиция при отказ. Двупосочен задвижващ механизъм без пружинен акумулатор или електрохидравлична резервна система не може да изпълни това изискване при загуба на инструментален въздух. Еднопосочните задвижващи механизми с пружинно връщане автоматично изпълняват изискванията за безопасна позиция при отказ на въздуха, което ги прави предпочитан избор за ESD клапани в SIL 1 и SIL 2 приложения. Серията Woodward ProAct е електрохидравличен задвижващ механизъм — по същество двупосочен — при който безопасността се постига чрез затваряне на хидравличното захранване чрез пружинно натоварен соленоид на хидравличния колектор.

Матрица за избор: съвпадение на типа задвижващ механизъм с приложението

• ESD изолационни клапани в SIL 1 или SIL 2 вериги: еднопосочен, с пружинно връщане. Безопасната позиция трябва да се потвърждава само от пружината, без въздух или захранване.
• Регулиращи клапани, изискващи 0.1% резолюция на позициониране: двупосочен с електропневматичен позиционер. Примери са клапани за контрол на подаването на вода, клапани против свръхналягане на компресори.
• Клапани на турбинни регулатори от серия Woodward ProAct: електрохидравлични, по същество двупосочни. Безопасността се постига чрез затваряне на хидравличното захранване и изпразване на цилиндъра на задвижващия механизъм чрез пружинно натоварен соленоид на хидравличния колектор.
• Пеперудни клапани на тръби с голям диаметър (>DN400): предпочитат се двупосочни, тъй като силата на пружината, необходима за завъртане на голям диск срещу скоростта на потока, би изисквала прекалено голям пружинен пакет.
• Модулиращ контрол с изисквана SIL функция: двупосочен задвижващ механизъм с възможност за частичен тест на хода. Allen-Bradley ControlLogix с HART DTM може да изпълни 15% PST и да регистрира подписа на задвижващия механизъм чрез RSLogix 5000 AOI.

Документирайте избора на тип задвижващ механизъм в спецификацията на веригата с препратка към анализа на безопасната позиция. Този запис става част от спецификацията за изискванията за безопасност по IEC 61511 за всеки краен елемент.

Изчисляване на силата на пружинното връщане за еднопосочни задвижващи механизми

Размерът на задвижващия механизъм с пружинно връщане изисква изчисляване на нетния въртящ момент, наличен на вала на клапана при най-неблагоприятни условия. Необходимият въртящ момент на пружината при контакт с седалката е равен на въртящия момент за уплътняване на клапана плюс динамичния въртящ момент при максимално диференциално налягане плюс триенето на вала. За типичен 2-инчов клас 300 сферичен клапан при 50 бара диференциал, въртящият момент за уплътняване е приблизително 220 N·m. Добавете 15% за триене и 10% за деградация на пружината за 10 години. Определете пружинен пакет, който доставя поне 280 N·m при минимално налягане на въздуха (обикновено 4.5 бара манометър).

Времето за отваряне на въздуха за задвижващия механизъм с пружинно връщане също е критично. ESD клапанът трябва да се затвори в рамките на времевия бюджет за реакция на SIL. За приложение на клапан на регулатор от Woodward ProAct, времето за реакция на задвижващия механизъм от 100% до 0% позиция трябва да е по-малко от забавянето на защитата срещу свръхскорост на турбината (обикновено 200 ms). Woodward посочва честотната реакция на задвижващия механизъм ProAct II като 5 Hz при −3 dB, което дава стъпкова реакция от около 70 ms за команда за пълен ход — значително в рамките на 200 ms бюджета.

Разлики в окабеляването на соленоидните клапани за еднопосочни и двупосочни задвижващи механизми

За еднопосочни задвижващи механизми: използвайте нормално отворен (NO) соленоиден клапан за подаване на въздух към задвижващия механизъм. При изключване на захранването (при ESD спиране или загуба на ток) соленоидът се затваря и вентилира цилиндъра на задвижващия механизъм. Свържете соленоида последователно с изходното реле на SIS. Не използвайте нормално затворен соленоид с еднопосочен задвижващ механизъм — при прекъсване на захранването соленоидът ще се отвори и ще подава въздух, борейки се с пружинното връщане.

За двупосочни задвижващи механизми: използвайте 5/2 соленоиден клапан за посочване на посоката. Два порта се свързват с противоположните краища на цилиндъра на задвижващия механизъм. При ESD спиране соленоидът превключва и обръща посоката на въздушния поток, задвижвайки клапана в противоположната позиция. Определете 5/2 клапан с пружинно връщане (не с фиксирана позиция или двоен соленоид), така че при прекъсване на захранването задвижващият механизъм да се върне в дефинираната безопасна позиция.

При Allen-Bradley ControlLogix 1756-OB8EI изолирани изходни модули, свържете соленоидните бобини на 24 VDC с диод за свободно въртене през всяка бобина. 1756-OB8EI осигурява електронна защита от късо съединение и индивидуална диагностика на каналите. Използвайте RSLogix 5000 AOI „FinalElement“ за наблюдение на състоянието на изхода и сравнение с обратната връзка от позиционера. Несъответствие над 5% за повече от 500 ms задейства аларма за повреда на клапана според ISA-18.2 при Приоритет 2.

Диагностика на повреди на място за двата типа задвижващи механизми

• Стъпка 1: Потвърдете реакцията на задвижващия механизъм с HART комуникатор. Изпратете команда за позиция 0% и наблюдавайте дали валът на клапана се движи. Ако обратната връзка за позиция се променя, но валът не се движи, счупена е връзката на вала или ръчката на вилката. Ако нито едно не се променя, проверете налягането на въздуха на входа на задвижващия механизъм (минимум 4.5 бара).
• Стъпка 2 — Еднопосочен: Измерете силата на пружинното връщане, като ръчно отворите блокиращия клапан за въздух и наблюдавате дали клапанът се затваря без въздушно налягане. Скорост на изпускане на налягането по-бавна от 5 секунди показва ограничение в пилотния отвор на соленоида — почистете или сменете соленоида.
• Стъпка 3 — Двупосочен: Проверете едновременно наляганията на входа и изхода на въздуха. Сумата от наляганията на подаване и изпускане трябва да е равна на налягането в главния въздушен колектор. Налягане на подаване под 4.0 бара при 6.0 бара в колектора показва ограничение в тялото на 5/2 соленоида.
• Стъпка 4: Проверете сигнала за обратна връзка от позиционера на Allen-Bradley AI модул. Използвайте RSLogix 5000 за четене на суровата стойност 4–20 mA. Стойност под 3.8 mA показва счупен потенциометър за обратна връзка или LVDT връзка. Стойност над 20.5 mA показва късо съединение в кабелите за обратна връзка. И двата дефекта генерират лош таг в PLC и трябва да задействат автоматично уведомление за поддръжка.
• Стъпка 5 — Woodward ProAct: Свържете лаптоп с инсталиран Woodward ToolKit софтуер чрез RS-232 сервизен порт. Наблюдавайте в реално време позицията на задвижващия механизъм, налягането на захранването и управляващия ток. Несъответствие между командния ток и позицията на задвижващия механизъм над 5% в стабилно състояние показва вътрешно хидравлично изтичане през серво шпулата — изисква сервизен ремонт в Woodward сервизен център.

Заключение и препоръки за действие

Еднопосочните и двупосочните задвижващи механизми служат за принципно различни цели. Изборът на грешен тип за ESD клапан може да доведе до движение на клапана в неправилна позиция при аварийна ситуация в процеса. Решението за избор трябва да се взема във фазата на проектиране на функционалната безопасност, а не в заявката за поръчка.

Ако въвеждате в експлоатация нови ESD клапани този тримесечие, проверете посоката на безопасното връщане на задвижващия механизъм спрямо матрицата причина-следствие. За съществуващи инсталации извършете частичен тест на хода при първата възможност и запишете времето за ход спрямо времевия бюджет за реакция на SIL. За приложения с регулатори Woodward ProAct свържете ToolKit и регистрирайте честотната реакция на задвижващия механизъм преди следващата планирана поддръжка. Данните, събрани днес, предотвратяват аварийни ремонти утре.

Автор: Чжан Вейджун е инженер по индустриална автоматизация с над 10 години опит в PLC, DCS и системи за управление.