Vienvirziena un divvirzienu aktuatori: izvēles kritēriji, drošības dizains un lauka bojājumu diagnostika

Pamatatšķirība un tās nozīme drošības lietojumos

Vienvirziena piedziņa izmanto instrumentu gaisu kustībai vienā virzienā un atsperes spēku, lai atgrieztos drošajā pozīcijā, kad gaiss tiek atslēgts. Divvirzienu piedziņa izmanto gaisa spiedienu kustībai abos virzienos. Gaisa atslēgšana divvirzienu piedziņā atstāj vārstu tā pēdējā pozīcijā — tas nevirza uz drošu stāvokli.

Šī atšķirība ir kritiska SIS lietojumos. IEC 61511 prasa, lai katram galīgajam elementam būtu definēta un pārbaudāma drošā pozīcija. Divvirzienu piedziņa bez atsperes akumulatora vai elektrohidrauliskas rezerves nevar izpildīt šo prasību, zaudējot instrumentu gaisu. Vienvirziena atsperes atgriešanās piedziņas automātiski izpilda drošās pozīcijas prasības gaisa zuduma gadījumā, padarot tās par noklusējuma izvēli ESD vārstiem SIL 1 un SIL 2 lietojumos. Woodward ProAct sērija ir elektrohidrauliska piedziņa — būtībā divvirzienu — kur drošā stāvokļa sasniegšana notiek, aizverot hidraulikas padevi ar atsperes slodzi solenoīdu hidraulikas kolektorā.

Izvēles matrica: piedziņas veida atbilstība lietojumam

• ESD izolācijas vārsti SIL 1 vai SIL 2 ķēdēs: vienvirziena, atsperes atgriešanās. Drošā pozīcija jāapstiprina tikai ar atsperi, bez gaisa vai strāvas.
• Vadības vārsti ar 0,1% pozicionēšanas precizitāti: divvirzienu ar elektro-pneimatisko pozicionieri. Piemēri: barošanas ūdens vadības vārsti, kompresora pretplūsmas vārsti.
• Turbīnas regulēšanas vārsti Woodward ProAct sērijā: elektrohidrauliski, būtībā divvirzienu. Drošā stāvokļa sasniegšana notiek, aizverot hidraulikas padevi un iztukšojot piedziņas cilindru ar atsperes slodzi solenoīdu hidraulikas kolektorā.
• Vārpstas vārsti lielu diametru caurulēm (>DN400): priekšroka divvirzienu piedziņām, jo atsperes spēks, kas nepieciešams lielas diska rotācijai pret plūsmas ātrumu, prasītu pārmērīgi lielu atsperes komplektu.
• Modulējoša vadība ar SIL funkciju: divvirzienu piedziņa ar daļējas gājiena pārbaudes iespēju. Allen-Bradley ControlLogix ar HART DTM var veikt 15% PST un reģistrēt piedziņas signatūru, izmantojot RSLogix 5000 AOI.

Dokumentējiet piedziņas veida izvēli savā ķēdes specifikācijas lapā ar atsauci uz drošās pozīcijas analīzi. Šis ieraksts kļūst par IEC 61511 drošības prasību specifikācijas daļu katram galīgajam elementam.

Atsperes atgriešanās spēka aprēķins vienvirziena piedziņām

Vienvirziena atsperes piedziņas izmērošanai jāaprēķina pieejamais tīrais griezes moments vārsta kātam sliktākajos apstākļos. Nepieciešamais atsperes griezes moments sēdekļa kontaktā ir vārsta sēdekļa griezes moments plus dinamiskais griezes moments pie maksimālā spiediena starpības plus kāta berze. Tipiskam 2 collu 300. klases lodveida vārstam pie 50 bāru spiediena starpības sēdekļa griezes moments ir aptuveni 220 N·m. Pievienojiet 15% berzei un 10% atsperes nolietojumam 10 gadu laikā. Norādiet atsperes komplektu, kas nodrošina vismaz 280 N·m pie minimālā padeves gaisa spiediena (parasti 4,5 bāri).

Vienvirziena piedziņas gaisa atvēršanas laiks ir arī kritisks. ESD vārstam jāaizveras SIL reakcijas laika budžeta ietvaros. Woodward ProAct regulēšanas vārsta lietojumā piedziņas reakcijas laiks no 100% līdz 0% pozīcijai jābūt mazākam par turbīnas pārsnieguma aizsardzības trigerēšanas aizturi (parasti 200 ms). Woodward norāda ProAct II piedziņas frekvenču reakciju kā 5 Hz pie −3 dB, kas dod aptuvenu 70 ms soļa reakciju pilnam gājienam — labi ietilpst 200 ms budžetā.

Solenoīda vārsta vadu atšķirības vienvirziena un divvirzienu piedziņām

Vienvirziena piedziņām: izmantojiet parasti atvērtu (NO) solenoīda vārstu, lai piegādātu gaisu piedziņai. Kad solenoīds ir bez strāvas (ESD trigerēšanas vai strāvas zuduma gadījumā), tas aizveras un izvada gaisu no piedziņas cilindra. Pieslēdziet solenoīdu sērijā ar SIS izejas releju. Nelietojiet parasti aizvērtu solenoīdu vienvirziena piedziņai — strāvas zudums atvērtu solenoīdu un piegādātu gaisu, kas cīnītos ar atsperes atgriešanos.

Divvirzienu piedziņām: izmantojiet 5/2 virziena vadības solenoīdu. Divi porti savienoti ar pretējiem piedziņas cilindra galiem. ESD trigerēšanas gadījumā solenoīds pārslēdzas un maina gaisa plūsmas virzienu, virzot vārstu pretējā pozīcijā. Norādiet atsperes atgriešanās 5/2 vārstu (nevis fiksētu vai dubultsolenoīda tipu), lai strāvas zudums virzītu piedziņu uz definēto drošo pozīciju.

Allen-Bradley ControlLogix 1756-OB8EI izolētajos izejas moduļos pieslēdziet solenoīda spolēs 24 VDC ar brīvās darbības diodi katras spoles galos. 1756-OB8EI nodrošina elektronisku īssavienojuma aizsardzību un individuālu kanālu diagnostiku. Izmantojiet RSLogix 5000 AOI “FinalElement”, lai uzraudzītu izejas stāvokli un salīdzinātu ar pozicioniera atgriezenisko saiti. Ja neatbilstība pārsniedz 5% vairāk nekā 500 ms, tiek aktivizēta vārsta kļūdas trauksme ISA-18.2 prioritātē 2.

Abu piedziņu veidu lauka kļūdu diagnostika

• 1. solis: Apstipriniet piedziņas reakciju ar HART komunikatoru. Nosūtiet 0% pozīcijas komandu un novērojiet, vai vārsta kāts kustas. Ja pozīcijas atgriezeniskā saite mainās, bet kāts nekustas, kāta savienojums vai jūgs ir bojāts. Ja neviens nemainās, pārbaudiet gaisa padeves spiedienu pie piedziņas ieejas (minimāli 4,5 bāri).
• 2. solis — vienvirziena: Izmēriet atsperes atgriešanās spēku, manuāli atverot gaisa padeves bloķēšanas vārstu un novērojot, vai vārsts aizveras bez gaisa spiediena. Ja spiediena noplūdes ātrums ir lēnāks par 5 sekundēm, tas norāda uz solenoīda pilotvārsta orifices aizsprostojumu — attīriet vai nomainiet solenoīdu.
• 3. solis — divvirzienu: Vienlaikus pārbaudiet gan gaisa ieplūdes, gan izplūdes spiedienu. Padeves un izplūdes spiedienu summa jābūt vienādai ar instrumentu gaisa galvenā spiedienu. Ja padeves spiediens ir zem 4,0 bāriem, kamēr galvenais spiediens ir 6,0 bāri, tas norāda uz aizsprostojumu 5/2 solenoīda korpusā.
• 4. solis: Pārbaudiet pozicioniera atgriezeniskās saites signālu Allen-Bradley AI modulī. Izmantojiet RSLogix 5000, lai nolasītu neapstrādāto 4–20 mA vērtību. Lasījums zem 3,8 mA norāda uz bojātu atgriezeniskās saites potenciometru vai LVDT savienojumu. Lasījums virs 20,5 mA norāda uz īssavienojumu atgriezeniskās saites vados. Abas kļūdas ģenerē BAD kvalitātes tagu PLC un jāizsauc automātiska apkopes paziņojums.
• 5. solis — Woodward ProAct: Pieslēdziet klēpjdatoru ar Woodward ToolKit programmatūru caur RS-232 servisa portu. Reāllaikā uzraugiet piedziņas pozīciju, padeves spiedienu un vadības strāvu. Ja komandas strāvas un piedziņas pozīcijas neatbilstība pārsniedz 5% stabilā stāvoklī, tas norāda uz iekšēju hidraulikas noplūdi servo spoles zonā — nepieciešama Woodward servisa remonta darbnīca.

Nobeigums un rīcības ieteikumi

Vienvirziena un divvirzienu piedziņas kalpo fundamentāli atšķirīgiem mērķiem. Nepareiza veida izvēle ESD vārstam var nozīmēt, ka vārsts procesā ārkārtas situācijā pārvietojas nepareizā pozīcijā. Izvēles lēmums jāpieņem funkcionālās drošības projektēšanas posmā, nevis iepirkuma pieprasījuma formā.

Ja šajā ceturksnī nododat ekspluatācijā jaunus ESD vārstus, pārbaudiet piedziņas drošās pozīcijas virzienu pret cēloņu un seku matricu. Esošajās uzstādījumos veiciet daļējas gājiena pārbaudi nākamajā pieejamajā reizē un ierakstiet gājiena laiku pret SIL reakcijas budžetu. Woodward ProAct regulēšanas lietojumos pieslēdziet ToolKit un reģistrējiet piedziņas frekvenču reakciju pirms nākamās plānotās apkopes pārtraukuma. Šodien iegūtie dati novērš ārkārtas remontu rīt.

Autors: Zhang Weijun ir rūpnieciskās automatizācijas inženieris ar vairāk nekā 10 gadu pieredzi PLC, DCS un vadības sistēmās.